Nghiên cứu Arduino và ứng dụng điều khiển hệ thống chiếu sáng công cộng

Khám phá bo mạch Arduino và ứng dụng trong điều khiển hệ thống chiếu sáng thông minh. Tìm hiểu cách lập trình Arduino để tạo ra các giải pháp chiếu sáng hiệu quả.

• Tác giả: Nguyễn Thành Trung
• Người hướng dẫn: Ts. Nguyễn Hoài Nam
• Trường học: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
• Đề tài: Nghiên cứu bo mạch Arduino và ứng dụng cho hệ thống chiếu sáng
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
• KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• MỞ ĐẦU
• 1. Mục tiêu của luận văn
• 2. Mục tiêu nghiên cứu
• 3. Nội dung của luận văn
• 1. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHIẾU SÁNG VÀ ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG
• 1.1. Tổng quan về tình hình chiếu sáng tại việt nam
• 1.2. Tính cấp thiết của hệ thống chiếu sáng công cộng
• 1.2.1. Vai trò của hệ thống chiếu sáng công cộng
• 1.2.2. Thực tế chiếu sáng công cộng ở Việt Nam
• 1.3. Các nguyên lý cơ bản trong chiếu sáng
• 1.4. Các cấp chiếu sáng
• 1.5. Các phƣơng án bố trí đèn
• 1.6. Các loại đèn sử dụng trong chiếu sáng đô thị
• 1.7. Nguồn cấp cho chiếu sáng công cộng
• 1.7.1. Các phƣơng pháp cung cấp
• 1.7.2. Phân phối điện
• 1.7.3. Bố trí đƣờng dây
• 1.7.4. Yêu cầu kỹ thuật
• 1.8. Các yêu cầu chung đối với hệ thống chiếu sáng công cộng
• 1.9. Dự định nghiên cứu và xu hƣớng nghiên cứu hiện nay
• 1.10. Tính cấp thiết
• 1.11. Kết luận chƣơng 1
• 2. CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TRUNG TÂM ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ MẠNG KHÔNG DÂY GSM/GPRS
• 2.1. Thực trạng hệ thống điều khiển chiếu sáng công cộng tại Việt Nam vả trên thế giới
• 2.2. Các mô hình điều khiển giám sát và truyền thông cho hệ thống chiếu sáng công cộng
• 2.3. So sánh ƣu nhƣợc điểm của các giải pháp truyền thông
• 2.4. Hệ thống điều khiển & giám sát chiếu sáng đô thị, sử dụng công nghệ GSM/GPRS do HAPULICO phát triển
• 2.5. Phát triển phần mềm điều khiển và giám sát Hệ thống chiếu sáng
• 2.6. Giới thiệu giải pháp trung tâm điều khiển chiếu sáng công cộng – SAVELITE ( ISRAEL)
• 2.7. Khả năng ứng dụng công nghệ truyền thông mạng không dây trong điều khiển và quản lý hệ thống chiếu sáng tại Việt Nam
• 2.8. Kết luận chƣơng 2
• 3. CHƢƠNG 3: TÌM HIỂU VỀ BO MẠCH ARDUNIO VÀ XÂY DỰNG THUẬT TOÁN CHO BO MẠCH ARDUINO ĐỂ ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG
• 3.1. Giới thiệu về Arduino
• 3.1.1. Hiện tƣợng Arduino
• 3.1.2. Ứng dụng arduino vào điều khiển hệ thống chiếu sáng
• 3.2. Khả năng của bo mạch Arduino
• 3.2.1. Sức mạnh xử lý
• 3.2.2. Đọc tín hiệu cảm biến ngõ vào
• 3.2.3. Xuất tín hiệu điều khiển ngõ ra
• 3.2.4. Chuẩn Giao tiếp
• 3.3. Môi trƣờng lập trình bo mạch Arduino
• 3.4. Các loại bo mạch Arduino
• 3.5. Giới thiệu về thƣ viện GSM
• 3.5.1. Cấu trúc thƣ viện
• 3.5.2. Khả năng tƣơng thích thƣ viện Ethernet
• 3.6. Giới thiệu thƣ viện Arduino trong simulink
• 3.6.1. Khối Arduino IO Setup
• 3.6.2. Khối Real - Time Pacer
• 3.7. Kết luận chƣơng 3
• 4. CHƢƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG SỬ DỤNG RƠLE THỜI GIAN, ARDUINO VÀ MÁY TÍNH
• 4.1. Giới thiệu về mô hình
• 4.2. Tổng kê thiết bị vật tƣ làm mô hình
• 4.3. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển và mạch động lực
• 4.4. Điều khiển mô hình chiếu sáng công cộng sử dụng bo mạch arduino
• 4.5. Điều khiển mô hình chiếu sáng công cộng qua máy tính
• 4.6. Kết luận chƣơng 4
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Khám phá hệ thống chiếu sáng thông minh với Arduino DIY

Arduino là một nền tảng mã nguồn mở mạnh mẽ. Nó cho phép xây dựng các thiết bị điện tử tương tác một cách dễ dàng. Nền tảng này bao gồm một bo mạch vi điều khiển và một môi trường phát triển tích hợp (IDE). Với Arduino, việc tạo ra một hệ thống chiếu sáng thông minh không còn là điều phức tạp. Đây là giải pháp lý tưởng cho các dự án nhà thông minh DIY, cho phép người dùng tự động hóa việc chiếu sáng dựa trên nhiều yếu-tố-khác-nhau. Hệ thống có thể tự điều chỉnh độ sáng, bật/tắt đèn theo thời gian thực hoặc theo sự hiện diện của con người. Lợi ích chính của việc tự động hóa chiếu sáng là nâng cao tiện nghi và đặc biệt là tiết kiệm năng lượng. Thay vì bật đèn thủ công và quên tắt, hệ thống sẽ đảm nhiệm công việc này một cách chính xác. Luận văn của Nguyễn Thành Trung (2015) cũng nhấn mạnh vai trò của việc hiện đại hóa hệ thống chiếu sáng công cộng để "giải quyết bài toán giám sát, chống thất thoát điện năng". Nguyên tắc này hoàn toàn có thể áp dụng cho quy mô gia đình. Việc ứng dụng Arduino vào Internet of Things (IoT) mở ra vô số khả năng, biến các thiết bị thông thường trở nên thông minh và kết nối với nhau.

1.1. Giới thiệu tổng quan về nền tảng Arduino

Arduino là một bo mạch vi điều khiển được thiết kế để đơn giản hóa quá trình tạo mẫu các dự án điện tử. Phần cứng của nó là mã nguồn mở. Phần mềm lập trình (IDE) miễn phí và dễ sử dụng. Điều này giúp cộng đồng người dùng phát triển nhanh chóng. Các bo mạch phổ biến như Arduino Uno, Mega, hay Nano cung cấp đủ sức mạnh để xử lý các tác vụ từ đơn giản đến phức tạp. Sức mạnh chính của Arduino nằm ở khả năng đọc tín hiệu từ cảm biến và điều khiển các thiết bị ngoại vi như động cơ, đèn LED, module relay. Việc lập trình Arduino sử dụng ngôn ngữ dựa trên C/C++, giúp người mới bắt đầu dễ dàng tiếp cận.

1.2. Lợi ích của việc tự động hóa chiếu sáng

Tự động hóa hệ thống chiếu sáng mang lại nhiều lợi ích thiết thực. Lợi ích lớn nhất là tiết kiệm năng lượng. Hệ thống chỉ bật đèn khi cần thiết, ví dụ như khi có người trong phòng hoặc khi trời tối. Điều này giúp giảm đáng kể hóa đơn tiền điện. Thứ hai, nó tăng cường sự tiện nghi. Không cần phải tìm công tắc trong bóng tối hay lo lắng về việc đã tắt hết đèn trước khi ra khỏi nhà. Cuối cùng, tự động hóa còn giúp tăng cường an ninh. Việc lập trình đèn bật/tắt ngẫu nhiên khi vắng nhà có thể tạo cảm giác như có người ở bên trong, giúp ngăn chặn kẻ gian.

1.3. Vai trò của Arduino trong các dự án Internet of Things IoT

Arduino đóng vai trò như bộ não trung tâm trong nhiều dự án Internet of Things (IoT). Nó thu thập dữ liệu từ cảm biến, xử lý thông tin và gửi lệnh đến các thiết bị chấp hành. Khi kết hợp với các module kết nối như ESP8266 NodeMCU hoặc ESP32, Arduino có thể gửi và nhận dữ liệu qua mạng Internet. Điều này cho phép tạo ra các hệ thống có khả năng điều khiển qua Wi-Fi từ điện thoại thông minh hoặc máy tính. Trong hệ thống chiếu sáng thông minh, Arduino kết nối các cảm biến và đèn vào một mạng lưới, cho phép giám sát và điều khiển tập trung, đặt nền móng cho một ngôi nhà thông minh thực thụ.

II. Thách thức của hệ thống chiếu sáng truyền thống và giải pháp

Hệ thống chiếu sáng truyền thống tồn tại nhiều bất cập. Vấn đề lớn nhất là sự lãng phí điện năng. Các công tắc cơ học yêu cầu sự can thiệp thủ công để bật và tắt. Người dùng thường xuyên quên tắt đèn khi không sử dụng, dẫn đến tổn thất năng lượng không cần thiết. Theo nghiên cứu trong lĩnh vực chiếu sáng công cộng, việc "điều khiển bật/tắt tại các tủ chiếu sáng dựa vào thời gian thực... dẫn đến đèn chiếu sáng có thể được bật lên sớm hoặc lên muộn" (Nguyễn Thành Trung, 2015), gây ra sự lãng phí. Hạn chế thứ hai là thiếu tính linh hoạt. Hệ thống truyền thống không thể tự động điều chỉnh theo điều kiện môi trường. Ví dụ, đèn vẫn sáng với cường độ tối đa dù ánh sáng tự nhiên bên ngoài đã đủ dùng. Điều này không chỉ gây lãng phí mà còn tạo ra môi trường ánh sáng không thoải mái. Giải pháp cho những thách thức này chính là xây dựng một hệ thống chiếu sáng thông minh sử dụng Arduino. Hệ thống này có khả năng tự động hóa, giám sát và đưa ra quyết định dựa trên dữ liệu từ cảm biến, giúp tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng và nâng cao trải nghiệm người dùng.

2.1. Lãng phí do thiếu khả năng tiết kiệm năng lượng

Các hệ thống chiếu sáng cũ không được thiết kế với mục tiêu tiết kiệm năng lượng. Chúng hoạt động ở mức công suất 100% mỗi khi được bật. Không có cơ chế tự động giảm độ sáng hoặc tắt khi không cần thiết. Điều này đặc biệt lãng phí ở những khu vực ít người qua lại như hành lang, nhà kho hoặc trong các văn phòng ngoài giờ làm việc. Sự thiếu hụt các thiết bị thông minh như cảm biến chuyển động PIR hay cảm biến ánh sáng LDR khiến hệ thống hoạt động một cách cứng nhắc và kém hiệu quả, gây ra chi phí vận hành cao.

2.2. Hạn chế trong việc điều khiển và giám sát thủ công

Việc điều khiển hoàn toàn thủ công là một nhược điểm lớn. Người dùng phải di chuyển đến từng công tắc để bật/tắt đèn. Việc này trở nên bất tiện trong các không gian lớn hoặc khi có nhiều khu vực chiếu sáng riêng biệt. Thêm vào đó, không có khả năng giám sát từ xa. Người quản lý không thể biết được trạng thái của đèn (bật/tắt) hay mức tiêu thụ điện năng nếu không kiểm tra trực tiếp. Điều này gây khó khăn trong công tác quản lý, bảo trì và tối ưu hóa hệ thống, đặc biệt với quy mô lớn như tòa nhà văn phòng hay nhà xưởng.

2.3. Thiếu linh hoạt khi thay đổi môi trường và nhu cầu

Môi trường ánh sáng luôn thay đổi. Ánh sáng tự nhiên thay đổi theo thời gian trong ngày và theo thời tiết. Hệ thống chiếu sáng truyền thống không thể thích ứng với những thay đổi này. Chúng không thể tự động tăng độ sáng khi trời u ám hoặc giảm độ sáng khi có nhiều ánh nắng. Tương tự, nhu cầu sử dụng cũng không cố định. Một phòng họp có thể cần ánh sáng mạnh cho công việc, nhưng lại cần ánh sáng dịu hơn cho buổi thuyết trình. Hệ thống cũ không đáp ứng được yêu cầu này một cách linh hoạt nếu không có sự can thiệp phức tạp.

III. Hướng dẫn chọn linh kiện cho dự án nhà thông minh DIY

Để xây dựng một hệ thống chiếu sáng thông minh dựa trên Arduino, việc lựa chọn linh kiện phù hợp là bước đầu tiên và quan trọng nhất. Một dự án thành công đòi hỏi sự kết hợp hài hòa giữa bộ não xử lý, các cơ quan cảm biến và cơ cấu chấp hành. Bo mạch vi điều khiển là trái tim của hệ thống, quyết định khả năng xử lý và kết nối. Các loại cảm biến đóng vai trò là "giác quan", thu thập thông tin từ môi trường xung quanh như ánh sáng, chuyển động. Cuối cùng, các thiết bị chấp hành như rơ-le và đèn sẽ thực thi mệnh lệnh từ bo mạch. Việc lựa chọn đúng linh kiện không chỉ đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định mà còn tối ưu hóa chi phí cho dự án nhà thông minh DIY. Cần cân nhắc kỹ về quy mô dự án, yêu cầu về kết nối không dây và loại đèn sẽ được điều khiển để có một danh sách vật tư phù hợp. Lựa chọn bo mạch có tích hợp Wi-Fi như ESP8266 NodeMCU hoặc ESP32 sẽ giúp đơn giản hóa việc kết nối và điều khiển qua Wi-Fi.

3.1. Lựa chọn bo mạch Arduino Uno ESP8266 ESP32

Arduino Uno là lựa chọn kinh điển cho người mới bắt đầu vì sự đơn giản và cộng đồng hỗ trợ lớn. Tuy nhiên, nó không có kết nối không dây tích hợp. Đối với các dự án Internet of Things (IoT), ESP8266 NodeMCU là một lựa chọn tuyệt vời. Nó có giá thành rẻ, tích hợp sẵn Wi-Fi và có thể được lập trình trực tiếp từ Arduino IDE. Mạnh mẽ hơn là ESP32, với bộ xử lý lõi kép, tích hợp cả Wi-Fi và Bluetooth. Lựa chọn bo mạch phụ thuộc vào yêu cầu của dự án: Uno cho các hệ thống ngoại tuyến đơn giản, ESP8266 cho các dự án IoT cơ bản, và ESP32 cho các ứng dụng yêu cầu hiệu năng cao và nhiều tùy chọn kết nối.

3.2. Các loại cảm biến cần thiết LDR và PIR

Cảm biến là thành phần không thể thiếu để hệ thống trở nên "thông minh". Cảm biến ánh sáng LDR (Light Dependent Resistor) được dùng để đo cường độ ánh sáng môi trường. Dựa vào tín hiệu từ LDR, Arduino có thể quyết định bật đèn khi trời tối và tắt khi trời sáng. Cảm biến chuyển động PIR (Passive Infrared) dùng để phát hiện sự hiện diện của con người thông qua thân nhiệt. Nó rất hữu ích để tự động bật đèn ở hành lang, nhà vệ sinh hoặc cầu thang khi có người đi qua và tự động tắt sau một khoảng thời gian không có chuyển động, giúp tiết kiệm năng lượng hiệu quả.

3.3. Thiết bị chấp hành Module Relay và đèn LED RGB

Thiết bị chấp hành thực hiện lệnh điều khiển từ Arduino. Để điều khiển các bóng đèn sử dụng điện áp cao (220V), cần sử dụng module relay. Relay hoạt động như một công tắc điện tử, cho phép vi điều khiển với điện áp thấp (5V) đóng/ngắt an toàn dòng điện lớn. Đối với các ứng dụng trang trí hoặc yêu cầu thay đổi màu sắc, đèn LED RGB là lựa chọn lý tưởng. Arduino có thể điều khiển chính xác màu sắc và độ sáng của dải LED RGB thông qua các chân PWM (Pulse Width Modulation), tạo ra các hiệu ứng ánh sáng sinh động và tùy biến cao.

IV. Bí quyết lập trình Arduino điều khiển đèn từ cơ bản đến A Z

Sau khi đã có đủ linh kiện, bước tiếp theo là kết nối phần cứng và lập trình Arduino. Quá trình này bao gồm ba giai đoạn chính: xây dựng mạch điện, viết mã lệnh điều khiển và kiểm thử hệ thống. Việc đầu tiên cần làm là vẽ sơ đồ nguyên lý. Sơ đồ này giúp hình dung rõ ràng cách kết nối giữa bo mạch, cảm biến và module relay. Một sơ đồ chính xác sẽ giảm thiểu rủi ro chập cháy và giúp gỡ lỗi dễ dàng hơn. Tiếp theo là giai đoạn viết code điều khiển đèn. Mã lệnh là linh hồn của hệ thống, quyết định cách hệ thống phản ứng với các tín hiệu đầu vào. Bắt đầu với những logic đơn giản, ví dụ như đọc giá trị từ cảm biến ánh sáng LDR và bật relay nếu giá trị thấp hơn một ngưỡng nhất định. Sau đó, có thể phát triển thêm các tính năng phức tạp hơn như kết hợp nhiều cảm biến, hẹn giờ, hoặc tạo các kịch bản chiếu sáng khác nhau. Cuối cùng, việc nâng cấp hệ thống với các phương thức điều khiển không dây sẽ mang lại sự tiện lợi tối đa.

4.1. Xây dựng sơ đồ nguyên lý và kết nối mạch điện

Việc xây dựng sơ đồ nguyên lý là bước bắt buộc. Cần xác định rõ các chân kết nối trên bo mạch Arduino sẽ được sử dụng. Ví dụ, chân Analog để đọc tín hiệu từ cảm biến ánh sáng LDR, chân Digital để đọc tín hiệu từ cảm biến chuyển động PIR và một chân Digital khác để gửi tín hiệu điều khiển tới module relay. Khi kết nối, cần chú ý đến việc cấp nguồn chính xác cho các linh kiện (VCC và GND) và đảm bảo các kết nối tín hiệu chắc chắn. Đặc biệt cẩn trọng khi làm việc với điện áp 220V ở phía đầu ra của relay để đảm bảo an toàn tuyệt đối.

4.2. Viết code điều khiển đèn tự động với cảm biến

Viết code điều khiển đèn trong Arduino IDE là quá trình hiện thực hóa logic hoạt động. Cấu trúc một chương trình Arduino cơ bản gồm hai hàm chính: setup() và loop(). Trong hàm setup(), ta khai báo các chân vào/ra (INPUT/OUTPUT). Trong hàm loop(), ta viết logic điều khiển lặp đi lặp lại. Ví dụ, trong loop(), chương trình sẽ liên tục đọc giá trị từ cảm biến PIR. Nếu phát hiện chuyển động, nó sẽ gửi tín hiệu HIGH đến chân điều khiển relay để bật đèn và khởi động một bộ đếm thời gian. Nếu không phát hiện chuyển động trong một khoảng thời gian nhất định, nó sẽ gửi tín hiệu LOW để tắt đèn.

4.3. Nâng cấp với điều khiển qua Bluetooth và Wi Fi

Để hệ thống linh hoạt hơn, có thể tích hợp các module không dây. Điều khiển qua Bluetooth là một lựa chọn đơn giản, phù hợp cho việc điều khiển trong phạm vi gần (khoảng 10 mét) thông qua một ứng dụng di động tự xây dựng. Đối với khả năng điều khiển từ bất cứ đâu, điều khiển qua Wi-Fi là giải pháp tối ưu. Sử dụng bo mạch như ESP8266 NodeMCU cho phép kết nối hệ thống vào mạng Internet. Người dùng có thể giám sát và điều khiển đèn từ xa thông qua một trang web hoặc ứng dụng di động chuyên dụng như Blynk app, mang lại sự tiện nghi và khả năng kiểm soát toàn diện.

V. Phương pháp kết nối IoT cho hệ thống chiếu sáng Arduino

Việc biến một hệ thống chiếu sáng tự động thành một hệ thống Internet of Things (IoT) thực thụ đòi hỏi khả năng kết nối, thu thập dữ liệu và điều khiển từ xa qua mạng Internet. Đây là bước nâng cao, giúp tối ưu hóa hoạt động và mang lại trải nghiệm người dùng vượt trội. Nền tảng Arduino, đặc biệt khi kết hợp với các bo mạch ESP32 hay ESP8266 NodeMCU, cung cấp một nền tảng vững chắc để triển khai các giải pháp IoT. Một trong những phương pháp phổ biến nhất là sử dụng các nền tảng IoT-as-a-Service như Blynk. Những nền tảng này cung cấp sẵn giao diện người dùng trên di động và cơ sở hạ tầng máy chủ, giúp việc tạo ra một ứng dụng điều khiển từ xa trở nên nhanh chóng. Ngoài ra, việc sử dụng các giao thức truyền thông nhẹ như giao thức MQTT là yếu tố then chốt để xây dựng một hệ thống IoT ổn định và có khả năng mở rộng. Dữ liệu thu thập được từ hệ thống không chỉ dùng để điều khiển tức thời mà còn có thể được phân tích để tìm ra các quy luật sử dụng, từ đó đề xuất các kịch bản tiết kiệm năng lượng hiệu quả hơn.

5.1. Sử dụng Blynk app để giám sát và điều khiển từ xa

Blynk app là một công cụ mạnh mẽ cho các dự án nhà thông minh DIY. Nó cho phép người dùng tạo ra một giao diện điều khiển trên điện thoại thông minh bằng cách kéo-thả các widget như nút bấm, thanh trượt, biểu đồ. Sau khi thiết kế giao diện, người dùng chỉ cần cài đặt thư viện Blynk vào Arduino IDE và viết một đoạn mã ngắn để kết nối bo mạch với máy chủ Blynk. Thông qua ứng dụng, có thể bật/tắt đèn, điều chỉnh độ sáng của đèn LED RGB, và xem dữ liệu từ cảm biến theo thời gian thực từ bất kỳ đâu có kết nối Internet, biến việc điều khiển qua Wi-Fi trở nên trực quan và dễ dàng.

5.2. Triển khai giao thức MQTT cho quản lý tập trung

Đối với các hệ thống lớn hơn với nhiều thiết bị cần giao tiếp với nhau, giao thức MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) là một tiêu chuẩn vàng. Đây là một giao thức publish-subscribe cực kỳ nhẹ, được thiết kế cho các thiết bị có tài nguyên hạn chế và hoạt động trên các mạng không ổn định. Trong mô hình này, các bo mạch Arduino sẽ "publish" (công bố) trạng thái và dữ liệu cảm biến lên một "topic" (chủ đề) trên một máy chủ trung tâm (MQTT Broker). Các ứng dụng điều khiển hoặc các thiết bị khác sẽ "subscribe" (đăng ký) vào topic đó để nhận thông tin. MQTT giúp hệ thống có khả năng mở rộng cao và giảm sự phụ thuộc trực tiếp giữa các thiết bị.

5.3. Phân tích dữ liệu để tối ưu hóa việc tiết kiệm năng lượng

Một hệ thống IoT thực sự thông minh không chỉ thực thi lệnh mà còn có khả năng học hỏi. Dữ liệu về thời gian bật/tắt đèn, tần suất phát hiện chuyển động, cường độ ánh sáng môi trường... có thể được thu thập và lưu trữ trên một cơ sở dữ liệu. Bằng cách phân tích các dữ liệu này, có thể xác định các mô hình sử dụng ánh sáng. Ví dụ, nếu một khu vực không có chuyển động trong một khung giờ nhất định hàng ngày, hệ thống có thể tự động đề xuất tắt đèn hoàn toàn trong khoảng thời gian đó. Quá trình này giúp tinh chỉnh các quy tắc tự động hóa, tối đa hóa hiệu quả tiết kiệm năng lượng dựa trên thói quen sử dụng thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. Mục tiêu của luận văn Hiện nay việc ứng dụng công nghệ thu thập dữ liệu xa, điều khiển xa và giám sát xa cho các lĩnh vực khác nhau của nền kinh tế quốc dân là rất cần thiết. Ngành chiếu sáng nơi công cộng, đô thị…cũng là một trong những lĩnh vực rất đƣợc quan tâm, nhằm giải quyết bài toán giám sát, chống thất thoát điện năng. Đây là một vấn đề cấp thiết vì hệ thống chiếu sáng trải dài trên phậm vi toàn quốc Hệ thống chiếu sáng công cộng là một trong những hạng mục công trình hạ tầng kỹ thuật không thể thiếu của các đô thị.

Để đáp ứng đƣợc tốc độ phát triển đô thị, trong những năm gần đây các đô thị đã không ngừng đầu tƣ cải tạo và xây dựng hệ thống chiếu sáng công cộng nhằm nâng cao chất lƣợng ánh sáng. Trên thế giới, hầu hết các đô thị loại vừa và lớn đều đƣợc trang bị, lắp đặt một hoặc nhiều trung tâm điều khiển cho hệ thống chiếu sáng thành phố nhằm phát huy hiệu quả cao trong công tác vận hành và kiểm soát lƣới đèn. Nhận thấy đƣợc vai trò quan trọng của không ngừng đầu tƣ cải tạo và xây dựng hệ thống chiếu sáng công cộng nhằm nâng cao chất lƣợng ánh sáng, vì vậy tôi chọn đề tài " NGHIÊN CỨU BO MẠCH ARDUINO VÀ ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG ". Mục tiêu nghiên cứu - Tìm hiểu về chiếu sáng và so sánh các phƣơng pháp điều khiển chiếu sáng trên thế giới dùng công nghệ truyền thông.

- Khảo sát chất lƣợng trung tâm điều khiển chiếu sáng sử dụng công nghệ mạng không dây GSM/GPRS để điều khiển hệ thống chiếu sáng công cộng bằng mô phỏng và kiểm chứng bằng thực nghiệm. - Nghiên cứu bo mạch arduino cho hệ thống điều khiển chiếu sáng. - Thiết kế tủ điều khiển hệ thống chiếu sáng công cộng - Xây dựng tủ điều khiển cho hệ thống chiếu sáng công cộng trên thiết bị thực của xƣởng điện. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.

Nội dung của luận văn Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chƣơng sau: Chƣơng 1: Tổng quan về chiếu sáng và điều khiển chiếu sáng công cộng. Chƣơng 2: Xây dựng mô hình trung tâm điều khiển chiếu sáng sử dụng công nghệ mạng không dây GSM/GPRS. Chƣơng 3: Tìm hiểu về bo mạch ardunio và xây dựng thuật toán cho bo mạch arduino để điều khiển chiếu sáng. Chƣơng 4: Thiết kế mô hình điều khiển chiếu sáng sử dụng rơle Time và bo mạch Arduino Kết luận và kiến nghị.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.vn/ 3 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CHIẾU SÁNG VÀ ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG 1. Tổng quan về tình hình chiếu sáng tại việt nam Hệ thống chiếu sáng công cộng là một trong những hạng mục công trình hạ tầng kỹ thuật không thể thiếu của các đô thị. Để đáp ứng đƣợc tốc độ phát triển đô thị, trong những năm gần đây các đô thị đã không ngừng đầu tƣ cải tạo và xây dựng hệ thống chiếu sáng công cộng nhằm nâng cao chất lƣợng ánh sáng. Trên thế giới, hầu hết các đô thị loại vừa và lớn đều đƣợc trang bị, lắp đặt một hoặc nhiều trung tâm điều khiển cho hệ thống chiếu sáng thành phố nhằm phát huy hiệu quả cao trong công tác vận hành và kiểm soát lƣới đèn.

Ở Việt Nam, thành phố Hà Nội là đơn vị lắp đặt trung tâm điều khiển đầu tiên trong cả nƣớc – từ những năm 1980, tiếp theo là thành phố Hồ Chí Minh đã xây dựng trung tâm điều khiển chiếu sáng công cộng với quy mô điều khiển 12. Từ khi ứng dụng trung tâm điều khiển vào việc quản lý hệ thống đèn chiếu sáng các đơn vị quản lý chiếu sáng công cộng đều thấy đƣợc các hiệu quả góp phần nâng cao công tác quản lý:  Điều chỉnh linh hoạt thời gian đóng cắt Hệ thống chiếu sáng tại các khu vực từ trung tâm theo tình hình thời tiết, giảm tiêu thụ điện năng.  Từ trung tâm cho phép đóng cắt và giám sát tới từng tủ chiếu sáng của mỗi khu vực.  Quan sát tức thời các thông số điện áp, dòng điện.

Báo hiệu sự cố khi có tình trạng chạm chập, quá tải và các hiện tƣợng câu móc điện.  Quản lý số liệu vận hành: Tình trạng đóng cắt, mức độ tiêu thụ điện năng.  Tổng hợp số liệu, chiết xuất các báo cáo phục vụ công tác quản lý  Giảm thời gian đi kiểm tra lƣới đèn cho Công nhân quản lý vận hành.  Góp phần nâng cao năng lực và ứng dụng công nghệ mới cho các cán bộ kỹ thuật của công ty.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www. Tính cấp thiết của hệ thống chiếu sáng công cộng Để thấy đƣợc tính cấp thiết của vấn đề này em sẽ đi vào tìm hiểu vai trò và hiện trạng của chiếu sáng nƣớc ta hiện nay 1. Vai trò của hệ thống chiếu sáng công cộng Tại các nƣớc phát triển, điện năng dùng cho chiếu sáng chiếm từ 8% đến 13% tổng điện năng tiêu thụ. Hệ thống chiếu sáng đô thị bao gồm có nhiều thành phần khác nhau, trong đó có thể kể đến chiếu sáng phục vụ giao thông, chiếu sáng các cơ quan chức năng, chiếu sáng nơi công cộng… Chiếu sáng nơi công cộng tạo ra sự sống động , hấp dẫn và tráng lệ cho các đô thị về đêm, góp phần nâng cao chất lƣợng cuộc sống cho ngƣời dân, thúc đẩy sự phát triển thƣơng mại và du lịch.

Đặc biệt hệ thống chiếu sáng nơi công cộng còn tạo ra không khí lễ hội, sự khác biệt về cảnh quan của các khu dân cƣ trong các dịp lễ tết hay những ngày kỉ niệm lớn, hoặc trong thời điểm diễn ra các hoạt động chính trị, văn hóa xã hội cũng nhƣ sự kiện quốc tế. Trong điều kiện thiếu hụt về điện năng của nƣớc ta, đã có những lúc những nơi chiếu sáng công cộng bị coi là phù phiếm, lãng phí và không hiệu quả. Điều này xuất phát từ góc độ tiêu thụ năng lƣợng mà chƣa nhận thức tổng quát về vai trò chiếu sáng công cộng. Do đó cần có sự đánh giá chích xác và khách quan về hiệu quả mà chiếu sáng đem lại không chỉ về mặt kinh tế, mà còn cả trên bình diện văn hóa xã hội.

Không chỉ nhìn nhận những hiệu quả trực tiếp trƣớc mắt, có thể tính đƣợc bằng tiền mà còn cả hiệu quả gián tiếp và lâu dài mà chiếu sáng nơi công cộng mang lại trong việc quảng bá, thúc đẩy sự phát triển của thƣơng mại, du lịch và dịch vụ. Chỉ có nhƣ vậy, hệ thống chiếu sáng nơi công cộng mới có thể phát triển và duy trì một cách bền vững, đóng một vai trò ngày càng xứng đáng trong các công trình hạ tầng kĩ thuật. Để làm đƣợc việc đó chúng ta phải đẩy mạnh nghiên cứu, ứng dụng và phát triển về công nghệ chiếu sáng công cộng ngày càng hoàn thiện, nhằm xây dựng đất nƣớc Việt Nam vừa mang phong cách hiện đại vừa giữ gìn đƣợc những nét truyền thống. Thực tế chiếu sáng công cộng ở Việt Nam Quá trình phát triển nhanh của các đô thị trọng tâm hiện nay là rất lớn, do đó hệ thống chiếu sáng phải phát triển để đáp ứng đƣợc các yêu cầu đặt ra.

Hiện nay hệ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.vn/ 5 thống chiếu sáng của chúng ta đang gặp nhiều bất cập, nhất là các thành phố lớn tốc độ phát triển đô thị nhanh. Hệ thống chiếu sáng không kịp đáp ứng yêu cầu đó nên để lại nhiều vấn đề cần phải giải quyết. Vấn đề quản lý và vận hành hệ thống chiếu sáng còn chƣa tập chung, thiếu đồng bộ, quá trình vận hành và bảo dƣỡng mất nhiều thời gian. Vì thế chi phí cho đội ngũ nhân viên bảo dƣỡng sửa chữa tốn kém ảnh hƣởng đến quá trình phát triển chung.

Vì thế vấn đề đặt ra đó là cần phải xây dựng đƣợc một hệ thống chiếu sáng tập trung để quá trình vận hành hệ thống đƣợc thuận lợi. Hệ thống chiếu sáng hiện nay đƣợc điều khiển bật/tắt tại các tủ chiếu sáng dựa vào thời gian thực. Do đó thời gian bật tắt đèn hàng ngày là cố định mà mỗi mùa lại có thời gian sáng và tối của một ngày là khác nhau, quá trình thay đổi giờ khó khăn và phức tạp. Thực tế đó dẫn đến đèn chiếu sáng của chúng ta có thể đƣợc bật lên sớm hoặc lên muộn, tắt sớm hoặc tắt muộn.

Điều này làm ảnh hƣởng đến sinh hoạt của ngƣời dân và nguy cơ dẫn đến mất an toàn giao thông. Điều này đặt ra cho hệ thống chiếu sáng là phải đáp ứng đƣợc về mặt thời tiết từng mùa, cũng nhƣ từng vùng miền. Mặt khác do sự phát triển nhanh của các đô thị mới đƣợc xây dựng, quá trình lắp đặt hệ thống mới đồng bộ với hệ thống cũ là rất khó khăn và mất nhiều thời gian. Không những thế hệ thống chiếu sáng cũ còn rất bất cập trong quá trình thay mới và sửa chữa dẫn đến chất lƣợng chiếu sáng ở nhiều nơi còn chƣa đồng đều, nơi thì thiếu nơi thì thừa.Các nguyên lý cơ bản trong chiếu sáng Các tiêu chuẩn chiếu sáng đƣờng bộ thực chất đòi hỏi cho phép một tri giác nhìn nhanh chóng, chính xác và tiện nghi cụ thể: Độ chói trung bình của mặt đƣờng do ngƣời lái xe quan sát khi nhìn mặt đƣờng ở tầm xa 100m khi thời tiết khô.

Mức yêu cầu phụ thuộc vào loại đƣờng (mật độ giao thông, tốc độ, vùng đô thị hay nông thôn.) trong các điều kiện làm việc bình thƣờng. * Mặt đƣờng đƣợc xét đến đƣợc quan sát dƣới góc 0,50 đến 1,50 và chải dài từ 60 đến 170m trƣớc ngƣời quan sát. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www. Mắt người quan sát với mặt đường.

* Độ đồng đều phân bố biểu kiến của độ chói lấy ở các điểm khác nhau của bề mặt. Độ chói không giống nhau theo mọi hƣớng (sự phản xạ không phải là vuông góc mà là phản xạ hỗn hợp), điều quan trọng là chỉ rế hình dạng "lƣới" của chỗ quan sát. * Nói chung trên đƣờng giao thông ngƣời ta đƣa ra hai điểm đo theo chiều ngang và một tập hợp cách nhau gần 5m giữa các cột đèn đối với số lần đo theo chiều dọc. * Hạn chế lóa mắt không tiện nghi, nguồn cản trở và sự mệt mỏi do số lƣợng và quang cảnh của các đèn xuất hiện trong thị trƣờng, liên quan đến độ chói trung bình của con đƣờng.