Đồ án: Thiết kế và xây dựng hệ thống đèn đường thông minh (ĐH SPKT TPHCM)

Tham khảo đồ án tốt nghiệp thiết kế hệ thống đèn đường thông minh. Báo cáo trình bày chi tiết mạch sạc MPPT, pin xoay và hệ thống giám sát web.

• Tác giả: Nguyễn Xuân Phú
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Ngô Lâm
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử - Truyền Thông
• Đề tài: Thiết Kế Và Xây Dựng Hệ Thống Đèn Đường Thông Minh Năng Lượng Mặt Trời
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Đèn Đường Thông Minh Năng Lượng Mặt Trời

Đèn đường thông minh năng lượng mặt trời là giải pháp chiếu sáng hiện đại kết hợp công nghệ điện tử và năng lượng tái tạo. Hệ thống này được thiết kế và xây dựng nhằm giải quyết các vấn đề chiếu sáng đô thị hiệu quả và bền vững. Đồ án tốt nghiệp này từ Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM tập trung vào thiết kế mạch sạc pin mặt trời, điều khiển tự động và hệ thống giám sát thông minh. Với công suất 15W và bình ắc quy 12V, hệ thống có khả năng hoạt động độc lập và ổn định. Công nghệ đèn đường thông minh giúp tiết kiệm năng lượng, giảm chi phí vận hành và bảo vệ môi trường.

1.1. Khái Niệm Đèn Đường Thông Minh

Đèn đường thông minh là hệ thống chiếu sáng công cộng được điều khiển tự động thông qua cảm biến và lập trình. Khác với đèn đường truyền thống, hệ thống này có khả năng điều chỉnh mức độ sáng theo thời gian và điều kiện môi trường. Công nghệ IoT cho phép giám sát từ xa, phát hiện sự cố nhanh chóng và giảm chi phí bảo trì. Hệ thống đèn đường thông minh năng lượng mặt trời hoàn toàn độc lập về điện lực, không cần kết nối lưới điện truyền thống.

1.2. Lợi Ích Của Năng Lượng Mặt Trời Trong Chiếu Sáng

Năng lượng mặt trời cung cấp nhiều lợi ích cho hệ thống đèn đường thông minh. Trước hết, đây là năng lượng tái tạo, thân thiện với môi trường và miễn phí. Pin mặt trời với công suất 15W có thể cạp đủ pin ắc quy 12V trong điều kiện sáng bình thường. Tiết kiệm chi phí vận hành là lợi ích lớn nhất, đặc biệt ở các khu vực không có điện lưới hoặc điện yếu. Hệ thống hoạt động liên tục, tự lập và không phát sinh chi phí điện hàng tháng.

II. Thiết Kế Hệ Thống Mạch Sạc Pin Mặt Trời MPPT

Phần cốt lõi của đồ án hệ thống đèn đường thông minh là thiết kế mạch sạc pin mặt trời với công suất 15W cho bình ắc quy 12V. Bộ điều khiển sạc MPPT (Maximum Power Point Tracking) là công nghệ tiên tiến giúp tối ưu hóa hiệu suất sạc. Phương pháp dò tìm điểm làm việc có công suất cực đại cho phép hệ thống thích ứng với điều kiện ánh sáng thay đổi. Mạch điều khiển được thiết kế với các thành phần điện tử chất lượng cao, đảm bảo ổn định điện áp và dòng điện sạc. Thiết kế mạch sạc này giảm tổn thất năng lượng và kéo dài tuổi thọ pin ắc quy.

2.1. Công Nghệ MPPT Trong Sạc Pin Mặt Trời

Bộ điều khiển MPPT là yếu tố quan trọng nhất trong mạch sạc pin mặt trời. Công nghệ này giúp pin mặt trời luôn hoạt động ở điểm công suất cực đại, tăng hiệu suất sạc lên 30-50% so với phương pháp PWM thông thường. Dò tìm điểm làm việc được thực hiện bằng cách liên tục theo dõi điện áp và dòng điện từ pin, sau đó điều chỉnh tỷ lệ chu kỳ PWM. Hệ thống thích ứng nhanh với sự thay đổi của ánh sáng mặt trời, đặc biệt hiệu quả vào buổi sáng và chiều.

2.2. Thông Số Kỹ Thuật Mạch Sạc

Mạch sạc pin mặt trời thiết kế với công suất 15W được tối ưu hóa cho bình ắc quy 12V công suất trung bình. Điện áp đầu vào từ pin mặt trời dao động từ 16V đến 20V tùy theo điều kiện sáng. Dòng sạc tối đa được giới hạn ở mức an toàn để bảo vệ pin ắc quy. Thiết kế mạch bao gồm các linh kiện như IC điều khiển, MOSFET công suất, cuộn cảm và các tụ điện chuyên dụng. Hiệu suất chuyển đổi đạt trên 90%, đảm bảo sạc pin hiệu quả ngay cả trong điều kiện ánh sáng yếu.

III. Mô Hình Pin Mặt Trời Tự Xoay Tìm Áng Sáng

Đổi mới kỹ thuật trong đồ án tốt nghiệp này là mô hình pin mặt trời tự xoay để luôn cân bằng với hướng áng sáng lớn nhất. Hệ thống này sử dụng cảm biến ánh sáng và động cơ servo để điều chỉnh góc của pin mặt trời theo chuyển động mặt trời trong ngày. Thiết kế pin tự xoay giúp tăng hiệu suất sạc lên 20-35% so với pin cố định thông thường. Hệ thống điều khiển tự động dò tìm hướng áng sáng lớn nhất bằng cách so sánh giá trị từ các cảm biến quang. Công nghệ này đặc biệt hiệu quả ở các vùng có độ biến thiên mặt trời lớn.

3.1. Nguyên Tắc Hoạt Động Cơ Cấu Quay

Mô hình pin tự xoay sử dụng hai cảm biến ánh sáng (LDR hoặc cảm biến hình ảnh) được đặt bên cạnh pin mặt trời để phát hiện hướng ánh sáng. Khi cảm biến phát hiện ánh sáng lệch, hệ thống điều khiển sẽ kích động động cơ servo để xoay pin sao cho hai cảm biến nhận được cường độ sáng bằng nhau. Quá trình này diễn ra liên tục, giúp pin luôn tìm áng sáng lớn nhất. Cơ cấu có thể quay theo hai trục (ngang và dọc) để đạt hiệu suất tối ưu nhất.

3.2. Lợi Ích Của Hệ Thống Theo Dõi Mặt Trời

Pin mặt trời tự xoay mang lại nhiều lợi ích so với pin cố định. Hiệu suất sạc tăng đáng kể, từ đó giảm thời gian sạc và tăng năng lượng dự trữ. Hệ thống hoạt động hiệu quả suốt cả ngày, từ sáng sớm đến chiều tối. Thiết kế tối ưu này cho phép đèn đường thông minh sáng lâu hơn và ánh sáng ổn định hơn. Đặc biệt ở mùa đông hoặc các ngày nắng yếu, hệ thống theo dõi giúp tối đa hóa năng lượng thu được. Tuổi thọ bộ pin ắc quy cũng được kéo dài nhờ điều kiện sạc tối ưu.

IV. Hệ Thống Điều Khiển Và Giám Sát Web

Phần mềm và giao diện điều khiển là thành phần thiết yếu của hệ thống đèn đường thông minh hiện đại. Lập trình web điều khiển cho phép người quản lý giám sát và điều khiển đèn từ xa thông qua internet. Giao diện web được thiết kế thân thiện, hiển thị thông tin thời gian thực về trạng thái đèn, mức pin, cường độ sáng và tiêu thụ năng lượng. Hệ thống giám sát có khả năng phát hiện sự cố nhanh chóng, gửi thông báo và log dữ liệu cho phân tích. Công nghệ cloud computing cho phép truy cập từ bất kỳ thiết bị nào, tăng hiệu quả quản lý tài sản công cộng.

4.1. Nền Tảng Web Điều Khiển Và Giám Sát

Giao diện web của hệ thống đèn đường thông minh được xây dựng trên nền tảng web hiện đại, hỗ trợ truy cập từ máy tính, điện thoại thông minh. Lập trình web sử dụng các công nghệ như HTML, CSS, JavaScript cho frontend và PHP hoặc Node.js cho backend. Dữ liệu được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu cloud, đảm bảo an toàn và khả năng truy cập bất kỳ lúc nào. Hệ thống giám sát cung cấp dashboard trực quan với biểu đồ, thống kê tiêu thụ năng lượng. Người dùng có thể cấu hình lịch chiếu sáng, mức độ sáng và nhận cảnh báo khi có sự cố.

4.2. Các Tính Năng Quản Lý Và Điều Khiển

Hệ thống điều khiển thông minh cung cấp nhiều tính năng quản lý nâng cao. Người quản lý có thể điều chỉnh độ sáng theo giờ, thay đổi lịch chiếu sáng theo mùa, và thiết lập chế độ sạc pin tối ưu. Tính năng giám sát theo dõi điện áp pin, dòng sạc, nhiệt độ và cảnh báo khi pin yếu. Log dữ liệu được lưu để phân tích hiệu suất và dự báo bảo trì. Hệ thống an toàn bao gồm xác thực người dùng, mã hóa dữ liệu và phân quyền truy cập. Tích hợp API cho phép kết nối với các hệ thống quản lý đô thị khác.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề: Ngày nay với công nghệ kỹ thuật phát triển, công nghệ thiết kế chíp đã đạt tới trình độ cao, đã tạo ra nhiều con chip mới với kích thước nhỏ gọn, nhưng lại có tính năng rất lớn.Chúng được tích hợp sẵn trên board thành một phần cứng nhỏ gọn, giúp người dùng có thể tiếp cận, nghiên cứuvà ứng dụng chúng trong dự án của mình một cách dễ dàng. Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ các thế hệ vi mạch luôn biến đổi phù hợp với nhu cầu công nghệ. Để tiếp cận được với sự phát triển và những kiến thức về vi điều khiển mới, nhóm em đã quyết định làm một đề tài lấy Board Intel Galileo là vi xử lýtrung tâm. Intel Galileo là một bo mạch chuyên dùng cho việc phát triển phần mềm cũng như phần cứng tương tự Arduino và Raspberry Pi.

Đây là board mạch do trực tiếp Intel phát triển. Một vấn đề mà nhóm em luôn quan tâm đó là làm sao khai thác nguồn năng lượng tự nhiên một cách hiệu quả.Trong vài năm trở lại đây, con người đã biết đến một loại năng lượng mới đó là năng lượng mặt trời. Đây là nguồn năng lượng có tiềm năng khai thác rất lớn, hoàn toàn tự nhiên vàkhông tác động gì đến môi trường sống của chúng ta. Hiện nay trên thế giới đã có nhiều nước sử dụng nguồn năng lượng mặt trời như là nguồn cung cấp điện năng chính, điển hình như nhà máy điện năng lượng mặt trờiNoor của Moroco với công suất 580MW một năm, hay nhà máy Solar Star của Mỹ với công suất 579MW một năm,…Điện năng đó được tạo ra thông qua những tấm pin năng lượng mặt trời.Chúng là một thiết bị bán dẫn và hầu như là một thiết bị tĩnh, độc lập với các phần chuyển động khác.

Những đặc điểm này làm cho chi phí vận hành và bảo trì của nó rấtthấp. Vì vậy việc sử dụng nó là rất cần thiết góp phần tạo ra nguồn năng lượng sạch bảo vệ môi trường của chúng ta.2 Lý do chọn đề tài: Để tiếp cận với sự phát triển của khoa học công nghệ, với những kiến thức mới, và trau dồi vốn kiến thức cho bản thân, đồng thời áp dụng những kiến thức đã được học trên CHƯƠNG I: DẪN NHẬP. 1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ghế nhà trường để làm ra một sản phẩm thực tế. Chúng em đã chọn đề tài “Thiết kế hệ thống đèn đường thông minh”, đề tài này nhằm hướng tới việc sử dụng điện năng công cộng một cách hiệu quả hơn, đồng thời sử dụng tối ưu nguồn năng lượng tự nhiên góp phần giảm tải nhu cầu sử dụng điện năng cho Quốc gia.3 Phương pháp nghiên cứu: Đề tài được tiếp cận dựa trên phương pháp sau:  Tìm hiểu về phương pháp dò tìm điểm làm việc có công suất cực đại(MPPT) để điều khiển sạc cho bình ắc quy.

 Nghiên cứu phương pháp điều hướng xoay pin mặt trời dựa vào các quang trở.  Tiến hành xây dựng mô hình thực tế.  Ứng dụng các thư viện sẵn có hỗ trợ cho việc lập trình mà Intel Galileo hỗ trợ.4 Mục tiêu đề tài: Thiết kế đèn đường thông minh sử dụng pin năng lượng mặt trời có thể tự động bật tắt hoặc điều chỉnh bằng tay. Lấy nguồn pin mặt trời làm nguồn cung cấp và được nạp vào bình ắc quy theo phương pháp MPPT, sử dụng Intel Galileo làm vi điều khiển trung tâm.

Hệ thống sẽ luôn dò tìm hướng có cường độ sáng cực đại để tấm pin có thể cho ra điện áp lớn nhất. Hệ thống này được giám sát và điều khiển qua webserver.5 Giới hạn đề tài: Vì là mô hình nghiên cứu nên chỉ dừng lại ở mức độ đơn giản. Thiết kế ở dạng mô hình nên muốn ứng dụng vào thực tế thì phải sử dụng tấm pin mặt trời và động cơ có công suất lớn hơn. Bóng đèn cũng sẽ sử dụng loại có công suất lớn hơn.

Ở đây nhóm em chỉ dùng đèn led siêu sáng.6 Dàn ý nghiên cứu: 1.1 Chương 1:Giới thiệu tổng quan về đề tài, đưa ra các mục tiêu và phương pháp nghiên cứu.2 Chương 2:Để đi vào thiết kế được hệ thống cần phải tìm hiểu cấu tạo từng bộ phận, linh kiện của hệ thống. Nghiên cứu chức năng và cách thức điều khiển hoạt động CHƯƠNG I: DẪN NHẬP. 2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP của từng linh kiện. Đưa ra cái nhìn tổng quan về các linh kiện được sử dụng trong hệ thống.3 Chương 3:Đi vào thiết kế hệ thống, xây dựng sơ đồ khối tổng quát, đưa ra chức năng hoạt động của từng khối và tính toán thiết kế từng khối.

Dựa vào yêu cầu hoạt động của mỗi khối mà lựa chọn linh kiện phù hợp.4 Chương 4:Đưa ra những kết quả đã đạt được trong quá trình thiết kế hệ thống và nhận xét những kết quả đạt được.5 Chương 5: Từ những kết quả đạt được, so sánh với mục tiêu ban đầu để đưa ra kết luận chính xác. Đưa ra hướng phát triển mới cho đề tài.7 Tình hình nghiên cứu: Hiện nay, hệ thống đèn đường thông minh dùng năng lượng mặt trời đã được lắp đặt ở hầu hết nhiều nơi trên thế giới. Ở Việt Nam, hệ thống đèn đườngthông minh này cũng được lắp đặt ở một số tỉnh, thành phố nhưng chưa được phổ biến.8 Ý nghĩa thực tiễn:  Không gây ô nhiễm môi trường.  Tiết kiệm điện năng cho Quốc gia.

 Tuổi thọ trung bình của tấm pin mặt trời khoảng từ 25 – 30 năm, an toàn cho người sử dụng, phù hợp với chiếu sáng công cộng, không xảy ra hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí hậu. CHƯƠNG I: DẪN NHẬP. 3 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chương 2.1 Board Intel Galileo: 2.1 Tổng quan:  Intel Galileo là một bo mạch vi điều khiển chuyên dùng cho việc phát triển phần mềm và phần cứng tương tự như Andruino hay Raspberry Pi.  Intel Galileo là sản phẩm đầu tiên sử dụng chip Intel Quark X1000 - SoC đầu tiên thuộc dòng "Santa Clara" của Intel được sản xuất dựa trên dây chuyền công nghệ 32nm với mức độ tiêu thụ điện rất thấp.

Phần lõi của của X1000 là vi xử lí 400MHz dựa trên nền tảng Intel Pentium x86 32-bit với 16KB bộ nhớ đệm L1. Ngoài ra, Intel Galileo còn có:  RAM DDR3 256MB.  Chân cắm chuẩn Arduino Pinout 1.  Cổng Ethernet 100Mbps.

 Cổng UART RS-232.  Khe cắm mini-PCI Express 2.  Khe cắm thẻ nhớ micro-SD hỗ trợ lên tới 32GB.  Bộ nhớ flash 8MB dùng để chứa firmware hay bootloader.

 256KB - 512KB bộ nhớ lưu trữ chương trình Arduino.  Khả năng chạy các hệ điều hành Linux Yocto, Linux Debian, Windows,. được tuỳ biến đặc biệt.  Chỉ cần một nguồn điện 5V với dòng cấp tối đa 2A là có thể chạy được Intel Galileo Gen 1.

 Intel Galileo hiện có 2 phiên bản là Gen 1 và Gen 2. Cải tiến lớn nhất của Gen 2 so với Gen 1 là việc Intel đã thiết kế lại một phần board mạch để nâng tốc độ làm việc của CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT. 4 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP cácchân giao tiếp lên. Bên cạnh đó, nguồn cấp cho board mạch cũng được kéo dãn ra là từ 7V - 12V so với mức cố định 5V như trước.1: Hình ảnh của Intel galileo.

 Intel Galileo hiện là bo mạch mạnh nhất trong họ hàng Arduino, đồng thời nó cũng là bo mạch đầu tiên hỗ trợ khe cắm mini-PCI Express half-sized lẫn full-sized. Ngoài ra, Galileo còn hỗ trợ chuẩn Arduino pinout 1.0 giúp chạy được các shield mở rộng như trên Arduino Uno ở cả 2 mức điện áp 3. Đây là những điểm nội trội nhất của board mạch này.  Có thể nói board mạch Intel Galileo là một nỗ lực của Intel trong việc đưa nền tảng chip x86 của mình xuống các thiết bị IoT béo bở vốn đang bị các chip ARM thống trị hiện nay.2 Cấu trúc của Intel Galileo: Hình 2.2: Cấu trúc bên ngoài của Intel Galileo.

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT. 5 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Board Intel Galileo có các chân I/O như sau:  Có 8 chân cấp điện (5V, 3.  Có 14 chân Digital I/O, trong đó 6 chân có thể phát xung PWM. Chúng có thể được sử dụng ở cả 2 chế độ INPUT và OUTPUT, sử dụng được với các hàm pinMode(), digitalWrite() và digitalRead() như trên các mạch Arduino.

 Các chân giao tiếp có thể hoạt động ở 2 mức điện áp 3. Dòng cấp tối đa là 10mA, dòng đỉnh là 25 mA.  Mỗi chân đều có một điện trở pull-up trong có trị số khoảng 5. Mặc định, các điện trở này bị ngắt.

 Có 6 chân Analog từ A0 đến A5 giao tiếp qua chip AD7298 (chuyển đổi Analog-to- Digital).  Mỗi chân Analog có thể cung cấp độ phân giải 12bit với 4096 giá trị khác nhau.  Cổng 2x3 ICPS dùng để giao tiếp SPI.  Ethernet: Giúp mạch Intel Galileo kết nối với các modem/router để kết nối với Internet (tốc độ tối đa lên đến 10/100 Mb/s).

Mạch mới mua về mà chưa đụng chạm gì hết thì mặc định chức năng của cổng này sẽ không được khởi động.  RS-232 port: Cổng này là một trong 2 cổng UART (Serial) vật lý trên Intel Galieo. Nó có hình dáng giống hệt một jack cắm tai nghe 3.5mm trên điện thoại. Ta bắt buộc phải dùng cổng này nếu muốn truy cập sâu vào hệ thống để cài đặt những hệ điều hành Linux khác (Ví dụ debian, ubuntu, centos,.

Nếu không, ta chỉ có thể cài đặt được hệ điều hành Yocto. Để kết nối với máy tính ta cần phải có một bộ SF Cable, DB9 Female to 3.5mm Serial (đối với máy tính để bàn có cổng COM) và nếu ta dùng máy tính xách tay hoặc máy tính bàn không có cổng COM, ta cần thêm bộ USB 2.0 to RS-232 DB9 Serial Converter.  USB Client: Cổng này là cổng Micro USB (uUSB) vì vậy ta có thể lấy dây sạc điện thoại thông minh để sử dụng. Cổng này dùng để lập trình với chương trình Arduino từ máy tính.

Cổng này là cổng serial ảo duy nhất của Intel Galileo và nó được thiết kế ra để cho ta lập trình với chương trình Arduino. Khi ta cài một hệ điều hành Linux khác (ví dụ CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT. 6 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP debian) thì lúc bấy giờ ta không thể sử dụng Arduino để lập trình cho Galileo được nữa, mà ta phải dùng các kiến thức điều khiển các chân GPIO của vi xử lý Quark.0 Host: Đây là cổng USB dùng cho việc nhận tín hiệu các thiết bị ngoại vi như webcam, usb micro, usb,. Intel Galileo hỗ trợ lên đến 128 thiết bị ngoại vi như thế này.

 I2C bus, TWI với 2 chân SDA và SLC nằm cạnh chân AREF.  TWI: Gồm 2 chân SDA (A4) và SCL (A5).