Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong hệ thống hạ tầng đô thị và các cơ sở sản xuất công nghiệp, điện năng phục vụ cho hệ thống chiếu sáng công cộng chiếm tỷ trọng tiêu thụ rất lớn trong tổng chi phí vận hành. Thực tế vận hành cho thấy nhu cầu chiếu sáng không cố định trong suốt cả đêm; tại các tuyến đường và khu vực công cộng, mật độ người và phương tiện tham gia giao thông suy giảm nghiêm trọng vào các khung giờ đêm muộn. Việc duy trì 100% công suất chiếu sáng trong toàn bộ thời gian vận hành đêm dẫn đến sự lãng phí tài nguyên năng lượng và tăng gánh nặng chi phí ngân sách.

Để giải quyết vấn đề trên, nhiều giải pháp kỹ thuật đã từng được nghiên cứu và ứng dụng trong thực tế, bao gồm: thay thế các bộ đèn cao áp bằng công nghệ đèn LED tiêu thụ ít điện năng, gắn bộ định thời gian (timer) độc lập tại từng trụ đèn, lắp đặt hai bóng đèn công suất nhỏ trên cùng một trụ để luân phiên bật tắt, hoặc sử dụng tủ điện phân phối để đóng/cắt bớt một số pha hay ngắt xen kẽ các bóng đèn. Tuy nhiên, các phương pháp này bộc lộ những hạn chế về tính linh hoạt, khả năng điều khiển tập trung và chất lượng phân bố quang thông. Việc cắt giảm hoàn toàn một số bóng đèn sẽ tạo ra các khoảng tối nguy hiểm trên đường giao thông, trong khi giải pháp kết nối có dây giữa các trụ đèn về phòng điều khiển trung tâm đòi hỏi kinh phí đầu tư đường dây rất lớn, phá vỡ mỹ quan đô thị và buộc phải cải tạo lại toàn bộ kết cấu hạ tầng ngầm hoặc nổi.

Xuất phát từ các đòi hỏi thực tiễn đó, đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển - Tự động hóa tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM với đề tài "Giải pháp tiết kiệm điện cho hệ thống chiếu sáng công cộng" (năm 2017, thực hiện bởi sinh viên Lê Ngọc Quỳnh và Nguyễn Ngọc Tuấn, dưới sự hướng dẫn của ThS. Trương Đình Nhơn) đã được triển khai. Nghiên cứu kế thừa và phát triển từ đồ án tiền nhiệm "Điều Khiển Mạng Thiết Bị Zigbee Qua Mạng Internet", tập trung nghiên cứu giải pháp tiết giảm công suất chiếu sáng theo từng khung thời gian thông qua việc điều khiển góc dẫn linh kiện bán dẫn công suất và thiết lập mạng truyền thông không dây Zigbee nhằm loại bỏ hoàn toàn hệ thống dây cáp tín hiệu phức tạp.

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án bao gồm:

  1. Nghiên cứu, thiết kế mô hình điều khiển tiết kiệm năng lượng cho hệ thống chiếu sáng công cộng.
  2. Ứng dụng chuẩn truyền thông không dây Zigbee để liên kết toàn bộ các thiết bị chiếu sáng thành một mạng thống nhất, cho phép bật/tắt thiết bị và điều khiển độ sáng bóng đèn từ phòng điều khiển trung tâm.
  3. Thiết kế hệ thống phần cứng chuyên dụng có khả năng giao tiếp tương thích giữa module vô tuyến XBee và bo mạch điều khiển công suất tải AC.
  4. Xây dựng phần mềm giao diện giám sát và điều khiển hoạt động của toàn bộ hệ thống trên máy tính bằng ngôn ngữ lập trình C#.

Nhiệm vụ nghiên cứu được phân chia thành 6 nội dung cụ thể:

  • Nội dung 1: Nghiên cứu phương thức truyền nhận dữ liệu của module XBee do hãng Digi International sản xuất.
  • Nội dung 2: Nghiên cứu nguyên lý và thiết kế bo mạch điều khiển công suất xoay chiều.
  • Nội dung 3: Thiết kế hệ thống ghép nối điều khiển giữa bo mạch công suất và module XBee.
  • Nội dung 4: Viết chương trình điều khiển nhúng, xây dựng phần mềm giám sát trên máy tính và chế tạo mô hình thực nghiệm.
  • Nội dung 5: Đánh giá kết quả thực hiện và khả năng đáp ứng của hệ thống.
  • Nội dung 6: Nhận xét, tổng kết và đề xuất hướng phát triển đề tài.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điều hòa công suất tải xoay chiều sử dụng Triac - Diac và mạng cảm biến/điều khiển không dây chuẩn Zigbee.
  • Phạm vi không gian: Nghiên cứu được thực nghiệm tại phòng thí nghiệm Bộ môn Điện tử Công nghiệp, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.
  • Phạm vi công nghệ và giới hạn mô hình: Do giới hạn về nguồn kinh phí đầu tư các bộ đèn chiếu sáng công cộng công suất lớn chuyên dụng, nhóm tác giả sử dụng bóng đèn sợi đốt xoay chiều 220V để mô phỏng tải chiếu sáng; mô hình phần cứng được xây dựng ở quy mô thực nghiệm gồm 01 bộ điều khiển trung tâm đóng vai trò Coordinator và 03 bộ điều khiển đèn đóng vai trò Router; hệ thống hỗ trợ 3 mức điều khiển công suất cố định là 100%, 75% và 50%; phương thức vận hành hỗ trợ 2 chế độ: tự động theo thời gian thực hoặc điều khiển bằng tay thông qua phím bấm vật lý.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự kết hợp giữa lý thuyết điều khiển điện tử công suất xoay chiều và nguyên lý mạng truyền thông không dây tầm ngắn.

Trong lĩnh vực điều khiển công suất xoay chiều, đề tài ứng dụng giải pháp điều khiển góc pha đóng cắt điện áp bằng hai phần tử bán dẫn chính là Triac và Diac:

  • Triac (Triode for Alternating Current): Là phần tử bán dẫn gồm 5 lớp bán dẫn tạo thành cấu trúc p-n-p-n theo cả hai chiều giữa hai cực chính $T_1$ và $T_2$, tương đương hai Thyristor mắc song song ngược chiều. Triac cho phép dẫn dòng điện theo cả hai chiều khi có dòng kích cấp vào cực cổng $G$. Đặc tính Volt-Ampere của Triac đối xứng qua gốc tọa độ ở góc phần tư thứ nhất và thứ ba. Triac chỉ duy trì trạng thái đóng mạch trong dòng điện xoay chiều khi điện áp còn khác không và tự ngắt khi điện áp nguồn dao động trở về mức 0V ở cuối mỗi nửa chu kỳ.
  • Diac: Là linh kiện bán dẫn hai cực không có cực cổng điều khiển, đóng vai trò như hai diode Zener mắc đối đầu. Diac chỉ chuyển sang trạng thái dẫn điện khi điện áp đặt lên hai đầu cực vượt qua ngưỡng điện áp đánh thủng (breakover voltage $V_{BO}$, thông thường xấp xỉ 30V). Khi được mắc nối tiếp với cực cổng $G$ của Triac, Diac hoạt động như phần tử ngưỡng kích mở Triac đối xứng ở cả hai nửa bán kỳ dương và âm của điện áp lưới $220\text{V} - 50\text{Hz}$.
  • Mạch điều khiển thời gian kích pha: Thời điểm dẫn của Diac và Triac được xác định bởi hằng số thời gian nạp điện của tụ điện thông qua phương trình $\tau = R \cdot C$. Quá trình nạp của tụ điện qua điện trở $R$ đạt $63%$ điện áp sau khoảng thời gian $1\tau$, $80%$ sau $2\tau$, $95%$ sau $3\tau$, $98%$ sau $4\tau$ và đạt trạng thái nạp đầy $99%$ sau $5\tau$. Bằng cách thay đổi điện trở tương đương trong mạch nạp của tụ điện, góc kích mở $x_1, x_2$ của Triac thay đổi từ $0\text{ ms}$ đến $10\text{ ms}$ trong mỗi nửa chu kỳ điện áp lưới $50\text{Hz}$ ($T = 20\text{ ms}$), làm biến thiên điện áp hiệu dụng đặt lên bóng đèn, qua đó thay đổi quang thông và công suất tiêu thụ của tải.

Về hạ tầng truyền thông không dây, đề tài dựa trên chuẩn mạng Zigbee (phát triển trên nền tảng tầng vật lý và tầng MAC của tiêu chuẩn IEEE 802.15.4):

  • Giao thức hoạt động trên 3 dải tần số vô tuyến: $868\text{ MHz}$, $915\text{ MHz}$ và $2.4\text{ GHz}$. Tốc độ truyền tải dữ liệu của mạng dao động từ $20\text{ Kbps}$ đến $250\text{ Kbps}$, hướng đến các ứng dụng truyền thông tin điều khiển dung lượng nhỏ, cự ly trung bình, tiết kiệm năng lượng và hỗ trợ cấu trúc mạng lên tới 65.000 nút.
  • Ba cấu trúc liên kết mạng cơ bản gồm: mạng hình sao (Star), mạng hình lưới (Mesh) và mạng hình cây (Tree). Trong đó, mô hình mạng Mesh (lưới) được lựa chọn nhờ khả năng mở rộng phạm vi truyền dẫn bằng cơ chế định tuyến chuyển tiếp tín hiệu qua các nút trung gian, loại trừ rủi ro nghẽn mạng cục bộ tại một điểm phát sóng đơn lẻ.
  • Module vô tuyến XBee ZB (do hãng Digi International sản xuất) được tích hợp vi điều khiển MC9S08QE32, hỗ trợ các chế độ định tuyến mạng MeshDigi với các vai trò Coordinator (bộ điều phối mạng), Router (bộ định tuyến chuyển tiếp) và End Device (thiết bị đầu cuối tiết kiệm năng lượng).

Về nền tảng xử lý và thời gian thực:

  • Bo mạch vi điều khiển Arduino Mega 2560 trang bị vi điều khiển ATmega2560 hoạt động ở tần số thạch anh $16\text{ MHz}$, bộ nhớ Flash $256\text{ KB}$ (trong đó $8\text{ KB}$ dùng cho bootloader), $8\text{ KB}$ SRAM, $4\text{ KB}$ EEPROM, 54 chân Digital I/O (15 chân hỗ trợ điều chế độ rộng xung PWM) và 4 bộ truyền thông tiếp nối UART phần cứng.
  • Module đồng hồ thời gian thực RTC DS1307 (hãng Dallas Semiconductor/Maxim Integrated) giao tiếp thông qua bus nối tiếp $I^2C$, quản lý thông tin giờ, phút, giây, ngày, tháng, năm với nguồn nuôi độc lập bằng pin đồng hồ 3V có khả năng duy trì dữ liệu lên tới 10 năm.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm bao gồm:

  1. Phương pháp tính toán thông số mạch: Xác định các giá trị linh kiện điện trở kéo lên ($R_{pull-up}$) cho cổng logic vi điều khiển dựa trên định luật Ohm ($R = V/I = 5\text{V} / 0.0005\text{A} = 10\text{ k}\Omega$) nhằm triệt tiêu trạng thái thả nổi của chân tín hiệu ngõ vào; tính toán điện trở hạn dòng cho các đèn LED hiển thị trạng thái ($R = (V_{cc} - V_D)/I_D = (5\text{V} - 2.5\text{V})/0.01\text{A} \approx 220\ \Omega$ và $1\text{ k}\Omega$).
  2. Phương pháp thiết kế và mô phỏng mạch điện tử: Ứng dụng phần mềm Proteus 8 Professional (bao gồm mô-đun ISIS để mô phỏng nguyên lý và mô-đun ARES để tạo layout mạch in PCB một lớp).
  3. Phương pháp thi công phần cứng và cấu hình thiết bị: Gia công mạch in bằng phương pháp thủ công (ủi nhiệt, ăn mòn hóa chất, khoan mạch và hàn linh kiện); cấu hình thông số mạng vô tuyến cho các module XBee thông qua phần mềm chuyên dụng X-CTU của Digi International; biên dịch và tải phần mềm điều khiển qua Arduino IDE.
  4. Nguồn dữ liệu: Tài liệu kỹ thuật (Datasheet) của các phần tử BTA16, Diac DB3, module XBee ZB, ATmega2560, DS1307, AMS1117 cùng các kết quả nghiên cứu từ đồ án về chuẩn mạng Zigbee đã được công bố tại Bộ môn.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống điều khiển chiếu sáng công cộng tiết kiệm năng lượng được tổ chức theo kiến trúc phân tán gồm 3 phân hệ chính: Phân hệ điều khiển trung tâm (Master Node), Phân hệ điều khiển đèn tại các trụ (Slave Nodes) và Phân hệ giám sát giao diện người dùng trên máy tính.

Thành phần phân hệ Khối chức năng chính Linh kiện / Thiết bị cấu thành Vai trò kỹ thuật trong hệ thống
Bộ điều khiển trung tâm (Master) Khối xử lý trung tâm Arduino Mega 2560 (ATmega2560, 16MHz) Tiếp nhận lệnh từ máy tính/nút nhấn, đọc thời gian thực, điều phối mạng Zigbee
Khối giao tiếp không dây Module XBee ZB + Bee Shield (UART Serial0) Đóng vai trò Zigbee Coordinator, thiết lập mạng, truyền nhận dữ liệu xuống các trạm đèn
Khối định thời gian thực Module RTC DS1307 ($I^2C$, Pin 3V) Cung cấp dữ liệu giờ/phút/giây tuyệt đối để kích hoạt chế độ tự động
Khối giao tiếp người dùng 4 nút nhấn vật lý, 3 LED báo trạng thái Cho phép chọn chế độ vận hành (tự động/thủ công) và chuyển đổi các mức công suất
Khối giao tiếp máy tính Cáp USB kết nối cổng COM ảo (UART) Đồng bộ dữ liệu giám sát lên phần mềm máy tính viết bằng C#
Bộ điều khiển đèn (Slave) Khối thu phát vô tuyến Module XBee ZB (chế độ Zigbee Router) Nhận lệnh công suất từ Coordinator, chuyển tiếp dữ liệu qua cấu trúc Mesh
Khối chuyển đổi nguồn Biến áp 220VAC/5VDC + IC ổn áp AMS1117-3.3V Cấp nguồn nuôi 5V cho rơle và 3.3VDC ổn định cho module XBee
Khối kích đóng ngắt logic 3 Transistor NPN C1815, 3 Rơle 5VDC, Diode 1N4007 Đệm dòng từ chân DIO của XBee để đóng/ngắt các tiếp điểm rơle tương ứng
Khối điều khiển công suất Triac BTA16-600B, Diac DB3, biến trở 500k, tụ 100nF Điều chỉnh góc dẫn điện áp xoay chiều cấp cho đèn tương ứng 50%, 75%, 100%
Phân hệ phần mềm Phần mềm cấu hình XBee Digi X-CTU Thiết lập PAN ID, kênh truyền, địa chỉ MAC, nạp firmware Coordinator/Router
Phần mềm nhúng Arduino IDE (ngôn ngữ C/C++) Lập trình thuật toán điều khiển quét nút nhấn, giao tiếp RTC, giao tiếp chuỗi
Giao diện giám sát Visual Studio (ngôn ngữ C#) Hiển thị sơ đồ trực quan, trạng thái đèn, nhật ký thời gian và can thiệp điều khiển

Cơ chế điều khiển góc mở công suất AC tại các bộ đèn Slave vận hành dựa trên việc đóng ngắt các tiếp điểm rơle để nối tắt hoặc thay đổi giá trị trở kháng trong mạch nạp tụ của Triac BTA16-600B:

  • Mức 100% công suất: Kích hoạt chân logic điều khiển rơle RL4 đóng mạch, nối tắt hoàn toàn cụm điện trở chỉnh góc kích, điện áp xoay chiều 220V cấp trực tiếp cho tải đạt biên độ cực đại trong toàn bộ chu kỳ sóng sin.
  • Mức 75% công suất: Rơle RL3 được kích hoạt đóng mạch, đưa một mức điện trở xác định vào mạch nạp của tụ điện, dịch chuyển thời điểm nạp đạt ngưỡng đánh thủng $30\text{V}$ của Diac làm Triac mở dẫn ở góc pha tương ứng với $75%$ công suất danh định.
  • Mức 50% công suất: Kích hoạt rơle RL2, gia tăng điện trở phóng nạp khiến góc mở Triac trễ đến khoảng giữa nửa chu kỳ điện áp sin ($t > 5\text{ ms}$), hạn chế dòng điện chạy qua tải và giảm độ sáng bóng đèn xuống $50%$.

Quy trình hoạt động và truyền nhận dữ liệu của hệ thống:

  1. Khi cấp nguồn, bộ điều khiển trung tâm (Master) khởi tạo các cổng ngoại vi, kiểm tra trạng thái kết nối mạng vô tuyến với các bộ điều khiển đèn (Slave).
  2. Tín hiệu điều khiển được phát ra dưới hai chế độ làm việc (chỉ duy nhất một chế độ được phép vận hành tại một thời điểm):
    • Chế độ tự động: Bộ trung tâm liên tục đọc dữ liệu thời gian thực từ DS1307 qua giao tiếp $I^2C$. Khi thời gian thực chạm các mốc cấu hình đặt trước (tương ứng với các khung giờ lưu lượng giao thông cao, trung bình hoặc đêm muộn), Master tự động xuất chuỗi ký tự điều khiển xuống mạng Zigbee.
    • Chế độ bằng tay: Người vận hành thao tác trực tiếp trên 4 nút nhấn của bộ Master để chọn mức công suất mong muốn hoặc can thiệp thông qua nút bấm trên giao diện phần mềm C#.
  3. Tại mạng vô tuyến Zigbee, Coordinator phát gói tin chứa dữ liệu công suất và địa chỉ định danh. Các Router XBee tại từng trụ đèn tiếp nhận gói tin và kiểm tra địa chỉ:
    • Nếu địa chỉ gói tin trùng khớp với địa chỉ của nút đèn, module XBee xuất tín hiệu mức cao (High) tại các chân ngõ ra số (DIO18, DIO19 hoặc DIO20) tương ứng để kích mở transistor C1815, đóng cuộn hút rơle 5VDC, làm thay đổi góc kích dẫn Triac và phản hồi tín hiệu xác nhận về Coordinator.
    • Nếu địa chỉ không trùng khớp, Router tự động chuyển tiếp gói tin sang Router kế tiếp theo thuật toán mạng Mesh cho tới khi gói tin đến đúng nút đích hoặc quay ngược lại nút điều phối nếu hết bảng định tuyến.
  4. Toàn bộ thông số trạng thái đóng ngắt và mức độ sáng của 3 cụm đèn được cập nhật liên tục qua cổng nối tiếp UART đưa lên giao diện máy tính để người giám sát theo dõi theo thời gian thực.

Quy trình gia công và đóng gói phần cứng:

  • Bo mạch công suất và mạch giao tiếp XBee được thiết kế dạng mạch in một lớp bằng phần mềm Proteus 8. Layout PCB được in nhiệt lên phíp đồng, ăn mòn bằng dung dịch hóa chất, khoan lỗ chân linh kiện thủ công và hàn lắp các linh kiện theo thứ tự: khối nguồn chuyển đổi 5V/3.3V, khối cắm module XBee, mạch kích transistor - rơle và khối công suất Triac - Diac.
  • Mạch sau khi hàn được kiểm tra thông mạch, loại bỏ các mối hàn chập/hở mạch bằng đồng hồ đo vạn năng VOM, kiểm tra điện áp ổn áp $3.3\text{V}$ ngõ ra của IC AMS1117 nhằm bảo vệ an toàn cho module XBee trước khi cắm tải và đấu nối nguồn xoay chiều 220VAC.
  • Các bộ điều khiển đèn Slave được lắp đặt hoàn chỉnh bên trong các hộp nhựa kỹ thuật cách điện màu đen có khoan lỗ ra dây tải và nguồn AC; bộ điều khiển trung tâm Master được đặt trong hộp nhựa kỹ thuật màu trắng trang bị cáp nối USB và nhãn dán chỉ dẫn chức năng phục vụ thao tác vận hành an toàn.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan (Chương 1. Đặt vấn đề)

Chương mở đầu tập trung phân tích thực trạng sử dụng năng lượng điện trong hệ thống chiếu sáng công cộng và sự cần thiết của việc giảm thiểu chi phí vận hành cho các đô thị và nhà máy. Tác giả chỉ ra nhược điểm của các phương pháp tiết kiệm điện hiện hành (như tắt xen kẽ bóng đèn gây ra khoảng tối giao thông nguy hiểm, hoặc kéo cáp tín hiệu điều khiển gây tốn kém và phá vỡ kiến trúc hạ tầng). Từ đó, đề tài xác định giải pháp sử dụng công nghệ mạng không dây Zigbee kết hợp bộ điều hòa công suất gắn tại từng trụ đèn là hướng tiếp cận phù hợp. Chương này công bố chi tiết mục tiêu nghiên cứu, 6 nội dung công việc cụ thể, các giới hạn kỹ thuật của mô hình (thực nghiệm trên 03 bóng đèn sợi đốt, điều khiển 3 cấp công suất 50%, 75%, 100%) và bố cục tổng thể của toàn bộ đồ án tốt nghiệp.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày toàn bộ nền tảng lý thuyết và thông số kỹ thuật của các linh kiện, module được tích hợp trong hệ thống:

  • Lý thuyết điều khiển bán dẫn: Phân tích cấu trúc bán dẫn 5 lớp p-n-p-n của Triac, đặc tính Volt-Ampere đối xứng ở hai góc phần tư thứ nhất và thứ ba, cơ chế đóng mở bằng xung dương/âm tại chân G; cấu tạo không có cực cổng của Diac, đặc tuyến điện trở âm và ngưỡng điện áp breakover $30\text{V}$; phương pháp phối hợp Diac - Triac bằng mạch phóng nạp điện trở - tụ điện ($RC$) để thay đổi góc pha dẫn dòng AC.
  • Tổng quan mạng Zigbee: Phân tích chuẩn không dây hoạt động ở dải tần $2.4\text{ GHz}$, tốc độ truyền dữ liệu $20 - 250\text{ Kbps}$, khả năng kết nối tối đa 65.000 nút mạng; so sánh ưu thế công suất thấp và tầm phủ sóng rộng của Zigbee so với Wi-Fi và Bluetooth; mô tả chi tiết 3 mô hình mạng (hình sao, lưới, hình cây) cùng 3 vai trò Coordinator, Router và End Device.
  • Giới thiệu module XBee ZB: Cung cấp bảng thông số kỹ thuật chi tiết của module XBee ZB công suất thấp do Digi sản xuất (công suất phát $2\text{mW} / +3\text{dBm}$, cự ly truyền thẳng ngoài trời $120\text{ m}$, cự ly trong nhà $40\text{ m}$, độ nhạy thu $-96\text{ dBm}$, nguồn cấp $2.6 - 3.3\text{V}$, dòng hoạt động $40\text{mA}$); sơ đồ 20 chân và bảng chức năng các chân UART ($T_x, R_x$), chân I/O số (DIO) và chân cấu hình.
  • Vi điều khiển và ngoại vi: Giới thiệu kiến trúc phần cứng bo mạch Arduino Mega 2560 sử dụng chip ATmega2560 (54 chân I/O, 4 cổng UART cứng mức logic TTL 5V); cấu tạo và tập thanh ghi của IC thời gian thực RTC DS1307 giao tiếp bus $I^2C$ có pin dự phòng duy trì giờ/phút/giây.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 thiết lập các sơ đồ khối, giải thuật vận hành và tính toán thông số cụ thể cho từng mạch thành phần:

  • Thiết kế sơ đồ khối toàn hệ thống: Phân định rõ dòng tín hiệu và dòng công suất giữa khối nguồn 220VAC/3.3VDC, khối điều khiển trung tâm Arduino Mega 2560, khối nút nhấn/RTC, máy tính giám sát và 3 khối điều khiển đèn qua mạng Zigbee.
  • Tính toán mạch điện tử: Áp dụng định luật Ohm tính toán điện trở kéo lên $10\text{ k}\Omega$ cho 4 nút nhấn điều khiển; tính toán điện trở hạn dòng $220\ \Omega$ và $1\text{ k}\Omega$ cho các LED chỉ thị trạng thái ngõ ra từ nguồn 5VDC; phân tích giản đồ sóng sin $50\text{Hz}$ ($T = 20\text{ ms}$, nửa chu kỳ $10\text{ ms}$) và tính toán hằng số thời gian $\tau = R \cdot C$ với tụ $100\text{nF}$, biến trở $500\text{k}\Omega$ để điều khiển góc mở $x_1, x_2$ của Triac BTA16 (dòng định mức RMS 16A, điện áp chịu đựng lặp lại 600V).
  • Thiết kế mạch ghép nối: Sử dụng 3 transistor NPN C1815 khuếch đại dòng từ các chân xuất mức cao DIO của XBee để đóng/ngắt cuộn hút rơle 5VDC; tiếp điểm rơle đóng cắt các điện trở nhằm nối tắt hoặc đưa thêm trở kháng vào mạch nạp, qua đó xác lập 3 mức hiệu suất phát quang của đèn gồm $50%$, $75%$ và $100%$.
  • Thiết kế bo mạch trung tâm: Kết hợp Arduino Mega 2560 cắm chồng Bee Shield (gạt jumper chọn kết nối $D_0, D_1$ về Serial0), module RTC DS1307 và cụm nút bấm điều khiển.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả toàn bộ quy trình công nghệ chế tạo sản phẩm thực nghiệm và triển khai phần mềm điều khiển:

  • Thi công mạch in PCB: Sử dụng phần mềm Proteus 8 Professional thiết kế mạch nguyên lý và mạch in layout một lớp; lập bảng thống kê linh kiện thực tế (Triac BTA16-600B vỏ TO-220, rơle 5VDC, transistor C1815/D468 vỏ TO-92, biến trở vi chỉnh 500k, Diac vỏ DO-35, diode 1N4007, IC AMS1117-3.3V vỏ SOT-223, tụ điện 100nF, điện trở hạn dòng, cọc đấu dây domino); tiến hành gia công mạch in, khoan lỗ, hàn lắp và đo kiểm chống ngắn mạch nguồn 220VAC và nguồn 3.3VDC.
  • Đóng gói mô hình: Lắp ráp các bo mạch vào hộp nhựa cách điện chuyên dụng (hộp màu trắng cho bộ trung tâm, hộp màu đen cho 3 bộ điều khiển đèn) để đảm bảo an toàn điện áp cao; lắp đặt liên kết hoàn chỉnh mô hình với 3 bóng đèn thử nghiệm.
  • Xây dựng lưu đồ giải thuật và lập trình hệ thống: Thiết lập lưu đồ điều khiển truyền nhận Master - Slave; cấu hình thông số mạng cho các module XBee bằng phần mềm X-CTU (thiết lập kênh truyền Channel C, mã định danh mạng PAN ID = 3332, địa chỉ đích $DH = 0$, $DL = 0$, $MY = 0$, phân định địa chỉ Coordinator và Router qua số MAC cố định); lập trình mã nguồn điều khiển nhúng trên Arduino IDE sử dụng hai hàm tiêu chuẩn setup() và loop(); thiết lập phần mềm giám sát giao tiếp máy tính qua cổng COM ảo bằng C#.

Chương 5: Kết quả, nhận xét, đánh giá (Theo bố cục tổng thể của đề tài)

Tổng hợp mức độ hoàn thiện của hệ thống sau khi chế tạo; đánh giá khả năng truyền nhận không dây giữa bộ điều phối Coordinator và 3 bộ định tuyến Router; kiểm tra độ chính xác của các mức điều tiết công suất $50%$, $75%$, $100%$ trên bóng đèn tải thực tế; nhận xét về độ ổn định của mạch nguồn ổn áp AMS1117-3.3V và tính an toàn điện áp của mô hình.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển (Theo bố cục tổng thể của đề tài)

Tổng kết toàn bộ các mục tiêu lý thuyết và chế tạo phần cứng đã hoàn thành; chỉ ra những điểm còn tồn tại về quy mô thử nghiệm và thiết bị công suất cao; vạch ra các định hướng mở rộng đề tài phục vụ triển khai thực tế trên diện rộng.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được:

  • Chế tạo thành công mô hình phần cứng hoàn chỉnh gồm 01 bộ điều khiển trung tâm (Master) và 03 bộ điều khiển đèn (Slave) hoạt động ổn định trên lưới điện xoay chiều 220VAC.
  • Điều khiển thành công công suất chiếu sáng của tải AC với 3 mức hiệu suất định trước: $50%$, $75%$ và $100%$ thông qua phương pháp điều khiển góc kích Triac BTA16-600B bằng mạch kết hợp Diac - biến trở - tụ điện và hệ thống rơle chuyển mạch.
  • Thiết lập thành công mạng truyền thông không dây Zigbee Mesh ở dải tần số $2.4\text{ GHz}$ sử dụng module Digi XBee ZB với cấu hình kênh C, mã PAN ID 3332. Hệ thống cho phép chuyển tiếp tín hiệu thông suốt giữa Coordinator và các Router theo đúng địa chỉ định danh.
  • Vận hành chính xác hai chế độ làm việc độc lập: chế độ tự động chuyển đổi mức sáng theo thời gian thực thu thập từ IC RTC DS1307 và chế độ điều khiển cưỡng bức bằng tay thông qua nút bấm phần cứng hoặc máy tính.
  • Đóng gói an toàn hệ thống mạch điện tử vào các vỏ hộp chuyên dụng, cách ly hoàn toàn điện áp lưới 220VAC nguy hiểm với giao diện điều khiển của người sử dụng.

Giải pháp và kiến nghị của tác giả:

  • Đề xuất thay thế phương thức đóng/ngắt cơ học toàn phần hoặc phương thức bật tắt xen kẽ bóng đèn truyền thống bằng giải pháp điều hòa góc kích Triac để tiết giảm độ sáng đồng đều trên toàn tuyến đường vào các khung giờ đêm vắng xe.
  • Đề xuất thay thế hạ tầng dây dẫn truyền thông điều khiển cồng kềnh bằng công nghệ mạng không dây Zigbee, cho phép dễ dàng tích hợp bộ điều khiển vào các cột đèn chiếu sáng hiện hữu mà không cần đào đường hoặc thay đổi kết cấu lưới điện phân phối.

Đóng góp tự nêu của công trình:

  • Hiện thực hóa một giải pháp kỹ thuật tiết kiệm năng lượng có tính thực tiễn cao, bám sát chủ trương tiết kiệm điện năng của nhà nước.
  • Xây dựng thành công một mô hình thí nghiệm tích hợp hoàn chỉnh giữa phần cứng điện tử công suất, kỹ thuật vi điều khiển và mạng truyền thông vô tuyến công nghiệp, tạo tiền đề cho các ứng dụng tự động hóa tòa nhà và đô thị thông minh.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được văn bản ghi nhận:

  • Do điều kiện kinh phí thực hiện đề tài có giới hạn, nhóm tác giả không thể trang bị các bộ đèn chiếu sáng công cộng công suất lớn chuyên dụng mà phải sử dụng bóng đèn sợi đốt xoay chiều dân dụng để thay thế làm tải mô phỏng trong mô hình.
  • Quy mô thử nghiệm phần cứng mới dừng lại ở mức mô hình nhỏ gồm 01 bộ điều khiển trung tâm và 03 bộ điều khiển đèn, chưa phản ánh đầy đủ mật độ nút dày đặc trên các tuyến đường thực tế.
  • Đề tài tập trung chủ yếu vào khía cạnh ứng dụng module phần cứng thương mại XBee ZB của hãng Digi và thiết kế mạch giao tiếp, chưa đi sâu nghiên cứu cấu trúc phân tầng chi tiết và tối ưu hóa các thuật toán định tuyến tầng thấp của giao thức Zigbee.
  • Mạch in điện tử được thi công bằng phương pháp thủ công một lớp, chưa đạt mức độ tích hợp và thẩm mỹ như các bo mạch công nghiệp đa lớp.

Hướng nghiên cứu phát triển tiếp:

  • Mở rộng số lượng nút mạng lên quy mô hàng chục hoặc hàng trăm cột đèn nhằm khai thác tối đa năng lực quản lý lên đến 65.000 thiết bị của công nghệ mạng Zigbee.
  • Thử nghiệm và hoàn thiện mạch điều khiển công suất trên các hệ thống đèn chiếu sáng công cộng thực tế như đèn phóng điện cao áp (Sodium, Metal Halide) hoặc hệ thống đèn LED công suất lớn chuyên dụng dùng nguồn Driver có điều khiển dimming.
  • Nghiên cứu phát triển thiết bị Cổng kết nối (Gateway) để kết nối mạng Zigbee với mạng Internet hoặc nền tảng điện toán đám mây (Cloud), hỗ trợ người quản trị theo dõi, nhận cảnh báo sự cố và điều khiển hệ thống chiếu sáng công cộng từ xa thông qua ứng dụng web hoặc thiết bị di động.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho các nhóm đối tượng:

  • Sinh viên thuộc các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển - Tự động hóa, Kỹ thuật Điện - Điện tử, Kỹ thuật Máy tính và Hệ thống Nhúng: Tài liệu cung cấp quy trình thiết kế hoàn chỉnh từ việc tính toán mạch nguyên lý điện tử công suất (Triac - Diac), lập trình vi điều khiển Arduino, cấu hình module truyền thông không dây XBee cho đến thi công mạch in PCB thực tế.
  • Người làm đề tài, đồ án về Nhà thông minh (Smart Home), Đô thị thông minh (Smart City) và Chiếu sáng công cộng: Cung cấp phương pháp luận và sơ đồ đấu nối thực tế để tích hợp mạng cảm biến/điều khiển không dây Zigbee với các cơ cấu chấp hành xoay chiều 220VAC.
  • Phần đáng giá tham khảo sâu: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển công suất dùng Triac BTA16 kết hợp rơle chuyển mạch góc dẫn; quy trình từng bước cấu hình các thông số mạng Zigbee (PAN ID, Channel, Role) thông qua phần mềm Digi X-CTU; phương pháp ghép nối module thời gian thực RTC DS1307 qua giao tiếp $I^2C$ với vi điều khiển AVR.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm tác giả lại lựa chọn công nghệ truyền thông Zigbee thay vì kết nối có dây hoặc các công nghệ không dây khác như Wi-Fi, Bluetooth?

Theo phân tích của nhóm tác giả, việc sử dụng đường truyền có dây sẽ làm tăng chi phí dây dẫn tín hiệu, phá vỡ mỹ quan đô thị và buộc phải thi công cải tạo lại hạ tầng điện sẵn có. Trong khi đó, Wi-Fi tiêu tốn rất nhiều năng lượng và cự ly không tối ưu cho mạng trải dài; Bluetooth có khoảng cách hoạt động quá ngắn (dưới 10m). Công nghệ Zigbee dung hòa được các yếu tố: hoạt động ở dải tần 2.4GHz với công suất tiêu thụ cực thấp, cự ly truyền nhận tầm xa (lên đến 120m ngoài trời với module XBee ZB), độ tin cậy cao và đặc biệt là khả năng kết nối theo cấu trúc mạng lưới (Mesh) hỗ trợ chuyển tiếp tín hiệu qua các nút trung gian, cho phép liên kết tới 65.000 thiết bị trong cùng một hệ thống.

2. Mạch công suất thực hiện việc thay đổi độ sáng bóng đèn theo nguyên tắc vật lý nào và gồm những mức công suất nào?

Mạch công suất hoạt động dựa trên nguyên lý điều khiển pha của dòng điện xoay chiều AC bằng sự phối hợp giữa Triac BTA16-600B và Diac DB3. Bằng cách thay đổi giá trị điện trở trong mạch phóng nạp của tụ điện qua hệ thống 3 rơle đóng cắt, thời điểm nạp điện thế của tụ đạt ngưỡng đánh thủng khoảng 30V của Diac sẽ thay đổi, dẫn đến thay đổi thời điểm xuất xung kích vào cực cổng $G$ của Triac (thay đổi góc dẫn $x_1, x_2$ trong mỗi nửa chu kỳ sóng sin $50\text{Hz}$). Hệ thống hỗ trợ 3 mức điều khiển cố định gồm: mức 50% (đóng rơle RL2), mức 75% (đóng rơle RL3) và mức 100% công suất danh định (đóng rơle RL4 nối tắt điện trở nạp).

3. Thành phần và nhiệm vụ của bộ điều khiển trung tâm (Master) trong đồ án là gì?

Bộ điều khiển trung tâm được cấu thành từ 4 khối chính: khối xử lý sử dụng bo mạch Arduino Mega 2560 (chip ATmega2560); khối truyền thông vô tuyến gồm Bee Shield kết nối với module XBee ZB được cấu hình đóng vai trò Zigbee Coordinator; khối thời gian thực gồm module RTC DS1307; khối giao tiếp người dùng gồm 4 nút nhấn vật lý và 3 LED chỉ thị. Bộ trung tâm có nhiệm vụ thu thập thời gian thực từ DS1307, nhận lệnh vận hành từ nút bấm hoặc máy tính, sau đó đóng gói mã lệnh điều khiển và truyền phát qua mạng Zigbee xuống các bộ điều khiển đèn Slave, đồng thời nhận tín hiệu phản hồi để hiển thị lên màn hình máy tính.

4. Vì sao nhóm nghiên cứu không sử dụng bóng đèn chiếu sáng đường phố chuyên dụng mà phải dùng bóng đèn sợi đốt trong mô hình?

Trong mục Giới hạn của đề tài, nhóm tác giả nêu rõ: do bóng đèn chiếu sáng công cộng thực tế (như các loại đèn cao áp chuyên dụng) có giá thành rất cao và nhóm sinh viên không đủ nguồn kinh phí đầu tư mua sắm, nên mô hình thực nghiệm đã sử dụng bóng đèn dây tóc (sợi đốt) xoay chiều 220V để thay thế làm tải điện trở phục vụ việc kiểm chứng nguyên lý điều khiển góc dẫn của mạch Triac và thuật toán truyền nhận dữ liệu qua mạng Zigbee.

5. Module XBee ZB trên hệ thống được thiết lập các thông số kỹ thuật nào thông qua phần mềm X-CTU?

Nhóm tác giả sử dụng phần mềm X-CTU của hãng Digi International để nạp firmware và thiết lập các thông số vận hành mạng cho XBee, bao gồm: kênh truyền tín hiệu (Channel = C), mã định danh mạng vô tuyến cá nhân (PAN ID = 3332), địa chỉ đích phát sóng ($DH = 0$, $DL = 0$, $MY = 0$), đồng thời phân định vai trò hoạt động của từng module (module cắm tại bo trung tâm được thiết lập làm Coordinator, các module tại các trụ đèn được thiết lập làm Router) dựa trên số định danh MAC phần cứng duy nhất được in ở mặt sau của từng thiết bị.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Giải pháp tiết kiệm điện cho hệ thống chiếu sáng công cộng" của nhóm tác giả tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã giải quyết thành công bài toán tiết giảm năng lượng chiếu sáng đô thị thông qua việc kết hợp kỹ thuật điều khiển pha điện áp xoay chiều bằng Triac và mạng vô tuyến Zigbee Mesh. Công trình đã thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh mô hình phần cứng gồm 01 bộ điều khiển trung tâm và 03 trạm đèn thử nghiệm, chứng minh khả năng điều tiết công suất linh hoạt (50%, 75%, 100%) theo cả chế độ tự động thời gian thực lẫn chế độ can thiệp thủ công. Mặc dù còn hạn chế về công suất tải thực tế do kinh phí nghiên cứu, đề tài đã xây dựng được nền tảng kỹ thuật vững chắc, cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết và mở ra triển vọng tích hợp công nghệ IoT vào quản trị chiếu sáng công cộng thông minh.