MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, cùng với không khí hội nhập kinh tế quốc tế của Việt nam, quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa của đất nƣớc đã có những bƣớc phát triển rất nhanh. Một trong những bƣớc thành công đó là qui mô đô thị hóa với hàng loạt các công trình kiến trúc đồ sộ đã và đang đƣợc xây dựng trên mọi miền của tổ quốc, góp phần cho sự phát triển kinh tế. Trong các công trình kiến trúc đồ sộ đó không thể không kể đến các tòa nhà cao tầng mới đƣợc xây dựng ở Việt Nam. Các tiêu chí đánh giá chất lƣợng các tòa nhà cao tầng đó liên quan đến các mặt kiến trúc, kết cấu xây dựng, tiện nghi, độ an toàn, độ tin cậy, tính kinh tế và tính hiện đại của tòa nhà.
Hầu hết các tòa nhà này hiện đều đƣợc trang bị hệ thống điều khiển và quản lý tòa nhà BMS (Building Management System) nhƣ ở các nƣớc công nghiệp. Chỉ có trên cơ sở hệ thống BMS này mà các chuyên gia mới có thể đánh giá chất lƣợng của các tòa nhà đạt tiêu chuẩn hay không đạt tiêu chuẩn quản lý hiện đại.[14] Các tiêu chí liên quan đến hệ thống BMS bao gồm các thành phần giám sát và báo động, các hệ thống thành phần quản lý năng lƣợng và hệ thống thông tin. Khi đƣợc trang bị nhƣ vậy, tất cả các hệ thống thành phần đó ngoài việc có khả năng hoạt động độc lập thì cần phải đƣợc điều khiển tập trung nhằm cho phép tăng độ an toàn, tính bền vững và ổn định của toàn hệ thống. Hệ thống tổng thể cần đƣợc thiết kế sử dụng khả năng tích hợp các hệ thống thành phần trên cơ sở một hệ thông tin liên tục, không bị gián đoạn, có đƣợc tốc độ xử lý dữ liệu đủ cao nhằm tăng tính tin cậy và hiệu quả sử dụng.
Thực tế phát triển nhƣ vũ bão của Công nghệ thông tin trong những năm gần đây đã cho thấy: hệ thống kể trên hoàn toàn có thể thực hiện đƣợc tốt trên cơ sở nghiên cứu tích hợp các hệ thống thành phần qua các kênh thông tin đƣợc tích hợp với nhau nhƣ dùng kết nối các đƣờng dây chuyên dụng truyền thống, các kênh thông tin vô tuyến (wireless), dùng ngay mạng điều khiển qua đƣờng điện lƣới PLC (Power Line Communication) hoặc dùng mạng máy tính (computer network), mạng điện thoại di động (mobile network) hoặc thậm chí cả mạng Internet.[15] Các hệ thống quản lý tòa nhà BMS đƣợc phát triển và ứng dụng khoảng 20- 30 năm trở lại đây dựa trên cở sở công nghệ tự động hóa phát triển và tích hợp tổng thể. Hệ thống BMS ra đời trợ giúp cho việc quản lý các tòa nhà rất hiệu quả và kinh tế. Tuy vốn ban đầu đầu tƣ cho thiết bị và các phần mềm quản lý là không nhỏ, nhƣng so với chi phí khai thác lâu dài thì rất hiệu quả và kinh tế. Chúng ta có thể z Trang - 11 - tham khảo các tòa nhà lớn ở sân bay Stuttgart của Đức, tòa nhà sinh thái ở Bỉ, nhà băng Credit Suisse First Boston ở Anh, Capital tower và hãng sản xuất đĩa cứng Seagate ở Singapore.
Các tòa nhà này đã đƣợc trang bị hệ thống BMS của Siemens và đã, đang đƣợc khai thác rất hiệu quả và kinh tế. Các nhà cao tầng ở Việt nam đã sử dụng hệ thống BMS của Siemens. Các tòa nhà: Saigon Center HCM đƣợc đƣa vào sử dụng 1996, Red river building Hanoi-1999, Opera Hilton Hotel Hanoi-2000, Hanoi Nation Stadium-2003. Sau khi trang bị hệ BMS này, các tòa nhà đã khai thác rất hiệu qủa khả năng quản lý giám sát và báo hiệu các sự cố của hệ thống HVAC (Hệ thống thông gió và điều hòa không khí) và tiết kiệm đƣợc 50% năng lƣợng điện tiêu thụ cho hệ thống so với trƣớc khi lắp đặt hệ thống BMS.[14] Bên cạnh việc sử dụng điện năng cho các hoạt động của tòa nhà(Hệ thống điều hòa, vận hành thang máy,…) thì việc sử dụng điện năng cho điều khiển chiếu sáng cũng chiếm một tỷ trọng khá lớn.
Việc quản lý tốt vấn đề chiếu sáng không chỉ đem lại môi trƣờng làm việc đủ ánh sáng mà còn nâng cao hiệu quả đầu tƣ cho việc tiết kiệm điện và chi phí vận hành. Tự động hóa điều khiển chiếu sáng, ngƣời vận hành có thể lập sẵn lịch hoạt động chiếu sáng cho từng khu vực nhất định, cho từng thời điểm nhất định. Nhƣ khu hành lang là nơi thƣờng xuyên có ngƣời qua lại, hệ thống sẽ tự động bật sáng khu vực đó trong thời gian làm việc. Những khu vực nhạy cảm về vấn đề an ninh, hệ thống sẽ tự động bật sáng khu vực đó về đêm hoặc chiếu sáng tăng cƣờng trong những thời điểm nhạy cảm.
Xuất phát từ những ý tƣởng và những tình hình thực tế nhƣ ở trên, tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu các chuẩn truyền thông và xây dựng một ứng dụng cho hệ thống giám sát, điều khiển, điều hành tòa nhà cao tầng” cho luận văn tốt nghiệp. Luận văn đƣợc tổ chức thành 3 chƣơng với các nội dung chính nhƣ sau: Chƣơng 1 – Tổng quan về hệ thống BMS: Giới thiệu tổng quan về hệ thống BMS, các phân hệ trong hệ thống BMS Chƣơng 2 – Một số chuẩn và giao thức truyền thông ứng dụng trong hệ thống BMS: Trình bày mạng truyền thông trong hệ thống BMS, một số chuẩn truyền thông, giao thức truyền thông sử dụng trong hệ thống BMS. Chƣơng 3 – Thiết kế một hệ thống thành phần trong hệ thống BMS: Trình bày mục tiêu của đề tài, xây dựng cấu hình của hệ thống, thiết kế phần cứng, thiết kế các modul mạch điện của hệ thống và xây dựng phần mềm nhúng cho hệ thống z Trang - 12 - nhằm thực hiện công việc bật/ tắt đèn chiếu sáng tự động trong hệ thống BMS. Thử nghiệm kết quả và khả năng ứng dụng của hệ thống.
z Trang - 13 - CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BMS 1. Giới thiệu chung Mục tiêu của hệ thống BMS là tập trung hóa và đơn giản hóa việc giám sát, vận hành và quản lý tòa nhà. BMS cho phép nâng cao hiệu suất của tòa nhà bằng cách giảm chi phí nhân công, chi phí năng lƣợng và cung cấp môi trƣờng làm việc thoải mái và an toàn cho con ngƣời. Một số lợi ích của hệ thống BMS: - Đơn giản hóa vận hành: các thủ tục, các chức năng có tính lặp đi lặp lại đƣợc chƣơng trình hóa để vận hành tự động.
- Giảm thời gian đào tạo cho nhân viên vận hành: Do có các chỉ dẫn trực tiếp trên màn hình cũng nhƣ giao diện trực quan của tòa nhà. - Phản ứng nhanh đối với các đòi hỏi của khách hàng và các sự cố. - Giảm chi phí năng lƣợng: quản lý tập trung việc điều khiển và quản lý năng lƣợng. - Quản lý tốt hơn các thiết bị trong tòa nhà: nhờ vào hệ thống dữ liệu lƣu trữ, chƣơng trình bảo trì bảo dƣỡng và hệ thống tự động báo cáo các cảnh báo.
- Linh hoạt trong việc lập trình theo nhu cầu, kích thƣớc, tổ chức và các yêu cầu mở rộng. - Sử dụng hệ thống vận hành bằng việc tích hợp hệ thống phần mềm và phần cứng của nhiều hệ thống con khác nhau nhƣ: báo cháy, an toàn, điều khiển truy nhập, điều khiển thiết bị điện qua công nghệ mạng di động GSM,…. Các phân hệ trong hệ thống BMS Hình 1: Hình minh họa hệ thống BMS Trong hệ thống BMS có khá nhiều phân hệ, cụ thể: - Trạm phân phối điện - Máy phát điện dự phòng - Hê ̣ thố ng chiế u sáng - Hê ̣ thố ng điề u hoà và thôn g gió - Hê ̣ thố ng cấ p nƣớc sinh hoa ̣t - Hê ̣ thố ng báo cháy - Hê ̣ thố ng chƣ̃a cháy z Trang - 15 - - Hê ̣ thố ng thang máy - Hê ̣ thố ng âm thanh công cô ̣ng - Hê ̣ thố ng quản lý vào /ra (dùng công nghệ RFID) - Hê ̣ thố ng an ninh - Đóng ngắt thiết bị điện - Điều khiển thiết bị điện qua công nghệ mạng di động GSM - V.v… Các hệ thống này có thể chia làm ba nhóm chính: - Hệ thống giám sát và báo động, - Hệ thống quản lý năng lƣợng, - Hệ thống thông tin. Ba nhóm này đặc trƣng cho hệ thống BMS cho các tòa nhà cao tầng.
Tùy thuộc vào mục đích sử dụng mà ba nhóm hệ thống trên đƣợc trang bị cho các tòa nhà hay không. Quản lý vào/ra trong tòa nhà Để quản lý vào/ra tại các cửa trong tòa nhà bằng thẻ sử dụng công nghệ RFID (Radio Frequency Identification). Công nghệ RFID là công nghệ xác nhận đối tƣợng bằng sóng vô tuyến. Dạng đơn giản nhất đƣợc sử dụng hiện nay hệ thống RFID bị động làm việc nhƣ sau: một RFID reader truyền một tín hiệu tần số vô tuyến điện từ qua anten của nó đến một con chip không tiếp xúc.
Reader nhận thông tin trở lại từ chip và gửi nó đến máy tính điều khiển đầu đọc và xử lý thông tin tìm đƣợc từ con chip. Các con chip không tiếp xúc không tích điện, chúng hoạt động bằng cách sử dụng năng lƣợng chúng nhận từ tín hiệu đƣợc gửi bởi một reader. Thành phần của một hệ thống RFID Một hệ thống RFID toàn diện bao gồm bốn thành phần: Hình 2: Reader và Card z Trang - 16 - 1. Thẻ RFID đƣợc lập trình điện tử với thông tin duy nhất.
Các reader hoặc sensor (cái cảm biến) để truy vấn các thẻ. Hoạt động của hệ thống RFID Một hệ thống RFID có ba thành phần cơ bản: thẻ, đầu đọc, và một host computer. Thẻ RFID gồm chip bán dẫn nhỏ và anten đƣợc thu nhỏ trong một số hình thức nhƣ thẻ vào ra cửa trong tòa nhà. Mỗi thẻ đƣợc lập trình với một nhận dạng (ID) duy nhất cho phép theo dõi không dây đối tƣợng hoặc con ngƣời đang gắn thẻ đó.
Bởi vì các chip đƣợc sử dụng trong thẻ RFID có thể giữ một số lƣợng lớn dữ liệu, chúng có thể chứa thông tin nhƣ chuỗi số, hƣớng dẫn cấu hình, dữ liệu kỹ thuật, sổ sách y học và lịch trình. Cũng nhƣ phát sóng tivi hay radio, hệ thống RFID cũng sử dụng bốn băng thông tần số chính: tần số thấp (LF), tần số cao (HF), siêu cao tần (UHF) hoặc sóng cực ngắn (viba). RFID reader gồm một anten liên lạc với thẻ RFID và một đơn vị đo điện tử học đã đƣợc nối mạng với host computer. Đơn vị đo tiếp sóng giữa host computer và tất cả các thẻ trong phạm vi đọc của anten, cho phép một đầu đọc liên lạc với hàng trăm thẻ đồng thời.