Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh các nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống như than đá và dầu mỏ ngày càng cạn kiệt, vấn đề tiết kiệm năng lượng và khai thác các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng sạch đang trở thành mục tiêu trọng tâm trong các nghiên cứu kỹ thuật trên toàn cầu. Một trong những giải pháp tiềm năng trong lĩnh vực xây dựng và kiến trúc là khai thác tối đa nguồn bức xạ mặt trời phục vụ cho nhu cầu chiếu sáng bên trong các tòa nhà, văn phòng và nhà xưởng, qua đó cắt giảm lượng điện năng tiêu thụ cho hệ thống chiếu sáng nhân tạo.

Tại Việt Nam, các giải pháp lấy sáng tự nhiên truyền thống như cửa sổ, giếng trời, mái kính hay ống lấy sáng thường ở dạng cố định hoặc chỉ dừng lại ở mức điều khiển thủ công và bán tự động (sử dụng công tắc hoặc remote điều khiển từ xa). Các hệ thống này chưa có khả năng tự động thích ứng với sự thay đổi liên tục của cường độ bức xạ mặt trời trong ngày, đồng thời chưa tích hợp cơ chế phối hợp thông minh giữa nguồn sáng tự nhiên và hệ thống đèn chiếu sáng nhân tạo để duy trì môi trường làm việc ổn định. Xuất phát từ thực tế đó, đề tài "Thiết Kế Và Điều Khiển Tấm Lấy Sáng Mái Nhà Thông Minh" do sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM thực hiện nhằm giải quyết bài toán tự động hóa quá trình lấy sáng và tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể như sau:

  1. Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mô hình cơ khí cơ cấu tấm lấy sáng mái nhà có khả năng điều chỉnh góc mở, kích thước quy chuẩn thử nghiệm 400x600 mm.
  2. Thiết kế, thi công mạch điều khiển phần cứng sử dụng vi điều khiển và các mạch điều khiển công suất, cảm biến ánh sáng, công tắc hành trình.
  3. Xây dựng giải thuật điều khiển và phần mềm giám sát trên máy tính, thực hiện điều khiển phối hợp giữa tấm lấy sáng và hệ thống đèn phụ trợ nhằm đảm bảo độ rọi bên trong mô hình luôn đạt mức đặt (Setpoint), đồng thời tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ.
  4. Khảo cứu các tiêu chuẩn chiếu sáng quốc tế và Việt Nam, lý thuyết tính toán quang học, cơ sở tính toán sức bền cơ học của thanh chịu tải phức tạp và nguyên lý hoạt động của các bộ truyền động.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là hệ thống cơ điện tử tích hợp gồm cơ cấu tấm lấy sáng mái nhà, mạch điều khiển vi xử lý, hệ thống cảm biến quang và hệ thống đèn LED chiếu sáng nhân tạo. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở việc tính toán, chế tạo và thử nghiệm trên mô hình thực nghiệm dạng khối hộp kích thước $600 \times 400 \times 400$ mm tại phòng thí nghiệm Bộ môn Cơ điện tử, hoàn thành vào tháng 7 năm 2015.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng nền tảng nghiên cứu dựa trên sự kết hợp liên ngành giữa quang học chiếu sáng, kỹ thuật cơ học và lý thuyết điều khiển tự động:

Cơ sở lý thuyết quang học và tiêu chuẩn chiếu sáng:

  • Các đại lượng quang học cơ bản: Quang thông ($\Phi$, đơn vị Lumen - lm), Cường độ sáng ($I$, đơn vị Candela - cd, với $\Phi = 4\pi I$ đối với nguồn sáng đẳng hướng), Độ rọi ($E$, đơn vị Lux, với $1\text{ lux} = 1\text{ lm/m}^2$), Hiệu suất phát quang danh nghĩa ($lm/W$), Chỉ số hoàn màu ($CRI$), Hệ số sử dụng ($UF$) và Hệ số thất thoát ánh sáng ($LLF$).
  • Tiêu chuẩn chiếu sáng của Ủy ban Chiếu xạ Quốc tế (CIE) và Hội Kỹ sư Ánh sáng (IES): Đồ án dẫn chiếu bảng tiêu chuẩn độ rọi cho từng loại công việc (từ 20 lux đối với khu vực đi lại bên ngoài, 200 lux cho chiếu sáng dịch vụ tối thiểu/văn phòng thông thường, 450 lux cho phòng thiết kế, đến 1500–3000 lux cho gia công cơ khí chính xác và chế tạo vi mạch).
  • Bảng so sánh đặc tính kỹ thuật các nguồn sáng thông dụng được tổng hợp trong đồ án:
Loại đèn Hiệu suất phát quang (lm/W) Chỉ số hoàn màu Tuổi thọ trung bình (giờ) Đánh giá chất lượng và phạm vi ứng dụng
Đèn sợi đốt (GLS) 8 – 18 (TB: 14) Hoàn hảo (1A) 1.000 – 2.000 Hiệu suất thấp, tỏa nhiệt cao; dùng trong gia đình, khách sạn.
Đèn huỳnh quang 46 – 60 (TB: 50) Tốt 5.000 Dùng cho văn phòng, cửa hàng, bệnh viện.
Đèn huỳnh quang compact 40 – 70 (TB: 60) Rất tốt 8.000 – 10.000 Khách sạn, thương mại, gia đình, văn phòng.
Đèn thủy ngân cao áp (HPMV) 44 – 57 (TB: 50) Trung bình 5.000 Chiếu sáng nhà xưởng, gara, bãi đỗ xe.
Đèn Halogen 18 – 24 (TB: 20) Hoàn hảo 2.000 – 4.000 Chiếu sáng khu vực trưng bày, đèn pha xây dựng.
Đèn hơi Natri cao áp 67 – 121 (TB: 90) Trung bình 6.000 – 12.000 Chiếu sáng nhà kho, nhà máy, đèn đường giao thông.
Đèn hơi Natri hạ áp 101 – 175 (TB: 150) Kém 6.000 – 12.000 Lòng đường, đường hầm, kênh rạch.
Đèn LED 80 – 90 (TB: 85) Tốt 40.000 – 100.000 Tiết kiệm 82%–93% điện năng so với đèn truyền thống; dùng đa dụng.

Cơ sở tính toán sức bền cơ học:

  • Lý thuyết ứng suất cho thanh phẳng tiết diện chữ nhật ($b \times h$) chịu lực phức tạp (đồng thời chịu uốn và chịu xoắn).
  • Ứng suất pháp cực đại do mômen uốn $M_x$ sinh ra: $\sigma = \frac{M_x}{W_x}$ (trong đó $W_x$ là mômen chống uốn).
  • Ứng suất tiếp cực đại do mômen xoắn $M_z$ sinh ra: $\tau_{\max} = \frac{M_z}{W_0}$ (trong đó $W_0$ là mômen chống xoắn, phân bố cực đại tại trung điểm các cạnh).
  • Điều kiện bền tổng quát cho thanh chịu tải phức tạp: $\sqrt{\sigma^2 + 3\tau^2} \le [\sigma]$ hoặc $\sqrt{\sigma^2 + 4\tau^2} \le [\sigma]$.

Phương pháp nghiên cứu thực tế:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Khảo sát các giải pháp lấy sáng thương mại và công trình đã công bố trong và ngoài nước (hệ thống màn trượt Skylight, tấm lợp lấy sáng sợi thủy tinh Ampelite của Úc, mái gấp FCS Blinds, rèm tự động và giếng trời tự động có bộ lưu điện UPS 48h).
  • Phương pháp thiết kế mô hình 3D và tính toán kỹ thuật: Ứng dụng phần mềm SolidWorks 2011 với các module Sketch 2D, Sketch 3D và thư viện vật liệu để thiết kế chi tiết các tấm lấy sáng, trục dẫn, pully và kiểm tra kết cấu không gian.
  • Phương pháp thiết kế phần cứng và lập trình nhúng: Sử dụng Arduino IDE (ngôn ngữ Wiring/C++) nạp cho vi điều khiển ATmega328 trên bo Arduino UNO; thiết kế mạch driver công suất điều khiển động cơ bước.
  • Phương pháp lập trình phần mềm giám sát: Xây dựng ứng dụng máy tính trên nền tảng Microsoft Visual Studio 2008 (ngôn ngữ C#/VB.NET, Windows Forms) để nhận dữ liệu từ cổng COM, thiết lập giá trị Setpoint và vẽ đồ thị đáp ứng thời gian thực.
  • Phương pháp thực nghiệm, thử và sửa sai: Đo kiểm thực tế cường độ ánh sáng tự nhiên và nhân tạo qua cảm biến quang, hiệu chỉnh thuật toán đóng ngắt đèn và điều chỉnh bước quay của động cơ bước.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

1. Kiến trúc hệ thống và sơ đồ khối

Hệ thống hoạt động theo nguyên lý điều khiển vòng kín dựa trên phản hồi độ rọi, gồm hai đường truyền chính: đường tín hiệu điều khiển và đường công suất.

                  +-----------------------------------+
                  |   Bộ điều khiển trung tâm (PC)    |
                  |  (Giao diện Visual Studio 2008)   |
                  +-----------------+-----------------+
                                    | (Cổng COM / USB)
                                    v
+-----------------+       +-------------------+       +--------------------+
|  Cảm biến quang | ----> | Vi điều khiển     | ----> | Mạch Stepper       |
|  (Đo độ rọi PV) |       | (Arduino UNO      |       | Motor Driver       |
+-----------------+       |  ATmega328)       |       +---------+----------+
                          +---------+---------+                 |
                                    |                           v
                                    |                 +--------------------+
                                    | (Đóng/Ngắt)     | Động cơ bước       |
                                    v                 | (Cơ cấu đai răng)  |
                          +-------------------+       +---------+----------+
                          | Hệ thống LED 2W   |                 |
                          | (6 bóng phụ trợ)  |                 v
                          +-------------------+       +--------------------+
                                                      | 5 tấm lấy sáng     |
                                                      | (Góc mở xoay)      |
                                                      +--------------------+
  • Khối xử lý trung tâm: Vi điều khiển ATmega328 tiếp nhận tín hiệu tương tự từ cảm biến quang qua bộ biến đổi ADC, so sánh với giá trị đặt (Setpoint - SP).
  • Khối chấp hành góc mở: Khi có sai lệch $E = SP - PV$, vi điều khiển xuất chuỗi xung điều khiển qua mạch Stepper Driver để quay động cơ bước, truyền động qua pully và dây đai răng làm xoay trục dẫn của 5 tấm mica lấy sáng.
  • Khối chiếu sáng phụ trợ: Nếu các tấm lấy sáng đã mở cực đại (chạm công tắc hành trình) mà giá trị PV vẫn chưa đạt SP (do trời tối hoặc mây che), bộ điều khiển sẽ tự động kích hoạt đóng mạch cấp nguồn cho các cụm đèn LED 2W để bù đắp lượng ánh sáng thiếu hụt.

2. Lựa chọn phương án thiết kế cơ khí và truyền động

Nhóm tác giả tiến hành phân tích so sánh 3 phương án kết cấu cơ khí cho tấm lấy sáng:

Phương án kết cấu Đặc điểm kỹ thuật Ưu điểm Nhược điểm
Phương án 1: Hai mái kết hợp Điều khiển hai cánh nghiêng ở hai phía mái nhà Khả năng thu sáng lớn, độ cứng vững kết cấu cao Cần 2 động cơ độc lập, hệ thống điều khiển phức tạp, chiếm nhiều không gian, chi phí cao
Phương án 2: Màn trượt dạng cuộn Vải bạt hoặc tấm màng trượt thu cuộn Khối lượng nhẹ, lắp đặt đơn giản, bảo dưỡng dễ Độ bền cơ học kém, dễ hư hỏng khi gặp mưa gió lớn, cơ cấu trượt dễ kẹt
Phương án 3: Từng miếng ghép một mái (Được chọn) 5 tấm mica ghép song song, dẫn động qua 1 trục xoay chung Kết cấu gọn gàng, tính thẩm mỹ cao, chỉ dùng 1 động cơ bước điều khiển đồng bộ qua đai răng Cần gia công liên kết nhiều chi tiết trục, yêu cầu tính toán chính xác tải trọng động cơ

Đối với hệ thống truyền động, nhóm so sánh giữa truyền động đai, bánh răng và xích. Nhóm quyết định lựa chọn bộ truyền đai răng kết hợp pully vì ưu điểm làm việc êm, không trượt bước (đảm bảo độ chính xác góc quay), kết cấu gọn nhẹ, không yêu cầu bôi trơn và bảo vệ động cơ khi xảy ra quá tải.

3. Tính toán thiết kế hệ thống chiếu sáng thực nghiệm

Nhóm tác giả áp dụng quy trình tính toán kỹ thuật chiếu sáng 5 bước để lựa chọn số lượng đèn LED phụ trợ:

  • Bước 1: Xác định mức độ rọi yêu cầu cho môi trường làm việc thông thường $E = 200 - 400\text{ lux}$. Lựa chọn loại đèn LED 2W siêu sáng (quang thông danh định $\approx 270\text{ lm}$, nhiệt độ màu $2700 - 7000\text{ K}$, tuổi thọ $> 50.000\text{ giờ}$).
  • Bước 2: Thu thập thông số kích thước mô hình thực nghiệm: Chiều dài $L_1 = 0,6\text{ m}$; Chiều rộng $L_2 = 0,4\text{ m}$; Chiều cao trần $L_4 = 0,4\text{ m}$; Hệ số phản xạ trần $L_5 = 0,7$; Chiều cao lắp đặt đèn $L_9 = 0,2 - 0,3\text{ m}$.
  • Bước 3: Tính chỉ số phòng ($Room\ Index$): $$\text{Chỉ số phòng} = \frac{\text{Dài} \times \text{Rộng}}{\text{Cao} \times (\text{Dài} + \text{Rộng})} = \frac{0,6 \times 0,4}{0,4 \times (0,6 + 0,4)} = 0,6$$
  • Bước 4: Xác định hệ số sử dụng $UF$ và hệ số suy giảm ánh sáng $LLF$ ($LLF = \text{Lumen MF} \times \text{Nguồn sáng MF} \times \text{Bề mặt MF} = 0,8$).
  • Bước 5: Tính số lượng đèn $N$ theo công thức: $$N = \frac{E \times A}{F \times UF \times LLF} = \frac{400 \times 2,4}{2 \times 683 \times 0,8} \approx 5,5$$ Nhóm chọn lắp đặt 6 đèn LED 2W. Khoảng cách giữa các bộ đèn được bố trí là $0,2\text{ m}$, chiều cao treo đèn $0,3\text{ m}$, tỷ lệ khoảng cách/chiều cao đạt $\frac{0,2}{0,3} \approx 0,66$ (đáp ứng dung sai thiết kế tiêu chuẩn gần 0,5 nhằm chống lóa, tránh bóng che và phân bố ánh sáng đồng đều).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu đề tài

Chương 1 thiết lập tính cấp thiết của đề tài từ yêu cầu thực tiễn về sử dụng năng lượng sạch và tiết kiệm điện năng. Tác giả trình bày giới hạn đề tài ở mô hình kích thước 400x600 mm, nêu rõ 4 mục tiêu nghiên cứu và phương pháp tiếp cận từ lý thuyết, mô phỏng đến thực nghiệm. Phần tổng quan khảo cứu chi tiết các giải pháp trong nước và quốc tế: hệ thống màn trượt ngang Skylight, tôn lấy sáng Ampelite của Úc, mái gấp FCS Blinds, rèm cửa tự động và giếng trời tự động có hệ thống lưu điện UPS 48 giờ. Tác giả chỉ ra nhược điểm chung của các hệ thống hiện hữu là giá thành cao, lắp đặt cố định hoặc chỉ dừng ở mức bán tự động, từ đó khẳng định việc chế tạo cơ cấu tự động phối hợp ánh sáng là hướng đi mới cần thiết.

Chương 2: Cơ sở chiếu sáng, lý thuyết tính toán sức bền, phương pháp điều khiển và phần mềm

Chương 2 cung cấp toàn bộ cơ sở lý thuyết phục vụ tính toán:

  • Cơ sở chiếu sáng: Trình bày bản chất sóng điện từ của ánh sáng, các định nghĩa về Lumen, Lux, Candela, độ chói, chỉ số phòng, hệ số sử dụng $UF$, hệ số thất thoát $LLF$. Khảo sát chi tiết cấu tạo, sơ đồ năng lượng và hiệu suất của đèn sợi đốt, đèn huỳnh quang, đèn huỳnh quang compact, đèn kết hợp và đèn LED. Nêu các bảng tiêu chuẩn chiếu sáng quốc gia, quốc tế CIE/IES.
  • Lý thuyết sức bền vật liệu: Thiết lập bài toán ứng suất pháp $\sigma$ do mômen uốn $M_x$ và ứng suất tiếp $\tau$ do mômen xoắn $M_z$ trên tiết diện chữ nhật của thanh chịu lực phức tạp, làm căn cứ kiểm tra độ bền trục dẫn tấm lấy sáng.
  • Phương pháp điều khiển và công cụ phần mềm: Phân tích ba cấp độ điều khiển (thủ công, bán tự động, tự động hoàn toàn); giới thiệu môi trường Arduino IDE (ngôn ngữ Wiring C/C++), phần mềm thiết kế cơ khí SolidWorks 2011 (Sketch 2D/3D, thư viện vật liệu) và Microsoft Visual Studio 2008 (Windows Forms Designer, đồ thị dữ liệu).

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 trình bày chi tiết quá trình tính toán và thiết kế hệ thống:

  • Thiết lập sơ đồ khối tổng thể và sơ đồ nguyên lý mạch điện (nguồn 12V/5A, hạ áp 5V, kết nối vi điều khiển, module Stepper Driver, cảm biến độ rọi, hệ thống LED và công tắc hành trình).
  • Tính toán quang thông, chỉ số phòng ($0,6$) và tính toán số lượng đèn chiếu sáng phụ trợ ($6$ bóng LED 2W), thiết kế sơ đồ bố trí đèn chống chói lóa và phản xạ.
  • Thiết kế cơ khí: Phân tích và lựa chọn phương án tấm lấy sáng 5 cánh ghép song song, lựa chọn bộ truyền đai răng - pully; xây dựng bản vẽ 3D và các hình chiếu đứng, bằng, cạnh trên SolidWorks 2011.
  • Xây dựng lưu đồ giải thuật điều khiển đọc tín hiệu độ rọi thực tế ($PV$), so sánh với giá trị đặt ($SP$), xuất xung điều khiển vị trí động cơ bước và đóng cắt rơ-le đèn LED.

Chương 4: Kết quả thực nghiệm

Chương 4 công bố kết quả chế tạo phần cứng và kiểm thử phần mềm:

  • Chế tạo thành công mô hình cơ khí thực tế gồm 5 tấm lấy sáng mica ghép nối trục, bộ truyền đai răng liên kết với động cơ bước và khung mô hình nhà $600 \times 400 \text{ mm}$.
  • Chế tạo và đấu nối hoàn chỉnh bo mạch Arduino UNO, mạch công suất Stepper Driver, module cảm biến ánh sáng và công tắc hành trình.
  • Triển khai giao diện phần mềm trên máy tính bằng Visual Studio 2008: cho phép chọn cổng giao tiếp RS232/COM, cài đặt giá trị Setpoint, hiển thị giá trị cảm biến thời gian thực, có nút chuyển đổi chế độ làm việc và đồ thị hiển thị đường đáp ứng $PV$ bám theo $SP$ ở chế độ làm việc và chế độ nghỉ ngơi.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương 5 tổng kết các mục tiêu đã hoàn thành: làm chủ quy trình thiết kế cơ khí trên SolidWorks, chế tạo mạch điện tử vi điều khiển, lập trình giao tiếp máy tính và thuật toán điều khiển phối hợp ánh sáng tự nhiên - nhân tạo hoạt động ổn định theo đúng giá trị đặt. Tác giả cũng chỉ ra các tồn tại về mặt quy mô mô hình thử nghiệm và đề xuất các hướng phát triển tiếp theo cho hệ sinh thái nhà thông minh.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Thi công cơ khí: Chế tạo thành công mô hình thử nghiệm kích thước $600 \times 400 \times 400\text{ mm}$ với cơ cấu 5 tấm lấy sáng bằng mica, hệ thống trục xoay đồng bộ dẫn động bằng 1 động cơ bước thông qua bộ truyền đai răng và pully, cơ cấu chuyển động êm và không bị trượt bước.
  • Thi công mạch điện tử: Lắp ráp và tích hợp thành công bo mạch vi điều khiển Arduino UNO (ATmega328), khối nguồn công suất kép 12V/5A và 5V, mạch đệm điều khiển động cơ bước Stepper Motor Driver, mạch cảm biến quang và cụm 6 đèn LED 2W siêu sáng.
  • Phần mềm và giao diện giám sát: Lập trình hoàn chỉnh chương trình nhúng trên vi điều khiển và phần mềm máy tính trên nền Microsoft Visual Studio 2008. Giao diện cho phép người dùng nhập Setpoint độ rọi, hiển thị giá trị độ rọi thực tế đo được từ cảm biến và vẽ đồ thị đáp ứng thời gian thực cho thấy giá trị $PV$ bám sát giá trị $SP$ cả ở chế độ làm việc (cần độ rọi cao) và chế độ nghỉ ngơi (độ rọi thấp).

2. Giải pháp và kiến nghị của tác giả

  • Ứng dụng giải pháp điều khiển tự động hoàn toàn thay thế cho phương pháp kéo tay hoặc bán tự động dùng remote nhằm loại bỏ hoàn toàn sự can thiệp thủ công của người dùng.
  • Kết hợp đồng thời cơ cấu lấy sáng tự nhiên và đèn LED tiết kiệm năng lượng: ưu tiên mở tối đa tấm lấy sáng trước; chỉ kích hoạt hệ thống đèn điện khi ánh sáng tự nhiên không đủ đáp ứng giá trị Setpoint nhằm tối ưu hóa điện năng tiêu thụ.

3. Đóng góp của đề tài

So với các nghiên cứu và sản phẩm thương mại được khảo cứu (như giếng trời tự động hay mái cuốn chỉ đóng mở theo thời tiết hoặc remote mà không đo đạc mức độ rọi), đề tài đã tự xây dựng được giải thuật điều khiển bám độ rọi thời gian thực, tích hợp thành công giải pháp chiếu sáng lai (hybrid lighting) giữa ánh sáng mặt trời và đèn LED nhân tạo trên cùng một hệ thống cơ điện tử đồng bộ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

1. Hạn chế của đề tài

  • Hệ thống chỉ mới dừng lại ở quy mô mô hình demo phòng thí nghiệm ($600 \times 400\text{ mm}$), chưa thử nghiệm trực tiếp trên quy mô công trình thực tế (nhà ở hoặc phân xưởng diện tích lớn).
  • Vật liệu cánh lấy sáng sử dụng mica để phục vụ thử nghiệm, chưa đáp ứng được yêu cầu về độ bền cơ học, khả năng cách nhiệt và chống chịu thời tiết mưa bão lâu dài như kính cường lực hay tấm Polycarbonate chuyên dụng.
  • Thuật toán điều khiển chủ yếu dựa trên so sánh ngưỡng sai lệch và đóng ngắt từng cấp, chưa áp dụng các thuật toán điều khiển tự động nâng cao (như điều khiển PID điều chỉnh độ sáng đèn LED bằng PWM hoặc điều khiển mờ - Fuzzy Logic).

2. Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Mở rộng quy mô, nâng cấp kích thước cơ cấu cơ khí để ứng dụng thử nghiệm trên mái nhà xưởng, văn phòng hoặc tòa nhà thực tế.
  • Tích hợp thêm các loại cảm biến môi trường khác như cảm biến phát hiện mưa để tự động đóng kín cánh lấy sáng, cảm biến nhiệt độ để điều hòa thông gió và tránh hiệu ứng nhà kính khi bức xạ mặt trời quá gay gắt.
  • Bổ sung hệ thống nguồn điện dự phòng (bộ lưu điện UPS) giúp hệ thống duy trì hoạt động liên tục ngay cả khi lưới điện gặp sự cố.
  • Tối ưu hóa thuật toán điều khiển: sử dụng kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) để điều chỉnh độ sáng mịn của dàn đèn LED kết hợp vi chỉnh góc quay động cơ bước, tối ưu hóa triệt để năng lượng tiêu thụ.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ Điện tử, Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, Kỹ thuật Điện - Điện tử và Công nghệ Tòa nhà Thông minh.

Cụ thể, các nội dung có giá trị ứng dụng cao bao gồm:

  • Quy trình tính toán quang thông, xác định chỉ số phòng và tính toán số lượng bộ đèn theo tiêu chuẩn CIE/IES.
  • Phương pháp thiết kế cơ khí và mô hình hóa 3D các cơ cấu xoay đồng bộ nhiều cánh bằng phần mềm SolidWorks.
  • Kỹ thuật lập trình nhúng vi điều khiển kết nối ngoại vi (động cơ bước, cảm biến, rơ-le) và phương thức truyền thông nối tiếp để xây dựng giao diện điều khiển, giám sát đồ thị thời gian thực trên Visual Studio.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm tác giả tính toán cần sử dụng 6 bóng đèn LED 2W cho mô hình kích thước 600x400 mm?
Dựa trên công thức tính số lượng bộ đèn $N = \frac{E \times A}{F \times UF \times LLF}$, với độ rọi yêu cầu $E = 400\text{ lux}$, diện tích tính toán $A = 2,4$, hệ số thất thoát ánh sáng $LLF = 0,8$ và quang thông của đèn LED 2W, kết quả tính toán lý thuyết cho ra $N = 5,5$. Nhóm tác giả làm tròn lên để chọn bố trí 6 bóng đèn LED 2W, đảm bảo khoảng cách giữa các đèn là $0,2\text{ m}$ và chiều cao treo đèn $0,3\text{ m}$ nhằm đạt độ rọi đồng đều.

2. Cơ cấu cơ khí điều khiển các tấm lấy sáng hoạt động theo nguyên lý truyền động nào?
Hệ thống sử dụng cơ cấu 5 tấm mica lấy sáng ghép song song, liên kết với nhau qua các trục nối và một trục dẫn chính. Trục dẫn được gắn pully và truyền động từ một động cơ bước thông qua bộ truyền đai răng, giúp điều chỉnh góc nghiêng của toàn bộ các tấm lấy sáng cùng một lúc một cách chính xác mà không bị trượt.

3. Phần mềm điều khiển và giám sát hệ thống trên máy tính được xây dựng bằng công cụ gì và có tính năng nào?
Phần mềm được xây dựng trên nền tảng Microsoft Visual Studio 2008 (sử dụng Windows Forms Designer). Phần mềm có chức năng kết nối với vi điều khiển qua cổng COM, cho phép người dùng nhập giá trị độ rọi mong muốn (Setpoint), hiển thị giá trị cảm biến đo được theo thời gian thực và vẽ đồ thị trực quan biểu diễn đáp ứng của biến quá trình ($PV$) so với $SP$.

4. Khi cường độ ánh sáng mặt trời ngoài trời thay đổi, hệ thống xử lý như thế nào để đảm bảo độ rọi trong phòng?
Hệ thống hoạt động theo nguyên lý điều khiển vòng kín: Cảm biến liên tục đo cường độ ánh sáng trong phòng và gửi về Arduino. Nếu độ rọi thấp hơn Setpoint, vi điều khiển kích hoạt động cơ bước quay mở các tấm lấy sáng. Nếu các tấm đã mở hết mức (chạm công tắc hành trình) mà độ rọi vẫn thiếu, hệ thống sẽ tự động bật thêm hệ thống đèn LED 2W. Ngược lại, khi ánh sáng tự nhiên quá mạnh, động cơ bước sẽ điều khiển khép bớt tấm lấy sáng lại để duy trì mức sáng cài đặt.

5. Những giải pháp lấy sáng thực tế nào đã được nhóm tác giả khảo cứu trước khi thiết kế mô hình?
Nhóm tác giả đã khảo cứu các giải pháp thương mại gồm: hệ thống màn trượt ngang Skylight, tấm lợp lấy sáng sợi thủy tinh Ampelite của Úc, mái gấp FCS Blinds, rèm cửa tự động điều khiển bằng remote và hệ thống giếng trời tự động có trang bị bộ lưu điện UPS 48 giờ.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết Kế Và Điều Khiển Tấm Lấy Sáng Mái Nhà Thông Minh" đã hoàn thành trọn vẹn các mục tiêu thiết kế và tích hợp một hệ thống cơ điện tử hoàn chỉnh từ mô hình cơ khí, mạch phần cứng đến phần mềm điều khiển. Thông qua việc kết hợp cơ cấu xoay 5 tấm lấy sáng truyền động đai răng với hệ thống đèn LED phụ trợ dưới sự điều khiển của vi điều khiển ATmega328, hệ thống đã chứng minh khả năng tự động duy trì độ rọi mong muốn và tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng mặt trời. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở kỹ thuật thực nghiệm có giá trị tham khảo cao cho các ứng dụng tự động hóa tòa nhà và kiến trúc tiết kiệm năng lượng.