CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG TRONG NHÀ 1. Giới thiệu về điều khiển chiếu sáng Trong một tòa nhà, cùng với hệ thống điều hòa không khí và thông gió (HVAC) thì hệ thống chiếu sáng luôn là một trong 2 hệ thống tiêu tốn nhiều năng lượng nhất. Trung bình khoảng 20-40% năng lượng của một tòa nhà là giành cho chiếu sáng. Ở Mỹ và nhiều nước phát triển, việc triển khai hệ thống lighting control gần như là bắt buộc trong mọi tòa nhà thương mại.
Quản lý năng lượng hiệu quả trong chiếu sáng cùng với nhu cầu giải trí và thẩm mĩ của con người ngày càng tăng đã đặt ra hai bài toán: - Chiếu sáng hiệu quả và tiết kiệm năng lượng. - Đòi hỏi áp dụng công nghệ kỹ thuật tiên tiến để ánh sáng trình diễn theo ý muốn. Để giải quyết hiệu quả hai bài toán trên người ta đang hướng đến việc quản lý tập trung, liên kết các hệ thống riêng này thành một thể thống nhất. Chính vì thế lighting control cũng được phát triển theo hướng ứng dụng thiết lập mạng và tích hợp vào hệ thống quản lý tòa nhà cùng với nhiều hệ thống khác.
Đây là một đặc trưng hiện đại và cũng là ưu điểm của lighting control so với hệ thống thông thường. Để thiết lập mạng điều khiển chiếu sáng có hai phương pháp là sử dụng các chuẩn chiếu sáng có dây và các chuẩn chiếu sáng không dây. Chuẩn chiếu sáng có dây Trước những năm 90, phần lớn các chuẩn trong các hệ thống tự động hóa tòa nhà nói chung và điều khiển chiếu sáng nói riêng đều dựa trên giao thức có bản quyền của từng hãng sản xuất. Thậm chí, đến nay một số hãng có tên tuổi vẫn sử dụng các chuẩn của riêng mình như JCI (N2-Metisys), Honeywell, Lutron, GE, PCI.
Dưới đây là các giao thức hỗ trợ của một số hãng sản xuất thiết bị chiếu sáng. Theo tài liệu [1] STT Tên hãng sản xuất Giao thức 1 ABB Control Inc Custom, BACnet, Modicon and LON 15 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 2 Advance Transformer 0-10VDC, 2-Wire 3 Agilent Technologies Inc LAN/WAN Ethernet 4 Douglas Lighting Controls LONworks Inc 5 MagneTek Lighting 0-10VDC, DMX512, DALI Products Group 6 Siemens Building BACnet, MODbus, LONworkds, DMX512 Technologies Ltd 7 IBECS 1-Wire Phần dưới đây trình bày một số giao thức có dây thường gặp trong điều khiển chiếu sáng. Giới thiệu DALI hay Digital Addressable Lighting Interface là một chuẩn chuẩn điều khiển hệ thống chiếu sáng bằng kỹ thuật số. Với hệ thống điều khiển chiếu sáng theo tín hiệu DALI, các bộ đèn có thể đánh địa chỉ và được điều khiển riêng rẽ.
Trong một hệ thống chiếu sáng bao gồm rất nhiều các bộ đèn khác nhau, hệ thống DALI giúp điều khiển riêng rẽ từng bộ đèn, phân nhóm, và tạo lập các cảnh chiếu sáng khác nhau, có thể tăng giảm độ sáng của các bộ đèn bằng tay qua công tắc nhấn, màn hình cảm biến, qua remote hay được điều chỉnh tự động qua cảm biến ánh sáng. Ngoài ra, hệ thống DALI còn có thể điều khiển rèm cửa, tích hợp hệ thống an ninh báo cháy, báo trộm. Từ một vị trí, nhưng ta có thể theo dõi được tình trạng hoạt động của toàn bộ hệ thống điện và chiếu sáng. Đặc điểm Một số đặc điểm của mạng DALI theo tiêu chuẩn IEC60929: - Số lượng thiết bị lớn nhất có thể: 64 thiết bị.
16 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - Số địa điểm trên một nhóm: 16. - Cáp dữ liệu: 2 dây. - Phương pháp mã hóa dữ liệu: Manchester. - Tốc độ truyền dữ liệu: 1200 bit/s.
- Nguồn cấp cho mạng 24VDC, 250mA. - Khoảng cách 300m hoặc 2VDC điện áp rơi. Sơ đồ kết nối Hình 1.1: Sơ đồ kết nối giao thức DALI Một hệ thống DALI có thể có một hay nhiều thiết bị chiếu sáng kết nối trên DALI bus cùng với bộ điều khiển. Bộ điều khiển có thể giám sát và điều khiển ánh sáng trên DALI bus nhờ dữ liệu trên DALI bus là 2 chiều và không đồng bộ.
Giới thiệu DMX là viết tắt của Digital Multiplex, là kỹ thuật truyền tín hiệu cho những thiết bị kỹ thuật số có thể được truyền qua dây cáp. Nó chính là giao thức chung dùng để điều khiển thiết bị đèn sân khấu hay các loại đèn kỹ xảo trên toàn thế giới. DMX512 là 1 tiêu chuẩn truyền thông kỹ thuật số được sử dụng để kết nối những bộ vi xử lý điều khiển ánh sáng. Nó sử dụng cáp truyền dữ liệu đặc biệt để truyền thông tin đến các thiết bị chiếu sáng (Dimmers, thay đổi màu sắc, điều khiển Spotlights từ xa,.) 17 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com DMX512 sử dụng connector gồm 5 chân là: Chân 1: Signal Common Chân 2: data 1- Chân 3: data 1+ Chân 4: data 2- Chân 5: data 2+ Hình 1.
Đặc điểm - Số lượng thiết bị không quá 32 thiết bị trên 1 bus. - Số kênh: 512 - Tốc độ truyền dữ liệu: 250kbit/s. - Điện áp làm việc 6VDC mỗi chân, 250mA. - Khoảng cách không quá 1.
Sơ đồ kết nối Hình 1.3: Sơ đồ kết nối giao thức DMX521 Mỗi một mạng lưới gồm một bộ điều khiển DMX512 – là master, ngoài ra nó còn có một hay nhiều Slave Device. Mỗi một Slave Device có một cổng 18 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com DMX512 IN và một OUT. Các bộ điều khiển chỉ có một kết nối OUT được kết nối với Slave Device đầu tiên 1. Chuẩn chiếu sáng không dây Các chuẩn không dây sử dụng trong chiếu sáng có thể kể đến như Insteon, Z- wave, Zigbee.
Tuy nhiên Zigbee là một chuẩn mở, còn Z-wave và Insteon không phải. Với Z-wave, chuẩn giao thức và phần cứng để vận hành chuẩn giao thức này hoàn toàn do Sigma Designs cung cấp, các công ty muốn sử dụng Z-wave chỉ có thể mua các tài liệu, phần cứng từ 1 bên và chi phí này tương đối cao. Trong khi đó, Zigbee với ưu thế là một chuẩn mở có thể mua phần cứng, phần mềm, tài liệu từ nhiều hãng lớn trên thế giới như Texas Instrument, NXP, Silab, AVR, Microchip…v. Ngoài ra còn có thể tìm các module Zigbee từ các hãng như Atmel, CEL, Digi, Jennic, Lemos, và RFM.
Nhờ tính mở đó, việc tiếp cận và phát triển các sản phẩm Zigbee dễ dàng hơn nhiều so với Z-wave, đồng thời chi phí cũng thấp hơn Z-wave nhiều do hãng phát triển có nhiều lựa chọn và cạnh tranh hơn. Chính vì vậy trong nội dung luận văn này sẽ tập trung đi sâu vào việc sử dụng chuẩn Zigbee. Giới thiệu về Zigbee Công nghệ ZigBee là công nghệ truyền tin sử dụng sóng vô tuyến ở dải tần không đăng ký ISM (Industrial, scientific and medical) dành riêng cho các ứng dụng công nghiệp, khoa học và y tế.4GHz hầu hết các quốc gia trên thế giới, tần số 915MHz ở Mỹ và Nhật, tần số 868MHz ở châu Âu. Tốc độ dữ liệu đạt 250Kbps ở 2.4GHz, 40kbps ở 915MHz và 20kbps ở 868MHz [2].
19 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.4: Băng tần của chuẩn ZigBee Qua hình 1.4 có thể thấy với tần số là 868MHz thì có 1 kênh truyền, ở tần số 900 MHz có 10 kênh truyền và ở tần số 2.4GHz có 16 kênh truyền. ZigBee là một tiêu chuẩn mở toàn cầu được xây dựng trên chuẩn IEEE 802. ZigBee định nghĩa một lớp mạng ở trên những lớp của 802.4 để hỗ trợ khả năng nâng cao định tuyến mạng lưới.0 được phê chuẩn vào ngày 14 tháng 12 năm 2004 và trở thành thành viên của ZigBee Alliance. Đến nay thì các đặc tính kỹ thuật của ZigBee thì vẫn được bổ sung thêm.
ZigBee ra đời và được phát triển ứng dụng trong các lĩnh vực: nhà tự động (home automation), năng lượng thông minh (smart energy) các ứng dụng viễn thông và giám sát y tế. Cấu trúc của giao thức ZigBee IEEE 802.4 và liên minh ZigBee đã liên kết chặt chẽ để xác định một bộ giao thức stack.4 tập trung vào các đặc điểm kỹ thuật của hai lớp thấp hơn (lớp vật lý và lớp dữ liệu) dành cho các ứng dụng WPAN tốc độ thấp.4 đi sâu phần chi tiết về đặc điểm kỹ thuật của lớp PHY và MAC bằng cách xây dựng các kiến trúc khối cho các loại mô hình mạng khác nhau như sao, cây và hình lưới. Các kỹ thuật định tuyến trong mạng được thiết kế sao cho phải đảm bảo duy trì được nguồn năng lượng lâu dài, độ trễ thấp. 20 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Cấu trúc giao thức Ngăn xếp ZigBee bao gồm nhiều lớp gồm PHY, MAC, Mạng, lớp ứng dụng mạng (APS), và lớp đối tượng thiết bị ZigBee (ZDO). Lớp ZigBee thì được thể hiện trong bản bên dưới. Lớp ZigBee Miêu tả PHY Định nghĩa hoạt động lớp vật lý của thiết bị ZigBee bao gồm cả nhận độ nhạy, từ chối kênh, công suất đầu ra, số kênh, điều chế chip, và thông số tốc độ truyền. Hầu hết các ứng dụng ZigBee hoạt động trên băng tần ISM 2.4 GHz, với tốc độ dữ liệu 250 kbps.
MAC Quản lý truyền dữ liệu RF giữa những thiết bị gần nhau (point to point). MAC bao gồm các dịch vụ như thử lại truyền dẫn, quản lý xác nhận và kỹ thuật tránh va chạm (CSMA-CA). Network Có khả năng định tuyến, lớp này cho phép gói tin dữ liệu RF đi qua nhiều thiết bị (nhiều bước nhảy) để tuyến đường dữ liệu từ nguồn tới đích (peer to peer). APS Lớp ứng dụng này định nghĩa đối tượng định địa chỉ khác nhau bao gồm: cá nhân, cụm, và điểm cuối.
ZDO Lớp ứng dụng này cung cấp thiết bị và chức năng tìm ra dịch vụ và 21 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com khả năng quản lý mạng nâng cao. Những phần tử cơ bản trong mạng ZigBee Một mạng Zigbee gồm nhiều thành phần tạo nên. Phần cơ bản nhất tạo nên một mạng là thiết bị có tên FFD (full function device), thiết bị này đảm nhận tất cả các chức năng trong mạng và hoạt động như một điều phối mạng PAN (personal area network), ngoài ra còn một thiết bị đảm nhận một số chức năng hạn chế có tên RFD (reduced function device). Một mạng tối thiểu phải có một thiết bị FFD, thiết bị này hoạt động như một bộ điều phối mạng PAN FFD có thể hoạt động trong ba trạng thái: là điều phối viên toàn mạng PAN, điều phối viên một mạng con, hoặc đơn giản chỉ là một thành viên trong mạng.
RFD được dùng cho các ứng dụng đơn giản, không yêu cầu gửi lượng lớn dữ liệu. Một FFD có thể làm việc với nhiều RFD hay nhiều FFD nhưng một RFD chỉ làm việc với một FFD - ZigBee Coordinator (ZC): Mạng ZigBee luôn luôn chỉ có duy nhất một thiết bị Coordinator.