- Trang Chủ
- Điện - Điện tử
- Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển điện chiếu sáng công cộng sử dụng công nghệ truyền thông không dây áp dụng cho đèn LED
Xem mẫu
- ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH
Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển điện chiếu sáng công cộng sử
dụng công nghệ truyền thông không dây áp dụng cho đèn LED
Dương Đông Hưng*, Lê Quyết Thắng,
Đoàn Thị Như Quỳnh, Trần Thị Thơm, Nguyễn Thị Trang,
Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh
* Email: duongdonghung@gmail.com
Mobile: 0987166914
Tóm tắt
Từ khóa: Dựa trên kết quả khảo sát và đánh giá thực trạng hệ thống chiếu
4G, 5G, Chiếu sáng công cộng, sáng tại một số đô thị ở Việt Nam, kết hợp với xu hướng phát triển
Công nghệ LORA, Truyền thông của các đô thị thông minh trên thế giới, nhóm tác giả đề xuất giải
không dây. pháp ứng dụng công nghệ truyền thông không dây vào hệ thống
giám sát và điều khiển điện chiếu sáng công cộng áp dụng cho đèn
LED. Nền tảng thiết kế dựa trên công nghệ LoRa_LED, tín hiệu
giám sát và điều khiển được truyền thông qua mạng dữ liệu di động
GSM/GPRS/3G/4G/5G từ trung tâm tới các tủ điều khiển chiếu
sáng có độ ổn định cao, tốc độ và khoảng cách lớn, hạn chế tối đa
các sự cố trên đường truyền.
1. HIỆN TRẠNG HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG Ứng dụng công nghệ truyền thông không
CÔNG CỘNG dây trong điều khiển chiếu sáng công cộng sẽ giải
quyết được hoàn toàn các khó khăn mà truyền
Hiện nay các hệ thống chiếu sáng công cộng thông qua đường dây điện trước đây gặp phải.
đang dần được thay thế bằng công nghệ LED cho
phép tiết kiệm điện năng, kéo dài thời gian sử dụng, 2. NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CẢI TIẾN HỆ
giảm được ô nhiễm ánh sáng, tạo hệ thống giao THỐNG THÔNG TIN ĐIỀU KHIỂN
thông an toàn hơn, giảm khí CO2, trách độc hại do
2.1. Hệ thống thông tin vô tuyến
thủy ngân và dễ điều khiển. Ở Việt Nam, các hệ
thống chiếu sáng công cộng tại các thành phố lớn Nguồn tin trước hết qua mã nguồn để giảm
như Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh… đang triển các thông tin dư thừa, sau đó được mã kênh để
khai công nghệ này. chống các lỗi do kênh truyền gây ra. Tín hiệu sau
Hiện trạng của các trung tâm điều khiển và khi qua mã kênh được điều chế để có thể truyền tải
giám sát chiếu sáng công cộng đang sử dụng được đi xa. Các mức điều chế phải phù hợp để với
đường truyền từ trung tâm đến các tủ điều khiển điều kiện của kênh truyền. Sau khi tín hiệu được
khu vực qua đường điện thoại cố định dial-up và phát đi ở máy phát, tín hiệu thu được ở máy thu sẽ
theo đường điện chiếu sáng (công nghệ truyền trải qua các bước ngược lại so với máy phát. Kết
thông qua đường điện lưới - PLC). Việc truyền quả tín hiệu được giải mã và thu lại được ở máy
nhận dữ liệu thông qua đường dây điện gặp rất thu. Chất lượng tín hiệu phụ thuộc vào chất lượng
nhiều khó khăn: mất pha dẫn đến mất đường kênh truyền, các phương pháp điều chế và mã hóa
truyền, nhiễu trên đường truyền tải điện, truyền khác nhau.
thông chậm. Vì vậy thời gian giám sát và điều
khiển còn chậm, cần được nâng cao hiệu quả để
phục vụ cho vận hành quản lý.
Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ
truyền thông không dây của các mạng di động
trong các năm gần đây, việc ứng dụng công nghệ
truyền thông không dây vào việc truyền nhận dữ
liệu đối với các ứng dụng quản lý, điều khiển các
thiết bị từ xa, cụ thể ở đây là trong điều khiển chiếu
sáng công cộng sẽ là xu hướng của hiện tại và
tương lai.
* HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 118
- ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH
Hình 1. Mô hình đơn giản của một hệ thống thông tin các nhà phát minh, mạng 5G sẽ có tốc độ nhanh
vô tuyến hơn khoảng 100 lần so với mạng 4G hiện nay, giúp
2.2. Công nghệ GSM thế hệ 4 và 5 mở ra nhiều khả năng mới và hấp dẫn. Lúc đó, xe
(GSM/GPRS/3G/4G/5G) tự lái có thể đưa ra những quyết định quan trọng
Vấn đề truyền thông được đặt ra giữa phòng tùy theo thời gian và hoàn cảnh. Tính năng chat
điều khiển trung tâm với các tủ với các tủ điều video sẽ có hình ảnh mượt mà và trôi chảy hơn,
khiển chiếu sáng. Tuy lượng thông tin trao đổi làm cho chúng ta cảm thấy như đang ở trong cùng
không lớn và yêu cầu về tính năng thời gian thực một mạng nội bộ. Các cơ quan chức năng trong
trong hệ thống chiếu sáng không cần ngặt nghèo thành phố có thể theo dõi tình trạng tắc nghẽn giao
nhưng phụ thuộc vào chất lượng của sóng thông, mức độ ô nhiễm và nhu cầu tại các bãi đậu
GSM/GPRS/3G/4G/5G do đó cần phải chọn nhà xe, do đó có thể gửi những thông tin này đến
cung cấp dịch vụ có chất lượng tốt. những chiếc xe thông minh của mọi người dân
Căn cứ vào ưu nhược điểm của các phương theo thời gian thực[2].
án truyền thông, mục tiêu đặt ra và các kỹ thuật Thay vì những trạm cơ sở trên mặt đất đang
truyền thông đã được áp dụng cho các dự án tương được sử dụng bởi mạng 2G, 3G và 4G, có thể 5G
tự trên thế giới, phương án truyền thông được sử sẽ sử dụng các trạm HAPS (High Altitude
dụng là: sử dụng dịch vụ GSM/GPRS/3G/4G/5G. Stratospheric Platform Stations). Về cơ bản, các
GSM là một công nghệ dùng cho mạng trạm HAPS là những chiếc máy bay treo lơ lửng ở
thông tin di động. GSM được viết tắt theo từ tiếng một vị trí cố định trong khoảng cách từ
anh là Global System for Mobile Communications. 17km~22km so với mặt đất và hoạt động như một
Các mạng thông tin di động GSM cho phép có thể vệ tinh. Cách này sẽ giúp đường tín hiệu được
roaming với nhau do đó những máy điện thoại di thẳng hơn và giảm tình trạng bị cản trở bởi những
động GSM của các mạng GSM khác nhau ở có thể kiến trúc cao tầng.
sử dụng được nhiều nơi trên thế giới [1]. 2.3. Ứng dụng công nghệ GSM/GPRS/4G/5G
Mạng 4G: (Fourth-generation), là công để truyền thông trong hệ thống
nghệ truyền thông không dây thứ tư, cho phép 2.3.1. Sơ đồ tổng quan của hệ thống
truyền tải dữ liệu với tốc độ tối đa trong điều kiện Với việc ứng dụng dịch vụ truyền thông qua
lý tưởng lên tới 1 cho đến 1,5 Gb/giây. Tên 4G do mạng GSM/GPRS/3G/4G/5G cho việc điều khiển
IEEE (Institute of Electrical and Electronics và giám sát các tủ điều khiển chiếu sáng thì các
Engineers) đặt ra để diễn đạt ý nghĩa rằng công phần tử truyền thông phải có chức năng lập trình
nghệ này vượt trội hơn so với 3G [3]. được để thiết lập cấu hình kết nối mạng và bảo mật
Truyền thông GSM/GPRS/3G/4G sử dụng cho hệ thống thiết bị tại tủ điều khiển chiếu sáng.
mạng truyền thông GSM làm cốt lõi dữ liệu được Sơ đồ thiết lập cấu hình cho hệ thống được trình
truyền qua thiết bị không dây (GSM/GPRS/3G/4G bày trong hình sau:
modem) về tổng đài GSM và từ tổng đài GSM kết
nối với mạng internet toàn cầu tạo nên các dịch vụ
đa dạng của công nghệ truyền thông GPRS[4].
Là giải pháp đã được quốc tế thừa nhận
trong điều khiển hệ thống đèn chiếu sáng công
cộng. Hệ thống này đang được lắp đặt với một quy
mô rộng lớn và nhanh chóng chứng tỏ là một hệ
thống đáng tin cậy cung cấp nhiều lợi ích cho
người sử dụng[5].
Truyền thông giữa trung tâm và các tủ điều
khiển chiếu sáng sử dụng công nghệ truyền thông Hình 2. Sơ đồ tổng quan hệ thống ứng dụng công
GSM/GPRS/3G/4G . Đây là công nghệ hiện đại, nghệ GSM/GPRS.
khả năng mở rộng lớn, giá thành hợp lý. Công
nghệ GSM/GPRS/3G/4G đã được áp dụng trong Hệ thống được phân chia là 2 cấp điều khiển:
nhiều lĩnh vực cũng như trong điều khiển Hệ thống - Cấp điều khiển từ trung tâm:
chiếu sáng chiếu sáng cộng. Điều khiển đóng cắt tới bất kỳ tủ điều khiển
Mạng 5G: (Thế hệ mạng di động thứ 5 hoặc chiếu sáng nào;
hệ thống không dây thứ 5) là thế hệ tiếp theo của
công nghệ truyền thông di động sau thế hệ 4G,
hoạt động ở các băng tần 28, 38, và 60 GHz. Theo
119 * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020
- ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH
Giám sát được các thông số: trạng thái điều Đường truyền áp dụng cho hệ thống là
khiển, điện áp, dòng điện, công suất, hệ số công đường truyền số liệu qua mạng
suất, công năng tiêu thụ của trạm đèn chiếu sáng; GSM/GPRS/3G/4G/5G (có thể sử dụng SMS khi
Thay đổi thời gian và chế độ đóng cắt của tủ mất mạng), từ trung tâm điều khiển đến tủ điều
điều khiển chiếu sáng; khiển CS
- Cấp điều khiển tại tủ điều khiển: Cùng với việc điều khiển giám sát, phần
Điều khiển đóng cắt theo các chế độ; mềm thu thập số liệu có thể cảnh báo những sự cố
Đặt thời gian, chu trình giám sát; nghiệm trọng cho người vận hành tại trung tâm.
Đo lường giám sát trực tiếp các thông số: Quy mô quản lý: Trung tâm có khả năng
trạng thái điều khiển, điện áp, dòng điện, công suất, điều khiển và giám sát đến từng tủ chiếu sáng và
hệ số công suất, công năng tiêu thụ của trạm đèn đến từng điểm sáng; có các phầm mềm quản lý tiên
chiếu sáng; tiến; có tính mở, linh hoạt và kết cấu module.
Thay đổi thời gian và chế độ đóng cắt của tủ Yêu cầu bảo mật cho hệ thống: vừa tích hợp
điều khiển chiếu sáng; bảo mật hệ thống trên phần mềm vừa bảo mật ở cơ
Các tính năng khác cho việc cấu hình truyền chế cứng.
thông cho tủ điều khiển chiếu sáng. Chu trình lắp đặt thiết bị đơn giản gọn nhẹ
2.3.2. Các yêu cầu kỹ thuật chung đối với hệ thống: phù hợp với tất cảc các điểm lắp đặt các trạm đèn
Hệ thống đèn chiếu sáng cần được đóng cắt chiếu sáng trong thành phố.
đồng bộ theo thời gian thực được đặt sẵn tại phần Tại trung tâm điều khiển cần 01 thuê bao
mềm quản lý vận hành tại trung tâm, thời gian mạng GSM/GPRS/3G/4G/5G, 01 thuê bao di động
đóng cắt cho các tủ điều khiển chiếu sáng sẽ được sử dụng cho mục đích nhắn tin SMS đi và đến các
gửi qua mạng GSM/GPRS/3G/4G đến các tủ điều tủ điều khiển chiếu sáng và 01 đường mạng
khiển chiếu sáng. Các tủ điều khiển chiếu sáng Internet. Các tủ điều khiển chiếu sáng cần được lắp
nhận được thời gian đóng cắt sẽ tự động điều khiển đặt một SIM điện thoại di động được đăng ký thuê
các trạm đèn chiếu sáng. Hệ thống hoạt động theo bao dịch vụ GPRS và SMS, không sử dụng thuê
hai cấp độ: bao cuộc gọi. Các điểm sáng cần lắp đặt một thiết
Điều khiển đóng cắt, đặt thời gian đóng cắt bị điều khiển, nhận, truyền tín hiệu và một SIM
từ trung tâm đến các tủ chiếu sáng. điện thoại di động được đăng ký thuê bao dịch vụ
Điều khiển đóng cắt, đặt thời gian đóng cắt GPRS và SMS. Một đường điện thoại cố định để
từ tủ chiếu sáng đến các điểm sáng. nghe phản ánh của nhân dân và các cán bộ khi có
Khi không có sự can thiệp của người vận sửa chữa bảo dưỡng.
hành tại trung tâm hoặc trực tiếp tại tủ, thiết bị điều 2.3.3. Các yêu cầu đối với trung tâm điều khiển
khiển tại tủ sẽ điều khiển tự động theo chu trình Trung tâm điều khiển phải được thiết kế gọn
thời gian đã được đặt sẵn trong bộ nhớ của thiết bị. nhẹ và dễ dàng quan sát toàn bộ Hệ thống chiếu
Khi người quản lý vận hành thay đổi thời sáng công cộng, phát hiện sự cố kịp thời. Các thiết
gian đóng cắt từ trung tâm thì dữ liệu sẽ được bị tại trung tâm được thiết kế dễ dàng lắp đặt và có
truyền qua mạng GSM/GPRS/3G/4G/5G đến thiết thể di chuyển tới vị trí khác nếu cần thiết.
bị điều khiển tại tủ điều khiển chiếu sáng làm cho Phòng điều khiển trung tâm: được thiết kế
lịch trình đóng cắt của thiết bị tại tủ được thay đổi với nội dung chính như sau:
đồng bộ với thời gian đóng cắt tại trung tâm. Hệ thống máy tính phục vụ cho người vận
Người vận hành có thể đóng cắt tại trung hành: 1 Máy chủ, 2 máy trạm.
tâm điều khiển chiếu sáng theo 3 mức sáng khác Phần mềm điều khiển và cơ sở dữ liệu cho
nhau: Bật 100% số đèn, bật 2/3 số đèn, bật 1/3 số hệ thống.
đèn hoặc tắt toàn bộ. 2.3.4. Các yêu cầu kỹ thuật cho tủ điều khiển chiếu sáng
Cùng với việc điều khiển các trạm đèn các Tự động điều khiển đóng cắt các trạm đèn
thiết bị có khả năng giám sát liên tục các trạm đèn theo các mốc thời gian được đặt tại trung tâm hoặc
và gửi thông số giám sát về trung tâm điều khiển: đặt trực tiếp tại tủ điều khiển chiếu sáng;
các thông số gửi về là: trạng thái đóng cắt, điện áp, Nhận lệnh đóng cắt hoặc đặt thời gian từ
dòng điện, công suất, hệ số công suất, năng lượng trung tâm điều khiển;
tiêu thụ của cả 3 pha. Đo trực tiếp các giá trị dòng điện và truyền
Các thông số cho hệ thống có thể đặt được về trung tâm điều khiển;
từ trung tâm là: thời gian đóng cắt, thời gian giám Có khả năng mở rộng cao.
sát và các thông số khác của thiết bị.
* HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 120
- ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH
3. THIẾT KẾ MODULE ĐIỀU KHIỂN ĐÈN
CHIẾU SÁNG LED TRÊN CƠ SỞ CÔNG
NGHỆ LORA
3.1. Công nghệ LORA
Được phát minh bởi Cycleo năm 2010 tại
Pháp, sau đó được công ty Semtech mua lại vào
năm 2012, LoRa là công nghệ với các module vô
tuyến được phát triển cho các ứng dụng có tốc độ
thấp, tiêu thụ năng lượng thấp nhưng có khoảng
cách truyền thông lớn và có tốc độ truyền dữ liệu
từ 0,3 kbps đến 50 kbps với độ rộng băng thông
125 Khz. Trên cơ sở LoRa tổ chức LoRa
Alliance đã phát triển và chuẩn hóa mạng LoRa
diện rộng gọi là LoRaWAN [6].
LoRaWAN gồm các thành phần chủ chốt:
Trạm cơ sở hoặc Gateway (LRR, LRC).., máy Hình 4. Mô hình giám sát, điều khiển HTCS
chủ mạng LoRaWAN, hệ thống trợ giúp hoạt ứng dụng công nghệ LoRa WAN
động (OSS) để giám sát và quản lý hệ thống
mạng [7]. Trong hệ thống này các khối LoraWAN_i
với i=1,2,…n là các hệ thống con của các hệ
thống chiếu sáng công cộng của từng tuyến
đường hoặc khu vực (Tủ điều khiển). Dữ liệu thu
thập từ các hệ thống con này được truyền qua
mạng truyền thông GPRS hoặc 3G hoặc Internet
về máy chủ giám sát (server) và lưu trữ trong cơ
sở dữ liệu. Người sử dụng có thể giám sát, điều
khiển từ xa thông qua máy chủ hoặc trực tiếp qua
các thiết bị đầu cuối như latop, máy tính bảng,
điện thoại di động… Người giám sát cũng có thể
gửi lệnh điều khiển từ xa trực tiếp tới các hệ
Hình 3. Kiến trúc “star of star” của LoraWAN thống con LoRaWAN_i hoặc qua máy chủ.
3.2. Giải pháp giám sát, điều khiển hệ thống
chiếu sáng với công nghệ LORA_WAN
Trên cơ sở những hạn chế của hệ thống
chiếu sáng ở Việt Nam hiện nay, những ưu,
nhược điểm của các hệ thống chiếu sáng của các
hãng trên thế giới đối với điều kiện Việt Nam,
Nhóm tác giả đề xuất giải pháp hệ thống giám
sát, điều khiển hệ thống chiếu sáng với công nghệ
LED là LORA_LED. Hệ thống LORA_LED có
cấu trúc như hình 4. Hệ thống gồm các đèn LED
riêng rẽ, mỗi đèn LED được gắn một nút End- Hình 5. Cửa sổ điều khiển LED qua mạng LoRa
LoRa (Sensor Notes). Các nút LoRa-End có thể
truyền qua nhiều Gateway khác nhau để chuyển Hệ thống thử nghiệm giám sát và điều khiển
dữ liệu về server trung tâm hoặc nhận lệnh từ từ xa tiến hành trong mạng cục bộ theo cả 2 trường
trung tâm server qua các Gateway khác nhau. hợp: có kết nối có dây và không dây qua WiFi sử
Các nút LoRa-End được gắn với mỗi LED có thể dụng thiết bị di động.
trải dài theo một tuyến đường hoặc theo cụm với
các Gateway là trung tâm, tùy từng ứng dụng. Hệ 4. KẾT LUẬN
thống LORA_LED gồm các nút đầu cuối (LoRa- Giải pháp Mạng không dây sử dụng dịch
End) gắn với các đèn Led, Gateway, máy chủ vụ GSM/GPRS/3G/4G/5G và ứng dụng công
trung tâm, các máy chủ ứng dụng và đường nghệ LoRaWAN cho các hệ thống chiếu sáng
truyền Internet, môi trường truyền sóng LoRa.
121 * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020
- ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH
công cộng LED thật sự là một giải pháp hiệu quả, [2]. TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng (2008), Giáo
mềm dẻo, giá thành hạ, an toàn và dễ dàng tích trình “Lộ trình phát triển thông tin di động 3G
hợp với các hệ thống khác trong tiến trình xây lên 4G”, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn
dựng thành phố thông minh. Nhóm tác giả đã và thông, Hà Nội.
đang tiến hành thực hiện được các công việc sau: [3]. TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng (2001), Thông
Tiến hành khảo sát hệ thống chiếu sáng tin di động thế hệ ba, NXB Bưu Điện
thực tế, [4]. TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng (2003)
Nghiên cứu và đưa ra giải pháp với công cdmaOne và cdma2000, NXB Bưu Điện.
nghệ LoRa. [5]. TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng (2006), An
Tiến hành xây dựng hệ thống thử nghiệm ninh trong thông tin di động, NXB Bưu Điện.
với công nghệ LED. [6] LoRa Alliance, “LoRaWAN™ -What is it? “,
Tiến hành các kịch bản thử nghiệm A technical overview of LoRa® and
Đánh giá kết quả thử nghiệm LoRaWAN™ , Technical Marketing Workgroup
Kết quả thực nghiệm sẽ cho thấy hoạt động 1.0, November 2015.
của hệ thống đáng tin cậy, đáp ứng được yêu cầu [7] N. Sornin , M. Luis, T. Eirich, T. Kramp,
và có thể triển khai trong các hệ thống chiếu sáng O.Hersent, “LoRa Specification “,Copyright ©
LED công cộng trong thực tế. 2015 LoRa Alliance, Inc.
[8] Nicolas DUCROT, Dominique RAY, Ahmed
TÀI LIỆU THAM KHẢO SAADANI, “ LoRa Device Developer Guide”,
Orange Connected Objects & Partnerships, April
[1]. TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng (2007), Bài
2016.
giảng “Thông tin di động” cho đào tạo từ xa,
[9] Semtech, “SX1272/3/6/7/8: LoRa Energy
Học Viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông , Hà
Consumption Design”, Application Note
Nội.
AN1200.17
* HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 122
nguon tai.lieu . vn
