Đồ án Giải pháp tiết kiệm điện cho hệ thống chiếu sáng công cộng (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Giải pháp tiết kiệm điện cho hệ thống chiếu sáng công cộng (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN - TỰ ĐỘNG HÓA GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM ĐIỆN CHO HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG GVHD: ThS. TRƯƠNG ĐÌNH NHƠN SVTH : LÊ NGỌC QUỲNH NGUYỄN NGỌC TUẤN S KL 0 0 4 5 1 2 Tp. Hồ Chí Minh, năm 2017
2. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, năng lượng là yếu tố quyết định trong mọi quá trình sản xuất, lao động cũng như sinh hoạt của con người. Từ công nghiệp, nông nghiệp, dịch vụ thậm chí đến nghiên cứu khoa học, khám phá thiên nhiên đều cần năng lượng, đặc biệt là năng lượng điện. Điện năng là nguồn năng lượng cực kỳ quý báu cho sản xuất và đời sống. Chúng ta đều biết tại các nhà máy, hệ thống chiếu sáng công cộng chi phí điện năng chiếm một tỉ lệ rất lớn. Vì thế, việc tìm ra những giải pháp tiết kiệm năng lượng là điều quan tâm hàng đầu của các nhà sản xuất nhằm giảm chi phí, giảm giá thành và nâng cao được tính cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường. Đồng thời việc này cũng giúp giảm được sự tiêu tốn tài nguyên thiên nhiên, góp phần tích cực vào việc bảo vệ môi trường. Trong những năm qua, các nhà khoa học đã nỗ lực nghiên cứu các giải pháp nhằm giảm điện năng của thiết bị chiếu sáng. Vì vậy để tài: “ Giải pháp tiết kiệm điện cho hệ thống chiếu sáng công cộng “ được chúng em chọn để làm đồ án tốt nghiệp nhằm góp một phần nhỏ vào chủ trương tiết kiệm năng lượng của nhà nước ta nói riêng và thế giới nói chung. Đề tài được nghiên cứu và thực hiện một phần dựa trên đồ án “ Điều Khiển Mạng Thiết Bị Zigbee Qua Mạng Internet [1]”. Dựa trên nghiên cứu chuẩn truyền Zigbee của nhóm đồ án trên, chúng em sẽ ứng dụng những kết quả nghiên cứu đó và phát triển nó trong đề tài của mình. Nếu sử dụng chuẩn truyền có dây thì sẽ mất thẩm mỹ, tốn nhiều thời gian, tốn kém chi phí dây dẫn tín hiệu và có thể phải thay đổi thiết kế hạ tầng điện cho việc kết nối giữa thiết bị với trung tâm điều khiển. Vì vậy sử dụng công nghệ truyền thông không dây kết nối tất cả thiết bị thành một mạng là rất cần thiết. Hệ thống chiếu sáng công cộng tiêu tốn rất nhiều điện năng, vì vậy nhiều giải pháp tiết kiệm năng lượng cho các thiết bị chiếu sáng công cộng cũng đã được nghiên cứu như: thay thế bằng đèn LED, sử dụng bộ timer điều khiển thời gian tại mỗi bóng đèn, sử dụng 2 bóng đèn công suất nhỏ tại mỗi trụ, sử dụng tủ điều khiển để đóng tắt bớt một số bóng đèn , chúng em thấy vấn đề nên được quan tâm hơn là sử duṇ g hơp̣ lý công suất chiếu sáng cho phù hơp̣ với nhu cầu chiếu sáng. Đặc biệt là đối với chiếu sáng ở các nơi công cộng, do vào ban đêm khi mâṭ đô ̣ giao thông rất thấp, viêc̣ duy trì 100% BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 1
3. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN công suất chiếu sáng là không cần thiết. Vì vâỵ việc tiết giảm công suất chiếu sáng trong thời gian này là yêu cầu bắt buôc̣ đối với chiếu sáng công cộng hiêṇ đaị. Để giải quyết vấn đề nêu trên giải pháp chúng em áp dụng là sử dụng một mạch điều khiển công suất để giảm công suất chiếu sáng tại mỗi thời điểm. Mạch công suất này sẽ được gắn tại các trụ đèn và được điều khiển thông qua chuẩn truyền Zigbee. 1.2. MỤC TIÊU Nghiên cứu thiết kế mô hình điều khiển tiết kiệm năng lượng chiếu sáng công cộng. Sử dụng chuẩn truyền Zigbee để truyền tín hiệu, kết nối tất cả các thiết bị chiếu sáng thành một mạng, bật tắt thiết bị, và điều khiển độ sáng bóng đèn từ trung tâm; quản lý hệ thống bằng máy tính qua chương trình viết bằng phần mềm C#. Thiết kế phần cứng giao tiếp với module Xbee và mạch điều khiển công suất. Thiết kế chương trình giám sát hệ thống qua phần mền C#. 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU NỘI DUNG 1: Nghiên cứu truyền dữ liệu của module Xbee của hãng Digi. NỘI DUNG 2: Nghiên cứu bo điều khiển công suất. NỘI DUNG 3: Thiết kế hệ thống điều khiển giữa bo công suất và module Xbee. NỘI DUNG 4: Viết chương trình điều khiển, giám sát, thiết kế mô hình. NỘI DUNG 5: Đánh giá kết quả thực hiện. NỘI DUNG 6: Nhận xét và hướng phát triển. 1.4. GIỚI HẠN Để thực hiện một mô hình chiếu sáng công cộng hoàn chỉnh rất tốn kém, vì bóng đèn chiếu sáng có giá thành rất cao, chúng em không đủ kinh phí để đầu tư mua bóng đèn chiếu sáng công cộng, nên mô hình chúng em sẽ sử dụng bóng đèn dây tóc vào trong mô hình để thay thế bóng đèn chiếu sáng công cộng. Đề tài chỉ tập trung vào ứng dụng của module Xbee của hãng Digi, xây dựng phần cứng giao tiếp với module Xbee, không nghiên cứu sâu về lý thuyết mạng Zigbee. Đề tài chỉ xây dựng mô hình với 3 bộ điều khiển bóng đèn và một bộ điều khiển trung tâm. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 2
4. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Các tín hiệu điều khiển công suất chiếu sáng với 3 mức 100%, 75%, 50%. Tín hiệu điều khiển tự động theo thời gian hoặc thông qua nút nhấn. Xây dựng một giao diện giám sát qua phần mềm C#. 1.5. BỐ CỤC Nội dung chính của đề tài được trình bày như sau: Chương 1: Tổng quan. Chương này trình bày vai trò và ứng dụng thực tiễn của việc tiết kiệm diện cho hệ thống chiếu sáng công cộng, điều khiển thiết bị thông qua chuẩn truyền Zigbee, mục đích, ý tưởng, mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của đề tài. Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Nội dung chương này trình bày tất cả các nội dung lý thuyết có liên quan tới đề tài, các thông số kỹ thuật, nguyên lý hoạt động của các module có trong hoạt động của hệ thống. Chương 3: Tính toán và thiết kế. Chương này sẽ trình bày sơ đồ khối của hệ thống, chức năng, nhiệm vụ của từng khối. Các thuật toán, phương pháp được sử dụng để giải quyết trong đề tài. Quy trình hoạt động của hệ thống, các tính toán để thiết kế, xây dựng hệ thống hoàn chỉnh. - Thiết kế sơ đồ khối toàn hệ thống. - Thiết kế mạng Zigbee. - Thiết kế giao diện giám sát. - Tính toán, thiết kế các bo mạch. Chương 4: Thi công hệ thống. Chương này trình bày kết quả thi công phần cứng và những kết quả hình ảnh, mô phỏng. Các phần mềm sử dụng và hướng dẫn cách sử dụng mô hình. Chương 5: Kết quả, nhận xét, đánh giá. Tóm lại những vấn đề đã thực hiện, những vấn đề hoàn thành và chưa hoàn thành. Mức độ hoạt động, sai số của đề tài khi triển khai vào thực tế. Nhận xét và đánh giá mô hình sau khi hoàn thành. Ưu nhược điểm của hệ thống. Kết quả mô phỏng mô hình. Chương 6: kết luận và hướng phát triển. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 3
5. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Kết luận đề tài mình đã thực hiện. Đưa ra những vấn đề hạn chế của đề tài. Đưa ra các hướng phát triển đề tài trong tương lai. . BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 4
6. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. BỘ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT BÓNG ĐÈN Bo mạch điều khiển công suất được thiết kế dựa trên lý thuyết của Triac và Diac để điều khiển độ sáng bóng đèn. Hình 2.1: Ứng dụng của Diac Và Triac điều khiển độ sáng bóng đèn Ở bán ký dương thì điện thế tăng, tụ nạp điện cho đến điện thế V thì Diac dẫn, tạo dòng kích cho Triac dẫn điện. Hết bán kỳ dương, Triac tạm ngưng. Đến bán kỳ âm tụ C nạp điện theo chiều ngược lại đến điện thế -V, Diac lại dẫn điện kích Triac dẫn điện. Ta thay đổi VR để thay đổi thời gian nạp điện của tụ C, do đó thay đổi góc dẫn của Triac đưa đến làm thay đổi độ sáng của bóng đèn. 2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động củaTriac TRIAC (viết tắt của Triode for Alternating Current) là phần tử bán dẫn gồm năm lớp bán dẫn, tạo nên cấu trúc p-n-p-n như ở thyristor theo cả hai chiều giữa các cực T1 và T2, do đó có thể dẫn dòng theo cả hai chiều giữa T1 và T2. TRIAC có thể coi tương đương với hai thyristor đấu song song song ngược.để điều khiển Triac ta chỉ cần cấp xung cho chân G của Triac. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 5
7. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.2: Cấu trúc của Triac Hình 2.3: Ký hiệu của Triac Triac là linh kiện giống như hai diode có thể điều khiển được và nối song song ngược chiều. Nên triac dùng để đóng mở nguồn điện AC cho thiết bị như Motor, Đèn Ngoài ra Triac còn dùng để điều khiển công suất cho bóng đèn, Motor: Tức thay đổi cường độ sáng hay tốc độ động cơ. Để Điều khiển được triac đóng mạch thì dòng điều khiển phải lớn hơn dòng điều khiển của triac. Do đặc điểm này nên không thể điều khiền thiết bị tải có dòng quá nhỏ I<<50mA. Triac chỉ điều khiển được khi nguồn điện là có chu kỳ mà điện áp trở về 0. Nếu không chỉ có thể đóng được một lần, còn tắt thì không thể. Nên nếu là nguồn điện một chiều, thì Triac sẽ đóng cho đến khi mất nguồn mới thôi. Điều khiền Triac: Phải theo chiều của nguồn điện điều khiển. Tức khi ở bán kỳ âm thì phải kích theo chiều âm và ngược lại. Tham khảo mục [4] phần tài liệu tham khảo. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 6
8. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.4: Đặc tính Volt-Ampere của Triac. Đặc tính Volt-Ampere của Tiac bao gồm hai đoạn đặc tính ở góc phần tư thứ nhất và thứ ba (hệ trục Descartes), mỗi đoạn đều giống như đặc tính thuận của một thyristor. TRIAC có thể điều khiển cho mở dẫn dòng bằng cả xung dương (dòng đi vào cực điều khiển) lẫn xung âm (dòng đi ra khỏi cực điều khiển). Tuy nhiên xung dòng điều khiển âm có độ nhạy kém hơn, nghĩa là để mở được TRIAC sẽ cần một dòng điều khiển âm lớn hơn so với dòng điều khiển dương. Vì vậy trong thực tế để đảm bảo tính đối xứng của dòng điện qua TRIAC thì sử dụng dòng điện dương là tốt hơn . [4] 2.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Diac Về cấu tạo, Diac giống như một SCR không có cực cổng hay đúng hơn là một transistor không có cực nền. Hình sau đây mô tả cấu tạo, ký hiệu và mạch tương đương của DIAC. Hình 2.5: Mô tả cấu tạo của Diac BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 7
9. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Khi áp một hiệu điện thế một chiều theo một chiều nhất định thì khi đến điện thế VBO, Diac dẫn điện và khi áp hiệu thế theo chiều ngược lại thì đến trị số -VBO, Diac cũng dẫn điện, Diac thể hiện một điện trở âm (điện thế hai đầu Diac giảm khi dòng điện qua Diac tăng) như hình 2.6. Từ các tính chất trên, Diac tương đương với hai Diode Zener mắc đối đầu. Thực tế, khi không có Diac, người ta có thể dùng hai Diode Zener có điện thế Zener thích hợp để thay thế. Tham khảo mục [4] phần tài liệu tham khảo. Hình 2.6: Đặc tuyến của Diac Nguyên lý hoạt động: Hình 2.7: Cấu tạo Diac Diac không có cực điều khiển nên được kích mở bằng cách nâng cao điện áp đặt vào hai cực. Diac không dẫn điện cho đến khi điện áp được nâng cao đến mức nhất định, thường được gọi là điện áp breakover có giá trị khoảng 30V. Khi MT2 có điện thế dương so với MT1 thì Diac mở. Lúc này, MT2 đóng vai trò anode, MT1 đóng vai trò cathode. Dòng điện chạy từ MT2 sang MT1. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 8
10. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Khi MT2 có điện thế âm so với MT1 thì Diac mở. Lúc này, MT1 đóng vai trò anode, MT2 đóng vai trò cathode. Dòng điện chạy từ MT1 sang MT2. Trong các ứng dụng ở mạch điện xoay chiều AC, Diac được kích hoạt mỗi nửa chu kỳ của AC điện, và sau đó tắt ở cuối nửa chu kỳ khi dòng điện áp đảo ngược cực. Trong ứng dụng, Diac thường dùng để mở Triac. Thí dụ như mạch điều chỉnh độ sáng của bóng đèn (Hình 2.1). Từ những lý thuyết trên chúng em thiết kế sơ đồ nguyên lý bo điều khiển công suất như hình 2.8. Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý bo mạch công suất 2.2. TỔNG QUAN VỀ MẠNG ZIGBEE Zigbee là tập hợp các giao thức giao tiếp mạng không dây khoảng cách ngắn có tốc độ truyền dữ liệu thấp, tiết kiệm năng lượng và có tốc độ truyền dữ liệu đáp ứng được các ứng dụng điều khiển và giám sát từ xa. Các thiết bị không dây dựa trên chuẩn Zigbee hoạt động trên 3 dãy tần số là 868 MHz, 915 MHz và 2.4 GHz. Hiện nay có nhiều công nghệ truyền dữ liệu không dây như: X10, PLC (truyền dữ liệu trên đường dây điện) và Zigbee, Z-Wave (sử dụng sóng radio) được ứng dụng trong nhà thông minh để có thể dễ dàng triển khai trên các ngôi nhà đang sử dụng hoặc xây mới mà không phải đi lại đường dây điện hay sửa đổi hạ tầng. Tín hiệu truyền qua mạng dây điện trong nhà không phải lúc nào cũng đảm bảo độ tin cậy do nhiễu bởi dòng điện và các thiết bị khác. Công nghệ zigbee tỏ ra nổi trội khi dùng để truyền mở rộng mạng. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 9
11. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Những đặc điểm chính của Zigbee: - Tốc độ truyền dữ liệu thấp 20 – 250Kbps - Sử dụng công suất thấp, ít tiêu hao điện năng - Thời gian sử dụng pin rất dài - Cài đặt bảo trì dễ dàng - Độ tin cậy cao - Có thể mở rộng đến 65000 node - Phạm vi hoạt động từ 30m đến vài trăm mét Nhìn vào các đặc trưng chính có thể thấy Zigbee hướng đến một cách tiếp cận lai giữa Blutooth và Wifi, chấp nhận tốc độ truyền thấp để đạt được mục đích: - Tầm xa càng xa càng tốt - Công suất thấp (thấp hơn hẳn bluetooth và wifi) - Tạo được mạng liên kết Và thực tế việc truyền nhận dữ liệu điều khiển hay thu thập thông tin giữa các thiết bị và cảm biến có dung lượng dữ liệu nhỏ không cần tốt độ cao như wifi nhưng khoảng cách giữa các thiết bị hay cảm biến lại quá xa so với bluetooth và Zigbee là lựa chọn lý tưởng. Tham khảo mục [5] phần tài liệu tham khảo. 2.2.1 Mô hình mạng Zigbee Mô hình mạng Zigbee gồm có 3 mô hình mạng chính: mạng hình sao (Star), mạng hình lưới (Mesh), mạng hình cây (Tree). BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 10
12. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.9: Cấu trúc liên kết mạng zigbee Coordinator: Chỉ có duy nhất 1 coordinator trong một mạng, phụ trách việc thiết lập mạng. Routers: có thể có nhiều router, các router có thể chuyển tiếp tín hiệu với nhau. Devices: có thể có nhiều device, các device không thể chuyển tiếp tín hiệu cho nhau.Có thể kích hoạt chế độ ngủ để tiết kiệm năng lượng. - Cấu trúc mạng hình sao: còn được gọi là point to point. Các node trong mạng chỉ kết nối với bộ điều phối vì thế mạng này là mạng tập trung. Do mọi node đều đi thông qua coordinator nên coordinator sẽ tiêu tốn nhiều năng lượng và mạng có tầm phủ sóng nhỏ trong khoảng bán kính 100m. - Cấu trúc mạng lưới: còn được gọi là peer to peer Mạng này có tầm phủ sóng lớn và được ứng dụng nhiều trong thực tế. khuyết điểm của mạng này là không có độ tập trung cao vì vậy cần phải có các thuật toán tìm đường đi ngắn nhât để đảm bảo thời gian truyền tối thiểu. - Cấu trúc mạng hình cây: là sự kết hợp giữa mạng lưới và sao để tận dụng những ưu điểm về khả năng đồng bộ và sự ổn định của mạng sao kết hợp tầm hoạt động rộng của mạng lưới. 2.2.2 Ứng dụng của Zigbee Năng lượng thông minh: là tiêu chuẩn hàng đầu thế giới cho các sản phẩm tương thích mà theo dõi, kiểm soát, thông báo và tự động hóa việc cung cấp và sử dụng năng lượng nước. Nó giúp tạo ra ngôi nhà xanh hơn bằng cách cho người tiêu dùng những thông tin và tự động hóa cần thiết để giảm mức tiêu thụ của họ một cách dễ dàng và tiết kiệm tiền. Tiêu chuẩn này hỗ trợ các nhu cầu đa dạng của hệ sinh thái toàn cầu, các nhà sản xuất sản phẩm và những dự án của chính phủ để đáp ứng nhu cầu năng lượng và nước trong tương lai. Zigbee điều khiển từ xa: cung cấp một tiêu chuẩn toàn cầu tiên tiến và dễ sử dụng điều khiển từ xa RF hoạt động non-line-of-sight, hai chiều, còn phạm vi sử dụng và tuổi thọ pin mở rộng. Nó được thiết kế cho một loạt các thiết bị rạp hát tại nhà, các hộp set- top, thiết bị âm thanh khác. Điều khiển từ xa ZigBee giải phóng người tiêu dùng từ chỉ điều khiển từ xa ở các thiết bị. Nó cung cấp cho người tiêu dùng linh hoạt hơn, cho phép BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 11
13. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT kiểm soát các thiết bị từ phòng gần đó và vị trí của các thiết bị hầu như bất cứ nơi nào - bao gồm cả phía sau gỗ, tường, trang trí nội thất hoặc thủy tinh. Zigbee nhà thông minh: ZigBee nhà thông minh cung cấp một tiêu chuẩn toàn cầu cho các sản phẩm tương thích cho phép nhà thông minh có thể kiểm soát thiết bị, chiếu sáng, quản lý môi trường năng lượng, và an ninh, cũng như mở rộng để kết nối với các mạng ZigBee. Nhà thông minh cho phép người tiêu dùng tiết kiệm tiền, cảm thấy an toàn hơn và tận hưởng một loạt các tiện nghi dễ dàng và ít tốn kém để duy trì. Zigbee nhà thông minh hỗ trợ một hệ sinh thái đa dạng của các nhà cung cấp dịch vụ và các nhà sản xuất sản phẩm khi họ phát minh ra sản phẩm cần thiết để tạo ra ngôi nhà thông minh. Những sản phẩm này là lý tưởng để xây dựng mới thêm các thị trường, và rất dễ sử dụng, duy trì và cài đặt. Tất cả sản phẩm Zigbee nhà thông minh được chứng nhận để thực hiện. Nhiều công ty đổi mới đã đóng góp chuyên môn của họ vào tiêu chuẩn này, bao gồm Phillips, Control4 và Texas Instruments. 2.3. GIỚI THIỆU VỀ MODULE XBEE 2.3.1 Tổng quan Xbee là một dòng các sản phẩm các module sử dụng công nghệ zigbee của công ty Digi International với các dòng sản phẩm tiêu biểu như : Xbee-PRO: DigiMesh 2.4, 802.15.4, ZB SMT, SE, 900, XSC Xbee: DigiMesh 2.4, 802.15.4, ZB, ZB SMT, SE Trong báo cáo này nhóm chỉ giới thiệu về module Xbee ZB. Đây là module RF dùng công nghệ Zigbee được Digi chỉnh sửa lại một số điểm khác với IEEE 802.15.4 nguyên gốc. Module tối ưu cho cấu trúc mạng MeshDigi - cấu trúc mạng lưới được Digi tùy chỉnh lại. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 12
14. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.10: XBee ZB low power Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật của Xbee RF Data Rate( tốc độ dữ liệu sóng 250 Kbps mang) Indoor/Urban Range(khoảng cách trong 133 ft (40 m) nhà/thành thị Outdoor/RF Line-of-Sight Range(sóng 400 ft (120 m) mang truyền trực tuyến ở môi trường bên ngoài Transmit Power( năng lượng phát sóng) 2mW (+3 dBm) Receiver Sensitivity ( độ nhạy của bộ -96 dBm thu) I/O interface (giao diện I/o) 3.3V CMOS UART, ADC, DIO Frequency Band (dải tần số) 2.4 GHz ADC Input (ADC ngõ vào) 10-bit ADC input Digital I/O (tín hiệu số I/O) 10 Operating Temperature & Humidity -40oC to +85oC, 0% to 95% (hoạt dộng ở nhiệt độ và tần số) Supply Voltage (điện áp cung cấp) 2.1 – 3.6 V Operating Current (dòng diện hoạt 40mA động) Idle Current (dòng phản kháng, dòng 15mA điện không tải) Supported Network topologie Point-to-point, point-to-multipoint, (các kiểu mạng hỗ trợ) peer-to-peer and Mesh Dựa theo bản thông số có thể thấy Xbee ZB có những đặc điểm của Zigbee/IEEE 802.15.4 và được Digi bổ sung thêm một số tính năng nhờ có vi điều khiển MC9S08QE32 tích hợp bên trong nhưng Zigbee ZB không thể lập trình được mà chỉ có BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 13
15. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT thể tùy chọn một số tính năng bằng phần mềm chuyên dụng X-CTU được Digi cung cấp, hoặc sử dụng tập lệnh AT để cấu hình Xbee. 2.3.2 Sơ đồ chân của module Xbee Hình 2.11: Sơ đồ chân chuẩn Xbee BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 14
16. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Bảng 2.2: Tính năng các chân của Xbee Thứ tự chân Tên gọi Loại Mô tả 1 VCC Power Mức điện áp dương 3v3 2 TxD Output Tín hiệu truyền UART TXD của module XBee 3 RxD Input Tín hiệu nhận UART RXD của module XBee 4 DIO12 In/Out Chân io 5 Reset Reset Chân reset module Bee 6 RSSI Output Received Signal Strength Indication 7 DIO11 In/Out Chân io 8 NC None Not care 9 DTR Output Data Terminal ready 10 GND Power Mức điện áp 0v 11 DIO4 In/Out Chân io 12 CTS Output Clear To Send 13 DIO9 In/Out Chân io 14 Vref Input Điện áp tham khảo 15 Associate Output Chân liên kết 16 RTS Input Request To Send 17 DIO3 In/Out Chân I/O 18 DIO2 In/Out Chân I/O 19 DIO1 In/Out Chân I/O 20 DIO0 In/Out Chân I/O 2.3.3 Các ứng dụng của Xbee Một số ứng dụng thực tế được Digi International thiết kế và giới thiệu. Xbee và Zigbee nói chung hướng đến các ứng dụng triển khai các mạng thu thập thông tin từ cảm biến, triển khai ngôi nhà thông minh và các ứng dụng quản lý năng lượng. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 15
17. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Digi đã thiết kế một mạng Xbee điều khiển hệ thống làm mát cho một tòa nhà kiểm soát năng lượng tối ưu với các module được gắn với hệ thông làm mát và đồng hồ đo điện năng tiêu thụ để cập nhật thông tin về cho máy chủ đặt trong tòa nhà. Nhằm hướng tới công nghệ đám mây thì còn có thiết bị gateway để truyền dữ liệu qua internet tới các máy chủ được chỉ định khác Hình 2.12: Ứng dụng báo cháy rừng 2.4. TỔNG QUAN VỀ ARDUINO VÀ CÁC SHIELD HỖ TRỢ 2.4.1 Arduino Arduino là một bo mạch vi điều khiển dựa trên nền tảng bộ vi điều khiển 8-bit Atmel AVR hoặc 32-bit Atmel ARM được thiết kế với mục đích làm các thiết bị điện tử một cách dễ dàng cho người vừa mới sử dụng. Arduino ra đời tại thị trấn Ivrea thuộc nước Ý và được đặt theo tên một vị vua vào thế kỷ thứ 9 là King Arduino. Arduino chính thức được đưa ra giới thiệu vào năm 2005 như là một công cụ khiêm tốn dành cho các sinh viên phát triển các ứng dụng một cách dễ dàng hơn. Arduino được chọn làm bộ não xử lý của rất nhiều thiết bị từ đơn giản đến phức tạp. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 16
18. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trong đề tài nhóm giới thiệu Arduino Mega 2560 và chọn Arduino Mega 2560 làm bộ điều khiển trung tâm. 2.4.2 Arduino Mega 2560 Hình 2.13: Arduino Mega 2560 Board mạch Arduino Mega 2560 sử dụng chip ATmega2560. Board có 54 chân digital I/O (trong đó có 15 chân điều chế độ rộng xung PWM), 16 chân đầu vào tương tự (Analog Inputs), 4 UARTs (cổng nối tiếp phần cứng), một thạch anh dao động 16 MHz, kết nối USB, một jack cắm điện, một đầu ICSP và một nút reset. Nó chứa tất cả mọi thứ cần thiết để hỗ trợ các vi điều khiển, chỉ đơn giản là kết nối nó với một máy tính bằng cáp USB hoặc với một bộ chuyển đổi điện AC-DC hoặc có thể sử dụng pin. Sức mạnh xử lý của Arduino Mega 2560:  Chip: ATmega2560  Điện áp cấp nguồn: 5V  Điện áp đầu vào (kiến nghị): 7-12V  Điện áp đầu vào (giới hạn): 6-20V  Số chân Digital I/O: 54 (có 15 chân điều chế độ rộng xung PWM)  Số chân Analog (Input ): 16  Dòng DC trên chân I/O: 40 mA  Dòng DC cho chân 3.3V: 50 mA  Flash Memory: 256KB trong đó có 8KB được sử dụng bởi bộ nạp khởi động (bootloader)  SRAM: 8 KB BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 17
19. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT  EEPROM: 4 KB  Xung nhịp :16MH  Sơ đồ chân của Arduino mega 2560 Hình 2.14: Các thành phần trên board mạch Arduino Mega 2560 - USB (1) Arduino sử dụng cáp USB để giao tiếp với máy tính. Thông qua cáp USB chúng ta có thể upload chương trình cho Arduino hoạt động , ngoài ra USB còn là nguồn cho Arduino. - Nguồn (2,3) Khi không sử dụng USB làm nguồn thì chúng ta có thể sử dụng nguồn ngoài thông qua jack cắm 2.1mm (cực dương ở giữa) hoặc có thể sử dụng 2 chân Vin và GND để cấp nguồn cho Arduino. Bo mạch hoạt động với nguồn ngoài ở điện áp từ 5 - 20 volt. Chúng ta có thể cấp một áp lớn hơn tuy nhiên chân 5V sẽ có mức điện áp lớn hơn 5 volt. Và nếu sử dụng nguồn lớn hơn 12 volt thì sẽ có hiện tượng nóng và làm hỏng bo mạch. Khuyết cáo các nên dùng nguồn ổn định từ 5 đến dưới 12 volt. Chân 5V và chân 3.3 V (Output voltage): các chân này dùng để lấy nguồn ra từ nguồn mà chúng ta đã cung cấp cho Arduino. Lưu ý: không được cấp nguồn vào các chân này vì sẽ làm hỏng Arduino. GND: chân mass. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 18
20. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chip ATmega2560: Chip ATmega2560 có 256KB bộ nhớ flash trong đó 8KB sử dụng cho bootloader. Ngoài ra còn có 8K SRAM, 4K EEPROM. Input và Output (4, 5 và 6): Arduino Mega 2560 có 54 chân digital với chức năng input và output sử dụng các hàm pinMode(), digitalWrite() và digitalRead() để điều khiển các chân. Cũng trên 54 chân digital này chúng ta còn một số chân chức năng đó là: Serial: 0 (RX) và 1 (TX); Serial 1: 19 (RX) và 18 (TX); Serial 2: 17 (RX) và 16 (TX); Serial 3: 15 (RX) và 14 (TX). Dùng để truyền (Tx) và nhận (Rx) dữ liệu nối tiếp TTL. Chúng ta có thể sử dụng nó để giao tiếp với cổng COM của một số thiết bị hoặc các linh kiện có chuẩn giao tiếp nối tiếp. PWM (pulse width modulation): các chân 2 đến 13 và 44 đến 46 trên bo mạch. Các chân PWM giúp chúng ta có thể sử dụng nó để điều khiển tốc độ động cơ, độ sáng của đèn Reset (7): reset Arduino. Chuẩn Giao tiếp Serial: Đây là chuẩn giao tiếp nối tiếp được dùng rất phổ biến trên các bo mạch Arduino. Mỗi bo có trang bị một số cổng Serial cứng (việc giao tiếp do phần cứng trong chip thực hiện. Mức tín hiệu của các cổng này là TTL 5V. Lưu ý cổng nối tiếp RS-232 trên các thiết bị hoặc PC có mức tín hiệu là UART 12V. Để giao tiếp được giữa hai mức tín hiệu, cần phải có bộ chuyển mức, ví dụ như chip MAX232. Số lượng cổng Serial cứng của Atmega2560 là 4. Với tính năng giao tiếp nối tiếp, các bo Arduino có thể giao tiếp được với rất nhiều thiết bị như PC, touchscreen, các game console USB: Các bo Arduino tiêu chuẩn đều có trang bị một cổng USB để thực hiện kết nối với máy tính dùng cho việc tải chương trình. Tuy nhiên các chip AVR không có cổng USB, do đó các bo Ardunino phải trang bị thêm phần chuyển đổi từ USB thành tín hiệu UART. Do đó máy tính nhận diện cổng USB này là cổng COM chứ không phải là cổng USB tiêu chuẩn. 2.5. MODULE THỜI GIAN THỰC DS1307 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 19
21. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT DS1307 là chip đồng hồ thời gian thực (RTC : Real-time clock), khái niệm thời gian thực ở đây được dùng với ý nghĩa thời gian tuyệt đối mà con người đang sử dụng, tình bằng giây, phút, giờ DS1307 là một sản phẩm của Dallas Semiconductor (một công ty thuộc Maxim Integrated Products). Chip này có 7 thanh ghi 8-bit chứa thời gian là: giây, phút, giờ, thứ (trong tuần), ngày, tháng, năm. Ngoài ra DS1307 còn có 1 thanh ghi điều khiển ngõ ra phụ và 56 thanh ghi trống có thể dùng như RAM. DS1307 được đọc và ghi thông qua giao diện nối tiếp I2C (TWI của AVR) nên cấu tạo bên ngoài rất đơn giản. DS1307 xuất hiện ở 2 gói SOIC và DIP có 8 chân như trong hình 2.9. Hình 2.15: Hai gói cấu tạo chip DS 1307 Module thời gian thực DS1307 (RTC) có chức năng lưu trữ thông tin ngày tháng năm cũng như giờ phút giây, nó sẽ hoạt động như một chiếc đồng hồ và có thể xuất dữ liệu ra ngoài qua giao thức I2C. Module được thiết kế kèm theo một viên pin đồng hồ có khả năng lưu trữ thông tin lên đến 10 năm mà không cần cấp nguồn 5v từ bên ngoài. Hình 2.16: Module Real timer DS1307 Các thông số kỹ thuật của DS1307: - Điện áp hoạt động: 5V - Sử dụng nguồn Pin 3V bên ngoài khi mất điện. - Giao tiếp theo chuẩn I2C. - Có 56 Byte RAM trống để người dùng tùy ý sử dụng. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 20
22. S K L 0 0 2 1 5 4