Đề tài Nghiên cứu xây dựng hệ thống tiết kiệm điện năng chiếu sáng ứng dụng mạng sensor không dây

m khả năng địa chỉ hóa, ví dụ các bộ chấn lưu điện (chấn lưu) có thể được điều khiển riêng rẽ khi cần. Các bộ chấn lưu điện này được nối với bus điều khiển điện áp thấp 1-10VDC và có thể được điều khiển đồng thời. Một điểm mạnh khác của chuẩn DALI là có thể truyền trạng thái của các bộ chấn lưu điện trở lại nơi điều khiển. Điều này đặc biệt có ích khi việc cài đặt được mở rộng tại nơi các thiết bị chiếu sáng được phân bố trong không gian rộng. Các thiết bị DALI bao gồm các bộ chấn lưu HF huỳnh quang, các bộ chuyển đổi điện áp thấp, các thiết bị phát hiện chuyển động, công tắc tường và các cổng vào các giao thức khác. Một mạng DALI có thể lên tới 64 thiết bị. Những nơi yêu cầu nhiều hơn 64 thiết bị được thực hiện bằng cách sử dụng kết hợp nhiều mạng DALI riêng rẽ. Các mạng riêng rẽ này kết nối với nhau thông qua các cổng và một xương sống dữ liệu hoạt động trên giao thức mức cao như DyNet của Dynalite. Bảng sau đây liệt kê các đặc điểm chung của mạng DALI theo chuẩn IEC 60929 Số lượng thiết bị lớn nhất có thể 64 Số nhóm 16 Số địa điểm trên một nhóm 16 Cáp dữ liệu 2 dây ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 17 Phương pháp mã hóa dữ liệu Manchester Tốc độ truyền dữ liệu 2400 baud Nguồn cấp cho mạng 24V DC 250mA Bảng 5: Những đặc tính chính của mạng Dali Dưới đây là sơ đồ bao gồm thiết bị chấn lưu và thiết bị điều khiển độ sáng Hình 12: Sơ đồ mạng DALI gồm chấn lưu và thiết bị điều khiển độ sáng Dưới đây là bảng tóm tắt so sánh các mạng: 1-Wire Net DALI MODBUS (serial) MODBUS (Ethernet) ZigBee Tốc độ mạng 9600 baud 115 Kbaud, nếu có bộ tăng tốc 2400 baud RS232/RS485 1Mbps 10Base2: 10Mbps 10BaseT: 10Mbps 100BaseT:100Mbps 20 kbps-, 40 kbps, 250 kbps phụ thuộc tần số Kiểm soát lỗi 8 và 16 bit CRC không CRC Ethernet CRC CRC Latency Phụ thuộc vào yêu cầu hoạt động, từ thấp đến cao Từ trung bình đến cao Rất thấp Rất thấp Thấp đến trung bình 30ms ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 18 Khoảng cách truyền 100 m nếu có xử lý tín hiệu 300m hoặc 2V điện áp rơi Phụ thuộc kênh vật lý, 1000 m đối với RS485 10Base2 – 185m 10BaseT – 100 m 100BaseT – 100m 70m – 300m Kiểu mạng Serial multi- drop half- duplex bus Serial bus Point to point or multi-drop Mutli-drop và star nếu có hubs Ad Hoc wireless network Phân cực cáp Có/ hoặc đơn cực không RS232 – có RS485 - không có Triển khai trong công nghiệp Khiêm tốn Rất tốt Vô cùng tốt Rất cao Mới bắt đầu nhưng được quan tâm lớn Bảo mật không không không không 128 AES Các tiêu chuẩn không IEC 6092 9- 2003 , Modbus-IDA Modbus-IDA IEEE 802.15.4, tổ chức ZigBee Bảng 6: So sánh một số mạng truyên thông Nhận xét về các mạng: - Mạng 1-wire không được chấp nhận nhiều trong công nghiệp như các mạng khác - Mạng MODBUS thực sự là trưởng thành và được chấp nhận nhiều, nhưng nó yêu cầu giá thành lắp đặt cao hơn DALI và ZigBee. Nó được dùng nhiều trong các ứng dụng công nghiệp thay vì tự động hóa tòa nhà - DALI nhanh chóng được chấp nhận và đặc biệt hiệu quả trong các ứng dụng điều khiển chiếu sáng. Giá thành thấp do nguồn cấp được thực hiện trên cùng dây tín hiệu. Giao thức xây dựng cho điều khiển chiếu sáng do đó không phù hợp với các ứng dụng đo xa và điều khiển công nghiệp - ZigBee tương đối mới, nhưng rất thu hút trong điều khiển công nghiệp. Giá thành thấp vì nó dùng kiểu wireless. Chỉ phù hợp với các ứng dụng không dây. ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 19 1.4 MẠNG SENSOR KHÔNG DÂY VÀ KHẢ NĂNG ÁP DỤNG VÀO HỆ ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG Các mạng sensor không dây (Wireless sensor netwok – WSN) đang bắt đầu được ứng dụng rộng rãi hơn trong các bài toán giám sát môi trường với một số lượng lớn các nút mạng. Việc nghiên cứu phần cứng cũng như phần mềm đã và đang được các trường đại học và rất nhiều công ty R&D tham gia. Khởi xướng các nghiên cứu ứng dụng của mạng sensor không dây phải kể đến Đại học tổng hợp California (UC) với hệ điều hành TinyOS được phát triển như một nền tảng phần mềm cho mạng sensor không dây. Thuật ngữ Mote được sử dụng để chỉ một nút (node) radio đơn lẻ trong mạng. Mỗi một nút có thể có một hay nhiều sensor hoặc một vài thiết bị chấp hành (actuator). Ngoài Đại học Tổng hợp California ra còn có các Đại học Tổng hợp Los Angeles, Đại học MIT, các phòng thí nghiệm Intel Research Labs, Robert Bosh và Crossbow. Ngày nay có thể thấy ứng dụng của mạng sensor không dây ở các ứng dụng như: giám sát các kết cấu lớn như cầu, tòa nhà thông qua các sensor lực (strain gauge) hoặc sensor gia tốc. Một ưu điểm lớn nhất của mạng sensor không dây là không cần sử dụng đến dây dẫn. Trong các ứng dụng tự động hóa tòa nhà, chi phí cho chạy dây điều khiển các thiết bị chiếu sáng là rất lớn. Việc thay các dây này bằng các kết nối không dây vừa tiết kiệm chi phí đồng thời làm cho hệ thống trở nên linh hoạt mà với phương pháp chạy dây không thể có được. Ví dụ ta có thể dễ dàng thay đổi vị trí của các công tắc hay các sensor mà không ảnh hưởng đến kết cấu công trình hay thay đổi hệ thống. Việc sử dụng mạng sensor không dây đã được thương mại hóa điển hình là: Advance Transformer (Phillips) ứng dụng trong tự động hóa HVAC (sử dụng nền tảng phần cứng và phần mềm của Ember) Millennial Net cũng phát triển ứng dụng HVAC và giám sát các hệ thống cơ khí như turbine, động cơ,… Tổ chức hiện nay cổ vũ mạnh mẽ nhất cho mạng sensor không dây là Zigbee Alliance với các thành viên là các công ty sản xuất chip và các công ty tích hợp hệ thống nổi tiếng như Motorola, Phillips, Atmel, TI, Microchip, ABB, Honeywell,.. Sau khi khảo sát kỹ các hệ chiếu sáng cũng như mạng sensor không dây. Nhóm thực hiện đề tài nhận thấy một số lưu ý sau khi ứng dụng mạng sensor/actuator không dây vào các hệ chiếu sáng nói riêng và tự động hóa tòa nhà nói chung là: - Một số nút trong mạng có thể bố trí ở những nơi khó thâm nhập. Yêu cầu đối với những nút này là có thời gian hoạt động lâu và phải chạy bằng pin, nên ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 20 phần cứng và phần mềm cần hỗ trợ tối ưu năng lượng. Để giảm thiểu năng lượng phần cứng cần ngủ trong một thời gian dài và chỉ “thức” khi cần phải lấy mẫu hoặc nhận được dữ liệu từ nút khác. Việc truyền tin RF với công suất thấp có thể đạt khoảng cách tới 100m. - Có thể mở rộng quy mô mạng với các cấu hình mạng khác nhau, tuy nhiên đối với ứng dụng chiếu sáng ta có thể xác định được vị trí của các nút, nên ta nên áp dụng cấu hình mạng star-mesh (bao gồm 3 tầng end device, router và gateway). Theo cấu hình này End-device có thể được nuôi bằng pin còn các router và gateway có thể nuôi bằng nguồn AC. ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 21 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG 2.1 THIẾT KẾ HỆ THỐNG Mục tiêu thiết kế của đề tài là xây dựng một hệ thống điều khiển chiếu sáng hiện đại, gọn nhẹ, tiện lợi, thân thiện với người sử dụng, linh hoạt với nhiều chế độ điều khiển, sẵn sàng cho nhiều ứng dụng chiếu sáng dẫn đến tiết kiệm chi phí sử dụng điện và tiện lợi cho người sử dụng, đồng thời thiết kế cũng chú ý đến khả năng mở rộng của sản phẩm. Như đã trình bày trong chương trước, các hệ điều khiển chiếu sáng bao gồm nhiều phần tử: Bộ điều khiển trung tâm, bộ điều khiển khu vực (một hoặc nhiều), các thiết bị kết nối giữa bộ điều khiển khu vực với bộ điều khiển trung tâm có thể là thiết bị đầu cuối hữu tuyến hoặc không dây, các phần tử chấp hành, các sensor, các công tắc điều khiển được, các công tắc bật tắt bằng tay. Với việc tận dụng các nghiên cứu cơ bản về mạng sensor không dây, kết hợp với các khả năng hỗ trợ nhất định của các vi mạch điện tử. Nhóm thực hiện đề tài thống nhất đưa ra thiết kế hệ điều khiển chiếu sáng trên cơ sở mạng sensor/actuator không dây trên nền tảng truyền thông Zigbee. Dựa trên các tìm hiểu và phân tích các hệ điều khiển chiếu sáng (hữu tuyến) của Lite-Pak, Hubbel,.… chúng tôi lựa chọn thiết kế một hệ thống điều khiển chiếu sáng gồm các phần tử (thiết bị ) sau: · DTC (bộ điều khiển trung tâm) : Đóng vai trò tổ chức và quản trị toàn bộ cấu hình cũng như điều khiển hệ thống. Cho phép người sử dụng thao tác lên các phần tử phân tán thông qua giao diện cảm ứng. · mLCP-8 (panel phân tán): Đóng vai trò thiết bị chấp hành, nhiệm vụ chủ yếu là điều khiển các đèn hoặc các cụm đèn. o Input là tín hiệu từ các sensor phát hiện người, sensor đo độ sáng, sensor đo nhiệt độ, công tắc bật tắt bằng tay, o Output là các rơle, các kênh PWM, các dimmer điều khiển độ sáng (người sử dụng có thể lựa chọn, lập trình các kênh điều khiển) o Kết nối với bộ điều khiển trung tâm bằng kết nối không dây · TouchLight: công tắc cảm ứng không dây (sử dụng cảm biến điện dung) cho phép người sử dụng bật tắt một nhóm đèn (rơle) hoặc một rơle từ bất kì vị trí trong tòa nhà. · Các sensor: Ocupancy sensor (sensor phát hiện người), sensor đo độ sáng và nhiệt độ ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 22 Các thành phần này liên kết với nhau bằng kết nối không dây. Ngoài ra để hệ thống có tính mở chúng tôi thiết kế thêm đầu ra RS485 hỗ trợ Modbus cho panel chấp hành mLCP-8. Kết nối RS485 sẽ rất hữu dụng trong các trường hợp mà truyền thông không dây không thể phủ tới được. Dưới đây là mô hình tổng thể một hệ thống điều khiển chiếu sáng của đề tài: Hình 13: Mô hình hệ thống điều khiển chiếu sáng của thiết kế Đứng dưới góc độ cấu trúc mạng sensor không dây, từ chức năng của các phần tử ta có thể thấy các nút TouchLight, sensor phát hiện người, sensor độ sáng, nhiệt độ có thể coi là các nút sensor (sensor node). Còn các nút mLCP-8 có thể coi là các nút sensor/actuator. Dưới đây chúng tôi đưa ra bảng phân chia chức năng và đặc điểm của từng nút, qua đó sẽ đưa ra giải pháp thiết kế cho phù hợp: STT Tên nút Vai trò Đặc điểm Giải pháp thiết kế 1 DTC Nút Có duy nhất một nút trong mạng. Đặt cố định, ít khi thay Chạy bằng nguồn AC (dùng adapter) nên không cần tối ưu năng lượng ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 23 đổi vị trí Rất quan trọng trong hệ thống Có thể phải thiết kế dự phòng 2 mLCP-8 Nút sensor/actuator. Đóng vai trò như một bộ điều khiển tại chỗ Có nhiều nút trong mạng. Điều khiển thiết bị công suất Lắp đặt cố định Chạy bằng nguồn AC nên không cần tối ưu năng lượng Cần có giải pháp chống nhiễu và nâng cao độ bền vững của thiết bị 3 Nút TouchLight (công tắc cảm ứng) Nút sensor Có nhiều nút trong mạng. Dễ dàng thay đổi vị trí (có thể là loại cầm tay) Chạy bằng pin Tối ưu năng lượng (cả phần cứng lẫn phần mềm) 4 Nút sensor phát hiện người Nút sensor Có nhiều nút trong mạng. Lắp đặt cố định song phải dàng thay đổi vị trí lắp đặt Chạy bằng pin Tối ưu năng lượng (cả phần cứng lẫn phần mềm) 5 Nút sensor độ sáng Nút sensor Có nhiều nút trong mạng. Lắp đặt cố định song phải dàng thay đổi vị trí lắp đặt Chạy bằng pin Tối ưu năng lượng (cả phần cứng lẫn phần mềm) Bảng 7: Bảng phân chia chức năng cho các nút Cũng giống như các hệ thống chiếu sáng thương mại khác, hệ thống điều khiển chiếu sáng do đề tài thiết kế cũng có thể mở rộng hoặc tích hợp với hệ tự động hóa tòa nhà thông qua giao các bộ chuyển đổi (gateway). Việc sử dụng các bộ chuyển đổi giao thức sang Ethernet giúp hệ có thể thực hiện điều khiển qua mạng máy tính. Trong phạm vi của đề tài thực hiện chỉ trong 1 năm, cũng như theo kế hoạch đã đăng ký (5 nút) chúng tôi giới hạn tiến hành thiết kế chế tạo một số nút sau : · 01 bộ (nút) điều khiển trung tâm DTC · 01 bộ (nút) điều khiển khu vực mLCP-8 cho phép điều khiển 16 Rơle, 8 kênh PWM, 8 công tắc bật tắt bằng tay ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 24 · 01 bộ (nút) công tắc cảm ứng TouchLight gồm 4 phím ấn · 01 nút sensor phát hiện người. · 01 nút sensor đo độ sáng · Và 01 nút sensor đo nhiệt độ môi trường. Thực tế trong hệ chiếu sáng sensor đo nhiệt độ là không cần thiết. Song, để chứng minh khả năng “mở” của hệ thống sáng HVAC chúng tôi thiết kế thêm nút đo nhiệt độ. Hình 14: Các nút sẽ thiết kế ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 25 Hình 15: Sơ đồ một hệ thống mở rộng ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 26 Trong quá trình thiết kế, có một số vấn đề kĩ thuật quan trọng mà đề tài phải giải quyết đó là: · Xây dựng giải pháp phần cứng công suất thấp (low power). Điều này vô cùng quan trọng trong thiết kế vì một số phần tử của hệ thống bao gồm các nút sensor đều chạy bằng pin. · Kỹ thuật hóa bài toán trên nền công nghệ truyền thông không dây. Đối với các hệ sensor không dây, do có tính gắn kết rất cao giữa phần cứng và phần mềm nên việc trình bày bóc tách ra thành phần cứng và phần mềm tương đối khó. Một số vấn đề của phần cứng chỉ có thể được làm rõ trong phần thiết kế phần mềm. Trong chương 3 sẽ mô tả chi tiết hơn hoạt động và phần mềm cho từng nút. 2.2 THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN TẬP TRUNG DTC Qua tham khảo các hệ thương mại, phần lớn các bộ điều khiển tập trung đều có một số các đặc điểm sau: · Có giao diện tại chỗ (thông thường là LCD dạng ký tự và bàn phím) · Có bộ nhớ RAM lớn · Có kết nối bus công nghiệp (tùy hãng) · Có đồng hồ thời gian thực Trong thiết kế của đề tài, do nút DTC là nút chính nên phải nuôi bằng nguồn AC. Vì vậy các vấn đề thiết kế tối ưu mạch điện công suất thấp không cần phải đặt ra. Trên cơ sở các phân tích chúng tôi đưa ra thiết kế bộ DTC trên nền vi xử lý ATMEGA128. Thiết bị bao gồm 3 phần chính được kết nối với nhau thông qua giao diện nối tiếp: · Khối xử lý trung tâm: gồm vi điều khiển ATMEGA128 (128K Flash, 4K SRAM, 4K EEPROM), bộ nhớ ngoài 128K, I2C RTC · Khối hiển thị trên cơ sở module màn hình đồ họa cảm ứng LCD (đã có 4M bộ nhớ flash) · Khối giao tiếp bao gồm phần giao tiếp RS485 và phần giao tiếp với module truyền thông Zigbee. ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 27 Latch LS373 RAM (128K) RTC Wireless eeprom Convert RS485 (OPTIONAL) Power supply ATMEGA 128 TOUCH SCREEN 4Mb Memory Main module Hình 16: Sơ đồ khối bộ DTC Module Wireless được thiết kế dựa trên nền thiết kế mẫu nền tảng Zigbee của Atmel cho phép việc xây dựng phần cứng trở nên dễ dàng hơn. Sơ đồ khối của module này như hình dưới: Level shifter RS232 Convert To Debug ATMEGA 128 uP SPI AT86RF230 RF Tranceiver Chip Antenna To Main Module 5V Hình 17: Sơ khối module Wireless Phần lõi của module không dây là vi xử lý ATMEGA1281. Đây là một vi xử lý công suất thấp với bộ nhớ chương trình tới 256K và RAM 16K và tương thích hoàn toàn với ATMEGA128 về mặt cấu hình. Sở dĩ phải sử dụng ATMEGA1281 vì stack Zigbee (Zigbee PRO) tương đối lớn tới 80K chương trình. Các thông số đặc trưng của module không dây: · Sử dụng hai chip anten cân bằng · Nguồn 5V · Công suất phát sóng 3dBm ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 28 · Công suất tiêu thụ thấp · Bộ nhớ flash 128KB, RAM 8KB, EEPROM 4KB · Các cổng giao tiếp: o UART với các tín hiệu CTS/RTS o RS232 · Dải ISM 2.4GHz 2.3 THIẾT KẾ CHẾ TẠO NÚT SENSOR/ACTUATOR KHÔNG DÂY mLCP-8 Nút Sensor/actuator không dây đóng vai trò là một bộ điều khiển tại chỗ trong hệ chiếu sáng. Thông thường các bộ điều khiển tại chỗ của các hệ điều khiển chiếu sáng của các hãng được thiết kế theo các module chuẩn với các giao tiếp truyền thông và thường được gọi là các panel điều khiển. Tùy theo từng nhà sản xuất mà các panel có thể có một hoặc nhiều chức năng khác nhau. Có nhà sản xuất chế tạo panel rơle, panel công tắc (switch panel), panel điều khiển độ sáng thành các panel riêng rẽ. Cũng có nhà sản xuất kết hợp nhiều chức năng lên cùng một panel (rơle, công tắc và điều khiển độ sáng). Mỗi một panel thường có số đầu ra điều khiển là chẵn như 1,4,8,16,24,48. Các panel điều khiển cũng tùy mức độ mà có thể lập trình tại chỗ hoặc từ xa thông qua các giao thức như Modbus, Lonworks hay Bacnet. Tóm lại, các panel đều có một đặc điểm chung là gồm có 2 phần: phần “bộ não” và phần công suất. Transformer 1 2 Local Switches 3 4 4 4 5 8 Programmable Relay Scanner 1 2 3 4 5 . . . 8 1 Master Switch White Blue 1 1 1 1 Hình 18: Sơ đồ tổng quát của một panel điều khiển tại chỗ(Douglas) ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 29 Panel 1 T SW Floor Master Switch Relay Scanner Panel 2 T SW Floor Master Switch Relay Scanner Panel 3 T SW Floor Master Switch Relay Scanner Transformer for Global Controls Global Override Switch Global Timer Tr Multi-panel, Multi-relay Switching Hình 19: Sơ đồ mạng các panel (Douglas) Để dễ dàng hơn cho việc chế tạo cũng như thử nghiệm, nhóm thực hiện đề tài lựa chọn mô hình xây dựng bộ điều khiển tại chỗ theo kiểu kết hợp nhiều chức năng lên một panel. Nút sẽ được thiết kế với một số chức năng kỹ thuật chính sau: Số rơle điều khiển được : 16 Công suất rơle: 10A 220AC Đầu ra PWM: 08 Chức năng xung đồng bộ 50Hz: Có Đầu vào tiếp điểm: 08 Lập trình thông qua: DTC Các rơle có thể nhóm và lập trình riêng lẻ Truyển thông: Zigbee, Modbus Nguồn nuôi: 220VAC ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 30 Nút mLCP-8 do đề tài thiết kế cũng gồm 4 phần chính: · Phần xử lý xây dựng trên nền tảng của vi điều khiển ATMEGA128 và các đầu vào ra lập trình được trên cơ sở vi mạch mở rộng I/O dạng nối tiếp SPI MCP23S17. · Phần truyền thông gồm 2 phần, phần truyền thông RS485 và phần truyền thông không dây. Module truyền thông không dây được xây tương tự như module truyền thông của bộ DTC. · Phần giao diện người sử dụng bao gồm các đèn LED và phím ấn, cho phép người sử dụng có thể tác động cũng như lập trình một số chức năng tại chỗ. · Phần công suất bao gồm các đầu ra công suất dạng rơle. Các đầu ra công suất cho điều khiển độ sáng dạng PWM sẽ được thực hiện khi có điều kiện. Hình 20: Sơ đồ khối của nút mLCP-8 2.4 THIẾT KẾ CHẾ TẠO NÚT TOUCHLIGHT (công tắc điều khiển dạng cảm ứng) Thông thường các vùng ánh sáng có thể được điều khiển thông qua các scene (hoặc zone). Ở một số hệ thống điều khiển chiếu sáng, để thuận tiện cho người sử dụng, người ta còn thiết các bộ điều khiển từ xa hoặc (thực chất là các công tắc) điều khiển từ xa để tắt, bật một hoặc một nhóm các đèn. Các công tắc này phần lớn là sử dụng sóng hồng ngoại và sóng vô tuyến. ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 31 Đối với đề tài, do đã sẵn có nền tảng truyền thông không dây, nên chúng tôi phát triển các bộ điều khiển từ xa này dưới dạng một nút sensor với 4 công tắc cảm ứng điện dung (đề tài đặt tên là TouchLight ). Các sensor cảm ứng điện dung cho phép người sử dụng thay vì bật công tắc có thể chạm nhẹ hoặc có thể dễ dàng tạo các thao tác như trượt, lăn,… một cách dễ dàng. Thiết kế của nút bao gồm 2 phần chính: · Phần xử lý trung tâm và truyền thông không dây · Phần cảm biến điện dung Hình 21: Sơ đồ khối của nút TouchLight 2.5 THIẾT KẾ CHẾ TẠO CÁC NÚT SENSOR Do các nút sensor đều có cấu tạo tương đối giống nhau nên chúng tôi chỉ trình bày tổng quan ở đây. Có 3 loại nút sensor mà đề tài thực hiện chế tạo: sensor phát hiện người, sensor đo độ sáng và sensor đo nhiệt độ. Bo mạch tích hợp sensor ánh sáng TSL2550T của TAOS và sensor nhiệt độ LM73CIMK của National Semiconductors. Cả hai lọai sensor này đều được giao tiếp theo chuẩn I2C Hình 22: Sensor phát hiện người ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 32 Sensor phát hiện người được sử dụng là loại PIR của PowerCode. Đây là một sensor siêu nhạy, có chức năng chống báo động giả ba cấp độ, kèm chân đế điều chỉnh góc xoay, sensor có khả năng hoạt động trong phạm vi rộng với góc quét 90 độ, xa 15m. Các đặc tính chủ yếu của sensor phát hiện người này là: - Bao gồm một bộ transmitter PowerCode - Sử dụng thuật toán phân tích chuyển động phức tạp True Motion Recognition (TMR) - Có thể điều chỉnh được theo phương thẳng đứng 2 vị trí để quan sát - Có thể cài đặt trên tường hoặc trần nhà - Bộ đếm sự kiện chuyển động có thể lập trình được ON (mặc định) hoặc OFF - Thời gian ổn định từ khi bật nguồn: 30s - Sau khi phát hiện người sensor tự động chuyển về chế độ nghỉ để tiết kiệm năng lượng. Sensor chuyển về chế độ sẵn sàng sau 2 phút nếu không phát hiện hiện thấy có người sau đó. Với đặc tính này, nút sensor không dây được thiết kế như sơ đồ sau đây: JTAG GPIO 0..2 GPIO 3 IRQ I2C Debug LED Input /Occupancy Sensor I2C Level Shifter Temperature Light Sensor Reset Hình 23: Sơ đồ khối của nút sensor không dây ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 33 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN MỀM CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG Đối với các mạng sensor không dây nói riêng và các hệ phân tán nói chung, việc thiết kế phần mềm đóng vai trò quan trọng hơn cả. Đặc điểm của hệ này là gồm rất nhiều phần mềm riêng rẽ tương tác với nhau tương đối phức tạp. Điều cốt yếu hơn cả là có được thiết kế cơ chế phối hợp và giao tiếp giữa các phần mềm này với nhau một cách chuẩn mực nhằm giảm thiểu số lượng phần mềm và tăng tính dễ dàng sử dụng. Trong hệ điều khiển chiếu sáng, ta có thể thấy có 2 vấn đề cơ bản trong thiết kế phần mềm: · Phần thứ nhất là các vấn đề liên quan đến truyền thông và cơ chế truyền không dây, các vấn đề về tổ chức mạng, lập mạng và quản lý mạng. · Phần thứ hai là các vấn đề đặc thù của bài toán điều khiển chiếu sáng, đó là các vấn đề liên quan đến các đối tượng (đèn, rơle, công tắc) và việc quản trị logic các đối tượng. Chính vì vậy, đề tài sẽ thực hiện trình bày thiết kế phần mềm cho hệ thống theo trình tự sau: · Các vấn đề về môi trường phát triển, hệ điều hành, lớp mạng… · Thiết kế tổng quát và thiết kế phần mềm các nút · Thiết kế phần mềm giao diện và quản trị hệ thống trên DTC 3.1 CÔNG CỤ VÀ MÔI TRƯỜNG PHÁT TRIỂN Việc lựa chọn công cụ và môi trường phát triển được đưa ra nhằm đảm bảo phát triển hệ thống một cách dễ dàng, dễ mở rộng, tăng tính kế thừa của các module. Dưới đây là liệt kê các công cụ mà đề tài sử dụng để phát triển phần mềm của hệ thống: · Phần mềm được phát triển trên ngôn ngữ C (GNU). Do toàn bộ hệ thống được xây dựng trên nền các vi điều khiển họ AVR (ATMEGA128 và ATMEGA1281) nên chúng tôi lựa chọn môi trường phát triển AVR Studio và trình biên dịch WINAVR. · Các module truyền thông không dây được phát triển dựa trên thư viện stack Zigbee cho Atmel. · Giao diện đồ họa cho màn hình cảm ứng trên nền ngôn ngữ Markup (HTML). Quy trình phát triển ứng dụng trên vi xử lý · Viết ứng dụng · Dịch mã cho vi xử lý · Nạp các file nhị phân vào các nút zigbee sử dụng JTAG, RS232 · Reset các nút và gỡ rối (debug) từng nút ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 34 · Lặp lại quy trình trên nếu cần thiết 3.2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG Đứng dưới góc độ phần mềm nhóm thực hiện nhận thấy, việc phân hoạch hệ thống theo mô hình master/slave sẽ dễ dàng hơn. Khi đó toàn bộ hệ thống có thể được mô tả như hình dưới. Local Control Master (LCM) Local Control Master (LCM) Local Control Master (LCM) Local Control Master (LCM) Local Control Master (LCM) B B Local Control Master (LCM) R S B BR S B BR S B BR S B BR S B BR S Hình 24: Mô hình của hệ thống ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 35 Như đã biết, ta có thể lựa chọn các cấu trúc khác nhau khi phát triển các hệ Zigbee. Việc sử dụng mô hình master/slave là hoàn toàn hợp lý khi chúng ta lựa chọn cấu trúc 3 tầng star/mesh của Zigbee. Nếu ta định nghĩa các phần mềm thành các chức năng master và chức năng slave thì ta có thể thấy một thiết bị có thể là master, có thể là slave và cũng có thể là master và slave. Hình 25: Phần mềm master và slave Theo mô hình master/slave các nút trong mạng sẽ có thể được nhúng các phần mềm sau: · Master Device sẽ được nhúng vào LMC · Slave Device sẽ được nhúng vào R,S,B · Master device được nhúng vào CM · Slave device được nhúng vào LMC ( để liên lạc với CM) ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 36 Hình 26: Mô hình master/slave Do tính chất phức hợp của bài toán, bao gồm cả các phần mềm khác nhau, trên các vi điều khiển khác nhau nên để dễ dàng cho việc lập trình cũng như thiết kế các module, đề tài phân chia ra theo Bảng 7 Tên nút Tên module phần mềm Mã Phần cứng Hệ điều hành Công cụ Thư viện Phần mềm khối xử lý trung tâm (có nhúng MD) S1 Atmega128 Scheduler dạng round robin AVR Studio + WinAVR Phần mềm truyền thông không dây S2 Atmega1281 Event Driven scheduler AVR Studio + WinAVR Zigbee stack DTC Phần mềm giao diện người sử dụng S3 AMULET OS chip AMULET HTML compiler ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 37 Phần mềm khối xử lý trung tâm (có nhúng MD+SD) S4 Atmega128 Scheduler dạng round robin AVR Studio + WinAVR mLCP-8 Phần mềm truyền thông không dây S2 Atmega1281 Event Driven scheduler AVR Studio + WinAVR Zigbee stack