TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Thiết kế giám sát đèn chiếu sáng sử
dụng mạng cảm biến công nghệ LoRa
NGUYỄN ĐỨC MẠNH


Ngành Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa
Chun ngành Tự động hóa Cơng nghiệp

Giảng viên hướng dẫn:

TS. Đỗ Trọng Hiếu

Bộ mơn:
Viện:

Tự động hóa Cơng nghiệp
Điện

Hà Nội, 7/2021

i

Chữ ký của GVHD


ii

ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP
Thiết kế giám sát đèn chiếu sáng sử dụng mạng cảm biến công nghệ LoRa.

Giáo viên hướng dẫn
Ký và ghi rõ họ tên

iii


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐÈN

CHIẾU SÁNG ĐÔ THỊ.........................................................................................
1.1

Sự cần thiết của các hệ thống đèn chiếu sáng c

1.2

Yêu cầu chung đối với hệ thống chiếu sáng đô

1.3

Hệ thống chiếu sáng tại Việt Nam hiện nay.....
1.3.1Những hệ thố
1.3.2Những hệ thố

1.4

Đề xuất giải pháp thiết kế một hệ thống chiếu

1.4.1Định hướng x
1.4.2Tổng quan về

1.5

Kết luận..............................................................

CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY ...
2.1

Mạng truyền thơng khơng dây là gì?..............

2.2

Ngun lý hoạt động của truyền thông không

2.3

Đặc điểm của mạng truyền thông không dây.
2.3.1Hoạt động tin
2.3.2Phạm vi triển
2.3.3Vấn đề tiết kiệ

2.4

Các ứng dụng của mạng truyền thông không

2.5
nay


Các loại mạng truyền thông không dây thườn
13
2.5.1Công nghệ Bl
2.5.2Công nghệ W
2.5.3Công nghệ Zi
2.5.4Công nghệ Lo

2.6

Mạng khơng dây LoRa.....................................
2.6.1LoRa là gì?....
2.6.2Các thơng số
2.6.3Các tần số của
2.6.4Các loại modu

2.7

Kiến trúc mạng truyền thông không dây trong
2.7.1Kiến trúc mạn
2.7.2Kiến trúc hai
2.7.3Kiến trúc mạn

2.8

Kết luận..............................................................

iv
CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG HỆ MƠ HÌNH MẠNG CẢM BIẾN...................



3.1

Mơ hình hệ thống chiếu sáng và điều khiển

3.2

Mục tiêu thiết kế............................................

3.3

Kiến trúc hệ thống giám sát và chiếu sáng t

3.4

Thiết kế nút cảm biến gắn trên cột đèn.......
3.4.1Mục tiêu
3.4.2Tính tố
3.4.3Lập trình

3.5

Thiết kế mạch Gateway.................................
3.5.1Tổng qu
3.5.2u cầu
3.5.3Module
3.5.4Raspberr
3.5.5Module
3.5.6Thiết kế
3.5.7Thiết kế


3.6

Hệ thống giám sát và điều khiển..................

3.7

Kết luận..........................................................

CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM....................................................
4.1

Kết quả đạt được...........................................
4.1.1Hình ảnh
4.1.2Khoảng

4.2

Kịch bản thử nghiệm.....................................
4.2.1Điều khi
4.2.2Điều khi
4.2.3Sự cố đè
4.2.4Sự cố mấ

4.3

Kết luận..........................................................

4.4
Hướng phát triển...........................................
KẾT LUẬN…………………………………………………………………. 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................
PHỤ
LỤC…………………………………………………………………….59

v


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1-1 Đèn cao áp tiêu tốn nhiều năng lượng....................................................1
Hình 1-2 Đèn chiếu sáng trong thành phố.............................................................2
Hình 1-3 Trạm biến áp cho cấp cho tủ điều khiển.................................................2
Hình 1-4 Hệ thống chiếu sáng với tủ động lực điều khiển cả hệ thống.................3
Hình 1-5 Đèn đường LED trong chiếu sáng đơ thị tại TP.HCM...........................5
Hình 1-6 Bóng đèn cao áp Metal Halide trên tuyến đường cao tốc tại Châu Âu...5
Hình 1-7 Hệ thống pin năng lượng mặt trời được thí nghiệm và đưa vào sử dụng
tại đại học Bách Khoa Hà Nội.......................................................................6
Hình 1-8 Hệ thống đèn đường thơng minh được lắp ráp thử nghiệm tại TP.HCM7
Hình 1-9 Mơ hình kiến trúc giám sát và điều khiển hệ thống chiếu sáng dựa trên
mạng truyền thơng LoRa được đề xuất.........................................................9
Hình 2-1 Mạng truyền thơng khơng dây............................................................. 11
Hình 2-2 Ngun lý hoạt động của truyền thơng khơng dây...............................11
Hình 2-3 Cơng nghệ Bluetooth........................................................................... 13
Hình 2-4 Cơng nghệ Wifi.................................................................................... 14
Hình 2-5 Cơng nghệ Zigbee................................................................................ 14
Hình 2-6 Cơng nghệ LoRa.................................................................................. 15
Hình 2-7 Mạng khơng dây LoRa......................................................................... 16
Hình 2-8 Thơng số của LoRa.............................................................................. 17
Hình 2-9 Module Heltec WiFi LoRa 32 và RFM98W........................................18
Hình 2-10 Module E32-TTL-100 và E32-TTL-1W............................................ 18
Hình 2-11 Kiến trúc mạng một đường trong thực tế........................................... 19

Hình 2-12 Mơ hình kiến trúc mạng một đường................................................... 19
Hình 2-13 Kiến trúc mạng hai đường trong thực tế............................................. 19
Hình 2-14 Mơ hình kiến trúc mạng hai đường.................................................... 20
Hình 2-15 Kiến trúc mạng ngã tư trong thực tế................................................... 20
Hình 2-16 Mơ hình kiến trúc mạng ngã tư.......................................................... 20
Hình 3-1 Mơ hình chiếu sáng hệ thống đề xuất................................................... 21
Hình 3-2 Kiến trúc hình sao của hệ thống chiếu sáng sử dụng cơng nghệ LoRa.22
Hình 3-3 Cấu trúc một nút cảm biến gắn trên đèn đường................................... 23
Hình 3-4 Cảm biến quang trở.............................................................................. 24
Hình 3-5 Thiết kế phần cứng quang trở.............................................................. 24
Hình 3-6 Nơi lắp cảm biến quang trở.................................................................. 25
Hình 3-7 Sơ đồ nguyên lý khối Rơ-le................................................................. 25
Hình 3-8 Mặt trước và mặt sau của LoRa-01...................................................... 26
Hình 3-9 Mặt trước và mặt sau của LoRa-02...................................................... 26
Hình 3-10 Mơ hình ngun lý LoRa 02.............................................................. 27
Hình 3-11 Sơ đồ chân của Vi Điều Khiển Atmega328P...................................... 28
Hình 3-12 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn............................................................. 29
Hình 3-13 Sản phẩm Node cảm biến thực tế....................................................... 30
Hình 3-14 Định dạng bản tin cho Node cảm biến............................................... 31
vi


Hình 3-15 Lưu đồ thuật tốn cho Node cảm biến............................................... 32
Hình 3-16 Lưu đồ thuật tốn chương trình con “xử lý tín hiệu từ Gateway”......33
Hình 3-17 Tổng quan về Gateway...................................................................... 34
Hình 3-18 Rasberry có kích thước rất nhỏ.......................................................... 35
Hình 3-19 Cấu tạo cơ bản của Raspberry............................................................ 36
Hình 3-20 Raspberry Pi 3.................................................................................... 37
Hình 3-21 Các GPIO của Raspberry Pi 3............................................................ 38
Hình 3-22 Chức năng cơ bản của GPIO.............................................................. 38

Hình 3-23 Các GPIO của giao thức SPI trên Raspberry...................................... 39
Hình 3-24 Mơ tả giao thức SPI........................................................................... 40
Hình 3-25 Cấu trúc phần cứng của Gateway....................................................... 41
Hình 3-26 Sơ đồ nối dây giữa Raspberry với Lora Ra 02...................................41
Hình 3-27 Hình ảnh Gateway thực tế đã được thiết kế.......................................41
Hình 3-28 Định dạng bản tin cho Gateway......................................................... 42
Hình 3-29 Lưu đồ thuật tốn cho Gateway......................................................... 43
Hình 3-30 Lưu đồ thuật tốn cho chương trình con “xử lý dữ liệu từ Node”......44
Hình 3-31 Lưu đồ thuật tốn của Web Server..................................................... 46
Hình 3-32 Cơ sở dữ liệu của Web Server............................................................ 46
Hình 3-33 Giao diện Web Server điều khiển trên máy tính................................. 47
Hình 4-1 Hình ảnh Node cảm biến mơ phỏng và thực tế.................................... 48
Hình 4-2 Node cảm biến sau khi đóng hộp......................................................... 48
Hình 4-3 Hình ảnh thực tế sản phẩm Gateway.................................................... 49
Hình 4-4 Giao diện điều khiển Web Server......................................................... 49
Hình 4-5 Thực nghiệm khoảng cách truyền nhận thực tế lần 1...........................50
Hình 4-6 Thực nghiệm truyền nhận khoảng cách thực tế lần 2...........................50
Hình 4-7 Thực nghiệm bật đèn số 3.................................................................... 51
Hình 4-8 Hiển thị điều khiển đèn số 3 đã bật trên Web Server............................51
Hình 4-9 Thực nghiệm bật tồn bộ 4 đèn............................................................ 52
Hình 4-10 Hiển thị tồn bộ 4 đèn đã bật trên Web Server...................................52
Hình 4-11 Thực nghiệm một đèn bị lỗi khơng sáng được...................................53
Hình 4-12 Hiển thị đèn bị lỗi trên Web Server.................................................... 53
Hình 4-13 Thực nghiệm sự cố mất điện.............................................................. 54
Hình 4-14 Hiện thị sự cố mất điện của đèn trên Web Server............................... 54
Hình 4-15 Hiển thị trạng thái đèn sau sự cố ngắt điện rồi có điện trở lại trên Web
Server.......................................................................................................... 55
Hình 4-16 Cải thiện tiết kiệm năng lượng........................................................... 55
Hình 4-17 Hướng phát triển hệ thống cảnh báo ơ nhiễm khơng khí....................56


vii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1 So sánh các chuẩn giao tiếp không dây …………………………………15
Bảng 2: Sơ đồ nối dây của Raspberry và Lora Ra-02………………………….41

viii


LỜI CẢM ƠN
Đối với một sinh viên trường đại học Bách Khoa Hà Nội, đồ án tốt nghiệp
là một minh chứng cho những kiến thức đã có được sau 5 năm học tập. Trong
q trình hồn thành đồ án tốt nghiệp, ngồi những có gắng của bản thân, em sẽ
khơng thể hồn thành tốt được cơng việc của mình nếu khơng có sự chỉ bảo và
hướng dẫn tận tình của T.S Đỗ Trọng Hiếu. Em xin được gửi lời cảm ơn chân
thành nhất đến thầy.
Em xin chân thành cảm ơn!
LỜI NÓI ĐẦU
Internet of Things (vạn vật kết nối) thực sự đang trở thành tương lai của
hệ sinh thái công nghệ trên toàn thế giới, là tấm gương phản ánh sự phát triển của
cơng nghệ hiện nay, chính vì vậy mà IoT đã và đang được chính phủ đưa vào dự
án định hướng phát triển nhằm xây dựng nền tảng công nghệ và ứng dụng vào
thành phố thông minh, nhà máy và công nghiệp thông minh, mạng lưới năng
lượng và tiện ích thơng minh. Khi nói đến thành phố thơng minh là nói đến việc
quản lý tài nguyên của thành phố bằng cách tích hợp các giải pháp cơng nghệ
thơng tin, truyền thông và internet vạn vật (IoT). Chiếu sáng thông minh là một
phần không thể tách rời trong một thành phố thông minh và đây là một xu thế
trong thời đại công nghệ 4.0. Ở nước ta điện năng chiếu sáng chiếm khoảng 35%
tổng điện năng tiêu thụ; trong khi trên thế giới tỷ lệ này chỉ chiếm khoảng 17%.

Hiện đại hóa hệ thống đèn đường nhằm tiết kiệm điện năng và chi phí, đồng thời
vẫn đảm bảo chất lượng chiếu sáng được xem là một giải pháp cấp bách.
Nhận thấy tầm quan trọng và xu hướng phát triển này, nhóm đồ án chúng
em đã chọn đề tài “Thiết kế, giám sát đèn chiếu sáng sử dụng mạng cảm biến
không dây LoRa” là một phần trong quá trình nghiên cứu và thiết kế hệ thống.
Đồ án tập trung thiết kế hệ thống giám sát điều khiển cho hệ thống chiếu
sáng trên các đoạn đường. Nội dung đồ án được viết gồm ba chương, kết luận và
hướng phát triển. Có thể chia đồ án thành ba phần chính sau:
 Chương 1: Tổng quan về hệ thống giám sát và điều khiển đèn chiếu sáng
đô thị.
 Chương 2: Tổng quan về mạng truyền thơng khơng dây.
 Chương 3: Xây dựng mơ hình mạng cảm biến.
 Chương 4: Kết quả thực nghiệm và hướng phát triển.
Trong quá trình thực hiện đồ án, chúng em xin chân thành cảm ơn sự
hướng dẫn tận tình của thầy Đỗ Trọng Hiếu.
Mặc dùng đã có nhiều cố gắng, nhưng khơng thể tránh được những sai sót
trong q trình thực hiện cũng như trình bày. Do vậy chúng em mong nhận được
nhiều nhận xét, đánh giá của các Thầy (Cơ) để em hồn thiện đề tài trong thời
gian sắp tới. Em xin chân thành cảm ơn!

ix


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU
KHIỂN ĐÈN CHIẾU SÁNG ĐÔ THỊ

1.1 Sự cần thiết của các hệ thống đèn chiếu sáng công cộng
Nếu như trước đây chiếu sáng chỉ đẩy lùi bóng tối thì giờ đây với sự phát
triển vượt bậc của cách mạng khoa học kỹ thuật, đời sống vật chất của con người
được cải thiện đáng kể, chức năng chiếu sáng ngoài việc đảm bảo điều kiện cho

sinh hoạt con người thì cịn phải nâng cao giá trị thẩm mỹ cơng trình.
Hiện nay ở Việt Nam điện năng cho chiếu sáng khoảng 35% tổng
điện năng tiêu thụ. Trong đó hệ thống chiếu sáng công cộng đang là lĩnh
vực cần phải tiết kiệm năng lượng do thiết kế lắp đặt thiết bị chiếu sáng
chưa hiệu quả và sử dụng điện trong chiếu sáng còn lãng phí.
Theo thơng tin từ trung tâm tiết kiệm năng lượng TP.HCM (ECC
HCMC), hiện tại các thành phố lớn của Việt Nam chủ yếu dung đèn thủy
ngân cao áp cho hệ thống chiếu sáng. Trong đó đơn của như Hà Nội 52%,
Bắc Giang 65%, Hội An 60%,…Loại đèn này tiêu thụ nhiều điện năng,
tuổi thọ trung bình chỉ đạt 6.000-18.000 giờ. Hệ thống các trạm điều khiển
đèn vẫn chỉ được điều khiển bằng tủ cục bộ và hầu như điều khiển thủ
cơng.

Hình 1-1 Đèn cao áp tiêu tốn nhiều năng lượng

Hiện nay nhà nước luôn kêu gọi tiết kiệm năng lượng điện, trong
khi hệ thống chiếu sáng công cộng lại vơ cùng cần thiết với chức năng
đảm bảo an tồn giao thông, trật tự an ninh xã hội, làm đẹp cảnh quan đô
thị. Khi hệ thống chiếu sáng công cộng được đầu tư xây dựng nghiêm túc
chính là dấu hiệu để hình thành nên những khu dân cư tập trung và làm
tiền đề cho sự phát triển của đô thị mới. Thách thức cho các địa phương
liên quan đến mạng lưới công cộng là phải gia tang chất lượng chiếu sáng
nhưng lại giảm điện năng tiêu thụ. Do đó, đây là một bài tốn cần lời giải
cho chính quyền các thành phố.
1


1.2 Yêu cầu chung đối với hệ thống chiếu sáng đô thị
Yêu cầu chung đối với hệ thống chiếu sáng đô thị hiện nay:
Đảm bảo độ chiếu sáng cho từng vị trí trên đường.

Đảm bảo an ninh cho người đi bộ, đi xe đạp, đi xe máy lưu thông trên
đường.
Làm sáng rõ các biển chỉ dẫn giao thông.
Làm đẹp cảnh quan đô thị vào ban đêm.

Với sự phát triển về kỹ thuật cơng nghệ các hệ thống chiếu sáng cịn phải
đáp ứng được các mục đích tiết kiệm năng lượng, bảo vệ mơi trường và có
một hệ thống giám sát từ xa nhằm giúp tiết kiệm chi phí cũng như nhân
cơng lao động cho con người.

Hình 1-2 Đèn chiếu sáng trong thành phố

1.3 Hệ thống chiếu sáng tại Việt Nam hiện nay
1.3.1 Những hệ thống cũ
Tại Việt Nam hiện nay các hệ thống chiếu sáng hầu hết vẫn thiết kế
theo mơ hình điều khiển tập trung qua các tủ động lực. Một hệ thống cơ
bản sẽ bao gồm một trạm biến áp, hạ áp từ nguồn điện trung thế cung cấp
điện cho các tủ động lực. Một tủ động lực sẽ điều khiển trực tiếp toàn bộ
hệ thống các cột đèn trên cả một tuyết đường.

2


Hình 1-3 Trạm biến áp cho cấp cho tủ điều khiển

Với những hệ thống chiếu sáng cổ điển và việc điều khiển hệ thống
hồn tồn theo phương thức thủ cơng sẽ khiến cho hệ thống khá cồng
kềnh, chiếm nhiều diện tích để xây dựng trạm biến áp và tủ điều khiển.
Việc giám sát và bảo dưỡng luôn được thực hiện theo chu kì với việc đi rà
sốt tồn bộ hệ thống để kiểm tra và khắc phục sự cố.


Hình 1-4 Hệ thống chiếu sáng với tủ động lực điều khiển cả hệ thống

1.3.2 Những hệ thống và giải pháp chiếu sáng hiện nay
Theo [1], trong những năm qua, nhu cầu tiêu thụ năng lượng ở nước
ta đang gia tăng mạnh mẽ, đáng chú ý là khu công nghệ xi măng và chiếu
sáng cơng cộng. Do đó, việc sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả
đang là một trong những việc làm hết sức cần thiết và cấp bách trong thời
điểm hiện nay. Tại hội thảo tiết kiệm năng lượng gắn với kinh tế xanh
trong ngành công nghiệp chiếu sáng diễn ra sáng 22/4 tại Hà Nội, các đại
biểu đã tập trung thảo luận về các giải pháp tiết kiệm điện năng trong
chiếu sáng.
Việc thiết kế một hệ thống chiếu sáng ở Việt Nam hiện nay cũng
khơng nằm ngồi xu hướng tiết kiệm năng lượng. Sau đây là những giải
pháp tiết kiệm năng lượng cho các hệ thống chiều sáng và đang được vẫn
3


hành thực tế hoặc thí điểm ở Việt Nam. Các phương án thiết kế tiết kiệm
năng lượng có thể là một hoặc kết hợp các giải pháp dưới đây:
Giải pháp 1: Sử dụng công nghệ chiếu sáng LED thay thế cho những
hệ thống chiếu sáng sử dụng bóng đèn cao áp, sợi đốt, huỳnh quang
với những ưu điểm vượt trội. Đèn LED có hiệu suất phát sáng cao hơn
so với sợi đốt lên đến 90%. Theo PGS.TS Dương Ngọc Huyền –
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đèn LED và chiếu sáng rắn đang
được xem là lời giải cho chiếu sáng tương lai. Xét về ứng dụng, chiếu
sáng LED có thể thay thế tất cả các nguồn truyền thống trong vòng 1015 năm tới. Xét về hiệu quả kinh tế, đây là thiết bị phát sáng có hiệu
suất cao nhất do con người tạo ra do đó mang lại hiệu quả cao. Cịn xét
về cơng nghệ, đèn LED hiệu quả hơn trong việc chuyển điện thành ánh
sáng, vì vậy chúng tiết kiệm năng lượng hơn và tỏa ít nhiệt hơn. Chúng

cũng cho phép người sử dụng bật tắt thường xuyên hơn mà không gây
ra sự suy giảm đáng kể tuổi thọ bóng đèn trong so sánh với đèn huỳnh
quang. Đặc biệt, một trong những lợi ích năng lượng hiệu quả chính
của đèn LED là tỷ lệ chuyển hố năng lượng thành ánh sáng cao hơn
nhiều tỷ lệ chuyển hoá thành nhiệt. [1]. Đặc biệt đèn có tuổi thọ rất cao
từ 30.000 – 50.000 giờ lớn hơn rất nhiều so với đèn huỳnh quang và
sợi đốt; rất khó bị phá hủy bởi sự va đập, không hại và thân thiện với
môi trường.
Tuy nhiên một nhược điểm không thể tránh khỏi của các loại bóng đèn
LED đó là phần lớn hiệu suất bóng đèn Led phụ thuộc vào nhiệt độ
mơi trường xung quanh của môi trường hoạt động. Điều này đặc biệt
quan trọng khi xem xét ơ tơ, ngồi trời, y tế, quân sự và các ứng dụng
mà thiết bị phải hoạt động trên một phạm vi rộng lớn của nhiệt độ, và
được yêu cầu phải có một tỷ lệ thất bại thấp.
Giải pháp 2: Sử dụng đèn chiếu sáng công suất: Đèn Metal Halide có
ưu điểm chiếu sáng tốt hơn từ 3-5 lần so với các loại bóng đèn sợi đốt
nhờ vào hỗn hợp cụ thể của Metal Halide, chúng có thể tạo ra nhiệt độ
màu lên đến 5500K. Ánh sáng phát ra có chất lượng cao, sáng hơn so
với các loại đèn bình thường. Do đó, bóng đèn này thường được sử
dụng chiếu sáng ở các khu vực rộng hoặc sử dụng ở đèn chiếu các loại
xe ô tô, xe máy, các khu vực nhà xưởng….
Tuy nhiên Metal Halide sử dụng công nghệ cũ cho nên không tránh
khỏi những nhược điểm. Bóng đèn Metal Halide khởi động lâu hơn so
với các loại bóng đèn khác trên thị trường (từ 15-20 phút). Điều nay
dẫn đến người dùng phải sử dụng trong thời gian dài và không thể bật
tắt theo ý muốn. Mặt khác, độ bền của bóng khơng cao, tuổi thọ của
bóng chỉ từ 6000 đến 15000 giờ sử dụng. Điều này dẫn đến chi phí
thay mới cho người dùng cao.[2].
Giải pháp 3: Sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo như: mặt trời, gió,
… để cung cấp cho các đèn tiết kiệm năng lượng và đèn LED. Năng

4


lượng tái tạo là năng lượng từ các nguồn tài nguyên được bổ sung liên
tục và không thể bị cạn kiệt, chẳng hạn như năng lượng mặt trời, thủy
điện, gió,... Chúng là một nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm
khơng khí, và khơng đóng góp vào sự nóng lên của khí hậu tồn cầu,
hiệu ứng nhà kính. Vì các nguồn năng lượng này là tự nhiên nên chi
phí nhiên liệu và bảo dưỡng thấp. Tuy nhiên, một hạn chế chung cho
tất cả các nguồn năng lượng tái tạo là rất khó khăn để sản xuất ra một
sản lượng điện lớn, đồng thời là cơng nghệ mới nên chi phí đầu tư ban
đầu là rất lớn.[3].
Giải pháp 4: Hệ thống điều khiển bật tắt linh hoạt, có các chế độ hoạt
động điều chỉnh công suất chiếu sáng theo nhu cầu. Xây dựng hệ thống
giám sát sự cố tiết kiệm chi phí vận hành.
Dựa trên những giải pháp đã được nêu, Việt Nam cũng như thế giới
đã áp dụng một hoặc kết hợp các giải pháp trên để giải quyết các bài toán
về tiết kiệm năng lượng phục vụ chiếu sáng. Dưới đây là những ví dụ thực
tế cho điều đó.
a. Hệ thống đèn LED chiếu sáng tại thành phố Hồ Chí Minh (giải pháp 1)

Hình 1-5 Đèn đường LED trong chiếu sáng đô thị tại TP.HCM [4]

Theo [4], Trung tâm tiết kiệm năng lượng TP.HCM thay thế toàn
bộ hệ thống đèn trên bằng đèn LED công suất 65-200W, TP.HCM sẽ có
tiềm năng tiết kiệm được 55.315.699kWh/năm, tương đương khoảng 88 tỷ
đồng/năm, ước tính giảm 31 tấn phát thải CO2 vào môi trường mỗi năm.
Ưu điểm của phương pháp này là tiết kiệm năng lượng. Lượng điện
năng tiêu thụ của đèn đường LED có thể giảm 60% lượng điện
năng tiêu thụ so với các loại đèn đường truyền thống.

Nhược điểm: chi phí ban đầu cao, độ chiếu sáng cao gây nhức mắt.
b. Hệ thống đèn Metal Halide tuyến đường cao tốc tại Châu Âu (giải pháp

1)

5


Hình 1-6 Bóng đèn cao áp Metal Halide trên tuyến đường cao tốc tại Châu Âu.[5]

Theo [5], hệ thống đèn đường Metal Halide sản phẩm được thiết kế
bởi trường Đại học Công nghệ Delft, Hà Lan. Hệ thống sử dụng đèn Metal
Halide kết hợp công nghệ cảm biến chuyển động, tự đông giảm cường độ
ánh sáng của đèn đường khi khơng có người hoặc phương tiện giao thơng
qua lại, giúp tiết kiệm đến 20% năng lượng.
Khi có người hoặc phương tiện di chuyển vào làn đường, họ sẽ
được phát hiện bởi hệ thống cảm biến của chiếc đèn đường gần nhất. Sau
đó, tồn bộ hệ thống đèn sẽ được bật lên. Ngay khi những phương tiện
này đi qua, hệ thống đèn sẽ giảm cường độ ánh sáng.
Hệ thống đèn đường thông minh đã được lắp đặt thử nghiệm trong
một khuôn viên của trường Đại học Delft và thu được những kết quả rất
tích cực. Sau đó, hệ thống được triển khai thí điểm tai 4 thành phố ở Hà
Lan và 1 thành phố của Ireland. Hiện, nó đã sẵn sàng để được đưa vào
thương mại hóa.
Hệ thống này khơng chỉ giúp giảm năng lượng tiêu thụ mà còn
giảm phát thải khí CO2 đến 80%, trong khi đồng thời giảm chi phí bảo
dưỡng và ơ nhiễm ánh sáng.
Chintan Shah, người thiết kế hệ thống đèn đường này cho biết, các
thành phố nên nhận ra rằng, chỉ sau 3-4 năm, hệ thống đèn đường thông
minh sẽ giúp thu hồi được vốn đầu tư thơng qua việc tiết kiệm chi phí

năng lượng và chi phí bảo trì.
Nhiều quốc gia Châu Âu đang triển khai và xây dựng hệ thống đèn
đường thông minh của riêng mình. Trong đó, Đan Mạch và Phần Lan
đang lên kế hoạch lắp đặt hàng chục ngàn đèn đường thông minh trong
năm tới.
6


c. Hệ thống pin năng lượng mặt trời đã và đang được sử dụng tại Đại học

Bách Khoa Hà Nội (giải pháp 3)

Hình 1-7 Hệ thống pin năng lượng mặt trời được thí nghiệm và đưa vào sử dụng tại đại
học Bách Khoa Hà Nội [6].

Theo [6], những tấm pin năng lượng mặt trời đã được thí nghiệm
và đưa vào sử dụng tại trường đại học Bách Khoa Hà Nội. Điều này đã
giúp nhà trường giảm chi phí điện năng cho việc chiếu sáng và một số hệ
thống khác. Dự án này cũng đã được triển khai tại các trường đại học khác
như đại học Bách Khoa TP.HCM và giải quyết được một phần vấn đề về
điện năng cho các nhà trường.
Ví dụ hệ thống pin năng lượng mặt trời trên mái của Đại học Bách Khoa –
TP.HCM giai đoạn 1 bao gồm 614 tấm pin năng lượng mặt trời IREX 260 Wp.
Hệ thống điện năng lượng mặt trời của Đại học Bách Khoa – TP.HCM tạo ra
tổng sản lượng điện trung bình khoảng hơn 233.600 kWh/năm.
Ưu điểm đèn đường LED năng lượng mặt trời:
Như cái tên, đèn đường LED sử dụng năng lượng mặt trời sử dụng ánh
sáng và năng lượng mặt trời biến đổi thành điện năng. Sau đó nó sẽ
chiếu sáng vào buổi tối.
- Đây là dịng năng lượng có thể tái tạo được và khơng gây ô nhiễm môi

trường. Hiện nay đang là xu hướng phát triển của thế giới.
- Việc vận hành chiếc đèn đường LED sử dụng năng lượng mặt trời
khơng q khó khăn. Một ưu điểm nổi bật khác nữa của đèn LED là có
tuổi thọ khá cao. Dẫn đến tiết kiệm được rất nhiều chi phí sửa chữa
thay thế mỗi năm.
Nhược điểm:
-

-

Nhược điểm lớn nhất của đèn đường LED sử dụng năng lượng mặt trời
là nó phụ thuộc khá nhiều vào thời tiết và khí hậu.
Khơng phù hợp tại các nơi có ít ánh nắng ánh mặt trời thường không
xuất hiện.
7


-

Giá thành đầu tư ban đầu rất cao.
Khi xuống cấp, hết hạn thì việc sử lý chất thải của những tấm pin năng
lượng này rất độc hại và gây ô nhiễm tới môi trường.
d. Hệ thống đèn đường thông minh
Hệ thống đèn đường thông minh ‘Made in Vietnam’ giúp
điều chỉnh mức độ sử dụng các bóng đèn tùy thuộc vào nhu cầu,
lưu lượng người trên các tuyến đường, khu vực; có thể bật/tắt,
chỉnh độ sáng theo thời gian, mật độ người, phương tiện qua lại
thơng qua bộ cảm biến.

Hình 1-8 Hệ thống đèn đường thông minh được lắp ráp thử nghiệm tại

TP.HCM

Do đội ngũ kỹ sư Việt Nam phát triển, thiết kế và sản
xuất. Hệ thống điều khiển đèn đường thông minh được thiết kế
nhằm tiết kiệm năng lượng, bao gồm các bóng đèn chiếu sáng
kiểu mới như đèn LED, bộ điều khiển cảm biến gắn trên cột
đèn, các bộ phận truyền nhận tín hiệu và hệ thống trung tâm
điều khiển. Các bộ phận này được kết nối có dây cho phép
truyền nhận tín hiệu hai chiều phục vụ chức năng điều khiển,
giám sát.
Hệ thống đã được thử nghiệm thực tế tại khu cơng nghệ
cao Thành Phố Hồ Chí Minh (Quận 9) kết quả cho thấy hệ
thống đèn đường thông minh giúp tiết kiệm 30- 70% điện năng
sử dụng cho chiếu sáng; 80% chi phí bảo trì; tiết kiệm chi phí
vận hàng. Đồng thời, hệ thống giúp nâng tuổi thọ bóng đèn do
giảm cơng suất và thời gian chiếu sáng.

1.4 Đề xuất giải pháp thiết kế một hệ thống chiếu sáng tại Việt Nam
Qua việc tìm hiểu và nghiên cứu những ưu nhược điểm
của những hệ thống chiếu sáng đã và đang được triển khai trên
thế giới cũng như Việt Nam thì đa số hệ thống chiếu sáng đều
sử dụng truyền thơng có dây. Hệ thống này có tín hiệu ổn định
tuy nhiên một nhược điểm tồn tại là hệ thống điều khiển rất
phức tạp, tốn nhiều chi phí lắp đặt và cần phải bảo trì thường


x
u
y
ê

n
.
8


Bên cạnh đó một số quốc gia cũng đã ứng dụng công nghệ Zigbee vào
việc điều khiển đèn đường chiếu sáng. Mạng Zigbee có chi phí lắp đặt và
năng lượng tiêu thụ thấp. Tuy nhiên cơng nghệ này có vùng phủ sóng hẹp,
cịn gặp nhiều vấn đề trong truyền tin đi xa.
Để khắc phục những nhược điểm trên và phát triển thế mạnh của cơng
nghệ đã có, chúng em đề xuất việc sử dụng một mạng cảm biến điều khiển
đèn đường sử dụng công nghệ truyền thông không dây Lora. Mạng truyền
thông LoRa với những ưu điểm vượt trội về khả năng tiết kiệm năng
lượng, giá thành rẻ, dễ dàng thiết kế và độ bền cao. Bên cạnh đó khoảng
cách truyền tin đi xa là một lợi thế lớn so với Zigbee và các mạng không
dây khác. Đối với hệ thống sử dụng mạng truyền thông không dây công
nghệ LoRa, ngồi việc triển khai tại các đơ thị, vùng đồng bằng, ta cịn có
thể lắp đặt tại các vùng có địa hình hiểm trở, nơi mà việc đấu nối dây về
trung tâm điều khiển cịn gặp nhiều khó khăn, tốn kém.

1.4.1 Định hướng xây dựng hệ thống
Đề tài đề xuất một hệ thống chiếu sáng tiết kiệm về mặt năng lượng và
tích hợp được những ưu điểm đang được sử dụng ở Việt Nam và trên thế
giới như được trình bày ở mục 3.2. Dưới đây là một phương án xây dựng
hệ thống:
Đề tài đề xuất một hệ thống chiếu sáng sử dụng các phương pháp tiết
kiệm năng lượng như đã trình bài ở mục 1.3.2 nhằm tạo ra một hệ thống
chiếu sáng tiết kiệm điện năng toàn diện và hiệu quả:
Các cột đèn sử dụng đèn LED thay cho bóng đèn cao áp với mục đích
tiết kiệm năng lượng tiêu thụ.

Xây dựng một mạng cảm biến không dây giám sát, bật tắt các cột đèn
chiếu sáng từ xa bằng cơng nghệ truyền thơng khơng dây. Hệ thống có
khả năng điều khiển bật/tắt các đèn từ xa, điều khiển trên máy tính,
đồng thời pháp hiện khi có sự cố và tiết kiệm chi phí kiểm tra bảo
dưỡng.
Xây dựng một mơ hình mạng cảm biến áp dụng những ưu điểm của
các hệ thống chiếu sáng đã có tại Việt Nam và trên thế giới. Đi theo xu
thế phát triển của khoa học công nghệ và tiết kiệm năng lượng.

1.4.2 Tổng quan về hệ thống chiếu sáng vừa được đề xuất
Hệ thống đề xuất được mơ tả như hình sau:

9


Hình 1-9 Mơ hình kiến trúc giám sát và điều khiển hệ thống chiếu sáng dựa trên
mạng truyền thông LoRa được đề xuất

Mơ hình thiết kế hệ thống bao gồm ba phần chính:
a. Hệ thống điều khiển trung tâm Gateway.
Hệ thống Gateway được đặt tại trung tâm điều khiển, có khả năng:
Năng lượng tiêu thụ thấp.
Gửi thông tin điều khiển bật tắt đèn tới các Node thông qua mạng truyền
thông.
Nhận dữ liệu phản hồi từ các Node.
Đưa dữ liệu lên hệ thống giám sát. b.
Hệ thống chấp hành điều khiển đèn
Mỗi cột đèn trên một đoạn đường được gắn một Node điều khiển.
Node này có khả năng:
Mỗi một Node được gắn một mã quy định về vị trí của đèn.

Năng lượng tiêu thụ thấp.
Điều khiển bật tắt đèn bằng Rơ-le.
Nhận biết sự cố đèn cháy, hỏng thông qua cảm biến quang trở.
Sử dụng công nghệ truyền thông LoRa để giao tiếp với khối điều khiển
trung tâm.
Nhận thông tin bật, tắt đèn từ hệ thống điều khiển trung tâm, xử lý và thực
hiện điều khiển. Gửi dữ liệu về hệ thống điều khiển nếu đèn gặp sự cố
cháy, hỏng và vị trí của đèn đang ở đâu.
Việc giám sát và điều khiển các cột đèn trong mạng có thể được thực
hiện thơng qua gói phần mềm giá sát điều khiển trên máy tính. Các nút
được đặt trực tiếp tại mỗi đèn giúp việc điều khiển từng đèn và việc quản
lý sự cố dễ dàng hơn.
c. Hệ thống quản lý giám sát trên máy tính
Hệ thống này được liên kết với hệ thống điều khiển trung tâm qua
Internet. Đặc điểm của hệ thống là giao diện trực quan, dễ dàng sử dụng
10


cho người vận hành điều khiển. Hệ thống quản lý hiển thị dữ liệu nhận
được từ hệ thống diều khiển trung tâm.
Ngồi ra hệ thống sẽ có thêm một ưu điểm vượt trội so với các hệ
thống trước đây đó là khả năng vận hành chủ động, người quản lý hệ
thống có thể dễ dàng ngồi tại trung tâm điều khiển và thấy được tồn bộ
tình trạng hoạt động của hệ thống khi có bất kì sự cố nào liên quan tới hệ
thống. Cách làm này không chỉ giúp người vận hành hệ thống đưa ra chỉ
thị sửa chữa kịp thời hệ thống chiếu sáng khi có sự cố mà cịn tiết kiệm
được chi phí kiểm tra, quản lý và bảo trì.
Hệ thống chiếu sáng đề xuất được thiết kế sử dụng mạng cảm biến
khơng dây LoRa. Do đó, trong phần tiếp theo của bài sẽ trình bày về mạng
cảm biến không dây và công nghệ LoRa.


1.5 Kết luận
Chương một đã giới thiệu tổng quan về hệ thống giám sát, điều
khiển đèn chiếu sáng ở trên thế giới và Việt Nam. Qua việc phân tích
những ưu, nhược điểm của từng hệ thống, chúng em đã đưa ra một đề xuất
“Sử dụng mơ hình mạng cảm biến cơng nghệ Lora vào thiết kế giám sát
đèn chiếu sáng tại Việt Nam”. Ở chương sau chúng em sẽ trình bày về
mạng truyền thơng Lora, phân tích ưu, nhược điểm của mạng Lora so với
những hệ thống mạng truyền thông đã và đang được sử dụng hiện nay.

11


CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG
KHÔNG DÂY

2.1 Mạng truyền thơng khơng dây là gì?
Mạng khơng dây (Wireless Lan) là mạng sử dụng công nghệ cho
phép hai hay nhiều thiết bị ( Node ) kết nối với nhau bằng cách sử dụng
một giao thức chuẩn mà không cần những kết nối bằng dây mạng.

Hình 2-10 Mạng truyền thơng khơng dây

Những ví dụ điển hình về mạng khơng dây là: mạng wifi, mạng 3G,
mạng điện thoại di động, mạng bluetooth, mạng nội bộ không dây
(WLAN), mạng cảm biến không dây, mạng truyền thơng vệ tinh và mạng
sóng mặt đất.

2.2 Ngun lý hoạt động của truyền thơng khơng dây


Hình 2-11 Ngun lý hoạt động của truyền thông không dây

12


Mạng WLAN sử dụng sóng điện từ (vơ tuyến và tia hồng ngoại) để
truyền thông tin từ điểm này sang điểm khác mà không dựa vào bất kỳ kết
nối vật lý nào. Các sóng vơ tuyến thường là các sóng mang vơ tuyến bởi
vì chúng thực hiện chức năng phân phát năng lượng đơn giản tới máy thu
ở xa.
Dữ liệu truyền được chồng lên trên sóng mang vơ tuyến để nó được
nhận lại đúng ở máy thu. Để nhận dữ liệu, máy thu vơ tuyến bắt sóng
(hoặc chọn) một tần số vô tuyến xác định trong khi loại bỏ tất cả các tín
hiệu vơ tuyến khác trên các tần số khác.

2.3 Đặc điểm của mạng truyền thông không dây
Dưới đây là một vài đặc điểm nổi bật của truyền thông khơng dây, qua
đó ta thấy được thế mạnh của mạng và dễ dàng ứng dụng vào bất kỳ ứng
dụng nào mà ta mong muốn [8].

2.3.1 Hoạt động tin cậy
Trong mạng truyền thông không dây, các Node không dây hoạt động
một cách độc lập, trao đổi thông tin với nhau và truyền về nút Gateway
bằng tín hiệu khơng dây. Việc sử dụng công nghệ truyền tin không dây
giúp tăng độ tin cậy so với phương thức truyền tin có dây ở đặc điểm:
Dễ dàng trong việc lắp đặt.
Lắp đặt được ở những khu vực mà việc sử dụng dây khó khăn.
Giảm được rủi ro mất kết nối đường truyền do thiên tai hoặc do động vật
gây ra.
Các Node khơng dây có thể lắp đặt và phân bố một cách dày đặc trong

một khu vực mà ta cần thu nhập thông tin và điều khiển. Với sự phân bố
nhiều thiết bị trong khoảng không gian, thông tin được truyền về nút chủ
theo một được ngắn nhất qua đó giảm thời gian truyền và tăng độ chính
xác cho thơng tin truyền về nút chủ. Việc phân bố nhiều Node không dây
trong một khu vực cũng làm tăng độ chính các về thơng tin giám sát khu
vực theo dõi. Trong trường hợp có nút nào đó gặp sự cố vì lý do nào đó, bị
hư hỏng hay thơng tin gửi về khơng chính xác thì mạng vẫn hoạt động
bình thường và thơng qua các thơng tin của Node lân cận mà ta có thể xác
định được nguyên do sự cố để thay thế, sửa chữa kịp thời.

2.3.2 Phạm vi triển khai mạng truyền thông không dây rộng
Các Node thực hiện nhiệm vụ thu nhập, giám sát, điều khiển và truyền
thông tin qua các Node khác. Nhờ đó việc mở rộng mạng hồn tồn thực
hiện được. Khi ta muốn mở rộng vùng giám sát và điều khiển thì ta chỉ
cần lắp thêm thiết bị. Các Node sẽ được cấu hình theo ý người dùng và dễ
dàng sử dụng khi được lắp thêm thiết bị. Với số lượng thiết bị trong mạng

13


lớn và khoảng cách truyền tin giữa các thiết bị trong mạng thì phạm vi
triển khai của mạng có thể lên đến hàng chục, hàng trăm km.

2.3.3 Vấn đề tiết kiệm năng lượng cho mạng truyền thông không dây
Các nguồn cung cấp cho các Node thường là pin, ắc quy, pin năng
lượng mặt trời,…Tuy nhiên các nguồn năng lượng này tới một thời điểm
sẽ cạn kiệt. Do đó vấn đề tiết kiệm năng lượng là vấn đề mà tất cả các kỹ
sư thiết kế cần phải quan tâm về cả phần mềm và phần cứng.

2.4 Các ứng dụng của mạng truyền thơng khơng dây

Truyền thơng khơng dây có rất nhiều ứng dụng trong thực tế, từ
những ứng dụng trong quân đội đến các ứng dụng đó và quan sát mơi
trường, y tế, công nghiệp, nhà thông minh. [9].
Các ứng dụng trong bảo vệ môi trường:
Giám sát mực nước sông hồ, đo tốc độ gió, lượng
mưa. Phát hiện ơ nhiễm khơng khí, khí thải độc hại.
Phát hiện động đất, hoạt động của núi
lửa. Phát hiện và giám sát cháy rừng.
Các ứng dụng trong y tế:
Định vị theo dõi bệnh nhân.
Hệ thống báo động khẩn cấp.

Thiết bị hỗ trợ theo dõi bệnh gắn trên cơ thể bệnh nhân.
Đặc biệt với tình hình dịch bệnh Covid-19 hiện nay thì việc sự dụng mạng
truyền thông không dây kết hợp các máy đo thân nhiệt để phát hiện những
người có thân nhiệt cao sẽ là ứng dụng cấp thiết.
Các ứng dụng trong gia đình:
Hệ thống cảnh báo an ninh.

Nhà thông minh.
Hệ thống điều khiển thiết bị từ xa.
Hệ thống giao thông thông minh:
Giao tiếp giữa biển báo và phương tiện giao
thông. Hệ thống dẫn đường.
Định vị các phương tiện giao thông.
Hệ thống điều khiển đèn đường thông minh.

14



2.5 Các loại mạng truyền thông không dây thường được sử dụng hiện nay
Tùy vào ứng dụng, với mỗi bài tốn khác nhau ta có thể sử dụng các
cơng nghệ truyền thông không dây sao cho phù hợp. Hiện nay có các bộ
truyền dẫn khơng dây như: Lora, Zingbee, Bluetooth, Wifi,…

2.5.1 Công nghệ Bluetooth
Là công nghệ truyền tin không dây bằng song vô tuyến ở khoảng cách
ngắn. Dải tần số hoạt động trong khoảng 2,4GHz  2,48GHz. Trong phạm
vi từ 10 – 100m, Bluetooth hỗ trợ tốc độ truyền tải dữ liệu 720 Kbps và
đạt tốc độ truyền tải cao nhất lên tới 1Mbps. Ngày nay, Bluetooth ngày
càng được cải tiến và nâng cấp, tốc độ truyền tải cũng tăng lên đến chóng
mặt đạt mức 2Mbps trong khoảng cách lên tới 240m.

Hình 2-12 Cơng nghệ Bluetooth

Có một số nhược điểm đối với Bluetooth. Đầu tiên là nó có thể gây
tiêu hao pin cho các thiết bị di động không dây, như điện thoại thông
minh, mặc dù khi công nghệ (và cơng nghệ pin) đã được cải thiện, vấn đề
này ít gây ảnh hưởng đáng kể hơn trước đây. Tiếp đến bluetooth sử dụng
tín hiệu yếu nên thường bị nhiễu và hạn chế các thiết bị có thể kết nối
trong mơi trường “nhiễu loạn”.
Ngoài ra, phạm vi khá hạn chế, thường chỉ mở rộng khoảng 30 feet
(hơn 9m) và như với tất cả các công nghệ không dây, các chướng ngại vật
như tường, sàn hoặc trần nhà có thể làm giảm phạm vi này hơn nữa. [10].

15