Luận văn Nghiên cứu các chuẩn truyền thông và xây dựng một ứng dụng cho hệ thống giám sát, điều khiển, điều hành tòa nhà cao tầng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN ĐẮC HẢI NGHIÊN CỨU CÁC CHUẨN TRUYỀN THÔNG VÀ XÂY DỰNG MỘT ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG GIÁM SÁT, ĐIỀU KHIỂN, ĐIỀU HÀNH TÒA NHÀ CAO TẦNG Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60.52.70 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Phạm Mạnh Thắng Hà Nội - 2010 Trang - - 2 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan toàn bộ những nội dung và số liệu trong luận văn thạc sĩ: “Nghiên cứu các chuẩn truyền thông và xây dựng một ứng dụng cho hệ thống giám sát, điều khiển, điều hành tòa nhà cao tầng” là do tôi tự nghiên cứu và thực hiện. Học viên thực hiện luận văn Nguyễn Đắc Hải Trang - - 3 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành chương trình cao học và viết luận văn này, tôi xin chân thành cảm ơn quí thầy cô trường Đại học Công nghệ- Đại học Quốc gia Hà Nội, đặc biệt là những thầy cô đã tận tình dạy bảo tôi trong suốt thời gian học tập tại trường. Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến Tiến sĩ Phạm Mạnh Thắng đã dành rất nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu và giúp tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Mặc dù tôi đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình và năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, t ô i rất mong nhận được những đóng góp quí báu của quí thầy cô và các bạn. Hà Nội, tháng 05 năm 2010 Học viên Nguyễn Đắc Hải Trang - - 4 MỤC LỤC Trang phụ bìa.......................................................................................... 1 Lời cam đoan .......................................................................................... 2 Lời cảm ơn ............................................................................................. 3 Mục lục................................................................................................... 4 Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ................................................... 6 Danh sách các bảng ................................................................................ 7 Danh mục các hình vẽ, đồ thị.................................................................. 8 Mở đầu ................................................................................................... 10 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BMS 1.1. Giới thiệu chung .............................................................................. 13 1.2. Các phân hệ trong hệ thống BMS..................................................... 14 1.2.1. Quản lý vào/ ra trong tòa nhà ................................................... 15 1.2.1.1. Thành phần của một hệ thống RFID................................. 15 1.2.1.2. Hoạt động của hệ thống RFID .......................................... 16 1.2.2. Hệ thống báo cháy ................................................................... 16 1.2.2.1. Cách nhận biết và báo cháy.............................................. 16 1.2.2.2. Các bộ phận chính của hệ thống ....................................... 17 1.2.3. Hệ thống thang máy ................................................................ 19 1.2.4. Hệ thống điều hoà trung tâm .................................................... 20 1.2.5. Máy phát điện .......................................................................... 21 1.2.6. Hệ thống điện........................................................................... 21 CHƯƠNG 2. MỘT SỐ CHUẨN VÀ GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG BMS 2.1. Mạng truyền thông trong hệ thống BMS .......................................... 23 2.2. Một số chuẩn truyền thông............................................................... 23 2.2.1. Giới thiệu về truyền thông qua chuẩn RS232 ........................... 23 2.2.2. Giới thiệu về truyền thông qua chuẩn RS-485.......................... 28 2.3. Giao thức truyền thông .................................................................... 35 2.3.1. Giới thiệu giao thức truyền thông BACnet ............................... 35 2.3.2. Giao thức mạng Ethernet.......................................................... 35 CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ MỘT HỆ THỐNG THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG BMS 3.1. Mục tiêu của đề tài........................................................................... 36 Trang - - 5 3.2. Cấu hình hệ thống ............................................................................ 36 3.3. Thiết kế phần cứng của hệ thống...................................................... 37 3.3.1. Giới thiệu tổng quan họ vi điều khiển AVR ............................. 37 3.3.2. Giới thiệu vi điều khiển AVR Atmega 128 .............................. 38 3.3.2.1. Sơ đồ chân ....................................................................... 38 3.3.2.2. Cấu trúc bộ nhớ ................................................................ 39 3.3.2.3. Cổng vào ra...................................................................... 46 3.3.2.4. Bộ định thời ..................................................................... 50 3.3.2.5. Cấu trúc ngắt .................................................................... 75 3.3.3. Giới thiệu vi điều khiển AVR Atmega8 ................................... 82 3.3.3.1. Giới thiệu chung............................................................... 82 3.3.3.2. Sơ đồ chân ....................................................................... 82 3.3.4. Cảm biến.................................................................................. 84 3.3.5. Mạch Slaver ............................................................................. 86 3.3.6. Mạch Master ............................................................................ 88 3.3.7. Keyboard và LCD .................................................................... 90 3.4. Xây dựng phần mềm nhúng điều khiển cho hệ thống ....................... 91 3.4.1. Xây dựng phần mềm nhúng điều khiển cho mạch Slaver dùng Atmega8 .............................................................................. 91 3.4.2. Xây dựng phần mềm nhúng điều khiển cho mạch Master dùng Atmega128.......................................................................... 92 3.5. Kết quả và khả năng ứng dụng của hệ thống .................................... 93 3.5.1. Tính khoa học .......................................................................... 93 3.5.2. Khả năng triển khai ứng dụng vào thực tiễn ............................. 93 3.5.3. Hiệu quả kinh tế xã hội ............................................................ 94 Kết luận ................................................................................................ 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................... 96 Phụ lục ................................................................................................ 97 Trang - - 6 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ALN Application Level network – Lớp ứng dụng mạng BACnet Building Automation and Control network Protocol - Giao thức truyền thông của hệ thống điều khiển và tự động hoá toà nhà BMS Building Management System - hệ thống quản lý tòa nhà CSMA/CD Carrier-Sense Multiple Access/ Collision Detect DCE Data Communication Equipment – Thiết bị truyền dữ liệu DTE Data Terminal Equipment - Thiết bị đầu cuối HVAC Hệ thống thông gió và điều hòa không khí ISR Interrupt service routine - Trình dịch vụ ngắt OSI Open System Interconnection – Hệ thống liên kết mở PLC Power Line Communication - đường điện lưới RFID Radio Frequency Identification - Xác nhận đối tượng bằng sóng vô tuyến RI Ring indicator – Chỉ thị chuông RISC Reduced Instruction Set Computer RTS Request to send – Yêu cầu gửi TCP/IP Transmission Control Protocol / Internet Protocol - Giao thức điều khiển truyền thông /Giao thức Internet UL Unit Load WGM Waveform Generation Mode Trang - - 7 DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 1: Một số thông số điện học của RS-232 ............................................... 25 Bảng 2:Các thông số quan trọng của RS-485.................................................. 28 Bảng 3: Thông số của các phương pháp ......................................................... 34 Bảng 4: Các chân của Atmega128 .................................................................. 39 Bảng 5: Cấu hình cho các chân cổng .............................................................. 48 Bảng 6: Địa chỉ các Port ................................................................................. 50 Bảng 7: Lựa chọn tốc độ xung clock .............................................................. 54 Bảng 8: Lựa chọn các chế độ thực thi của bộ định thời 0................................ 67 Bảng 9: Bảng Vector Ngắt Của ATmega128 .................................................. 78 Bảng 10: Điều khiển kiểu bắt mẫu ngắt trong thanh A ................................... 79 Bảng 11: Điều khiển kiểu bắt mẫu ngắt trong thanh B.................................... 80 Bảng 12: Các chân Atmega8 .......................................................................... 84 Bảng 13: Các thông số kỹ thuật của sensor JS-20........................................... 85 Trang - - 8 DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1: Hình minh họa hệ thống BMS ........................................................... 14 Hình 2: Reader và Card .................................................................................. 15 Hình 3: Thiết bị báo cháy ............................................................................... 18 Hình 4: Hệ thống giám sát, đo lường sử dụng điện trong tòa nhà ................... 21 Hình 5: Quy định trạng thái logic của tín hiệu RS-232. .................................. 24 Hình 6: Giắc cắm RS-232 loại 9 chân............................................................. 26 Hình 7: Giắc cắm RS-232 loại 25 chân........................................................... 27 Hình 8: Ghép nối trực tiếp ............................................................................. 28 Hình 9: Sơ đồ bộ kích thích ( driver ) và bộ thu ( receiver ) RS-485............... 29 Hình 10: Quy định trạng thái logic của tín hiệu RS-485. ................................ 30 Hình 11: Định nghĩa một tải đơn vị. ............................................................... 30 Hình 12: Quan hệ giữa tốc độ truyền và chiều dài dây dẫn ............................. 31 Hình 13: Cấu hình mạng RS – 485 hai dây..................................................... 32 Hình 14: Dây xoắn đôi ................................................................................... 32 Hình 15: Cấu hình mạng RS-485 sử dụng 4 dây. ............................................ 33 Hình 16: Các phương pháp chặn đầu cuối RS-485. ........................................ 34 Hình 17: Sơ đồ khối hệ thống......................................................................... 37 Hình 18: Sơ đồ chân ....................................................................................... 38 Hình 19: Bộ nhớ chương trình có và không có sử dụng boot loader ............... 40 Hình 20: Vùng nhớ 64 thanh ghi vào ra có 2 cách chọn địa chỉ ...................... 42 Hình 21: Chức năng con trỏ của các thanh ghi R26 –R31............................... 42 Hình 22: Tóm tắt bản đồ bộ nhớ ATmega128 ................................................ 46 Hình 23. Sơ đồ một cổng vào ra ..................................................................... 49 Hình 24: Sơ đồ khối bộ định thời 1 (3) ........................................................... 51 Hình 25: Thanh ghi TEMP ............................................................................. 56 Hình 26: Ngõ ra khối Compare Match Output Unit ........................................ 65 Hình 27: Sơ đồ khối bộ định thời 0 ................................................................ 66 Hình 28: Sơ đồ khối bộ định thời 2 ................................................................ 72 Hình 29: Sơ đồ chân Atmega8........................................................................ 83 Hình 30: Hình ảnh cảm biến JS- 20 Largo Pir ................................................ 84 Hình 31: Khoảng cách và góc quét của JS-20................................................. 85 Hình 32: Sơ đồ nguyên lý mạch Slave............................................................ 86 Hình 33: Sơ đồ mạch PCB của mạch slave ..................................................... 87 Trang - - 9 Hình 34: Sơ đồ nguyên lý mạch Master.......................................................... 88 Hình 35: Sơ đồ mạch PCB của mạch Master .................................................. 89 Hình 36: Mạch điện điều khiển của mạch Master ........................................... 89 Hình 37: Sơ đồ mạch PCB của LCD Keyboad ............................................... 90 Hình 38: Mạch điện điều khiển của Keyboad và LCD.................................... 91 Hình 39: Sơ đồ khối hoạt động của mạch Slave ............................................. 91 Hình 40: Sơ đồ khối hoạt động của mạch Master ........................................... 92 Hình 41: Hình ảnh của hệ thống ..................................................................... 98 Trang - - 10 MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, cùng với không khí hội nhập kinh tế quốc tế của Việt nam, quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa của đất nước đã có những bước phát triển rất nhanh. Một trong những bước thành công đó là qui mô đô thị hóa với hàng loạt các công trình kiến trúc đồ sộ đã và đang được xây dựng trên mọi miền của tổ quốc, góp phần cho sự phát triển kinh tế. Trong các công trình kiến trúc đồ sộ đó không thể không kể đến các tòa nhà cao tầng mới được xây dựng ở Việt Nam. Các tiêu chí đánh giá chất lượng các tòa nhà cao tầng đó liên quan đến các mặt kiến trúc, kết cấu xây dựng, tiện nghi, độ an toàn, độ tin cậy, tính kinh tế và tính hiện đại của tòa nhà. Hầu hết các tòa nhà này hiện đều được trang bị hệ thống điều khiển và quản lý tòa nhà BMS (Building Management System) như ở các nước công nghiệp. Chỉ có trên cơ sở hệ thống BMS này mà các chuyên gia mới có thể đánh giá chất lượng của các tòa nhà đạt tiêu chuẩn hay không đạt tiêu chuẩn quản lý hiện đại.[14] Các tiêu chí liên quan đến hệ thống BMS bao gồm các thành phần giám sát và báo động, các hệ thống thành phần quản lý năng lượng và hệ thống thông tin. Khi được trang bị như vậy, tất cả các hệ thống thành phần đó ngoài việc có khả năng hoạt động độc lập thì cần phải được điều khiển tập trung nhằm cho phép tăng độ an toàn, tính bền vững và ổn định của toàn hệ thống. Hệ thống tổng thể cần được thiết kế sử dụng khả năng tích hợp các hệ thống thành phần trên cơ sở một hệ thông tin liên tục, không bị gián đoạn, có được tốc độ xử lý dữ liệu đủ cao nhằm tăng tính tin cậy và hiệu quả sử dụng. Thực tế phát triển như vũ bão của Công nghệ thông tin trong những năm gần đây đã cho thấy: hệ thống kể trên hoàn toàn có thể thực hiện được tốt trên cơ sở nghiên cứu tích hợp các hệ thống thành phần qua các kênh thông tin được tích hợp với nhau như dùng kết nối các đường dây chuyên dụng truyền thống, các kênh thông tin vô tuyến (wireless), dùng ngay mạng điều khiển qua đường điện lưới PLC (Power Line Communication) hoặc dùng mạng máy tính (computer network), mạng điện thoại di động (mobile network) hoặc thậm chí cả mạng Internet.[15] Các hệ thống quản lý tòa nhà BMS được phát triển và ứng dụng khoảng 20- 30 năm trở lại đây dựa trên cở sở công nghệ tự động hóa phát triển và tích hợp tổng thể. Hệ thống BMS ra đời trợ giúp cho việc quản lý các tòa nhà rất hiệu quả và kinh tế. Tuy vốn ban đầu đầu tư cho thiết bị và các phần mềm quản lý là không nhỏ, nhưng so với chi phí khai thác lâu dài thì rất hiệu quả và kinh tế. Chúng ta có thể Trang - - 11 tham khảo các tòa nhà lớn ở sân bay Stuttgart của Đức, tòa nhà sinh thái ở Bỉ, nhà băng Credit Suisse First Boston ở Anh, Capital tower và hãng sản xuất đĩa cứng Seagate ở Singapore... Các tòa nhà này đã được trang bị hệ thống BMS của Siemens và đã, đang được khai thác rất hiệu quả và kinh tế. Các nhà cao tầng ở Việt nam đã sử dụng hệ thống BMS của Siemens. Các tòa nhà: Saigon Center HCM được đưa vào sử dụng 1996, Red river building Hanoi-1999, Opera Hilton Hotel Hanoi-2000, Hanoi Nation Stadium-2003. Sau khi trang bị hệ BMS này, các tòa nhà đã khai thác rất hiệu qủa khả năng quản lý giám sát và báo hiệu các sự cố của hệ thống HVAC (Hệ thống thông gió và điều hòa không khí) và tiết kiệm được 50% năng lượng điện tiêu thụ cho hệ thống so với trước khi lắp đặt hệ thống BMS.[14] Bên cạnh việc sử dụng điện năng cho các hoạt động của tòa nhà(Hệ thống điều hòa, vận hành thang máy,…) thì việc sử dụng điện năng cho điều khiển chiếu sáng cũng chiếm một tỷ trọng khá lớn. Việc quản lý tốt vấn đề chiếu sáng không chỉ đem lại môi trường làm việc đủ ánh sáng mà còn nâng cao hiệu quả đầu tư cho việc tiết kiệm điện và chi phí vận hành. Tự động hóa điều khiển chiếu sáng, người vận hành có thể lập sẵn lịch hoạt động chiếu sáng cho từng khu vực nhất định, cho từng thời điểm nhất định. Như khu hành lang là nơi thường xuyên có người qua lại, hệ thống sẽ tự động bật sáng khu vực đó trong thời gian làm việc. Những khu vực nhạy cảm về vấn đề an ninh, hệ thống sẽ tự động bật sáng khu vực đó về đêm hoặc chiếu sáng tăng cường trong những thời điểm nhạy cảm. Xuất phát từ những ý tưởng và những tình hình thực tế như ở trên, tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu các chuẩn truyền thông và xây dựng một ứng dụng cho hệ thống giám sát, điều khiển, điều hành tòa nhà cao tầng” cho luận văn tốt nghiệp. Luận văn được tổ chức thành 3 chương với các nội dung chính như sau: Chương 1 – Tổng quan về hệ thống BMS: Giới thiệu tổng quan về hệ thống BMS, các phân hệ trong hệ thống BMS Chương 2 – Một số chuẩn và giao thức truyền thông ứng dụng trong hệ thống BMS: Trình bày mạng truyền thông trong hệ thống BMS, một số chuẩn truyền thông, giao thức truyền thông sử dụng trong hệ thống BMS. Chương 3 – Thiết kế một hệ thống thành phần trong hệ thống BMS: Trình bày mục tiêu của đề tài, xây dựng cấu hình của hệ thống, thiết kế phần cứng, thiết kế các modul mạch điện của hệ thống và xây dựng phần mềm nhúng cho hệ thống Trang - - 12 nhằm thực hiện công việc bật/ tắt đèn chiếu sáng tự động trong hệ thống BMS. Thử nghiệm kết quả và khả năng ứng dụng của hệ thống. Trang - - 13 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BMS 1.1. Giới thiệu chung Mục tiêu của hệ thống BMS là tập trung hóa và đơn giản hóa việc giám sát, vận hành và quản lý tòa nhà. BMS cho phép nâng cao hiệu suất của tòa nhà bằng cách giảm chi phí nhân công, chi phí năng lượng và cung cấp môi trường làm việc thoải mái và an toàn cho con người. Một số lợi ích của hệ thống BMS: - Đơn giản hóa vận hành: các thủ tục, các chức năng có tính lặp đi lặp lại được chương trình hóa để vận hành tự động. - Giảm thời gian đào tạo cho nhân viên vận hành: Do có các chỉ dẫn trực tiếp trên màn hình cũng như giao diện trực quan của tòa nhà. - Phản ứng nhanh đối với các đòi hỏi của khách hàng và các sự cố. - Giảm chi phí năng lượng: quản lý tập trung việc điều khiển và quản lý năng lượng. - Quản lý tốt hơn các thiết bị trong tòa nhà: nhờ vào hệ thống dữ liệu lưu trữ, chương trình bảo trì bảo dưỡng và hệ thống tự động báo cáo các cảnh báo. - Linh hoạt trong việc lập trình theo nhu cầu, kích thước, tổ chức và các yêu cầu mở rộng. - Sử dụng hệ thống vận hành bằng việc tích hợp hệ thống phần mềm và phần cứng của nhiều hệ thống con khác nhau như: báo cháy, an toàn, điều khiển truy nhập, điều khiển thiết bị điện qua công nghệ