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

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 ôi rất mong nhận được
những đóng góp quí báu của quí thầy cô và các bạn.

Hà Nội, tháng 05 năm 2010
Học viên

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

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 - - 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

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

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
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.

- Hệ thống chiếu sáng
- Hệ thống điều hoà và thông gió
- Hệ thống cấp nước sinh hoạt
- Hệ thống báo cháy
- Hệ thống chữa cháy
Trang - - 15

- Hệ thống thang máy
- Hệ thống âm thanh công cộng
- Hệ thống quản lý vào/ra (dùng công nghệ RFID)
- Hệ thống an ninh
- Đóng ngắt thiết bị điện
- Điều khiển thiết bị điện qua công nghệ mạng di động GSM
- V.v…
Các hệ thống này có thể chia làm ba nhóm chính:
- Hệ thống giám sát và báo động,
- Hệ thống quản lý năng lượng,
- Hệ thống thông tin.
Ba nhóm này đặc trưng cho hệ thống BMS cho các tòa nhà cao tầng. Tùy
thuộc vào mục đích sử dụng mà ba nhóm hệ thống trên được trang bị cho các tòa
nhà hay không.[15]
1.2.1. Quản lý vào/ra trong tòa nhà
Để quản lý vào/ra tại các cửa trong tòa nhà bằng thẻ sử dụng công nghệ
RFID (Radio Frequency Identification). Công nghệ RFID là công nghệ xác nhận
đối tượng bằng sóng vô tuyến.
Dạng đơn giản nhất được sử dụng hiện nay hệ thống RFID bị động làm việc
như sau: một RFID reader truyền một tín hiệu tần số vô tuyến điện từ qua anten của
nó đến một con chip không tiếp xúc. Reader nhận thông tin trở lại từ chip và gửi nó
đến máy tính điều khiển đầu đọc và xử lý thông tin tìm được từ con chip. Các con
chip không tiếp xúc không tích điện, chúng hoạt động bằng cách sử dụng năng

mạng RFID và các hệ thống kỹ thuật thông tin lớn hơn, mà nơi đó quản lý dây
chuyền hoặc cơ sở dữ liệu quản lý có thể thực thi.[13]
1.2.2. Hệ thống báo cháy
1.2.2.1. Cách nhận biết và báo cháy
Khi có căn phòng trong tòa nhà bị cháy, ở những căn phòng có cháy đó
thường có dấu hiệu sau:
- Lửa, khói và vật liệu chỗ cháy bị thiêu hủy
- Nhiệt độ trong vùng cháy tăng lên cao
- Không khí bị Oxy hóa mạnh
- Có mùi cháy và mùi khét
Ta có thể dựa vào những dấu hiệu trên để đặt các hệ thống cảm biến để làm
các thiết bị báo cháy.
Trang - - 17

Thiết bị báo cháy tự động giúp chúng ta thường xuyên theo dõi để hạn chế
các vụ cháy tai hại, hạn chế thiệt hại và an toàn cho mọi người.
1.2.2.2. Các bộ phận chính của hệ thống
1.2.2.2.1. Cảm biến
Cảm biến là bộ phận quan trọng, nó quyết định độ nhạy và sự chính xác của
hệ thống báo cháy.
Cảm biến hoạt động dựa vào các đặc tính vật lý của vật liệu cấu tạo nên
chúng. Cảm biến được dùng để chuyển đổi các tín hiệu vật lý sang tín hiệu điện.
Các đặc tính của cảm biến ta cần quan tâm: độ nhạy, độ ổn định và độ tuyến
tính.
 Cảm biến nhiệt
Là loại cảm biến dùng để chuyển tín hiệu dưới dạng nhiệt độ sang tín hiệu
điện, cảm biến nhiệt có độ nhạy tương đối cao và tuyến tính. Nguyên tắc làm việc
của cảm biến nhiệt là dòng điện hay điện áp thay đổi khi có nhiệt độ tại nơi đặt nó
thay đổi.
Các loại cảm biến nhiệt:

sáng chiếu vào linh kiện thu. Khi cường độ giảm xuống tới một giá trị nào đó thì bộ
cảm biến sẽ phát tín hiệu báo cháy.
Trong hai loại này thì cách thứ nhất nhạy hơn và hiệu quả hơn nhưng khó
thực thi, khó lắp hơn. Còn loại thứ hai linh kiện dễ kiếm và dễ thực thi và lắp đặt
hơn.
Một nhược điểm chung của các loại cảm biến này là: mạch báo động có thể
sai nếu vùng bảo vệ bị ảnh hưởng bởi các lớp bụi.[10]
1.2.2.2.2. Thiết bị báo động
Thiết bị báo động gồm có hai loại:
- Báo động tại chỗ
- Báo động qua điện thoại.
Trong các hệ thống báo cháy, các bộ cảm biến thường được đặt ở những nơi
dễ cháy và nối với các thiết bị báo động bằng dây dẫn điện, cho nên trong một số
trường hợp dây sẽ bị đứt. Vì vậy để một hệ thống hoạt động có hiệu quả thì người
ta thường sử dụng các bộ phát vô tuyến. trong đó bộ phận phát gắn với bộ cảm biến
còn bộ phận thu gắn với mạch báo động.

Hình 3: Thiết bị báo cháy
Trang - - 19

1.2.3. Hệ thống thang máy
Gần đây, hệ thống thang máy đã trở thành một hệ thống quan trọng và hệ
thống này thường đi kèm với một phần mềm trên máy PC để giám sát và điều
khiển. Hệ thống này cũng sẽ cung cấp một cơ chế giao tiếp để cho các nhà tích hợp
như BMS để truy nhập và lấy thông tin.
Một giao tiếp mức cao sẽ được cung cấp cho hệ thống điều khiển thang máy
và thang trung tâm. Thông qua giao diện này, hệ thống BMS sẽ có thể giám sát và
điều khiển các thông tin liên quan đến thang máy và cũng giao tiếp với hệ thống
thông báo, hệ thống nhắn tin và màn hình hiển thị của thang máy. Toà nhà sẽ trang
bị nơi đặt hệ thống, rack, kết nối mạng và các hạng mục liên quan cần thiết cho

đảm bảo cho hệ thống làm việc một cách trôi chảy. Thông thường các nhà cung cấp
điều hòa sẽ ưu tiên chọn các bộ điều khiển từ những nhà cung cấp mà có thể tích
hợp vào hệ thống một cách dễ dàng.
Để tích hợp với hệ thống, các nhà cung cấp điều hòa cần phải cung cấp các
thiết bị có khả năng kết nối với hệ thống bên ngoài thông qua các giao thức mở như
OPC, BACNet, MODBUS hoặc LNS.
Việc điều khiển độ nóng, thông gió và các dịch vụ điều hoà khác thông
thường đều thông qua các bộ điều khiển số trực tiếp của hệ thống BMS. Hệ thống
BMS sẽ điều khiển và/hoặc giám sát tối thiểu là:
- Các máy lạnh trung tâm
- Điều chuyển không khí
- Chỉnh lượng không khí
- Quạt khí thải/ khí tươi
- Nhiệt độ và độ ẩm ngoài trời
- Nhiệt độ và độ ẩm phòng
- Thời gian hoạt động của tất cả các khối
- Các thông số môi trường khác.

Hệ thống điều khiển này sẽ giao tiếp với thiết bị điều khiển chung của hệ
thống điều hòa với các thủ tục mở như BACNet, MODBUS, LNS, P2 hoặc theo
chuẩn của chính nhà sản xuất. Hệ thống BMS sẽ giám sát và điều khiển thông qua
các thiết bị điều khiển này và cung cấp ít nhất là các tính năng sau: [12]
- Tình trạng của các thiết bị
- Công suất hệ thống
- Các mức quá nhiệt của hệ thống
- Mức quá tải của hệ thống
- Giám sát các trạng thái hoạt động
- Thời gian hoạt động của tất cả hệ thống hoặc cục bộ
- Tính toán hoạt động với hiệu suất cao nhất


hoặc trạng thái của hệ thống điện từ trạm biến áp đến tủ phân phối từng tầng. Một
cách tối thiểu hệ thống BMS sẽ giám sát được các yếu tố sau:
- Công suất tiêu thụ lấy từ tất cả các bộ đo điện
- Nhu cầu tối đa
- Giám sát trạng thái của các mạch điện
- Giám sát và điều khiển trạng thái của các máy cắt/ áttômát
- Điện áp, dòng và tần số điện nguồn
- Giám sát trạng thái của tất cả bảng chuyển mạch của các dịch vụ
điện, điện áp và dòng của điện cung cấp.
Hệ thống BMS sẽ cung cấp việc hiển thị đồ hoạ của tất cả hệ thống điện hiển
thị hạ tầng kết nối và các mạch điện. Màn hình đồ hoạ sẽ hiển thị bề mặt của các
bảng chuyển mạch và chỉ ra tên và số của các mạch, các cầu chì cùng với các lượng
điện tiêu thụ, các giá trị đọc được của điện áp và dòng điện. Trạng thái của tất cả
các điểm giám sát thiết bị điện cũng được hiển thị.
Hệ thống BMS sẽ cung cấp các chức năng điều khiển mức vùng cho các
chức năng sau:
- Bất kỳ thay đổi nào về trạng thái của bộ chuyển mạch điều khiển cần phải
được phát hiện
- Bộ chuyển mạch điều khiển sẽ cung cấp trạng thái là đang làm việc hay
không
- Giám sát các modul điều khiển của tất cả hệ thống điều khiển chiếu sáng.
Hệ thống sẽ hiển thị chi tiết bên ngoài và các tầng cho thấy trạng thái của tất
cả các đèn từng khu vực và mạch điện bộ cảm biến chuyển động,cảm biến mức ánh
sáng.[10]

các Client trong hệ thống mạng.[7]
2.2. Một số chuẩn truyền thông
2.2.1. Giới thiệu về truyền thông qua chuẩn RS232
RS-232 lúc đầu được xây dựng phục vụ chủ yếu trong việc ghép nối điểm-
điểm giữa hai thiết bị đầu cuối ( DTE, Data Terminal Equipment ), như giữa hai
máy tính PC, PLC , giữa máy tính và máy in, hoặc giữa một thiết bị đầu cuối và
một thiết bị truyền dữ liệu ( DCE, Data Communication Equipment ).
Mặc dù tính năng hạn chế, RS-232 là một trong các chuẩn tín hiệu có từ lâu
nhất, vì thế được sử dụng rất rộng rãi. Ngày nay, mỗi máy tính cá nhân đều có một
vài cổng RS-232 ( cổng COM ), có thể sử dụng tự do để nối với các thiết bị ngoại
vi hoặc với các máy tính khác. Nhiều thiết bị công nghiệp cũng tích hợp cổng RS-
232 phục vụ lập trình hoặc tham số hoá.[9]
Trang - - 24

- Đặc tính điện học: RS-232 sử dụng phương thức truyền thông đối xứng, tức
là sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch giữa một dây dẫn và đất. Mức điện áp được
sử dụng dao động trong khoảng từ -15V đến 15V. Khoảng từ 3V đến 15V ứng với
giá trị logic 0, khoảng từ -15V đến -3V ứng với mức giá trị logic 1. Chính vì
khoảng từ -3V đến 3V là phạm vi không được định nghĩa, trong trường hợp thay
đổi giá trị logic từ 0 lên 1 hoặc từ 1 xuống 0 một tín hiệu phải vượt qua khoảng
quá độ đó trong một thời gian ngắn hợp lý. Ví dụ, theo tiêu chuẩn DIN 66259
phần 2 qui định độ dốc tối thiểu của một tín hiệu phải là 6V/ms hoặc 3% nhịp xung,
tuỳ theo giá trị nào nhỏ hơn. Điều này dẫn đến việc phải hạn chế về điện dung của
các thiết bị tham gia và của cả đường truyền.[9]

Hình 5: Quy định trạng thái logic của tín hiệu RS-232.
Tốc độ truyền dẫn tối đa phụ thuộc vào chiều dài dây dẫn. Đa số các hệ
thống hiện nay chỉ hỗ trợ tới tốc độ 19,2kBd ( chiều dài cho phép 30-50m ). Gần
đây, sự tiến bộ của vi mạch đã góp phần nâng cao tốc độ của các modem lên nhiều
lần so với ngưỡng 19,2kBd. Hiện nay đã có những mạch thu phát đạt tốc độ