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 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Phạm Mạnh Thắng


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
CHƢƠNG 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
CHƢƠNG 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

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 - đƣờng điện lƣới
RFID Radio Frequency Identification - Xác nhận đối tƣợng 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 lƣờng 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 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

khiển qua đƣờng điện lƣới 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 đƣợc 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 tƣ cho thiết bị và các phần mềm quản lý là không nhỏ,
nhƣng 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 đƣợc trang bị hệ thống BMS của
Siemens và đã, đang đƣợc 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 đƣợc đƣa 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 đƣợc 50% năng lƣợng điện tiêu thụ cho hệ thống so với
trƣớc 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 trƣờng làm việc đủ ánh sáng mà còn nâng cao hiệu quả đầu tƣ cho
việc tiết kiệm điện và chi phí vận hành.
Tự động hóa điều khiển chiếu sáng, ngƣời vận hành có thể lập sẵn lịch hoạt
động chiếu sáng cho từng khu vực nhất định, cho từng thời điểm nhất định. Nhƣ
khu hành lang là nơi thƣờng xuyên có ngƣời qua lại, hệ thống sẽ tự động bật sáng
Trang - -

13
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BMS

1.1. Giới thiệu chung


Trang - -

14
1.2. Các phân hệ trong hệ thống BMS

Hình 1: Hình minh họa hệ thống BMS

Trong hệ thống BMS có khá nhiều phân hệ, cụ thể:
- Trạm phân phối điện
- Máy phát điện dự phòng
- Hê
̣
thống chiếu sa
́
ng
- Hê
̣
thống điều hoa
̀
va
̀
thôn g gio
́

- Hê
̣
thống cấp nƣơ
́
c sinh hoa

̣
thống quản lý vào /ra (dùng công nghệ RFID)
- Hê
̣
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 lƣợng,
- Hệ thống thông tin.
Ba nhóm này đặc trƣng cho hệ thống BMS cho các tòa nhà cao tầng. Tùy
thuộc vào mục đích sử dụng mà ba nhóm hệ thống trên đƣợc 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 tƣợng bằng sóng vô tuyến.
Dạng đơn giản nhất đƣợc sử dụng hiện nay hệ thống RFID bị động làm việc
nhƣ 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 đƣợc từ con chip. Các con
chip không tiếp xúc không tích điện, chúng hoạt động bằng cách sử dụng năng
lƣợng chúng nhận từ tín hiệu đƣợc gửi bởi một reader.[13]
1.2.1.1. Thành phần của một hệ thống RFID
Một hệ thống RFID toàn diện bao gồm bốn thành phần:

Hình 2: Reader và Card
Trang - -

thƣờng 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 thƣờng xuyên theo dõi để hạn chế
các vụ cháy tai hại, hạn chế thiệt hại và an toàn cho mọi ngƣời.
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 đƣợc 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 dƣới dạng nhiệt độ sang tín hiệu
điện, cảm biến nhiệt có độ nhạy tƣơng 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:
IC cảm biến:
Là loại cảm biến bán dẫn đƣợc chế tạo thành các IC chuyên có độ nhạy cao,
điện áp ra thay đổi tỷ lệ thuận với nhiệt độ, một số loại IC đƣợc bán trên thị trƣờng
là: LM355, LM334,…

thực thi, khó lắp hơn. Còn loại thứ hai linh kiện dễ kiếm và dễ thực thi và lắp đặt
hơn.
Một nhƣợc điểm chung của các loại cảm biến này là: mạch báo động có thể
sai nếu vùng bảo vệ bị ảnh hƣởng 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 thƣờng đƣợc đặt ở những nơi
dễ cháy và nối với các thiết bị báo động bằng dây dẫn điện, cho nên trong một số
trƣờng hợp dây sẽ bị đứt. Vì vậy để một hệ thống hoạt động có hiệu quả thì ngƣời
ta thƣờng 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 thƣờng 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
nhƣ BMS để truy nhập và lấy thông tin.
Một giao tiếp mức cao sẽ đƣợc 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
cổng giao tiếp với hệ thống thang máy.
Các nhà cung cấp thang máy thƣờng cung cấp các hệ thống thang máy với

điều hòa sẽ ƣu 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 nhƣ
OPC, BACNet, MODBUS hoặc LNS.
Việc điều khiển độ nóng, thông gió và các dịch vụ điều hoà khác thông
thƣờng 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 lƣợng không khí
- Quạt khí thải/ khí tƣơi
- 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 trƣờng 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 nhƣ 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
22
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 đƣợc 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 lƣợng
điện tiêu thụ, các giá trị đọc đƣợc của điện áp và dòng điện. Trạng thái của tất cả
các điểm giám sát thiết bị điện cũng đƣợc 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
đƣợc 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]
interconnect giữa rất nhiều hệ thống khác nhau trong tòa nhà, cùng chia sẻ thông tin
và quản lý, nó sẽ có 1 hệ thống trung tâm để thu thập và phân phối thông tin cho
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 đƣợc xây dựng phục vụ chủ yếu trong việc ghép nối điểm-
điểm giữa hai thiết bị đầu cuối ( DTE, Data Terminal Equipment ), nhƣ 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 đƣợc 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 phƣơng thức truyền thông đối xứng, tức
là sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch giữa một dây dẫn và đất. Mức điện áp đƣợc
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 đƣợc định nghĩa, trong trƣờng hợp thay
đổi giá trị logic từ 0 lên 1 hoặc từ 1 xuống 0 một tín hiệu phải vƣợt 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 đƣờng 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

nhập đƣờng truyền. Một trạm nhận tín hiệu DCD là OFF sẽ hiểu là trạm đối tác
chƣa đóng mạch yêu cầu gửi dữ liệu ( chân RTS ) và vì thế có thể đoạt quyền kiểm
Trang - -

26
soát đƣờng truyền nếu cần thiết. Ngƣợc lại, tín hiệu DCD là ON chỉ thị bên đối tác
đã gửi tín hiệu RTS và giành quyền kiểm soát đƣờng truyền.
• RTS ( request to send ): đƣờng RTS kiểm soát chiều truyền dữ liệu. Khi
một trạm cần gửi dữ liệu, nó đóng mạch RTS sang ON để báo hiệu với modem của
nó. Thông tin này cũng đƣợc chuyển tiếp tới modem xa.
• CTS ( clear to send ): khi CTS chuyển sang ON, một trạm đƣợc thông báo
rằng modem của nó đã sẵn sàng nhận dữ liệu từ trạm và kiểm soát đƣờng điện thoại
cho việc truyền dữ liệu đi xa.
• RI ( ring indicator ): khi modem nhận đƣợc một lời gọi, mạch RI chuyển
ON/OFF một cách tuần tự với chuông điện thoại để báo hiệu cho trạm đầu cuối.
Tín hiệu này chỉ thị rằng một modem xa yêu cầu thiết lập liên kết dial-up. Hình 6: Giắc cắm RS-232 loại 9 chân Trang - -

27 Hình 7: Giắc cắm RS-232 loại 25 chân

- Chế độ làm việc: chế độ làm việc của hệ thống RS-232 là hai chiều toàn
phần ( full-duplex ), tức là hai thiết bị tham gia cùng có thể thu và phát tín hiệu