Trong thời đại cách mạng công nghiệp I4.0 xu hướng xây dựng đô thị thông minh (Smart City) dựa trên nến tảng Internet kết nối vạn vật (Internet of things) IoT, trí tuệ nhân tạo để cải thiện chất lượng phục vụ của chính quyền đô thị, sử dụng hiệu quả và bền vững các nguồn năng lượng, tài nguyên thiên nhiên, tối ưu hóa việc điều hành và các dịch vụ công ích trở nên cấp thiết. Chiếu sáng thông minh (Smart Lighting) là một thành tố quan trọng trong đô thị thông minh. Bài này tóm tắt các đặc điểm của đô thị thông minh, điểm qua các công nghệ trong chiếu sáng thông minh và thực tiễn chiếu sáng thông minh ở Rạng Đông.

Khái niệm đô thị thông minh (hình 1) là thành phố được quản lý và điều hành bằng kỹ thuật số mọi dịch vụ từ tổ chức dân sự, an ninh, chiếu sáng, giao thông, y tế, giáo dục, năng lượng, thương mại, ngân hàng, khách sạn, khu vực dân cư...

Để có thể thực hiện nhiệm vụ này các đô thị cần phải được trang bị:

1. Cơ sở hạ tầng Internet tốc độ cao thế hệ 4G, 5G đến từng đơn vị cơ sở, nghĩa là mạng lưới các trạm BTS phủ sóng mọi khu vực trong thành phố.

2. Mạng lưới các cảm biến, camera theo dõi và giám sát các thông số nhiệt độ, độ ẩm, tính trạng ô nhiễm, ánh sáng, giao thông, an ninh được lắp đặt tại mọi vị trí cần thiết.

3. Các dữ liệu thu thập không phải là các dữ liệu có cấu trúc thông thường mà là các dữ liệu lớn (Big data). Nhờ Big data có thể đi đến các quyết định điều hành tối ưu các dịch vụ trong đô thị.

4. Các thuật toán điều khiển dựa trên nền điện toán đám mây (Cloud programing) trong đó mạng máy tính đủ mạnh về phần cứng và phong phú về phần mềm.

Ta có thể hình dung hoạt động của một đô thị thông minh như một cơ thể (hình 2) trong đó bộ não là trí tuệ nhân tạo (Artifical Intelligence), các bộ cảm biến (Sensors) là các giác quan, các mạng truyền thông (Communication Networks) là hệ thống dây thần kinh. 

Cụ thể hơn trí tuệ nhân tạo dựa trên:

• Các mạng nơ ron nhân tạo (Artifical neurons) nhiều lớp. Một mạng nơ ron nhân tạo là hệ thống vi mạch có nhiều đầu vào và các thông số đầu ra, được huấn luyện để có thể đưa ra các quyết định phù hợp với bối cảnh cụ thể.

• Các hệ chuyên gia (Expert systems) của một lĩnh vực khoa học cụ thể sử dụng kinh nghiệm của các chuyên gia hàng đầu trong lĩnh vực cụ thể để giải quyết các nhiệm vụ phức tạp.

• Các quyết định dựa trên nền tảng của logic mờ (Fuzzy logic), Nếu...thì (If ... then), nghĩa là hệ điều khiển có tính chất linh hoạt.

• Các cơ cấu điều khiển tự động dựa trên robot.

Các yếu tố chính cần thiết tạo nên bộ khung đô thị thông minh tích hợp có ảnh hưởng hai chiều, tác động lẫn nhau (hình 3) bao gồm:

Năm 2017 các giáo sư của đại học IESE đã bình chọn top 10 thành phố thông minh bao gồm:

4 thành phố thuộc Mỹ: New York, San Francisco, Boston, Chicago.

4 thành phố của Châu Âu: London, Paris, Amsterdam, Genève

1 đại diện thuộc Châu Á: Seoul và 1 đại diện của Châu Úc: Sydney.

Tại Hà Nội tấp đoàn BRG và Sumitomo đã ký kết thỏa thuận hợp tác phát triển dự án đô thị Nhật Tân – Nội Bài nhằm xây dựng một thành phố thông minh hiện đại nhất Đông Nam Á, nằm ở phía Bắc Thủ đô, dọc hai bên tuyến đường Võ Nguyên Giáp. Thành phố Hồ Chí Minh, Bình Dương và nhiều đô thị khác của Việt Nam đang được quy hoạch theo xu hướng đô thị thông minh.

Chiếu sáng thông minh là công nghệ chiếu sáng dựa trên nền tảng kỹ thuật số thỏa mãn mọi yêu cầu về ánh sáng, hiệu quả cao về năng lượng. Điều này được thực hiện bằng việc sử dụng các hệ thống chiếu sáng tự động điều chỉnh độ sáng dựa trên các điều kiện môi trường bên ngoài.

LED là nguồn sáng có hiệu suất phát quang cao, LED thương mại thường đạt trên 100 lm/W. Hệ số thể hiện màu (CRI) của LED rất cao, vào khoảng 80-90. LED có tuổi thọ cao, vào khoảng 50.000h, vì vậy LED là nguồn sáng tối ưu cho kỹ thuật chiếu sáng tiết kiệm và hiệu quả.  Đặc biệt LED cho phép dimming từ 0-100% quang thông định mức và điều chỉnh màu dễ dàng. Điều này giúp cho việc điều khiển LED thuận lợi hơn nhiều so với  điều khiển các nguồn sáng khác. Nguồn sáng LED phối hợp với kỹ thuật điều khiển và mạng truyền thông tạo nên hệ thống Chiếu sáng thông minh (Smart Lighting).

Các ứng dụng của công nghệ chiếu sáng thông minh có thể kể đến:

• Chiếu sáng trong nhà: căn hộ, siêu thị, văn phòng...

• Chiếu sáng ngoài trời: chiếu sáng cảnh quan đô thị, chiếu sáng đường giao thông...

Một hệ thống chiếu sáng thông minh gồm các phần tử chính (hình 4):

• Đèn

• Cảm biến

• Bộ điều khiển

• Truyền thông

Hiện nay công nghệ chiếu sáng thông minh sử dụng chủ yếu các cảm biến phát hiện người sử dụng trong vùng cần chiếu sáng. Các công nghệ chủ yếu cho cảm biến loại này là: cảm biến hồng ngoại thụ động, cảm biến radar.

Cảm biến hồng ngoại thụ động (PIR: Passive InfraRed sensor) là cảm biến điện tử dùng để phát hiện tia hồng ngoại được phát xạ từ các vật thể trong môi trường quan sát của cảm biến.  Hình 5 trình bày nguyên lý của cảm biến phát hiện di chuyển PIR sử dụng hai cảm biến hỏa điện (pyro-electric). Bình thường khi không có đối tượng di chuyển trong vùng quan sát thì cả hai hỏa điện này nhận được cùng một lượng năng lượng hồng ngoại từ môi trường dẫn đến tín hiệu đầu ra cảm biến PIR bằng không. Khi có vật phát xạ hồng ngoại đi vào vùng quan sát của cảm biến thì lần lượt từng hỏa điện sẽ nhận năng lượng phát xạ hồng ngoại khác nhau dẫn đến sự chênh lệch điện tích của hai hỏa điện và tạo xung tín hiệu điện áp đầu ra của cảm biến PIR.

Cảm biến phát hiện di chuyển radar còn gọi là cảm biến vi sóng là cảm biến hoạt động dựa trên hiệu ứng Doppler. Một tín hiệu vi sóng được phát xạ ra môi trường khi gặp vật di chuyển sẽ phản xạ lại với tần số thay đổi so với tần số phát ban đầu. Hình 6 trình bày nguyên lý của cảm biến radar. Vùng phát hiện của cảm biến radar rông hơn cảm biến hồng ngoại nhưng giá thành cao hơn.

Cảm biến quang là một tế bào quang điện có điện trở rất lớn (điện trở tối) khi không có ánh sáng chiếu vào và điện trở này suy giảm nhanh khi có ánh sáng do đó có thể tự động bật tắt đèn theo ánh sáng bên ngoài (hình 7). 

Một phần tử quan trọng trong hệ thống chiếu sáng thông minh là công nghệ kết nối giữa các phần tử trong hệ thống. Các công nghệ kết nối được phân thành hai loại chính. 

• Kết nối có dây bao gồm các công nghệ sau: DALI (Digital Addressable Lighting  Interface); Ethernet; BACnet (Building Automation and Control networks); Lonworks. Trong đó DALI được sử dụng phổ biến trong các hệ thống chiếu sáng.

• Kết nối không dây bao gồm các công nghệ: ZigBee; Wifi; Bluetooth...

Zigbee là một tiêu chuẩn được định nghĩa: là tập hợp các giao thức giao tiếp mạng không dây khoảng cách ngắn có tốc độ truyền dữ liệu thấp, tiêu thụ ít năng lượng. ZigBee được hỗ trợ trong các dải tần số 784MHz (Trung Quốc), 868MHz (châu Âu), 915MHz (Mỹ và Úc), 2.4GHz (ở hầu hết các nước). ZigBee hỗ trợ ba kiểu cấu trúc mạng: mạng hình sao, mạng hình cây và mạng hình lưới.

Bluetooth là chuẩn công nghệ không dây ứng dụng để trao đổi thông tin giữa các thiết bị trong một khoảng cách ngắn sử dụng băng tần ISM từ 2.4 đến 2.485 GHz được phát triển bới tổ chức Bluetooth Special Interest Group (SIG)

Xu hướng các hệ thống chiếu sáng thông minh được giám sát và điều khiển từ xa thông qua các thiết bị di động đang ngày càng được phát triển.  Hình 8 trình bày kiến trúc mạng hệ thống chiếu sáng thông minh trong nhà. Các đèn kết nối có dây hoặc không dây với một Gateway. Thiết bị điều khiển, thường sử dụng là các smartphone hoặc máy tính, kết nối với Gateway thông qua bộ Router để điều khiển các đèn trong hệ thống.

Hình 9 là sơ đồ hệ thống chiếu sáng đường thông minh trong đó tín hiệu điều khiển các đèn được truyền qua WiFi. Trung tâm điều khiển qua  Internet điều khiển tự động chế độ chiếu sáng các đèn theo thời gian và giám sát hoạt động của từng đèn.

Trong khoảng thời gian gần đây Công ty cổ phần Bóng đèn và Phích nước Rạng Đông đã nhận thức được xu thế phát triển của công nghệ chiếu sáng bằng đèn LED. Để làm cơ sở cho việc chế tạo các sản phẩm LED made in Vietnam, Công ty mạnh dạn đầu tư xây dựng Trung tâm R&D nghiên cứu, phát triển sản phẩm, xây dựng quy trình công nghệ chế tạo, từng bước nội địa hóa nhiều linh kiện và sản phẩm LED. Nhận thức được vai trò quan trọng của Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa trong việc nâng cao giá trị gia tăng của các sản phẩm chiếu sáng, trong thời gian vừa qua Công ty đã nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và sẵn sàng cung cấp cho thị trường một số sản phẩm chiếu sáng thông minh nói chung và các sản phẩm, hệ thống giải pháp nói riêng phục vụ cho chiếu sáng công cộng. Một vài sản phẩm, hệ thống giải pháp cụ thể:

• Hệ thống chiếu sáng tự động bật tắt, diming và điều chỉnh màu điều khiển  bằng các loại cảm biến hồng ngoại, radar và cảm biến quang.

• Công tắc thông minh điều khiển bằng smart phone.

• Hệ thống điều khiển chiếu sáng phòng hội thảo, phòng giới thiệu sản phẩm thông minh sử dụng smart phone để điều khiển bật tắt đèn theo kịch bản cho trước.

• Giải pháp chiếu sáng đèn đường thông minh. Nắm bắt được xu thế phát triển của các hệ thống giải pháp điều khiển công cộng trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng, Rạng Đông đã hợp tác cùng Công Ty Cổ Phần Công Nghệ S3 đã giới thiệu đến người tiêu dùng trong và ngoài nước hệ thống giải pháp điều khiển đèn đường thông minh S3 theo sơ đồ hình 10. 

• Tủ điều khiển tập trung và giám sát đèn đường LED (Thời gian bật tắt đèn và thời gian dimming cài đặt tại tủ, giám sát tại tủ trên công tơ điện tử 3 pha, giám sát từ xa tại phòng điều khiển trung tâm trên phần mềm của Rạng Đông).