Thiết kế, chế tạo bộ điều khiển tự động tiết kiệm điện cho các thiết bị dùng trong văn phòng tại trường đại học lâm nghiệp

Công nghiệp rừng 
126 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 6 - 2018 
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TIẾT KIỆM ĐIỆN 
CHO CÁC THIẾT BỊ DÙNG TRONG VĂN PHÒNG 
TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP 
Lê Minh Đức1, Nguyễn Thành Trung2 
1,2Trường Đại học Lâm nghiệp 
TÓM TẮT 
Tiết kiệm điện là sử dụng điện một cách hiệu quả. Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để cải tiến các thiết bị 
điện. Giảm năng lượng tiêu thụ thiết bị là giảm mức ngân sách phải chi trả, đồng thời chính là giảm lượng CO2 
thải vào bầu khí quyển. Trong nghiên cứu này, một hệ thống điều khiển thiết bị điện tự động được áp dụng. Hệ 
thống điều khiển các thiết bị điện trong các phòng thực hành của toà nhà A1. Hệ thống dựa vào vi điều khiển 
ATMEGA328B, các cảm biến PIR (cảm biến hồng ngoại thụ động), cảm biến nhiệt độ và chip đếm thời gian 
thực để thực hiện thiết lập các chế độ hoạt động. Các chế độ hoạt động được thiết lập dựa vào lịch làm việc của 
từng phòng trong ngày. Hệ thống có chức năng tự động ngắt hoạt động của đèn, quạt ngay sau khi không có 
người trong phòng làm việc; chuyển các thiết bị điện được điều khiển từ xa như điều hòa, máy chiếu về chế 
độ tắt chờ sau khoảng thời gian không có người trong phòng được lập trình trước (thông thường sau khoảng 3 
phút) và tự động bật các thiết bị điện ngay sau khi phát hiện có người trong phòng làm việc hoặc ngắt hoạt 
động của toàn bộ thiết bị điện trong phòng làm việc trong thời gian ngày nghỉ làm việc. Hệ thống đã được áp 
dụng trên phòng 201 nhà A1 đã đạt yêu cầu đề ra. 
Từ khóa: Điều khiển thiết bị, thiết bị văn phòng, tiết kiệm điện. 
1. ĐẶT VẤN ĐỀ 
Như chúng ta cũng đã biết, gần như các 
thiết bị sử dụng điện trong văn phòng làm việc 
ngày nay đều hoạt động độc lập với nhau, mỗi 
thiết bị có một quy trình sử dụng khác nhau tuỳ 
thuộc vào sự thiết lập, cài đặt của người sử 
dụng. Chúng chưa có một sự liên kết nào với 
nhau về mặt dữ liệu. Nhưng đối với hệ thống 
điều khiển tự động thiết bị thông qua sóng 
hồng ngoại thì lại khác. Ở đây, các thiết bị điều 
khiển tự động được kết nối với nhau thành một 
hệ thống hoàn chỉnh qua một một thiết bị trung 
tâm và có thể giao tiếp với nhau về mặt dữ liệu. 
Điển hình của một hệ thống điều khiển tự 
động thiết bị sử dụng điện trong văn phòng 
gồm có các thiết bị đơn giản như bóng đèn, 
quạt đến các thiết bị tinh vi, phức tạp như 
máy vi tính, điều hòa nhiệt độ Nghĩa là tất 
cả các thiết bị này có thể giao tiếp với nhau về 
mặt dữ liệu thông qua một đầu não trung tâm. 
Đầu não trung tâm ở đây có thể là một máy 
vi tính hoàn chỉnh hoặc có thể là một bộ xử lí 
đã được lập trình sẵn tất cả các chương trình 
điều khiển. 
Việc thiết kế, chế tạo bộ điều khiển tự động 
tiết kiệm điện cho các thiết bị dùng trong văn 
phòng tại Trường Đại học Lâm nghiệp với mục 
đích bước đầu nghiên cứu thiết kế, lắp đặt thiết 
bị điều khiển tự động việc bật/tắt các thiết bị 
điện (đèn, quạt, điều hòa) trong một văn 
phòng làm việc cụ thể khi không có người 
trong phòng là một giải pháp quản lý và điều 
khiển nhằm đem lại hiệu quả tiết kiệm tránh 
lãng phí điện năng và kéo dài tuổi thọ hoạt 
động của thiết bị. 
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 
2.1. Nội dung nghiên cứu 
Nội dung nghiên cứu bao gồm thu thập dữ 
liệu của các văn phòng làm việc thuộc khoa Cơ 
điện và Công trình (nhà A1); xây dựng các yêu 
cầu; thiết kế, lập trình cho bộ điều khiển và phần 
cuối tiến hành chạy thử nghiệm bộ điều khiển. 
2.2. Phương pháp nghiên cứu 
Nghiên cứu sử dụng phương pháp phân tích 
và tổng hợp lý thuyết kết hợp với phương pháp 
thực nghiệm khoa học. Trên cơ sở khảo sát 
thực trạng hệ thống, đề tài sử dụng phương 
pháp nghiên cứu phân tích và tổng hợp lý 
thuyết để đề xuất và lựa chọn phương án thiết 
kế bộ điều khiển. Kết quả thiết kế là nền tảng 
để lựa chọn thiết bị và phương án thi công. Áp 
dụng kết quả thực nghiệm vào hệ thống thực tế 
đồng thời sử dụng để hoàn thiện kết quả 
nghiên cứu lý thuyết. 
Công nghiệp rừng 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 6 - 2018 127 
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 
3.1. Thu thập dữ liệu 
Mục đích của việc thiết kế bộ điều khiển là 
để quản lý điều khiển đèn, quạt, điều hòa của 
các văn phòng làm việc của các cán bộ quản lý 
nhằm tắt các thiết bị khi hết giờ làm việc hay 
không có người trong phòng để tránh lãng phí 
điện năng và kéo dài tuổi thọ hoạt động của 
thiết bị. 
Thực tế khảo sát các văn phòng làm việc 
của nhà A1 Trường Đại học Lâm nghiệp cho 
thấy khoa Cơ điện và Công trình sử dụng 02 
tầng (tầng 2 và tầng 3) làm văn phòng làm việc 
cho Ban chủ nhiệm khoa và các bộ môn 
chuyên môn. 
Các văn phòng làm việc được thiết kế, xây 
dựng với kích thước giống nhau. Trang bị các 
thiết bị cho phòng làm việc bao gồm: 01 quạt 
trần, 04 đèn và 01 máy điều hòa. 
Thời gian làm việc của các phòng khác 
nhau tùy vào đối tượng sử dụng. Các phòng 
làm việc hoạt động theo giờ hành chính. Đèn 
hành lang các dãy phòng được mở từ 18 giờ 
ngày hôm trước đến 6 giờ sáng ngày hôm sau. 
Dựa vào số lượng và lịch trình làm việc của 
mỗi phòng mà nhóm thực hiện lập các yêu cầu 
mà hệ thống điều khiển phải đạt được. Các yêu 
cầu được trình bày trong bảng 1. 
Bảng 1. Các yêu cầu về hệ thống 
STT Tên yêu cầu Nội dung yêu cầu 
1 An toàn về sử dụng, lắp đặt 
- Bộ điều khiển phải an toàn cho người sử dụng. 
- Bộ điều khiển phải dễ dàng sử dụng cho tất cả các đối 
tượng. 
- Bộ điều khiển khi sử dụng không được thay đổi hệ thống 
dây điện đang điều khiển bằng contact đang sử dụng. 
- Khi bộ điều khiển hỏng thì các thiết bị vẫn được sử 
dụng bình thường để đảm bảo tính liên tục các hoạt động 
trong phòng. 
2 Thời gian quản lý, điều khiển 
- Khi các thiết bị điện đang sử dụng nếu cảm biến phát 
hiện người không còn trong phòng thì tự động tắt bớt thiết 
bị theo thời gian và sẽ tắt hết. 
- Có đồng hồ thời gian thực hiển thị trên LCD cho phép 
chỉnh thời gian nếu sai giờ. 
- Từ 21 giờ trở đi thì chuyển sang chế độ báo động nếu 
phát hiện người trong phòng (chọn cho phép hoặc không 
cho phép). 
3 Yêu cầu khác 
- Cho phép tắt/mở các thiết bị độc lập bằng các nút nhấn. 
- Cho phép tắt/mở tất cả các thiết bị thường dùng trong 
phòng chỉ bằng 1 nút nhấn. 
3.2. Lựa chọn phương án điều khiển 
Các thiết bị điện văn phòng thường có bao 
gồm: các thiết bị chiếu sáng, quạt, điều hòa 
với các phương thức điều khiển là sử dụng 
công tắc bật/tắt và điều khiển từ xa (remote) 
hồng ngoại. Vậy để thực hiện được các mục 
tiêu đã đưa ra, thiết bị thiết kiệm điện phải giải 
quyết được các vấn đề sau: 
- Bật/tắt các thiết bị thông qua remote hồng 
ngoại 
- Tự động tắt các thiết bị khi không có 
người trong phòng sau một khoảng thời gian 
được ấn định trước. 
Từ kết quả khảo sát, đánh giá hiện trạng của 
hệ thống các thiết bị điện văn phòng tại 
Trường Đại học Lâm nghiệp, tác giả lựa chọn 
phương án sử dụng rơ le và LED phát tín hiệu 
hồng ngoại để điều khiển các thiết bị. Với sự 
đa dạng về chủng loại kết cấu của các thiết bị 
điện đang sử dụng thì phương án này đạt tính 
tối ưu cả về kinh tế và kỹ thuật. 
Sơ đồ khối bộ điều khiển tự động tiết kiệm 
điện được mô tả trên hình 1: 
Công nghiệp rừng 
128 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 6 - 2018 
Hình 1. Sơ đồ khối bộ điều khiển tự động tiết kiệm điện 
Nguồn cung cấp được lấy từ điện áp lưới 
220V xoay chiều cấp cho khối biến đổi nguồn, 
relay và cảm biến. 
Dựa vào tín hiệu từ đầu ra của cảm biến và 
chương trình đã được lập trình, khối điều khiển 
đưa tín hiệu điều khiển đóng/ngắt tới relay và 
bộ phát tín hiệu hồng ngoại, sau đó tín hiệu 
này được đưa tới thiết bị điện để bật/tắt. 
Việc điều khiển tự động sẽ được lập trình 
trong khối điều khiển và được thực hiện khi hệ 
thống khởi động. 
3.3. Thiết lập cấu trúc hệ thống 
Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển tự 
động tiết kiệm điện được trình bày trong hình 2. 
Hệ thống được chia thành 3 phân khu làm việc: 
Hình 2. Sơ đồ cấu trúc bộ tự động điều khiển tiết kiệm điện 
Công nghiệp rừng 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 6 - 2018 129 
a) Phân khu Nguồn và Điều khiển nguồn: 
làm việc với điện áp cao (220VAC ÷ 250 
VAC). Bao gồm 2 khối Biến đổi điện áp và 
Rơ le đóng/ngắt. 
b) Phân khu Xử lý dữ liệu: làm việc với 
điện áp thấp (5VDC). Bao gồm các khối Nhập 
dữ liệu, Xuất dữ liệu và Vi điều khiển. 
 Khối nhập dữ liệu: bao gồm cảm biến thu 
tín hiệu hồng ngoại, cảm biến PIR; 
 Khối xuất dữ liệu: bao gồm LED phát tín 
hiệu hồng ngoại, LED báo, loa báo và động cơ 
Servo; 
 Khối Vi điều khiển: Sử dụng song song 2 
chip ATMEG328P được tích hợp vào 02 board 
Arduino Pro mini được lập trình trước, điều 
khiển dữ liệu vào/ra. 
c) Phân khu Các thiết bị điện và điều khiển 
remote: 
 Các thiết bị điện trong văn phòng: đèn 
chiếu sáng, quạt, điều hòa 
Remote: điều khiển từ xa hệ thống điều khiển. 
3.4. Lập trình và mô phỏng hệ thống trên 
máy tính 
3.4.1. Lưu đồ thuật toán 
Hình 3. Lưu đồ thuật toán điều khiển 
* Board Arduino Promini 01: Lưu đồ 
thuật toán của chương trình được trình bày ở 
hình 3. Sau khi khởi động chương trình, hệ 
thống sẽ kiểm tra xem trong phòng có người 
không? Bằng các sử dụng 3 cảm biến PIR. 
+ Nếu không có người thì sẽ tắt toàn bộ các 
thiết bị điện (đóng tất cả các rơ le và phát tín 
hiệu hồng ngoại tắt đến LED phát hồng ngoại); 
+ Nếu có người thì tiếp tục chờ lệnh điều 
khiển từ remote: 
Công nghiệp rừng 
130 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 6 - 2018 
Hình 4. Lưu đồ thuật toán điều khiển Arduino Promini 02 
* Board Arduino Promini 02: Lưu đồ 
thuật toán của chương trình được trình bày ở 
hình 4. Sau khi khởi động chương trình, hệ 
thống sẽ chờ tín hiệu điều khiển từ Board 
Arduino 01 từ chân A2 và A3. 
+ Nếu A2 có mức điện áp thấp (bằng 0) thì 
Vi điều khiển sẽ gửi tín hiệu tắt tới LED phát 
hồng ngoại; 
+ Nếu A3 có mức điện áp thấp (bằng 0) thì 
Vi điều khiển sẽ gửi tín hiệu bật tới LED phát 
hồng ngoại. 
Sau đó tiếp tục thực hiện chương trình điều 
khiển động cơ Servo 
3.4.2. Kết quả mô phỏng hệ thống 
* Thu tín hiệu từ điều khiển remote của điều hòa: 
Hình 5. Tín hiệu đo được từ remote điều hòa 
* Tín hiệu phát từ bộ tự động điều khiển tiết kiệm điện: 
Hình 6. Tín hiệu phát ra từ bộ tự động điều khiển tiết kiệm điện 
Nhận xét: Bộ điều khiển đã phát được tín 
hiệu hồng ngoại trùng với tín hiệu điều khiển 
remote của điều hòa. 
3.5. Thiết kế, lắp đặt và vận hành thử 
nghiệm bộ điều khiển 
3.5.1. Thiết kế mạch in 
Công nghiệp rừng 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 6 - 2018 131 
Thực hiện việc thiết kế mạch trên phần mềm Altium ta được kết quả như sau: 
Hình 7. Sơ đồ mạch in dạng 3D của bộ điều khiển 
Sau khi hoàn thành thiết kế mạch in, tiến 
hành chế tạo, lắp ráp và đóng gói ta thu được 
sản phẩm hoàn chỉnh có giao diện như mô tả ở 
hình 8. 
Hình 8. Giao diện bộ điều khiển hoàn chỉnh 
3.5.2. Lắp đặt bộ điều khiển 
Hình 9. Kết quả lắp đặt bộ điều khiển 
Công nghiệp rừng 
132 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 6 - 2018 
Sau khi hoàn thành thiết kế, chế tạo bộ điều 
khiển, giai đoạn tiếp theo ta tiến hành lắp đặt bộ 
điều khiển với hệ thống điện tại Văn phòng Khoa 
Cơ điện và Công trình. Việc lắp đặt thực hiện 
theo trình tự sau đây: 
Bước 1: Ngắt nguồn điện lưới 220VAC (ngắt 
cầu dao). 
Bước 2: Gắn cố định bộ điều khiển tại một vị 
trí xác định trước. 
Bước 3: Kết nối nguồn điện lưới 220VAC và 
các công tắc điện với bộ điều khiển. 
Bước 4: Cấp trở lại nguồn điện lưới 220VAC 
(đóng cầu dao). 
Bước 5: Khởi động bộ điều khiển (nhấn công 
tắc nguồn). 
3.5.3. Vận hành thử nghiệm bộ điều khiển 
Sau khi lắp đặt bộ điều khiển và kết nối với hệ 
thống điện tại Văn phòng Khoa Cơ điện và Công 
trình, tiến hành vận hành thử nghiệm trong thời 
gian từ 27/11/2017 đến 04/12/2017. Dưới đây là 
kết quả hoạt động của bộ điều khiển sau khi vận 
hành thử nghiệm. 
a) Khi trong văn phòng có người: 
Hình 10. Giao diện bộ điều khiển khi có người trong văn phòng 
b) Khi không có người trong văn phòng: 
Hình 11. Giao diện bộ điều khiển khi không có người trong văn phòng 
Công nghiệp rừng 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 6 - 2018 133 
4. KẾT LUẬN 
Bộ điều khiển cho phép tắt các thiết bị điện 
văn phòng dựa vào việc điều khiển các rơ le và 
tín hiệu hồng ngoại khi trong phòng làm việc 
không có người trong một khoảng thời gian định 
trước. Đối với thiết bị đèn, quạt tự động tắt/bật 
ngay khi không/có người trong phòng; thiết bị 
điều hòa chuyển về chế độ tắt chờ (Stanby) khi 
không có người trong phòng với khoảng thời 
gian trên 3 phút và tự động hoạt động khi có 
người trong phòng. Tất cả các thiết bị điện đều 
tắt trong khoảng thời gian nghỉ trưa (từ 11h30 
đến 13h00), hết giờ làm việc (từ 17h30 ngày 
hôm trước đến 7h00 ngày hôm sau) và các ngày 
nghỉ làm việc. 
Trong khoảng thời gian 03 tháng, từ tháng 
9/2017 đến tháng 11/2018, bộ điều khiển hoạt 
động ổn định, đúng chế độ được lập trình từ 
trước. Tuổi thọ hoạt động của các thiết bị điện 
được kéo dài hơn so với điều khiển thủ công 
tắt/bật. Điều này minh chứng cho hiệu quả tiết 
kiệm năng lượng điện và tính đúng đắn của việc 
thiết kế của bộ điều khiển tự động tiết kiệm điện. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
1. Nguyễn Đình Phú (2012). Vi xử lý 1. Đại học Sư 
phạm kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. 
2. Nguyễn Đình Phú (2012). Vi xử lý 2. Đại học Sư 
phạm kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. 
3. Sỹ Hậu Nguyên (2012). Giáo Trình Hướng Dẫn 
Sử Dụng Altium Designer 10, truy cập tại địa chỉ 
http//www.PCB.vn. 
4. Đỗ Tiến Đạt (2010). Hướng dẫn Altium Designer. 
Đại học Công nghiệp Hà Nội. 
5. D.D. Hatley, R.J. Meador, S. Katipamula, M.R. 
Brambley (2010). Energy Management and Control 
System: Desired Capabilities and Functionality. Pacific 
Northwest National Laboratory. 
DESIGN OF AN EFFECTIVE POWER CONSUMPTION CONTROLLER 
AT THE VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY OF FORESTRY 
Le Minh Duc1, Nguyen Thanh Trung2 
1,2Vietnam National University of Forestry 
SUMMARY 
Save energy use, sometimes simply called energy efficiency, is the goal to reduce the amount of energy 
required to provide products and services. Many studies have been done to improve the electrical equipment. 
Reduces energy costs and may result in a financial cost saving to consumers and a solution to the problem of 
reducing carbon dioxide emissions. In this study, a device control system was applied. The control system was 
applied for the practice room of the building A1. The system based on the micro proccessor ATMEGA328P, 
the sensor PIR (Passive Infrared Sensor) and Real Time IC to install the oparation. The operating mode is set 
up based on the schedule of each day. These are: the system has the function of automatically disconnecting the 
operation of the lamp, fan immediately when no person is in the office; Transfer of remote controlled electrical 
equipment such as air conditioners, projectors... to the standby mode after an unplanned period of time 
(normally after about 3 minutes) and automatic switching of the equipment electricity immediately on after 
detecting someone in the work room or disconnect the operation of all electrical equipment in the work room 
during the day off work. The system has been applied in room 201 - block A1 has set requirements. 
Keywords: Control device, office equipment, save energy. 
Ngày nhận bài : 05/6/2018 
Ngày phản biện : 02/11/2018 
Ngày quyết định đăng : 09/11/2018