Nhóm tác giả: Ralaco1,2,*
1 CTy CP Bóng đèn phích nước Rạng Đông – Ralaco
2 87-89 Hạ Đình, Thanh Xuân, Hà Nội
* Hottine.Zalo. ĐT 1900.2098/ https://rangdong.com.vn
Tóm tắt: Đèn đường LED sử dụng năng lượng mặt trời đang là xu hướng thời đại, đặc biệt hệ thống đèn đường LED năng lượng mặt trời tích hợp IoT và AI có thể được điều khiển và giám sát từ xa, chịu được môi trường khắc nghiệt vùng biển đảo đang là nhu cầu cấp thiết để đảm bảo an ninh, an toàn giao thông và phục vụ du lịch biển đảo. Hệ thống đèn chiếu sáng như vậy đã được công ty Bóng đèn Phích nước Rạng Đông thiết kế, chế tạo và ứng dụng thành công tại đảo Cô Tô tỉnh Quảng Ninh trong hơn một năm rưỡi qua. Hệ thống đang được phát triển tiếp tục để đáp ứng nhu cầu thị trường nước nhà, nơi có bờ biển dài với nhiều đảo, quần đảo.
Solar LED street lights integrated with IoT and AI applied in marine and island environments
Author group: Ralaco1,2,*
1, Rang dong light source & vacuum flask join stock company- RALACO
2, Adrdress 87-89 Hạ Đình, Thanh Xuân, Hà Nội
* Hottine.Zalo. ĐT : 1900.2098/ https://rangdong.com.vn
Summary:
Solar LED street lights are a trend of the times, especially the solar LED street light system integrated with IoT and AI that can be controlled and monitored remotely, and can withstand harsh environments in coastal areas is an urgent need to ensure security, traffic safety and serve coastal tourism. Such a lighting system has been designed, manufactured and successfully applied by Rang Dong Light Bulb and Vacuum Flask Company on Co To Island, Quang Ninh Province for over a year and a half. The system is being further developed to meet the needs of the domestic market, which has a long coastline with many islands and archipelagos.
Keywords: Solar energy, Rang Dong solar street lights
Mở đầu
Hệ thống chiếu sáng đường phố xanh – thông minh sử dụng đèn LED tích hợp công nghệ Internet vạn vật (IoT) và Trí tuệ nhân tạo (AI) đang là xu hướng phát triển trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Nhiều công trình nghiên cứu trong lĩnh vực này đã được thực hiện trên thế giới trong khi chưa được triển khai nhiều ở Việt Nam. Internet vạn vật (IoT) tích hợp với các ứng dụng năng lượng mặt trời được Nath D.C và cộng sự đánh giá tổng quan về tình hình hiện tại trong nhiều ứng dụng, trong đó có chiếu sáng LED năng lượng mặt trời (NLMT) [1]. S. Khemakhem và cộng sự đã tổng quan toàn diện về sự phát triển của cơ sở hạ tầng chiếu sáng đường phố thông minh ứng dụng IoT tại các thành phố thông minh. Hệ thống này gồm các cột đèn thông minh được trang bị công nghệ đèn LED, cảm biến thông minh, mạng lưới truyền thông và thiết bị giám sát, tận dụng những tiến bộ công nghệ hiện tại trong các ứng dụng IoT [2]. P. Primiceri và P. Visconti đã đưa ra đánh giá tổng quan xu hướng của những cải tiến công nghệ gần đây và các thiết bị IoT mới được sử dụng trong hệ thống chiếu sáng LED NLMT [3]. F. Agramelal và cộng sự cung cấp một đánh giá toàn diện về các phương pháp điều khiển hệ thống đèn đường thông minh tích hợp IoT và AI [4]. Ở Việt Nam cũng đã có một vài nghiên cứu về đèn đường LED NLMT tích hợp IoT, tuy nhiên mới giới hạn ở mức độ nghiên cứu thử nghiệm, chưa đưa vào ứng dụng thực tế [5], hoặc mang tính thử nghiệm bước đầu trên cơ sở các đèn LED thương mại [6]. Một số công ty thương mại đã lắp đặt các đèn đường LED NLMT ở vùng biển đảo nhưng trên cơ sở các đèn nhập ngoại.
Việc ứng dụng đèn đường LED NLMT trong khu vực hải đảo có môi trường khắc nghiệt (nóng, ẩm và sự ăn mòn do muối biển), có thể có sự hạn chế trong tiếp cận điện lưới cũng như địa hình phức tạp nên việc bảo trì, bảo dưỡng khó khăn. Vì vậy, đèn đường LED phải hoạt động ổn định lâu bền trong môi trường khắc nghiệt này cũng như cần có khả năng phát hiện, dự báo các sai hỏng của đèn từ xa để có phương án khắc phục chính xác và phù hợp. Trong những năm gần đây, công ty cổ phần Bóng đèn Phích nước Rạng Đông đã đặt vấn đề nghiên cứu, thiết kế chế tạo và ứng dụng thử nghiệm hệ thống đèn LED NLMT tích hợp IoT và AI trong môi trường biển đảo. Đây là tổ hợp các công nghệ tiên tiến bao gồm: đèn LED có khả năng hoạt động trong môi trường khắc nghiệt, pin mặt trời, pin lưu trữ năng lượng, công nghệ tự động hóa và quản lý thông minh.
Thiết kế, chế tạo hệ thống đèn đường LED NLMT tích hợp IoT và AI
Đường vùng hải đảo thông thường có chiều rộng từ 4m đến 7m. Tuyến đường ra bãi đá Móng Rồng ở đảo Cô Tô, nơi cần lắp đặt đèn chiếu sáng, có chiều dài 250 m, mặt đường bê tông, độ rộng lòng đường 5m nên chúng tôi đưa vào sử dụng đèn đường có quang thông 5500lm, có phân bố ánh sáng Type II và khoảng cách lắp đặt giữa các cột đèn 25m (Hình 1). Chiếu sáng đường khu vực hải đảo không chỉ bảo đảm cho giao thông an toàn và an ninh mà còn góp phần hấp dẫn khách du lịch đến các điểm ngắm cảnh quan, vui chơi giải trí và dịch vụ du lịch về đêm nên độ rọi trung bình cần đạt khoảng 10 -15 lx, thực tế giá trị đo được khoảng 20 lx với độ đồng đều chung Uo= 55. Ngoài ra, đối với đèn sử dụng tại vùng hải đảo nơi có điều kiện thời tiết khắc nghiệt nóng ẩm, nhiều hơi muối yêu cầu bộ đèn có khả năng chống ăn mòn muối biển để kéo dài tuổi thọ. Tại Công ty Rạng Đông, bên cạnh việc đảm bảo cấp độ bảo vệ chống xâm nhập bụi, nước (IP 66) và chống va đập (IK09) cho đèn LED, các bộ phận như tản nhiệt tích hợp trên thân đèn và phụ kiện kim loại đều được đi qua các công đoạn tạo lớp phủ bảo vệ chống ăn mòn. Các phụ kiện đèn LED chế tạo từ vật liệu thép được đi qua dây chuyền sản xuất tự động hoá liên tục từ khâu xử lý bề mặt, phosphat hoá, sấy khô, phun sơn tĩnh điện, sấy nhựa hoá hình thành màng sơn. Thân đèn được chế tạo bằng hợp kim nhôm đúc loại ADC12 sau khi đã được phủ hai lớp bảo vệ theo công nghệ anốt hoá và phosphat hoá sẽ được tiếp tục phủ thêm lớp sơn tĩnh điện bên ngoài để bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường muối biển. Phương pháp bảo vệ đèn khỏi sự ăn mòn của muối biển đã được chúng tôi nghiên cứu áp dụng cho các đèn LED trên tàu, thuyền đánh bắt cá xa bờ và hiệu quả đã được chứng minh trong gần bẩy năm qua.
Bộ đèn chiếu sáng LED NLMT tích hợp IoT và AI model CSD02.SL70W.IOT ứng dụng thử nghiệm trên đảo Cô Tô do công ty Rạng Đông thiết kế, chế tạo đáp ứng các tiêu chuẩn chiếu sáng Việt Nam. Bộ đèn có quang thông danh định 5500 lm, nhiệt độ màu 5000/6500K, chỉ số thể hiện màu (CRI) > 70, thời gian chiếu sáng 12 giờ trong ngày với dự phòng 2 ngày khi trời ít nắng. Các thành phần của bộ đèn gồm mô-đun LED, mô-đun điều khiển sạc/xả, tấm pin mặt trời, mô-đun pin lưu trữ và mô-đun điều khiển Nema (Hình 2).
Mô-đun LED có công suất 50W gồm các gói LED hiệu suất cao (170 lm/W) được kết nối song song và nối tiếp, hàn dán trên bảng mạch in lõi kim loại MCPCB. Mô-đun LED kết hợp với tấm chụp (cover) bằng nhựa PC trong suốt có các thấu kính để đảm bảo sự phân bố ánh sáng đồng đều trên mặt đường theo góc chiếu sáng.
Mô-đun điều khiển sạc/xả thực hiện dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT) của tấm pin mặt trời (đo điện áp và dòng điện của tấm pin), xác lập dòng xả, điều khiển LED và truyền thông thông tin cho bộ NemaKit. Bộ điều khiển sạc/xả MPPT với cấu hình P&O (Perturbation & Observe) có cấu trúc hợp lý, chi phí cạnh tranh, cần ít các tham số, có khả năng cải tiến và đạt được hiệu quả ở mức cao nhất (95%). Bộ chuyển đối điện DC DC trên cơ sở các mạch điện Buck-Boost để làm giảm hay tăng điện áp lối ra của tấm pin mặt trời cho phù hợp với điện áp nạp pin lưu trữ hay điện áp nuôi mô – đun LED. Bộ chuyển đổi DC-DC được tích hợp trong thiết bị nạp/xả.
Tấm pin mặt trời silic đơn tinh thể công suất 100W, có điện áp danh định 17,5V, dòng danh định 5,7A tạo ra điện năng cung cấp nguồn cho hệ thống, thông qua bộ điều khiển sạc/xả MPPT sẽ sạc điện vào pin lưu trữ năng lượng vào ban ngày khi có ánh nắng mặt trời. Khi trời tối, năng lượng từ pin lưu trữ sẽ xả ra tải LED chiếu sáng.
Mô-đun pin lưu trữ gồm có các pin (cell) LiFePO4 được ghép nối song song và nối tiếp dùng để lưu trữ năng lượng điện của tấm pin mặt trời và cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống hoạt động. Mô-đun pin có dung lượng 42Ah, điện áp danh định 12,8V với năng lượng lưu trữ 529Wh có tuổi thọ cao, chu kỳ nạp xả > 3000 lần phù hợp đối với hệ thống lưu trữ dùng năng lượng mặt trời.
Mô-đun điều khiển không dây chuẩn Nema (NemaKit) chứa các thành phần để kết nối không dây. Mô-đun tổng hợp thông tin của đèn báo về hệ thống bằng đường truyền vô tuyến. Thông qua giao tiếp RS485 bộ điều khiển kết nối với mô đun truyền thông không dây để truyền dữ liệu về trung tâm giám sát điều hành. Hệ thống có tủ điều khiển chứa cổng nối (gateway) để kết nối với trung tâm điều khiển qua mạng Internet. Gateway có hai giao diện kết nối: giao diện RIIM để nối với các đèn dùng RIIM và giao diện 3G/4G/LTE để kết nối Internet thông qua hạ tầng mạng viễn thông (Hình 3). RIIM (Radiocrafts Industrial IP Mesh) là kết nối không dây có tốc độ 50kbps, công suất truyền thấp nên có thể dùng thời gian dài với năng lượng cấp hạn chế và quản lý tối đa tới 200 đèn.
Trung tâm điều hành thông minh IOC là nơi ghi nhận, xử lý thông tin của toàn bộ hệ thống, với các chức năng chính: thu thập thông tin hoạt động của các đèn; đưa ra cảnh báo nếu có sự cố; điều khiển hệ thống chiếu sáng và cài đặt kịch bản. Với việc quản lý từ trung tâm, công tác thu thập thông tin đều do máy móc ghi nhận nên chính xác và khách quan. Ngoài ra người điều khiển hệ thống tại trung tâm có thể trực tiếp theo dõi thông tin, xử lý thông tin nên đưa ra quyết định đúng đắn. Phần mềm quản lý được xây dựng và cài đặt trên các máy chủ tại phòng điều khiển trung tâm ở công ty Rạng Đông và trên đảo Cô Tô (Hình 4). Để thuận lợi cho việc theo dõi, điều khiển, giao diện người dùng được thiết kế dạng web app chạy trên trình duyệt web hoặc mobile app trên thiết bị di động.
Một trong những mục tiêu được ưu tiên đặt ra trong công trình này là nghiên cứu, ứng dụng công nghệ trí tuệ nhân tạo (AI), cụ thể là các mô hình học máy, cho công tác vận hành, bảo trì, sửa chữa hệ thống đèn. Hệ thống đèn LED NLMT có ba tính năng áp dụng AI là khuyến nghị kịch bản chiếu sáng theo thời tiết, vùng địa lý; dự báo tuổi thọ của pin lưu trữ và dự báo các hỏng hóc của thiết bị.
Các dịch vụ phân tích dữ liệu/trí tuệ nhân tạo (AI/Data services) tích hợp các giải pháp công nghệ trí tuệ nhân tạo, phân tích nguồn dữ liệu về trạng thái, quá trình làm việc của các thiết bị được thu thập qua hệ thống IoT để giải quyết các bài toán trong thực tế vận hành hệ thống. Các bài toán dự báo sai hỏng, tuổi thọ tấm pin mặt trời, tuổi thọ pin lưu trữ, tối ưu hóa quá trình nạp/xả pin có thể được thực hiện theo cách tiếp cận hệ chuyên gia. Chúng tôi giải quyết các bài toán nêu trên dựa trên cách tiếp cận hướng dữ liệu. Các mô hình phân tích dữ liệu được nghiên cứu và thực hiện để kiểm chứng, nâng cao độ chính xác dự báo.
Hiện nay các dịch vụ phân tích dữ liệu/trí tuệ nhân tạo đang được phát triển theo hướng dựa trên các tham số đầu vào về vùng miền địa lý, thời tiết theo mùa (nhiệt độ, độ ẩm, cường độ sáng), khung giờ,… để tự động đưa ra các kịch bản chiếu sáng ngắt quãng hay thời gian chiếu sáng để dự trữ/tiết kiệm năng lượng trong các điều kiện thời tiết không thuận lợi trong khoảng thời gian dài.
Ngoài ra, Công ty Rạng Đông đã thực hiện nhiều dự án ở các lĩnh vực khác nhau như dự án Nông thôn mới, Dự án đường biên giới, Dự án tại các khu đô thị, thành phố thông minh và đã hình thành được dải các loại sản phẩm đèn chiếu sáng năng lượng mặt trời phù hợp với các yêu cầu chiếu sáng khác.
Với các ưu điểm của sản phẩm và hệ thống chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời như:
- Được tính toán thiết kế bài bản trên cơ sở khoa học (do các chuyên gia đầu ngành thực hiện nghiên cứu), được tối ưu hóa (các bộ phận/ cấu phần), cá thể hóa (theo nhu cầu người dùng) và địa phương hóa (theo từng đặc điểm của vị trí, vùng miền (địa hình, bức xạ…)).
- Được thông minh hóa (tích hợp công nghệ số IoT và AI): Điều khiển từ xa, độc lập hoặc tập trung cả hệ thống. Có khả năng kết nối với trung tâm điều khiển của thành phố thông minh; Căn cứ dữ liệu thời tiết tại địa phương, khuyến nghị cho người dùng kịch bản sử dụng; Theo dõi tình trạng hoạt động cả hệ thống và từng thiết bị…Make in Việt Nam.
- Được kiểm soát chất lượng thông qua Tiêu chuẩn cơ sở được xây dựng dựa trên tiêu chuẩn quốc tế và Hệ thống thiết bị thử nghiệm được đầu tư nhằm đảm bảo kiểm soát chất lượng từ các vật tư, linh kiện chính đến sản phẩm/ HTGP hoàn chỉnh cuối cùng.
- Dàn sản phẩm, hệ thống thiết bị đa dạng (độc lập, hybrid (sử dụng điện NLMT/ hoặc sử dụng điện lưới)) phù hợp với mọi đối tượng sử dụng và nhu cầu như: Chiếu sáng trong lĩnh vực thành phố thông minh, nông thôn mới, những nơi có hoặc chưa có điện lưới…
Kết luận
Việc sử dụng năng lượng mặt trời trong chiếu sáng giúp giảm phát thải khí nhà kính, góp phần vào nỗ lực chống biến đổi khí hậu. Đèn LED NLMT cấp độ biển của công ty Rạng Đông có khả năng chống chịu tốt ở môi trường biển đảo khắc nghiệt; chi phí vận hành và bảo trì đèn NLMT cũng được giảm thiểu đáng kể nhờ vào việc tự động hóa và dự đoán sự cố từ AI. Hệ thống chiếu sáng thông minh không chỉ đảm bảo ánh sáng ổn định, mà còn tăng cường an ninh cho người dân và du khách. Với công nghệ IoT và AI, các khu vực công cộng sẽ luôn được chiếu sáng một cách tối ưu, đảm bảo an toàn khi di chuyển vào ban đêm. Việc quản lý và giám sát hệ thống từ xa giúp chính quyền địa phương và các đơn vị vận hành dễ dàng kiểm soát tình hình, từ đó đưa ra những điều chỉnh kịp thời mà không cần đến kiểm tra thực tế. Trong tương lai, với sự phát triển không ngừng của công nghệ, hệ thống chiếu sáng thông minh tích hợp IoT và AI hứa hẹn sẽ ngày càng trở nên tiên tiến hơn, góp phần xây dựng một môi trường sống xanh, an toàn và tiện ích hơn cho người dân cũng như du khách đến tham quan trên các vùng hải đảo của nước nhà. Ngoài ra, trong thời gian qua công ty Rạng Đông cũng đã thiết kế, chế tạo và triển khai ứng dụng các hệ thống đèn LED NLMT phù hợp với các yêu cầu chiếu sáng khác nhau ở Nông thôn mới, khu vực biên giới, các khu đô thị và thành phố thông minh…
———————-
TÀI LIỆU THAM KHẢO
- Nath D.C., Kundu I., Sharma A., Pranav Shivhare, Asif Afzal, Manzoore Elahi M. Soudagar, S. G. Park. Internet of Things integrated with solar energy applications: a state-of-the-art review. Environ Dev Sustain 26, 24597–24652 (2024). https://doi.org/10.1007/s10668-023-03691-2 2. S. Khemakhem, L. Krichen. A comprehensive survey on an IoT-based smart public street lighting system application for smart cities. Franklin Open, Volume 8 (2024)100142. https://doi.org/10.1016/j.fraope.2024.100142 3. P. Primiceri and P.Visconti. Solar-powered LED-based lighting facilities: An overview on recent technologies and embedded IoT devices to obtain wireless control, energy savings and quick maintenance. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, Vol. 12, No. 1, January 2017. 4. Agramelal, F.; Sadik, M.; Moubarak, Y.; Abouzahir, S Smart Street Light Control: A Review on Methods, Innovations, and Extended Applications. Energies 2023, 16, 7415. https://doi.org/10.3390/en16217415 5. Hà Mạnh Đào, Đỗ Xuân Hùng. Giải pháp IoT để giám sát, điều khiển hệ thống chiếu sáng công cộng đô thị sử dụng công nghệ LED trên cơ sở công nghệ Lora. Kỷ yếu Hội nghị Quốc gia lần thứ X về Nghiên cứu cơ bản và ứng dụng Công nghệ thông tin (FAIR), Đà Nẵng, ngày 17-18/08/2017 DOI: 10.15625/vap.2017.00027. 6. Đoàn Quang Trung. Nghiên cứu chế tạo đèn LED tích điện kết hợp pin mặt trời ứng dụng cho vùng sâu và hải đảo. Luận văn thạc sỹ, 8/2020. https://www.slideshare.net/slideshow/nghin-cu-ch-to-n-led-tch-in-kt-hp-pin-mt tri-ng-dng-cho-vng-su-v-bin-o-on-quang-trungpdf-25980021
Tạp chí AS&CS số in tháng 5/2025
