Bài viết hướng tới việc đo, giám sát và phát hiện thiết bị tiêu thụ điện nhằm quản lý và tiết kiệm một cách tối ưu năng lượng, tài chính cho người sử dụng cũng như giám sát đồ thị tải cho nhà cung cấp, một nghiên cứu đã được phát triển trên nền kiến trúc phần cứng mã nguồn mở cho một thiết bị đo và giám sát quá trình tiêu thụ điện năng. Mỗi thiết bị đo là một điểm đo nằm trong mạng cảm biến không dây - Wireless Sensor Network với truyền phát không dây chuẩn Zigbee theo cấu trúc mạng kiểu mắt lưới Mesh. Mời các bạn cùng tham khảo!
Trang 1Hệ thống giám sát điện năng trong các ứng dụng Internet of Things với kiến trúc mở
Arduino và Raspberry Pi Nguyễn Khắc Phong, Nguyễn Hoàng Nam
Viện Điện, Đại học Bách khoa Hà Nội e-Mail: nam.nguyenhoang@hust.edu.vn
Abstract— Hiện nay kiến trúc phần cứng mở cũng như
mã nguồn mở đang được các hãng hướng tới đặc biệt là
kiến trúc mở Arduino Hướng tới việc đo, giám sát và
phát hiện thiết bị tiêu thụ điện nhằm quản lý và tiết kiệm
một cách tối ưu năng lượng, tài chính cho người sử dụng
cũng như giám sát đồ thị tải cho nhà cung cấp, một nghiên
cứu đã được phát triển trên nền kiến trúc phần cứng mã
nguồn mở cho một thiết bị đo và giám sát quá trình tiêu
thụ điện năng Mỗi thiết bị đo là một điểm đo nằm trong
mạng cảm biến không dây - Wireless Sensor Network với
truyền phát không dây chuẩn Zigbee theo cấu trúc mạng
kiểu mắt lưới Mesh Ngoài ra, thiết bị đo trung tâm còn
có khả năng truyền tin về máy tính cá nhân thông qua
Wi-Fi giúp dữ liệu đến tay người dùng dễ dàng hơn
Keywords: điện năng tiêu thụ, mạng cảm biến không
dây, IoTs, mạng Zigbee, Arduino, Raspberry Pi
Ký hiệu
Chữ viết tắt
IC
IoTs
Integrated Circuit
Internet of Things
1 ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, sự phát triển của các thiết bị đo năng
lượng điện tử đã đem lại những hiệu quả cao hơn, rõ rệt
trong đo lường so với các thiết bị đo trước đây Các thiết
bị đo năng lượng điện tử nhìn chung có hai ưu điểm
chính nổi bật so với các thiết bị đo kết cấu cơ điện truyền
thống đó là: cải thiện độ chính xác và mở rộng các chức
năng
Hiện tại, công nghệ vi điều khiển cho phép ta xây
dựng được các thiết bị đo vừa có giá cả cạnh tranh so
với các thiết bị đo truyền thống vừa đạt được độ chính
xác cao (thiết bị có thể đạt cấp chính xác 1, sai số ±1% hoặc thấp hơn) Bên cạnh đó, vi điều khiển có thể cho phép các nhà thiết kế bổ sung thêm các chức năng khác vào thiết bị đo như truyền phát dữ liệu không dây, cảnh báo mất lưới, lưu trữ dữ liệu…
2 THIẾT KẾ THIẾT BỊ GIÁM SÁT Thiết bị đo và giám sát điện năng không dây mà nhóm đã nghiên cứu hướng tới xây dựng có sơ đồ khối được thể hiện như Hình 1
Cấu tạo thiết bị bao gồm 6 khối Thiết bị sẽ sử dụng nguồn điện xoay chiều một pha lấy trực tiếp từ lưới điện dân dụng Khối nguồn biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện 1 chiều với các mức điện áp ổn định cấp cho các linh kiện trong thiết bị hoạt động Khối MCU (Micro-Controller Unit) là khối xử lý trung tâm được xây dựng dựa trên phần cứng mở Arduino xử lý tín hiệu đo cung cấp bởi khối cảm biến, tính toán đưa ra kết quả đo để lưu trữ, hiển thị, truyền phát thông qua khối hiển thị và khối truyền phát
2.1 Thiết kế mạch đo điện áp xoay chiều hiệu dụng một pha
Trước hết, để đo đại lượng điện áp hiệu dụng xoay chiều, nhóm tác giả lựa chọn phương pháp đo sử dụng điện trở phân áp Thiết bị được thiết kế để sử dụng trong lưới điện sinh hoạt dân dụng với kiểu đấu dây của thiết
bị là 1 pha hai dây (1 dây pha + 1 dây trung tính) với điện áp danh định 220VAC
Về tổng quan khối đo điện áp sẽ gồm 4 khối chính với sơ đồ nguyên lý như Hình 2
+ Mạch phân áp R1, R2 giúp chia điện áp đầu vào sao cho nằm trong khoảng 0-2,5V Giá trị điện áp sau phần điện trở chia áp được tính bằng công thức (1):
2
R
R R
+ Mạch lọc thông cao được tạo ra bởi hai thành phần tụ C và điện trở R4 Tần số cắt của mạch lọc thông cao được tính theo công thức (2):
3d
1 2
B
f
R C
Trong đó: f3dB
là tần số cắt của mạch lọc thông cao; C, R là giá trị của tụ điện và điện trở của mạch lọc thông cao
Trang 2Hình 1 Sơ đồ khối thiết bị đo và giám sát điện năng không dây
Hình 2 Sơ đồ nguyên lý mạch đo điện áp xoay chiều hiệu
dụng
+ Mạch cộng điện áp offset R3, R4 Ở đây thay vì
sử dụng điện áp tham chiếu nội của vi điều khiển ta sử
dụng điện áp ngoài Uref = 2,5V (được tạo bởi IC
REF5025 của Texas Instruments) Mức điện áp cộng
thêm Uoffset được tính theo công thức (3):
4
offset ref
R
(3) Trong đó: Uref là hiệu điện thế hoạt động của bộ
ADC vi điều khiển; R3, R4 là giá trị của điện trở của
mạch lọc thông cao
+ Khối Op-Amp (LM324) làm tăng trở kháng cho
phần mạch đo trước khi đi vào ADC, giảm tổn hao năng
lượng, bảo vệ an toàn cho các linh kiện phía sau
2.2 Thiết kế mạch đo dòng điện xoay chiều hiệu
dụng
Về việc đo giá trị dòng điện, thiết bị cung cấp hai
tùy chọn sử dụng hai loại biến dòng khác nhau là
HWCT 20A/20mA và SCT-013-030 tùy vào đối tượng
đo và yêu cầu sử dụng Chú ý là thiết bị chỉ cho phép sử
dụng một biến dòng được sử dụng tại một thời điểm
Tương tự với kênh đo điện áp, ta cũng sử dụng điện
áp tham chiếu Vref = 2,5 V (tạo bởi IC REF5025) Do
đó, giá trị cần đo phải nằm trong dải 0-2,5V Để đạt
được yêu cầu này, giá trị đo gồm điện áp một chiều
offset Uoffset = 1,25V (loại bỏ phần điện áp âm) và thành
phần xoay chiều có điện áp đỉnh Upeak ≤ 1,25 V (hay
Urms ≤ 0,88V)
Ta có quan hệ giữa điện áp đầu ra và dòng điện đầu
vào với cả hai loại là:
out primary burden
U I N R (4)
Trong đó: Uout là điện áp hiệu dụng đầu ra; Iprimary là
dòng điện đầu vào; N là hệ số biến đổi; Rburden là điện
trở gánh
Biến dòng HWCT 20A/20mA: có hệ số biến đổi là
N HWCT = 1/1000 Tín hiệu dòng điện đầu ra của biến
dòng sẽ được đưa qua một điện trở gánh (Burden) nhằm biến đổi từ dòng điện qua điện áp
Biến dòng SCT-013-030: có hệ số biến đổi là N SCT
= 1/1800, tích hợp sẵn một điện trở gánh 64 Ω, dải giá
trị dòng điện hiệu dụng đầu vào cho phép là 0 – 30A
và điện áp đầu ra tương ứng là 0-1V
Để tăng độ chính xác, nhóm tác giả đã chia dải đo thành hai dải:
Với HWCT: 0 – 5A (G = 4) và 5 – 20 A (G =1)
Với SCT: 0 – 6A (G = 4) và 6 – 24,75A (G=1) Trong đó:
+ G là hệ số khuếch đại của Op-Amp phía sau biến dòng
+ Đối với biến dòng giá trị dòng điện hiệu dụng cần
đo tối đa nên nằm trong dải 0 – 24,75A để đảm bảo yêu
cầu U peak ≤ 1,25 V đã nêu
2.3 Thuật toán đo điện áp và dòng điện hiệu dụng
Giá trị điện áp xoay chiều hiệu dụng được định nghĩa bằng căn bậc hai của trung bình bình phương các giá trị điện áp tức thời được lấy định kỳ trong một khoảng thời gian nhất định Ta có công thức tính điện
áp hiệu dụng (5)
1 2 0 ( )
N
n rms calibU
u n
N
(5)
Trong đó: Urms là giá trị điện áp xoay chiều hiệu dụng một pha cần đo; u là giá trị điện áp tức thời được đọc tại thời điểm lấy mẫu thứ n; GcalibU là tính toán mở rộng; N là tổng số lần lấy mẫu điện áp tức thời u Tương tự với đo giá trị điện áp hiệu dụng, từ các giá trị tức thời, giá trị dòng điện hiệu dụng cũng được xác định theo công thức (6)
1 2 0 ( )
N
n rms calibI
i n
N
(6) Trong đó: Irms là giá trị dòng điện xoay chiều hiệu dụng cần đo; i là giá trị dòng điện tức thời được đọc tại thời điểm lấy mẫu thứ n; GcalibI là hệ số tính toán mở rộng; N là tổng số lần lấy mẫu điện áp tức thời i
Trang 32.4 Thuật toán tính công suất và sản lượng điện tiêu
thụ
Từ mỗi giá trị lấy mẫu điện áp tức thời u(n) và dòng
điện tức thời i(n), ta có thể tính được công suất tiêu thụ
thực tế của tải bằng công thức (7):
1 [ ( ) ( )]
N
n
u n i n
N
(7) Trong đó: Prms là công suất tiêu thụ thực tế; u, i là
giá trị điện áp và dòng điện tức thời lấy mẫu tại thời
điểm n; GP là hệ số tính toán công suất, trong đó,
P calibU calibI
G G G ; N là tổng số lần lấy mẫu đo
Để tính được hệ số công suất, trước hết ta cần tính
giá trị công suất biểu kiến Giá trị này được tính theo
công thức (8) dưới đây:
P appU rmsI rms (8)
Trong đó: P app
là giá trị công suất biểu kiến; U rms
là giá trị điện áp xoay chiều hiệu dụng đo được;
r m s
I
là giá trị dòng điện xoay chiều hiệu dụng đo
được
Từ đó ta tính được hệ số cos φ theo công thức (9):
rms app
P cos P
Trong đó: cos là hệ số công suất; P app
là giá trị công suất biểu kiến; P rms
là giá trị công suất thực tế Mức điện năng tiêu thụ theo kWh được tính theo
công thức (10):
EG EP rms (10) t
Trong đó: E là sản lượng điện năng tiêu thụ (đơn
vị tính kWh); GE là hệ số tính toán mở rộng; P rms
là giá trị công suất thực tế mà tải tiêu thụ (kWh); t là thời gian
tải tiêu thụ công suất Prms
, tính theo đơn vị giờ
2.5 Lưu đồ thuật toán
Quá trình hoạt động của thiết bị sẽ đi qua những
bước theo lưu đồ thuật toán Hình 3, bao gồm:
Cấp nguồn và Reset thiết bị
Khởi tạo các thiết bị ngoại vi: EEPROM, LCD
5110, các chân vào ra (I/O), các chuẩn giao tiếp cần
thiết như Serial, SPI, và module ZigBee
Quá trình lấy mẫu và tính toán
Trong đó:
+ Sử dụng Timer xác định các thời điểm lấy mẫu;
+ Tần số lấy mẫu là f = 2048Hz (T = 500µs);
+ Sau mỗi giây, vi xử lý sẽ thực hiện tính toán các
giá trị Urms, Irms, Prms, Papp, cosφ, E (sản lượng tiêu thụ
điện) và hiển thị lên LCD sau mỗi 10 giây
Truyền dữ liệu về thiết bị điều phối (Coordinator)
ngay sau khi tính toán ra các thông số từ 2048 mẫu thu
được
Để đảm bảo giá trị điện năng sẽ không bị mất khi mất điện hoặc sự cố nào đó, nhóm tác giả đã thiết kế lưu giá trị điện năng tiêu thụ vào EEPROM và giá trị này sẽ được lưu sau mỗi lần giá trị E tăng lên 0.5 kWh
Bắt đầu
Khởi tạo thiết bị ngoại vi và ZigBee
t1 = 500us
Lấy mẫu
N = 2048 mẫu
Tính toán t2++
Đ
Gửi dữ liệu đến Coor
t2 = 10s
Hiển thị lên LCD t2 = 0 Đ
E tăng 0.5 kWh
Lưu vào EEPROM Đ
S
Đ
S S
S
Hình 3 Lưu đồ thuật toán chương trình chính của thiết bị
2.6 Thử nghiệm và hiệu chỉnh
Nhằm đánh giá khả năng xử lý, nhóm tác giả sử dụng dao động ký điện tử để quan sát dạng tín hiệu, kết quả thu được như trên Hình 4 và Hình 5 (Sử dụng tải thuần trở)
Hình 4 Dạng tín hiệu điện áp từ mạch đo áp
Từ Hình 4, ta thấy dạng sóng hình sin tương đối chuẩn, ít nhiễu và tín hiệu nâng offset đúng thiết kế
Trang 4Hình 5 Dạng tín hiệu từ mạch đo dòng
Trên Hình 5, tín hiệu màu vàng (kênh 1) là ứng với
hệ số khuếch đại G1 = 1; tín hiệu màu xanh (kênh 2) là
ứng với hệ số khuếch đại G2 = 4
Tiếp đến quá trình hiệu chỉnh Thiết bị dùng làm
tham chiếu là đồng hồ đa năng Wavetek HD115B do
hãng Wavetek Meterman - Hoa Kỳ sản xuất Với
phương pháp hiệu chỉnh Bình phương cực tiểu nhằm
tìm mối quan hệ bậc nhất giữa giá trị tham chiếu và giá
trị đo được từ đó có được hệ số hiệu chỉnh nhân tính và
cộng tính Kết quả sau hiệu chỉnh được thể hiện trên
Hình 6 và Hình 7
Hình 6 Đồ thị so sánh giá trị điện áp đo được với thiết bị
tham chiếu sau hiệu chỉnh
Hình 7 Đồ thị so sánh giá trị dòng điện đo được với thiết bị
tham chiếu sau hiệu chỉnh
3 THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐIỀU PHỐI Hiện nay, nhóm tác giả đã thiết kế một phiên bản thiết bị điều phối là EC-01 Sơ đồ khối của EC-01 được thể hiện trên Hình 8
Hình 8 Sơ đồ khối thiết bị điều phối EC-01
3.1 Khối xử lý trung tâm
Tương tự các thiết bị giám sát điện năng, thiết bị điều phối cũng được xây dựng dựa trên nền tảng phần cứng mã nguồn mở Arduino sử dụng vi xử lý Atmega328P
3.2 Khối RTC, hiển thị, USB và bộ nhớ ngoài
Để có tính năng thời gian thực, EC-01 sử dụng IC thời gian thực là DS1307 Sử dụng LCD5110 để hiển thị các thông số đo được Để có thể giao tiếp với máy tính, EC-01 sử dụng IC PL-2303 giúp chuyển đổi
“UART to USB(COM)” Ngoài ra, EC-01 còn hỗ trợ thẻ nhớ microSD giúp lưu trữ dữ liệu nhận được từ các thiết bị giám sát EM-03
3.3 Khối truyền tin không dây
EC-01 hỗ trợ hai chuẩn truyền thông là IEEE 802.15.4/ZigBee và IEEE 802.11/WiFi Trong đó: + Về vai trò ZigBee: EC-01 sẽ đóng vai trò khởi tạo mạng, nhận và xử lý bản tin từ EM-03 Module được
sử dụng cũng là module CC2650F128 (đã được nạp firmware mesh của Texas Instruments);
+ Về vai trò WiFi: EC-01 sẽ được kết nối với một máy tính PC và truyền dữ liệu (thu được sau khi xử lý các bản tin ZigBee) lên đó Để thực hiện truyền tin,
EC-01 sử dụng module WiFi ESP8266 v7 và do có sở hữu một vi điều khiển riêng nên ta cũng cần lập trình riêng cho module này để có thể thực hiện tính năng WiFi theo lưu đồ thuật toán trên Hình 9
Quá trình hoạt động của module ESP 8266 sẽ gồm các bước sau:
Cấp nguồn, thực hiện kết nối WiFi bằng việc phát mạng sau đó thực hiện kết nối TCP với PC thông qua địa chỉ IP của PC được cấp phát bởi ESP8266;
Khởi tạo Timer giá trị t;
Bất cứ khi nào có bản tin gửi từ vi xử lý trung tâm Atmega328P thì sẽ lật tức gửi về PC và ngược lại;
Bất cứ khi nào giá trị t tăng và đạt t = 5 giây thì sẽ tiến hành kiểm tra lại đường truyền thông qua 2 bước kiểm tra WiFi và TCP và nếu có bất kì kết nối nào bị lỗi sẽ thực hiện khởi tạo lại đúng kết nối đó
160
170
180
190
200
210
220
230
240
250
260
160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260
Thang đo 170-250V
Uread Uref
0.51
1.52
2.53
3.54
4.55
5.5
0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5
Thang đo 0.6-5A
Iread Iref
Trang 5Kết nối WiFi
Thiết lập phương thức TCP
Dữ liệu từ
ATmega328P Dữ liệu từ PC
S
S
Gửi tới PC
(TCP Client)
Đ
Gửi tới ATmega328P Đ
t = 5s
Kiểm tra kết nối TCP
Kiểm tra kết nối WiFi
t = 0
Đ
Đ
Tốt
S S
Lỗi
Lỗi Tốt
S
Hình 9 Lưu đồ thuật toán cho ESP8266
3.4 Lưu đồ thuật toán
Quá trình hoạt động của EC-01 sẽ trải qua hai quá
trình chính là quá trình khởi tạo thiết bị ngoại vi, mạng
Zigbee và quá trình truyền/nhận bản tin Quá trình khởi
tạo được thể hiện trên lưu đồ thuật toán Hình 10
Hình 10 Lưu đồ thuật toán quá trình khởi tạo của EC-01
Sau quá trình khởi tạo, EC-01 sẽ thực hiện việc
truyền tin bằng cách bất cứ khi nào nhận bản tin từ các
thiết bị giám sát, EC-01 sẽ gửi ngay lật tức về PC thông
qua WiFi
Chú ý là quá trình khởi tạo của EC-01 và module
ESP8266 là độc lập và song song với nhau ngay sau khi
cấp nguồn thiết bị
Các bản tin truyền đi sẽ được minh họa ở Hình 11
và Hình 12 dưới đây:
Hình 11 Cấu trúc bản tin theo chuẩn ZigBee
Hình 12 Dữ liệu nhận được tại PC từ kết nối WiFi
Hình 13 Hệ thống giám sát điện năng trong nhà
4 WINDOWFORMCHOHỆTHỐNG
Để phục vụ yêu cầu nhận bản tin và hiển thị, nhóm tác giả đã thiết kế một Window Form cho việc thu thập
dữ liệu với các yêu cầu sau:
+ Có 3 tab ứng với 3 tính năng nhận dữ liệu là thông qua Serial, TCP/IP ứng với hai vai trò là Server và Client;
+ Có các tính năng để gửi dữ liệu, xóa dữ liệu cũ… + Khả năng lưu lại dữ liệu vào tệp txt;
+ Thể hiện thông tin kết nối
Ngôn ngữ được nhóm tác giả sử dụng là C# cùng công cụ lập trình Visual Studio của Microsoft và kết quả Window Form được thể hiện trên Hình 14
Hình 14 Window Form cho kết nối WiFi (tab TCP Server)
Trang 6Đối với kết nối WiFi, nhóm tác giả đã thiết kế cho
cả hai chế độ Client và Server của kết nối TCP với các
tính năng sau:
+ Thể hiện dữ liệu đã gửi (sent data), đã nhận
(received data) và đang nhập (send data);
+ Thể hiện trạng thái kết nối WiFi của máy và địa
chỉ Gateway IP và địa chỉ Ipv4 của máy;
+ Cấu hình địa chỉ kết nối và port lắng nghe trong
giao thức TCP;
+ TCP Server có phần thể hiện trạng thái kết nối
của các client và đếm số lượng client đang kết nối
5 YÊU CẦU ĐẶT RA TRONG QUÁ TRÌNH
HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG
Hiện nay, việc áp dụng Học máy – ML vào đời sống
nói chung và công nghệ kĩ thuật nói riêng đã trở thành
một xu thế toàn cầu Nhóm tác giả cũng đã áp dụng
thuật toán Học máy vào hệ thống và cụ thể là tại các
thiết bị giám sát Dữ liệu sau khi đo được sẽ làm đầu
vào cho thuật toán nhân ma trận hệ số và kết quả thu
được sẽ được dùng để nhận biết trạng thái bật tắt của
các thiết bị điện trong vùng giám sát
Một câu hỏi nảy sinh ở đây là tại sao lại áp dụng
thuật toán học máy ở các thiết bị giám sát EM-03 khi
các thiết bị này đã có quá nhiều tác vụ để thực hiện thay
vì tại PC nơi có khả năng tính toán mạnh mẽ cùng khả
năng mở rộng dễ dàng Nguyên nhân của quyết định này
là nằm ở độ tin cậy trong truyền tin và cách xử lý theo
hướng “Edge Computing” Với 3 thiết bị giám sát đã
xây dựng được, nhóm tác giả đã thực hiện kiểm tra độ
tin cậy truyền tin và thu được kết quả như trên Bảng 1
Bảng 1 Độ tin vậy trong truyền tin
Số lượng thiết bị
cùng hoạt động
Tỉ lệ bản tin đúng cho 100 bản tin
(Tại PC)
Ta thấy có một sự giảm đáng kể hiệu suất truyền tin
khi có nhiều thiết bị tham gia vào mạng Phần lớn là các
bản tin không tới được PC dù trong quá trình kiểm
nghiệm thiết bị giám sát có báo đã gửi Nguyên nhân có
thể do tần số nhận bản tin tăng lên làm cho thiết bị trung
tâm không xử lý kịp và dẫn đến bị “lỡ” bản tin
Nếu ta áp dụng học máy tại PC thì đương nhiên ta
phải liên tục gửi dữ liệu về PC và mỗi bản tin phải chứa
toàn bộ thông tin cần cho học máy đây sẽ là một vấn đề
rất lớn ảnh hưởng đến độ tin cậy khi lượng thông tin
tăng và số lượng nút giám sát tăng Lúc này thiết bị
trung tâm sẽ như một nút thắt cổ chai của mạng
Ngược lại, nếu ta đi theo hướng “Edge Computing”
thì dữ liệu ta sẽ được tính toán ngay tại hiện trường và
đôi khi ta chỉ cần gửi đi những dữ liệu có chứa thông tin
hữu ích cao như tổng điện năng tiêu thụ, nhiệt độ, độ
ẩm, trạng thái bật/tắt nếu có thay đổi,… về PC điều này
thay vì phải gửi các thông tin trừu tượng như điện áp,
dòng điện, công suất, cosφ vì đối với người dùng các
thông tin này không mang nhiều ý nghĩa Nhờ đó sẽ
giảm đáng kể lưu lượng truyền tải trong mạng cũng như
giảm bớt tần suất vi điều khiển phải truyền tin giúp tăng
băng thông truyền, độ chính xác và tin cậy của bản tin
Sau khi phân tích, quá trình chạy hệ thống với thuật toán Học máy đã nảy sinh hai vấn đề lớn:
+ Dữ liệu thu được gồm các đại lượng: Tổng năng lượng E, Urms, Irms, Prms, cosφ thì ta chỉ sử dụng 4 biến đầu vào là Urms, Irms Prms, cosφ còn giá trị tổng năng lượng E không có ý nghĩa trong nhận diện Dễ thấy 4 biến đầu vào này hoàn toàn là đại lượng điện nên việc nhận diện sẽ có độ chính xác không cao; gặp các trường hợp các thiết bị có đặc tính điện năng tương đồng cùng bật, hoặc thiết bị có đặc tính điện năng với giá trị quá nhỏ thì khi bật cùng các thiết bị có giá trị điện năng lớn hơn cũng rất khó để nhận diện… + Khả năng tính toán của vi xử lý trung tâm trong mỗi thiết bị giám sát bị ảnh hưởng bởi phải thực hiện quá nhiều tác vụ cùng lúc như lấy mẫu, truyền tin, hiển thị và tính toán ma trận cho quá trình nhận diện
Từ các vấn đề này đã đặt ra hai yêu cầu:
+ Bổ sung khả năng đo được các đại lượng không điện như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, rung…
+ Thiết bị giám sát cần có một bộ xử lý mạnh mẽ hơn
Sau quá trình tìm hiểu, so sánh giữa nhiều nền tảng, nhóm tác giả lựa chọn sử dụng nền tảng Raspberry Pi với module Raspberry Pi CM3 (Computer Module) Với module này, nhóm tác giả đã đặt ra một số yêu cầu định hướng thiết kế như sau:
+ Phải thiết kế một bo mạch mở rộng cho module
do Raspberry Pi CM3 ở dạng thanh RAM DDR2 SODIMM nên chưa có bất kì kết nối ngoại vi vào; + Các chân GPIO, giao tiếp của module phải được đưa ra dạng jumper để kết nối dễ dàng hơn với các cảm biến;
+ Khối nguồn phải đủ tốt để có thể cấp nguồn cho các mạch mở rộng đặt lên sau này
Hình 15 Bo mạch RasP-Ioteam
Từ các yêu cầu trên, nhóm tác giả đã thiết kế xong bản vẽ cho bo mạch mở rộng được đặt tên là RasP-IoTeam như Hình 15
Bo mạch này ngoài khả năng hỗ trợ các chuẩn giao tiếp phổ biến như SPI, UART, I2C thì còn có hỗ trợ các chuẩn giao tiếp tốc độ cao như HDMI, CAMERA, DISPLAY sẽ rất hữu ích cho việc ta có thể thiết lập bo mạch như một máy tính PC thu nhỏ
Trang 76 KẾT LUẬN
Xu thế Internet of Things là xu thế hiện đại của công
nghiệp 4.0 Và nhóm tác giả đã bước đầu làm nên một
hệ thống giám sát năng lượng trong tòa nhà áp dụng các
công nghệ về vi xử lý, truyền thông không dây… Và
với những cải tiến đang được tiến hành đã được trình
bày ở phần 5 Nhóm tác giả tin tưởng với lượng dữ liệu
được tăng thêm nhờ các cảm biến không điện được bổ
sung thì thuật toán học máy sẽ có độ chính xác cao hơn
giúp nhận diện thiết bị điện tốt hơn Nhóm sẽ tiếp tục
quá trình cải tiến hệ thống để hệ thống có tính thực tiễn
cao hơn từ đó nhận được sự đón nhận từ thị trường và
người tiêu dùng
7 TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] https://www.arduino.cc/en/uploads/Main/Arduino
-Pro-Mini-schematic.pdf/
[2] IEC, International standard IEC 62053-21,
1/2003
[3] IEEE, IEEE Std 802.15.4 TM -2003, Part 15.4:
Wireless Medium Access Control (MAC) and
Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate
Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs),
October 2003
[4] Texas Instrument, (2015, February) – SWRS158B,
CC2650 SimpleLink TM Mutilstandard Wireless
MCU, Available: http://ti.com
[5] Texas Instrument, (2014, January), Developing a
Zigbee® System Using a CC2530-ZNP Approach,
Application Report [Online], Available:
http://ti.com
[6] ZigBee Alliance,Inc, (2012, May) Zigbee Cluster
Library Specification, Available:
http://www.zigbee.org
[7] Raspberry Pi Foundation, Raspberry Pi
Documentation Available at:
https://www.raspberrypi.org/documentation/hard
ware/raspberrypi/
[8] Raspberry Pi CM3 Datasheet Available at:
https://www.raspberrypi.org/ /datasheets/rpi_D
ATA_CM_1p0.pdf
[9] IPC-2221A, “Generic Standard On PCB Design”,
Feb/1998 Available at:
www.ipc.org/TOC/IPC-2221.pdf
Nguyễn Hoàng Nam
nhận bằng Kỹ sư Điện tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội (HUST) năm 2002, bằng Thạc sỹ
về Thiết bị đo và Vi điện tử tại
Trường Đại học Hendri Poincaré, cộng hòa Pháp năm 2004, và nhận
bằng Tiến sỹ Vi điều tử và Điện tử
Nano tại Trường đại Học Bách
khoa Grenoble, cộng hòa Pháp năm 2009 Anh tham gia giảng dạy tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội (HUST) từ năm 2010 đến nay Hiện anh đang là giảng viên thuộc Bộ môn Kỹ thuật đo và Tin học công nghiệp (3I), viện Điện và đồng thời là nghiên cứu viên tại viện
Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa (ICEA) Hướng nghiên cứu chính là các hệ thống đo thông minh, các
hệ thống nhúng và hệ thống năng lượng tái tạo
Nguyễn Khắc Phong
sinh năm 1995 Hiện là Cử nhân ngành Điều khiển và Tự động hóa, viện Điện, trường Đại học Bách khoa Hà Nội (HUST) Hiện tại Nguyễn Khắc Phong đang học tập
và nghiên cứu để nhận bằng Kĩ sư
