HỆ THỐNG GIÁM SÁT TIÊU THỤ ĐIỆN DÂN DỤNG DỰA TRÊN IOT

Trong thế giới hiện đại ngày nay, những thiết bị điện đã không còn quá xa lạ với con người. Chúng có mặt ở mọi nơi và giúp cho cuộc sống của con người tiện lợi hơn. Tuy nhiên ở những nước đang phát triển như Việt Nam, nơi mà GDP của người dân còn chưa cao thì hóa đơn tiền điện mỗi tháng vẫn là một vấn đề cần phải đắn đo suy nghĩ. Nhất là những gia đình có con nhỏ, khi ở nhà một mình chúng có thể sử dụng các thiết bị tiêu thụ điện lớn như tivi, máy tính,… làm cho các phụ huynh phải đau đầu về hóa đơn tiền điện mỗi tháng. Vì vậy, hệ thống giám sát tiêu thụ điện này được tạo ra để giúp phụ huynh kiểm soát việc sử dụng điện trong nhà của con cái. Cụ thể là giám sát mức tiêu thụ điện năng của máy tính và báo hiệu khi điện năng tiêu thụ vượt quá mức cho phép. Hệ thống giám sát tiêu thụ điện là hệ thống giám sát cường độ dòng điện của thiết bị và qua đó hiển thị các thông tin về công suất tiêu thụ, nguồn điện đầu vào và số điện đã tiêu thụ của thiết bị điện được giám sát cho chủ nhà. Hệ thống sẽ cảnh báo bằng đèn tín hiệu khi lượng điện năng tiêu thụ vượt qua một ngưỡng quy định trước.

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN 1

Lời cam đoan

Em xin cam đoan đề tài: hệ thống giám sát tiêu thụ điện dân dụng do cá nhânnghiên cứu và thực hiện

Em đã kiểm tra dữ liệu theo quy định hiện hành

Kết quả bài làm của đề tài là trung thực và không sao chép từ bất kỳ bài tập củanhóm khác Các tài liệu được sử dụng trong tiểu luận có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng

(Ký và ghi rõ họ tên)

Lời cảm ơn

Em xin chân thành cảm ơn Thầy … đã tận tình hướng dẫn em trong suốt thời gian học tập để có thể giúp em hoàn thành bài tập lớn của môn học này

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU 6

1 Hệ thống giám sát tiêu thụ điện 6

2.Mục đích dự án 6

3.Phạm vi nghiên cứu 6

4.Phương pháp nghiên cứu 6

PHẦN NỘI DUNG 8

1.LỰA CHỌN THIẾT BỊ PHẦN CỨNG 8

1.1 Arduino Uno R3 8

1.2 Module thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU CP2102 9

1.3 Connecting Wires 10

1.4 Breadboard 10

2.PHẦN MỀM YÊU CẦU 12

2.1 ARDUINO IDE 12

2.2 ARDUINO LANGUAGE 13

3.THIẾT KẾ KỸ THUẬT 14

a) Xây dựng sơ đồ khối của hệ thống 12

b) Biểu đồ tuần tự 12

c) Cơ sở toán học 12

d) Sơ đồ tổng quát mạch ( mô phỏng bằng Tinkercad) 12

e) Coding 12

f ) Chạy mô phỏng và phân tích 22

PHẦN KẾT LUẬN 24

TÀI LIỆU THAM KHẢO 25

PHẦN MỞ ĐẦU Trong thế giới hiện đại ngày nay, những thiết bị điện đã không còn quá xa lạ với

con người Chúng có mặt ở mọi nơi và giúp cho cuộc sống của con người tiện lợi hơn Tuy nhiên ở những nước đang phát triển như Việt Nam, nơi mà GDP của người dân còn chưa cao thì hóa đơn tiền điện mỗi tháng vẫn là một vấn đề cần phải đắn đo suy nghĩ Nhất là những gia đình có con nhỏ, khi ở nhà một mình chúng có thể sử dụng các thiết bị tiêu thụ điện lớn như tivi, máy tính,… làm cho các phụ huynh phải đau đầu về hóa đơn tiền điện mỗi tháng Vì vậy, hệ thống giám sát tiêu thụ điện này được tạo ra để giúp phụ huynh kiểm soát việc sử dụng điện trong nhà của con cái Cụ thể là giám sát mức tiêu thụ điện năng của máy tính và báo hiệu khi điện năng tiêu thụ vượt quá mức cho phép

1 Hệ thống giám sát tiêu thụ điện

Hệ thống giám sát tiêu thụ điện là hệ thống giám sát cường độ dòng điện của thiết

bị và qua đó hiển thị các thông tin về công suất tiêu thụ, nguồn điện đầu vào và số điện đãtiêu thụ của thiết bị điện được giám sát cho chủ nhà Hệ thống sẽ cảnh báo bằng đèn tín hiệu khi lượng điện năng tiêu thụ vượt qua một ngưỡng quy định trước

2.Mục đích dự án

Có một số mục tiêu cần đạt được để hoàn thành dự án này:

• Đảm bảo thông tin về cường độ dòng điện, điện thế đầu vào, công suất được hiển thị chính xác và liên tục

• Cảnh báo bằng đèn tín hiệu thi lượng điện năng tiêu thụ vượt qua ngưỡng quy định trước

3.Phạm vi nghiên cứu

• Quy mô: Một gia đình gồm 3 thành viên bố, mẹ và con trai

• Thiết bị giám sát: Máy tính để bàn với công suất 400W

4.Phương pháp nghiên cứu

Trong một hộ gia đình có 3 thành viên gồm bố mẹ và con trai Hệ thống này sẽ giúp bố mẹ kiểm soát thời gian con trai sử dụng máy tính và lượng điện tiêu thụ của nó Máy tính mà gia đình này sử dụng có công suất của toàn bộ thiết bị vào khoảng 400W

Do đó, nếu thời gian sử dụng máy tính của con trai là 4-5 tiếng 1 ngày ( thực tế sẽ lớn hơn) thì mỗi ngày máy tính sẽ sử dụng đến 2 kWh

Và theo như bảng giá bán lẻ điện sinh hoạt với cách tính lũy tiến như trên cộng vớiđiện tiêu thụ của các thiết bị điện khác, ước chừng mỗi tháng gia đình này sẽ phải tốn khoảng 200.000đ tiền điện Đây là con số không nhỏ cho nhiều hộ gia đình Việt Nam.

Để kiểm soát điều này, hệ thống sẽ được kết nối trực tiếp với máy tính và đo cường độ điện mà nó đang sử dụng từ đó tính toán được công suất tiêu thụ và theo dõi hoạt động của nó đồng thời gửi dữ liệu lên máy chủ Thinkspeak giúp cho bố mẹ có thể biết được thời gian sử dụng máy tính của con cái và kiểm soát được hoạt động tiêu thụ điện của máy tính

PHẦN NỘI DUNG

1.LỰA CHỌN THIẾT BỊ PHẦN CỨNG

1.1 Arduino Uno R3

Arduino Uno là một bảng mạch vi điều khiển nguồn mở dựa trên vi điều khiển

Microchip ATmega328 được phát triển bởi Arduino.cc Bảng mạch được trang bị các bộ chân đầu vào/ đầu ra Digital và Analog có thể giao tiếp với các bảng mạch mở rộng khác nhau

Bo mạch Arduino sử dụng dòng vi xử lý 8-bit mega AVR của Atmel với hai chip phổ biến nhất là ATmega328 và ATmega2560 Các dòng vi xử lý này cho phép lập trình các ứng dụng điều khiển phức tạp do được trang bị cấu hình mạnh với các loại bộ nhớ ROM, RAM và Flash, các ngõ vào ra digital I/O trong đó có nhiều ngõ có khả năng xuất tín hiệu PWM, các ngõ đọc tín hiệu analog và các chuẩn giao tiếp đa dạng như UART, SPI, TWI (I2C)

Ngoài ra, Arduino board còn cung cấp cho các pin khác nhau như pin cấp nguồn 3.3V, pin cấp nguồn 5V, pin GND,  

Hệ thống sẽ đọc dữ liệu từ chân A0 của Arduino Uno R3 và tính toán các dữ liệu liên quan

1.2 Module thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU CP2102

Mạch thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU là kit phát triển dựa trên nền chip Wifi SoC ESP8266 với thiết kế dễ sử dụng và đặc biệt là có thể sử dụng trực tiếp trìnhbiên dịch của Arduino để lập trình và nạp code, điều này khiến việc sử dụng và lập trình các ứng dụng trên ESP8266 trở nên rất đơn giản

Mạch thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU được thiết kế hướng đến các ứng dụng liên quan đến IoT, dữ liệu được truyền qua sóng wifi giúp cho dữ liệu được truyền tải đến bất cứ nơi nào có kết nối internet

- Thông số kỹ thuật

• IC chính: ESP8266 Wifi SoC

• Phiên bản firmware: Node MCU

• Chip nạp và giao tiếp UART: CP2102

• GPIO tương thích hoàn toàn với firmware Node MCU

• Cấp nguồn: 5VDC MicroUSB

• GIPO giao tiếp mức 3.3VDC

• Tích hợp Led báo trạng thái, nút Reset, Flash

• Tương thích hoàn toàn với trình biên dịch Arduino

Module wifi ESP8266 có vai trò kết nối với mạng và nhận dữ liệu từ Arduino qua chân Tx, Rx rồi gửi chúng đến máy chủ Thinkspeak.

• Khống chế dòng điện qua tải cho phù hợp

• Mắc điện trở thành cầu phân áp

• Phân cực cho bóng bán dẫn

• Tham gia vào các mạch tạo dao động R C

        Điện trở là điện trở vạch màu, có các vạch màu thể hiện trị số của điện trở theođúng quy ước chung của thế giới.

1.6 Màn hình LCD 16x02

Màn hình LCD 16×2 là một linh kiện được sử dụng rộng rãi trong trong các dự án điện tử và lập trình

LCD 16×2 được sử dụng để hiển thị trạng thái hoặc các thông số

• LCD 16×2 có 16 chân trong đó 8 chân dữ liệu (D0 – D7) và 3 chân điều khiển (RS, RW, EN)

• 5 chân còn lại dùng để cấp nguồn và đèn nền cho LCD 16×2

• Các chân điều khiển giúp ta dễ dàng cấu hình LCD ở chế độ lệnh hoặc chế độ dữ liệu

• Chúng còn giúp ta cấu hình ở chế độ đọc hoặc ghi

• LCD 16×2 có thể sử dụng ở chế độ 4 bit hoặc 8 bit

2.PHẦN MỀM YÊU CẦU

2.1 ARDUINO IDE

Môi trường phát triển tích hợp Arduino (IDE) là một ứng dụng đa nền tảng (dành cho Windows, MAC OS, Linux) Mã nguồn cho IDE được phát hành theo GNU (Giấy phép Công cộng) phiên bản 2 Arduino IDE hỗ trợ các ngôn ngữ C và C ++ bằng cách sử dụng các quy tắc đặc biệt của cấu trúc mã Arduino IDE cung cấp một phần mềm thư viện từ dự án Wiring, cung cấp nhiều các thủ tục đầu vào và đầu ra thông thường Mã do người dùng viết chỉ yêu cầu hai chức năng cơ bản, để bắt đầu phác thảo và vòng lặp chương trình chính, được biên dịch và liên kết với một sơ khai chương trình main () thành một chu trình thực thi chương trình điều hành với chuỗi công cụ GNU, cũng bao gồm với bản phân phối IDE

2.2 ARDUINO LANGUAGE

Phần mềm biên dịch được lưu trữ trên máy tính tách biệt với Arduino Uno R3 Công việc của trình biên dịch là chuyển đổi chương trình được cung cấp bởi người viết chương trình vào mã máy phù hợp để tải vào bộ xử lý Sau khi các tệp nguồn được cungcấp cho trình biên dịch, trình biên dịch thực hiện hai bước để hiển thị mã máy

2.3 THINKSPEAK

Thingspeak là một nền tảng mà bạn có thể trực quan hóa và phân tích dữ liệu trên đám mây Nó là một sản phẩm Matlab và bạn có thể xử lý và phân tích dữ liệu trực tiếp

từ đám mây Chủ yếu nó được sử dụng trong các dự án IoT cần phân tích để theo dõi những thay đổi về giá trị cảm biến trên đám mây

Thingspeak cung cấp các khả năng khác nhau để thu thập, trực quan hóa và phân tích dữ liệu trên đám mây Sau đây là các tính năng chính

• Các thiết bị có thể dễ dàng định cấu hình và gửi dữ liệu tới Thingspeak bằng cách

sử dụng các giao thức truyền thông

• Có thể xem dữ liệu trong thời gian thực

• Nó có thể nhận dữ liệu từ phần mềm của bên thứ ba

• Có thể sử dụng với Matlab để phân tích dữ liệu

• Nó không cần server và phần mềm web để xây dựng prototype hệ thống IoT

• Tự động thực hiện các hành động và giao tiếp bằng phần mềm của bên thứ ba

3.THIẾT KẾ KỸ THUẬT

a) Xây dựng sơ đồ khối của hệ thống :

ARDUINO UNO

R3 NGUỒN ĐIỆN

THINKSPEAK ESP8266

LCD 16X02 LED

b) Biểu đồ tuần tự của hệ thống

c) Cơ sở toán học

Arduino UNO R3 chỉ hoạt động ở mức điệp áp từ 0-5V.Vì vậy khi đo dòng điện bằng Arduino ta chỉ dùng dòng điện có hiệu điện thế từ 0-5V ( nếu lớn hơn mức này Arduino sẽ hỏng)

Arduino có các chân đọc dữ liệu được đánh số từ A0- A5 và truyền dữ liệu bằng tín hiệu Analog có dải từ 0-1023 Ta có công thức chuyển từ tín hiệu Analog sang điện áp từ 0-5V như sau:

Vout= A0 x 5 /1024 (V)

Và công thức tính cường độ dòng điện:

Icurrent = (Voffset – Vout ) / Sensitivity (A)

Trong đó:

- Icurrent là cường độ dòng điện

- Voffset là điện áp khi không có dòng điện chạy trong mạch ( ở đây là

2.5V)

- Sensitivity là độ nhạy ( ở đây là 0.185)

Từ đó ta tính ra được công suất theo công thức

P=U.I (W)

Và công thức điện tiêu thụ:

A=P.T (kWh)

(T là thời gian tính bằng giờ)

d) Sơ đồ tổng quát mạch (mô phỏng bằng Tinkercad)

Mạch mô phỏng sẽ sử dụng chiết áp để điều chỉnh dòng điện đầu vào Arduino từ 0-5V ( mô phỏng dòng điện đầu vào từ máy tính)

Sau đó Arduino sẽ nhận dữ liệu và tính toán để thực hiện việc bật sáng đèn LED cảnh báo tùy theo cường độ dòng điện Arduino sẽ gửi dữ liệu cho ESP8266 qua cổng truyền dữ liệu Tx của mình, ESP8266 sẽ đọc dữ liệu ở cổng RX của nó

và gửi dữ liệu lên ThinkSpeak Đồng thời màn hình LCD sẽ hiển thị cường độ dòng điện đo được

5. float val, voltage, temp;

6 String ssid     = "Simulator Wifi";

7 String password = "";

8 String host     = "api.thingspeak.com";

9. const int httpPort   = 80;

10 String url     = "/update?api_key=0J414VN10692DTHS&field1=";

11.const int trigger = 11;

12.const int echo = 12;

13.int pushButton = 2;

14.int led = 13;

15.

16.LiquidCrystal lcd(12, 11, 10, 9 8, 7);

18  

19.float duration, distance;

20.unsigned int Lando;

21.float voltage1, sensedCurrentA;

22.bool redstat, yellowstat, greenstat;

40.  // Ket noi Wifi

41   Serial.println("AT+CWJAP=\"" + ssid + "\",\"" + password + "\"");

60     voltage1 = Value * AREF/1024;

107.   int length = httpPacket.length();

f) Chạy mô phỏng và phân tích kết quả

• Ban đầu, máy tính hoạt động ổn định ở mức bình thường với I=1.61A ( đèn LED xanh được bật) , biểu đồ công suất và cường độ dòng điện nằm ngang

• Sau đó, máy tính hoạt động với cường độ dòng điện 2.14A, biểu đồ công suất và cường độ dòng điện bắt đầu đi lên, đèn LED vàng được bật

• Máy tính bắt đầu hoặc động hết công suất, đèn LED đỏ sáng lên báo hiệu máy tính đang làm việc hết công suất Biểu đồ có sự thay đổi đi lên của cả 3 bảng công suất, cường độ dòng điện và điện năng tiêu thụ

PHẦN KẾT LUẬN

Giám sát điện tiêu thụ giúp cho các bậc phụ huynh có thể kiểm soát tốt tình trạng

sử dụng điện ở nhà mình và quản lý thời lượng sử dụng các thiết bị điện trong nhà của con cái tốt hơn Hệ thống sử dụng module wifi esp8266 giúp kết nối với internet và truyền tải dữ liệu lên máy chủ Thinkspeak, từ đó giúp cho chủ nhà theo dõi được tình trạng sử dụng điện của thiết bị điện trong nhà Hệ thống này có thể cảnh báo bằng đèn LED để cho biết tình trạng sử dụng điện của thiết bị

Hệ thống giúp cho việc sử dụng điện trong nhà trở nên hiệu quả và tiết kiệm hơn, đảm bảo an toàn điện cho gia đình

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] datasheet.pdf

https://docs.arduino.cc/static/9d6ed041fec691039663ae42f50fabcc/A000066-[2] chi-minh/dien-tu-may-tinh/arduino-guide/3501963/

https://www.studocu.com/vn/document/truong-dai-hoc-cong-nghiep-thanh-pho-ho-[3] https://www.instructables.com/DIY-Amp-Hour-Meter-Arduino/

[4]https://circuitdigest.com/article/16x2-lcd-display-module-pinout-datasheet