Thiết kế và thi công đồng hồ đo điện năng AC, DC giám sát dữ liệu trên internet

Mặc dù vấn đề này đã được nghiêncứu và cũng đã có một vài hệ thống quản lý giám sát điện năng ra đời nhưng đa sốđều được lắp đặt với chi phí cao và hạn chế truy cập từ xa nên chỉ dùng ch

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CNKT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ĐỒNG HỒ ĐO ĐIỆN NĂNG

AC, EC GIÁM SÁT DỮ LIỆU TRÊN INTERNET

GVHD: TRƯƠNG NGỌC ANH SVTH: NGUYỄN HOÀNG NAM

BÙI VĂN QUỐC

SKL009341

Tp Hồ Chí Minh, tháng 08/2022

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ

THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐ NGHIỆP NGÀNH CNKT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ĐỒNG HỒ ĐO ĐIỆN NĂNG

AC, EC GIÁM SÁT DỮ LIỆU TRÊN INTERNET

GVHD: TRƯƠNG NGỌC ANH SVTH: NGUYỄN HOÀNG NAM

BÙI VĂN QUỐC

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

-ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ĐỒNG

HỒ ĐO ĐIỆN NĂNG AC, DC GIÁM SÁT DỮ LIỆU TRÊN INTERNET

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

-ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ĐỒNG HỒ ĐO ĐIỆN NĂNG AC, DC

GIÁM SÁT DỮ LIỆU TRÊN INTERNET

MSSV

SVTH2 :

MSSV

*** Tp Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 07 năm 2022

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên:

Nguyễn Hoàng Nam

Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện tử- Viễn thông

Họ và tên sinh viên:

Bùi Văn Quốc

Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện tử- Viễn thông

Giảng viên hướng dẫn: GVC.ThS Trương Ngọc Anh

3 Nội dung thực hiện đề tài:

- Tìm hiểu về các chuẩn truyền thông I2C, UART, giao thức Modbus RTU

- Lập trình giao tiếp với module PZEM004T để đo các thông số điện năng AC

- Lập trình giao tiếp với module PZEM017 để đo các thông số điện năng DC

- Lập trình cho module wifi ESP8266 trên Arduino IDE, gửi dữ liệu lên Web đồng bộ dữ liệu trên App của Smartphone

- Thiết kế, kết nối các linh kiện thành mô hình hoàn thiện

- Chạy thử nghiệm và cân chỉnh hệ thống

4 Sản phẩm: Mô hình giám sát điện năng AC, DC đơn giản

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

*** Tp Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 03 năm 2022

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Hoàng Nam

*** PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪ N Họ và tên Sinh viên: Nguyễn Hoàng Nam Bùi Văn Quốc MSSV: 18161113 MSSV: 18161137 Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện tử- Viễn thông Tên đề tài: Thiết kế và thi công đồng hồ đo điện năng AC, DC giám sát dữ liệu trên Internet Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: GVC.ThS Trương Ngọc Anh NHẬN XÉT 1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm: ………

………

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

5 Đánh giá loại:

6 Điểm:……….(Bằng chữ: )

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng 07 năm 2022.

Giáo viên hướng dẫn

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

*** PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ và tên Sinh viên: Nguyễn Hoàng Nam Bùi Văn Quốc MSSV: 18161113 MSSV: 18161137 Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện tử- Viễn thông Tên đề tài: Thiết kế và thi công đồng hồ đo điện năng AC, DC giám sát dữ liệu trên Internet Họ và tên Giáo viên phản biện:

NHẬN XÉT 1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

Nhóm cam đoan rằng những báo cáo này được làm từ kiến thức tổng quát vàchuyên ngành của nhóm tích lũy trong quá trình học tập và rèn luyện Bên cạnh đó,nhóm tìm hiểu từ nhiều nguồn tài liệu để hoàn thành đề tài Các kết quả nghiên cứu

và kết luận trong báo cáo là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào

Người thực hiện đề tài

Nguyễn Hoàng Nam Bùi Văn Quốc

i

LỜI CẢM ƠN

Lời nói đầu tiên nhóm em xin gửi lời cảm ơn chân thành và lòng tri ân sâu sắc

đến Thầy Trương Ngọc Anh Thầy đã dành ra khoảng thời gian quý báu trực tiếp

hướng dẫn và tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện để nhóm hoàn thành tốt đề tài Bêncạnh đó, nhóm cũng xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô trường Đại học Sư phạm

Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh nói chung và quý Thầy Cô khoa Điện – Điện tửnói riêng cùng với tri thức và tâm huyết của mình đã truyền đạt những kiến thức quýbáu, tạo dựng nền móng đầu tiên cho chúng em có sơ sở cũng như những kiến thứccần thiết trong suốt thời gian học tập tại trường, nhờ đó nhóm đã hoàn thành tốt ĐềTài này

Và đặc biệt nhóm cũng xin chân thành gửi lời cảm ơn đến các bạn sinh viêncùng lớp 18161CLDT đã chia sẻ, trao đổi kiến thức, kinh nghiệm quý báu của mình

để góp phần giúp nhóm hoàn thành đề tài tốt hơn Cuối cùng, nhóm xin phép đượccảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn bên cạnh hỗ trợ, động viên nhóm cả về mặt tinhthần lẫn tài chính trong suốt thời gian nhóm thực hiện đề tài

Xin chân thành cảm ơn !

Người thực hiện đề tài

Nguyễn Hoàng Nam Bùi Văn Quốc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 5

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN 6

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU viii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH BIỂU ĐỒ ix

TÓM TẮT xiii

SUMMARY xiv

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 2

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3

1.5 BỐ CỤC ĐỒ ÁN 3

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 TẦM QUAN TRỌNG CỦA VIỆC QUẢN LÝ ĐIỆN NĂNG 4

2.2 GIỚI THIỆU VỀ MỘT SỐ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ QUẢN LÝ ĐIỆN NĂNG TỪ XA TRONG THỰC TẾ 4

2.2.1 Hệ thống giám sát và quản lý điện năng ứng dụng SCADA 4

iii

2.2.2 Đồng hồ phân tích chất lượng điện năng (SFERE 720C) cho các hệ

thống giám sát điện thông minh, chất lượng cao 6

2.3 CÔNG NGHỆ IoTs 8

2.3.1 Khái niệm IoTs 8

2.3.2 Giao thức kết nối WiFi 8

2.4 CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU MODBUS RTU 9

2.5 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 11

2.5.1 Module đo thông số điện xoay chiều PZEM-004T 11

2.5.2 Cảm biến dòng điện PZCT-02 100A 16

2.5.3 Module đo thông số điện một chiều PZEM-017 18

2.5.4 Điện trở Shunt 100A 75mV 20

2.5.5 Module giao tiếp TTL RS485 21

2.5.6 Module chuyển tiếp giao tiếp LCD sang I2C 24

2.6 Giới thiệu phần mềm 26

2.6.1 Phần mềm lập trình Arduino IDE 1.8.19 26

2.6.2 Phần mềm thiết kế mạch Proteus 28

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG 51

3.1 GIỚI THIỆU 51

3.2 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 51

3.2.1 Sơ đồ khối của hệ thống 51

3.2.7 Khối Web 59

3.3 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ TOÀN MẠCH 62

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG 61

4.1 GIỚI THIỆU 61

4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG 61

4.2.1 Mô hình mạch in PCB 61

4.2.2 Lắp ráp mô hình hệ thống 61

4.3 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT HỆ THỐNG 65

4.3.1 Lưu đồ giải thuật chương trình chính 65

4.3.2 Lưu đồ giải thuật chương trình con đưa dữ liệu lên Blynk 66

4.4 HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ GIAO DIỆN TRÊN PHẦN MỀM BLYNK 67

4.5 HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ GIAO DIỆN TRÊN BLYNK APP 79

4.6 HƯỚNG DẪN LƯU TRỮ DỮ LIỆU TRÊN GOOGLE SHEETS 89

4.6.1 Giới thiệu về Google Sheets 89

4.6.2 Các bước cần để đưa dữ liệu lên Google Sheets 89

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC HIỆN 97

5.1 KẾT QUẢ PHẦN CỨNG 97

5.2 KẾT QUẢ PHẦN MỀM 106

5.2.1 Kết quả chạy trên phần mềm Blynk Cloud 106

5.2.2 Kết quả chạy trên App Blynk 108

5.2.3 Kết quả giám sát dữ liệu trên Google Sheets 110

5.2.4 Một số phần mềm thương mại có chức năng tương tự 111

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 103

v

6.1 KẾT LUẬN 103

6.1.1 Ưu điểm 103

6.1.2 Khuyết điểm 103

6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 103

TÀI LIỆU THAM KHẢO 104

PHỤ LỤC 105

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của PZEM-004T 12

Bảng 2.2 Bảng sắp xếp thứ tự thanh ghi 14

Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật Cảm biến dòng điện PZCT-2 100A 17

Bảng 2.4 Bảng thông số kỹ thuật của PZEM-017 18

Bảng 2.5 Bảng thông số kỹ thuật của module RS-485 22

Bảng 2.6 Bảng chức năng các chân của I2C 24

Bảng 2.7 Bảng địa chỉ module giao tiếp I2C 25

Bảng 3.1 Bảng so sánh các loại PZEM đo điện năng AC 53

Bảng 3.2 Bảng so sánh các loại PZEM đo điện năng DC 55

Bảng 3.3 Bảng so sánh giữa Esp32 với Esp8266 56

Bảng 3.4 Bảng thông số điện áp và dòng tiêu thụ các linh kiện trong hệ thống 57

Bảng 5.1 Bảng kết quả kiểm tra dòng và áp của điện năng AC bằng VOM 99

Bảng 5.2 Bảng kết quả kiểm tra dòng và áp của điện năng AC bằng VOM 105

Hình 2.1 Mô hình hệ thống giám sát điện năng SCADA 5

Hình 2.2 Đồng hồ SFERE 720C thực tế 7

Hình 2.3 Giao diện phần mềm Eplan 7

Hình 2.4 Mô phỏng kết nối giữa Modbus RTU Master- Modbus RTU Slaves 9

Hình 2.5 Kết nối phần cứng để sử dụng vi điều khiển chuẩn TTL với các thiết bị Modbus RTU 10

Hình 2.6 Hình ảnh thực tế PZEM-004T 11

Hình 2.7 Sơ đồ nối dây của PZEM-004T 12

Hình 2.8 Sơ đồ khối xử lý của module PZEM-004T-100A 16

Hình 2.9 Hình ảnh thực tế Cảm biến dòng điện PZCT-02- 100A 16

Hình 2.10 Hình ảnh PZEM-017 thực tế 18

Hình 2.11 Sơ đồ khối xử lý của module PZEM-004T-100A 19

Hình 2.12 Hình ảnh thực tế điện trở Shunt 100A-75mV 20

Hình 2.13 Hình ảnh module TTL RS-485 thực tế 21

Hình 2.14 Sơ đồ nguyên lý module RS-485 21

Hình 2.15 Mô tả giao tiếp của module RS485 23

Hình 2.16 Hình ảnh thực tế module giao tiếp I2C 24

Hình 2.17 Giao diện phần mềm sau khi cài đặt 26

Hình 2.18 Hình ảnh khi biên dịch chương trình thành công 27

Hình 2.19 Màn hình khởi động của Proteus 8.12 28

Hình 2.20 Biểu tượng Schematic Capture 29

Hình 2.21 Cửa sổ làm việc của phần thiết kế mạch nguyên lý 29

Hình 2.22 Biểu tượng nút Component Mode 30

Hình 2.23 Biểu tượng chữ P 30

Hình 2.25 Thanh Block Move 32

Hình 2.26 Cửa sổ lệnh xoay linh kiện 32

Hình 2.27 Cửa sổ xóa linh kiện 33

Hình 2.28 Cửa sổ thay đổi thông số kỹ thuật của linh kiện 33

ix

Hình 2.29 Cửa sổ làm việc của phần thiết kế PCB 34

Hình 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống 51

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý khối đo điện năng AC 54

Hình 3.3 Sơ đồ kết nối thực tế PZEM-004T với Esp8266 54

Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý khối đo điện năng DC 55

Hình 3.5 Sơ đồ kết nối PZEM 017 với Esp8266 qua module RS485 56

Hình 3.4: Adapter 5V-1A 58

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý LCD 20x4 với Node MCU Esp8266 58

Hình 3.6 Kết nối LCD 20x4 với Node MCU Esp8266 59

Hình 3.7 Sự tiện lợi của Blynk trên đa nền tảng 60

Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 62

Hình 3.9 Mặt ngoài mô hình thiết bị 63

Hình 4.1 Mạch in PCB vẽ trên Proteus 61

Hình 4.2 Mặt trên của mô hình 62

Hình 4.3 Mặt bên của mô hình 63

Hình 4.4 Hình ảnh bên trong mô hình 64

Hình 4.5 Lưu đồ thuật toán chương trình chính Node trung tâm 65

Hình 4.6 Lưu đồ chương trình con đưa dữ liệu lên Blynk 66

Hình 4.7 Tạo tài khoản cho bảng điều khiển Blynk Online 67

Hình 4.8 Tạo mật khẩu cho bảng điều khiển Blynk Online 68

Hình 4.9 Đăng nhập vào tài khoản Blynk 69

Hình 4.10 Khởi tạo một ứng dụng mới 69

Hình 4.11 Thiết lập ứng dụng trên Blynk 70

Hình 4.12 Tạo một Datasteams mới 70

Hình 4.19 Cấu hình cho Chart 75

Hình 4.20 Bảng điều khiển hoàn thiện 76

Hình 4.21 Ký hiệu “Search” 76

Hình 4.22 Tạo một Device mới 77

Hình 4.23 From template 77

Hình 4.24 Tên Template và Device 78

Hình 4.25 ID, Device Name, mã Auth_Token 78

Hình 4.26 App Blynk 79

Hình 4.27 Giao diện đăng nhập app Blynk 80

Hình 4.28 Đăng nhập app Blynk 81

Hình 4.29 Giao diện sau khi đăng nhập 82

Hình 4.30 Chọn biểu tượng cờ lê 83

Hình 4.31 Chọn biểu tượng dấu “+” 83

Hình 4.32 Widget Box 84

Hình 4.33 Giao diện kéo thả các Widgets 85

Hình 4.34 Thiết lập giá trị cho Widget 86

Hình 4.35 Giao diện sau khi thiết kế 87

Hình 4.36 Giao diện giám sát dự án 88

Hình 4.37 Chọn trang tính của google 89

Hình 4.38 Tạo trang tính trống 90

Hình 4.39 Thiết lập các thông tin 90

Hình 4.40 Apps Script 91

Hình 4.41 Giao diện dự án 91

Hình 4.42 Sheet ID 92

Hình 4.43 Thay đổi Sheet ID 92

Hình 4.44 Code Apps Script 93

Hình 4.45 Triển khai, Tùy chọn triển khai mới 94

Hình 4.46 Cấu hình cho Tùy chọn triển khai mới 94

xi

Hình 4.47 ID triển khai 95

Hình 4.48 Bảng tính khi đã hoàn chỉnh 96

Hình 5.1 Hình ảnh hệ thống giám sát chưa gắn tải 97

Hình 5.2 Kiểm tra điện áp của điện năng AC bằng VOM lần 1 98

Hình 5.3 Kiểm tra dòng điện của điện năng AC bằng VOM lần 1 98

Hình 5.4 Kiểm tra điện áp của điện năng AC bằng VOM lần 2 99

Hình 5.5 Kiểm tra dòng điện của điện năng AC bằng VOM lần 2 99

Hình 5.6 Kiểm tra điện áp của điện năng AC bằng VOM lần 3 100

Hình 5.7 Kiểm tra dòng điện của điện năng AC bằng VOM lần 3 100

Hình 5.8 Kiểm tra điện áp của điện năng DC bằng VOM lần 1 102

Hình 5.9 Kiểm tra dòng của điện năng DC bằng VOM lần 1 102

Hình 5.10 Kiểm tra điện áp của điện năng DC bằng VOM lần 2 103

Hình 5.11 Kiểm tra dòng điện của điện năng DC bằng VOM lần 2 103

Hình 5.12 Kiểm tra điện áp điện năng DC bằng VOM lần 3 104

Hình 5.13 Kiểm tra dòng điện điện năng DC bằng VOM lần 3 104

Hình 5.14 Dữ liệu gửi điện năng của AC,DC dạng số liệu 106

Hình 5.15 Dữ liệu điện năng của AC, DC dạng biểu đồ 107

Hình 5.16 Dữ liệu điện năng AC, DC dạng vòng cung 107

Hình 5.17 Dữ liệu điện năng AC, DC trên App Blynk 108

Hình 5.18 App Blynk trên 2 nền tảng iOS và Androids 109

Hình 5.19 Giám sát trên 2 nền tảng Androids và iOS 109

Hình 5.20 Các giá trị điện năng được lưu trên Google Sheets 110

Hình 5.21 Giao diện phần mềm giám sát năng lượng Globiots 111

Hình 5.22 Giao diện phần mềm giám sát năng lượng Globiots 111

Với việc khoa học kỹ thuật ngày một phát triển, máy móc hiện đại phục vụ trongcông nghiệp cũng như đời sống con người ngày một tăng cao dẫn đến nhu cầu quản

lý, giám sát điện năng tăng Cụ thể là các thông số: điện áp, dòng điện, công suất vàđặc biệt là công suất tiêu thụ điện của thiết bị Mặc dù vấn đề này đã được nghiêncứu và cũng đã có một vài hệ thống quản lý giám sát điện năng ra đời nhưng đa sốđều được lắp đặt với chi phí cao và hạn chế truy cập từ xa nên chỉ dùng chủ yếutrong các khu công nghiệp mà chưa được áp dụng rộng rãi trong đời sống Trongthời đại số hóa, một thế giới mà điện thoại thông minh, máy tính,…là công cụ hỗ trợđắt giá trong sinh hoạt và công việc của con người thì việc quản lý, giám sát điệnnăng từ xa là điều cần thiết để tìm ra hướng tiết kiệm kinh tế phục vụ người dân, cácnhà quản lý, công ty điện lực

Với mong muốn giải quyết vấn đề giám sát điện năng cho người dân, tìm rahướng đi mới cho ngành điện Việt Nam, nhóm em đã lựa chọn và nghiên cứu, thựchiện đề tài “Thiết kế đồng hồ đo điện năng AC, DC giám sát dữ liệu trên Inrternet”.Điểm nổi bật của đề tài này giám sát được cùng lúc 2 loại điện năng, kiểm soát đượcđiện năng tiêu thụ của nhiều tải thông qua việc đo, lưu trữ dữ liệu trên web server vàtrên app smartphone thuận tiện giám sát từ xa

xiii

With the development of science and technology, modern machinery serving inindustry as well as human life is increasing day by day, leading to an increase indemand for power management and monitoring Specifically the parameters: voltage,current, capacity and especially power consumption of the device Although this issuehas been studied and there have been a few power monitoring management systems,most of them are installed with high cost and limited remote access, so they are usedmainly in industrial zones that have not been widely applied in life In the digital age, aworld where smartphones, computers, etc are valuable tools to support people's dailylife and work, remote power management and monitoring is essential to find outeconomic saving direction to serve people, managers, and power companies

With the desire to solve the problem of electricity monitoring for people andfind a new direction for Vietnam's electricity industry, my group has selected,researched and implemented the topic "Designing AC and DC power metersmonitoring data on the Internet” The highlight of this topic is to monitor 2 types ofelectricity at the same time, control the power consumption of many loads throughmeasuring and storing data on a web server and on a smartphone app for convenientmonitoring away from home

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Công nghệ IoTs (Internet of things) đang là xu thế phát triển đối với các tậpđoàn công nghệ trên thế giới IoTs cơ bản là sự kết nối của các thiết bị với Internet,trong đó các thiết bị điện phải giao tiếp với nhau và giao tiếp với máy tính bảngcũng như Internet để tạo thành một hệ thống thông minh trao đổi dữ liệu, điều khiểnlẫn nhau IoTs đang trở thành xu hướng công nghệ ảnh hưởng ngày càng lớn tới đờisống của cả thế giới và có ứng dụng vô cùng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực trongtương lai, trong đó có ngành Điện

Sử dụng IoTs trong ngành Điện gồm kiểm soát giám sát, thu thập dữ liệu(SCADA,…) và cơ sở hạ tầng (AMI) IoTs có thể nâng cao hiệu suất và hiệu quảcủa lưới điện trong 3 khâu: thu thập dữ liệu từ cảm biến để cải thiện khả năng phụchồi của lưới điện, thông qua các tiện ích sử dụng dữ liệu đó để chủ động quản lý vàphân bổ các nguồn lực, tối ưu hóa việc sử dụng và cung cấp điện Có thể thấy một

hệ thống quản lý công nghệ truyền thông tiên tiến giúp cho việc giám sát – vận hànhđược dễ dàng, giảm chi phí nhân công và gia tăng độ tin cậy cho các doanh nghiệp.Các dữ liệu, thông tin được truyền về máy tính trung tâm và sao lưu giúp việc quản

lý dễ dàng và hiệu quả hơn Phần mềm có giao diện trực quan, đơn giản sẽ hỗ trợquản lý vận hành và truy xuất dữ liệu một cách nhanh chóng thuận lợi Tuy nhiênhiện nay, nhiều doanh nghiệp trong nước vẫn chưa thể đưa vào vận hành công nghệnày do không đủ kinh phí dẫn đến tình trạng hao hụt, quá tải xảy ra dẫn đến mất máthoặc xảy ra thiệt hại nghiêm trọng trong quá trình vận hành sản xuất

Từ những điều trên, với mong muốn tạo ra một hệ thống giám sát điện năngđơn giản, hiệu quả cao, tìm ra hướng đi mới cho các doanh nghiệp nói riêng vàngành Điện nói chung, cùng với đó là sự định hướng của thầy Trương Ngọc Anh,nhóm em đã quyết định lựa chọn nghiên cứu đề tài “Thiết kế và thi công đồng hồ đođiện năng AC, DC giám sát dữ liệu qua Internet”

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Luận án đã khảo sát các phương pháp giám sát điện năng điển hình trước đâythông qua Internet như dùng module sim kết hợp RS232 qua cổng truyền thông RS485theo phương thức truyền thông Modbus RTU, tuy nhiên thực tế mạng GSM sẽ gặp phảinhững khó khăn như việc bị trễ tin nhắn do nghẽn mạng, kẹt mạng hay những nơi cósóng GSM yếu và chỉ giám sát được trên máy tính Những phương pháp khác như dùngphần mềm Acuview giám sát điện năng thông qua đồng hồ đo điện năng đa năngMutimeter ACUVIM hoặc giám sát điện năng sử dụng PLC S7-400 thông qua giaodiện WINCC đều có giá thành cao rất tốn kém Để khắc phục các nhược điểm trên, đềtài “Thiết kế và thi công đồng hồ đo điện năng AC, DC giám sát dữ liệu trên Internet”tập trung nghiên cứu việc giao tiếp với các thiết bị điện qua Internet dùng công nghệIoTs, góp phần hỗ trợ cho công tác giám sát và quản lý điện năng từ xa, sử dụng bộ viđiều khiển kết hợp với việc truyền dữ liệu qua WiFi, giúp đo ghi dữ liệu từ xa, màkhông bị hạn chế khoảng cách truyền dữ liệu

1.2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

Thiết kế, thi công hệ thống tích hợp giám sát điện năng từ xa các thông sốnguồn AC và DC gồm: dòng điện, điện áp, tần số, công suất tiêu thụ,… của thiết bịđiện và giám sát được trên nền tảng Web và App điện thoại từ mọi nơi có Internet

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Quá trình thực hiện đồ án thông qua 8 nội dung nghiên cứu sau:

- Nội dung 1: Tìm hiểu và tham khảo các tài liệu, giáo trình, nghiên cứu

các chủ đề, các nội dung liên quan đến đề tài

- Nội dung 2: Lập trình giao tiếp với module PZEM004T, PZEM017 để đo

các thông số điện năng

- Nội dung 3: Viết chương trình cho ESP8266 gửi dữ liệu lên Web và đồng

- Nội dung 7: Chạy thử nghiệm và cân chỉnh hệ thống.

- Nội dung 8: Viết báo cáo luận án.

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Phương pháp điều tra khảo sát: Tiến hành nghiên cứu khảo sát về tình hình

và nhu cầu ứng dụng của đề tài trong thực tế, đề ra mục tiêu cụ thể

Phương pháp chọn mẫu: Chọn mẫu có chủ đích có ứng dụng thực tế cao đápứng được mục tiêu đề ra của đề tài

Phương pháp thử nghiệm: Tiến hành thử nghiệm, kiểm tra và điều chỉnh hoạtđộng của mô hình

1.5 BỐ CỤC ĐỒ ÁN

Chương 1: Tổng quan: Trình bày lí do chọn đề tài, tình hình nghiên cứu

trong và ngoài nước, mục tiêu hướng tới, phương pháp nghiên cứu của đề tài và bốcục đồ án

Chương 2: Cơ sở lí thuyết: Trình bày tóm tắt cơ sở lí thuyết sẽ sử dụng để

giải quyết vấn đề

Chương 3: Thiết kế và xây dựng hệ thống: Trình bày yêu cầu, sơ đồ khối hệ

thống, hoạt động của hệ thống, tính toán và thiết kế phần cứng và phần mềm

Chương 4: Thi công hệ thống: Trình bày các bước thi công phần cứng cũng

như thiết kế phần mềm của hệ thống thực tế đã làm trong quá trình nghiên cứu

Chương 5: Kết quả, nhận xét, đánh giá: Mô tả kết quả đạt được, nêu những

vấn đề chưa được giải quyết

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển: Đưa ra kết luận là đã hoàn thành

theo như mục tiêu đề ra hay chưa, nêu hướng phát triển của đề tài

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 TẦM QUAN TRỌNG CỦA VIỆC QUẢN LÝ ĐIỆN NĂNG

Trong cuộc sống, giám sát chất lượng điện năng là hệ thống mang nhiều lợiích cho người dân Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng hầu hết các vấn đề xảy ra sự cố đều

do quá trình hoạt động sản xuất của người dân Chính vì vậy, việc giám sát chấtlượng điện năng sẽ cho khách hàng thấy được sớm các sự cố để kịp thời bảo trì bảodưỡng, tránh gây tổn thất lớn đến doanh nghiệp

Trong sản xuất, độ tin cậy và tính nhất quán của việc cung cấp điện là mộttrong những điều kiện quan trọng đối với hoạt động của các nhà máy sản xuất vàdịch vụ Các vấn đề bắt nguồn từ chất lượng điện kém, sụt áp hoặc sinh hài Do đó,việc lắp đặt một hệ thống giám sát điện năng sẽ giúp các doanh nghiệp:

- Giám sát và quản lý dòng điện chính xác rõ ràng, cho số liệu chi tiết, xuất báo cáo theo từng ngày, tháng cụ thể

- Thường xuyên cập nhật thông tin dữ liệu tiêu thụ của doanh nghiệp

- Cảnh báo sớm sự cố kịp thời, hạn chế việc hư hỏng thiết bị toàn hệ thống

- Giảm công sức kiểm tra trực tiếp, thay vào đó có thể kiểm soát từ xa

- Kéo dài tuổi thọ của các thiết bị điện một cách tối ưu

- Là cơ sở dữ liệu để xem xét để thay thế sử dụng các thiết bị tiết kiệm điện năng hiệu quả

2.2 GIỚI THIỆU VỀ MỘT SỐ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ QUẢN LÝ ĐIỆN NĂNG TỪ XA TRONG THỰC TẾ

2.2.1 Hệ thống giám sát và quản lý điện năng ứng dụng SCADA

Hệ thống SCADA giám sát và quản lý điện năng do ATSCADA Lab đề xuất

truyền tín hiệu với tốc độ cao Tiết kiệm chi phí kéo dây từ các vị trí đến trung tâmgiám sát.

Hình 2.1 Mô hình hệ thống giám sát điện năng SCADA.

Các tham số điện trong hệ thống sản xuất – hoạt động đều được đo bằng công

cụ, thiết bị đo đếm chuyên dụng, có khả năng kết nối với thiết bị ngoại vi để kết nốivào hệ thống SCADA giám sát và quản lý điện năng

Trong hệ thống giám sát và quản lý, phần mềm có giám sát cho phép ngườiquản lý có thể xem và thực hiện thao tác trực tiếp trên giao diện phần mềm

Các tham số được hiển thị trực quan dưới nhiều hình thức như dạng bảng sốliệu, đạng đ ồ thị Cho phép xem, thao tác và xuất báo cáo cơ sở dữ liệu theo thờigian, đối tượng cụ thể

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Lợi ích của việc áp dụng hệ thống SCADA giám sát và quản lý điện năng:

- Giám sát và quản lý tập trung toàn bộ hệ thống

- Xuất báo cáo hệ thống tự động theo đối tượng, theo thời gian, theo mẫu

- Tiết kiệm thời gian và chi phí nhân công giám sát tại chỗ

- Giảm tối đa các sai sót so với quá trình thực hiện giám sát thủ công

- Chủ động lên kế hoạch bảo trì, bảo dưỡng tránh thời gian cháy máy

- Đưa ra các quyết định hợp lý trong sữa chữa hoặc đầu tư mới để đạt hiệu quả tốt nhất

2.2.2 Đồng hồ phân tích chất lượng điện năng (SFERE 720C) cho các hệ

thống giám sát điện thông minh, chất lượng cao.

SFERE 720C là đồng hồ phân tích chất lượng điện năng được ứng dụng phổbiến và rồn rãi trong hệ thống giám sát điện Thiết bị hình vuông, cực kỳ nhỏ gọn.Cấu tạo đơn giản nên lắp đặt và sử dụng rất dễ dàng

SFERE 720C có thể được sử dụng làm thiết bị thu thập dữ liệu cho hệ thốngphân phối điện thông minh hoặc hệ thống tự động hóa nhà máy Tất cả dữ liệu đượcgiám sát có sẵn thông qua cổng giao tiếp kỹ thuật số RS485 tiêu chuẩn, dựa trên giaothức Modbus RTU hoặc các giao thức hỗ trợ khác như Modbus TCP/IP, Bacnet,…

Hình 2.2 Đồng hồ SFERE 720C thực tế.

SFERE 720C được đi kèm với phần mềm Eplan, cho phép người dùng có thểtheo dõi chất lượng điện ngay tại máy tính

Hình 2.3 Giao diện phần mềm Eplan.

Những dữ liệu hiển thị lên màn hình được lưu trữ trong lịch sử Đây là căn

cứ để người theo dõi phân tích điện năng có đang hoạt động quá tải, vượt định mứccho phép hay không và đưa ra những giải pháp phù hợp khi có sự cố xảy ra

Với các tính năng ưu điểm nổi bật kể trên, SFERE 720C được ứng dụng rộngrãi trong thu thập dữ liệu tại các tải, site và tụ điện Các hệ thống quản lý nănglượng, giám sát trực quan tại chỗ hoặc từ xa đã đưa thiết bị này để phục vụ cho côngviệc theo dõi, đánh giá thông số điện và mang về hiệu quả rất khả quan

* ( Sản phẩm chưa được phổ cập tại Việt Nam.)*

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.3 CÔNG NGHỆ IoTs

2.3.1 Khái niệm IoTs

IoTs (viết tắt của cụm Internet of things) là thuật ngữ dùng để chỉ các đốitượng có thể nhận biết cũng như sự tồn tại của chúng trong một kiến trúc mang tínhkết nối Đây là một viễn cảnh trong đó mọi vật, mọi con vật hoặc con người đượccung cấp các định danh và khả năng tự động truyền tải dữ liệu qua một mạng lưới

mà không cần sự tương tác giữa con người với con người hoặc con người với máytính IoTs tiến hóa từ sự hội tụ của các công nghệ không dây, hệ thống vi cơ điện tử(MEMS) và Internet Cụm từ này được đưa ra bởi Kevin Ashton vào năm 1999.Ông là một nhà khoa học đã sáng lập ra trung tâm Auto-ID đại học MIT

2.3.2 Giao thức kết nối WiFi

WiFi (Wireless Fidelity hay mạng 802.11) là hệ thống không dây sử dụngsóng vô tuyến, cũng giống như điện thoại di động, truyền hình và radio Kết nốiWiFi thường là sự lựa chọn hàng đầu của rất nhiều kỹ sư bởi tính thông dụng vàkinh tế của hệ thống WiFi và mạng LAN với mô hình kết nối trong một phạm vi địa

ở chỗ: chúng truyền và phát tín hiệu ở tần số 2.4 Hz hoặc 5 Hz Tần số này cao hơn

so với các tần số sử dụng cho điện thoại di đông, các thiết bị cầm tay và truyền hình.Tần số cao hơn cho phép tín hiệu mang theo nhiều dữ liệu hơn

- Chuẩn: 802.11n

2.4 CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU MODBUS RTU

Giao thức Modbus RTU là một chuẩn truyền nối tiếp Trong một mạng giaotiếp các thiết bị sử dụng giao thức Modbus RTU, các cảm biến hoặc các cơ cấu chấphành thường đảm nhiệm vai trò là Slave; các thiết bị như máy tính, PlC, vi điềukhiển, thiết bị HMI,…có thể là các thiết bị Master, nhưng đôi khi chúng cũng có thểđóng vai trò là các Slave

Hình 2.4 Mô phỏng kết nối giữa Modbus RTU Master- Modbus RTU Slaves

Khung truyền của giao thức Modbus RTU xây dựng trên giao thức truyềnthông nối tiếp UART Giao thức UART cũng là một giao thức truyền thông nối tiếp,được sử dụng trong vi điều khiển, nó định nghĩa cấu tạo của một gói tin Và nộidung của các tin nhắn Modbus được xây dựng bằng nhiều gói tin ghép lại

Một bản tin Modbus RTU bao gồm: 1 byte địa chỉ - 1 byte mã hàm – n byte

dữ liệu – 2 byte CRC Chức năng và vai trò cụ thể như sau:

- Byte địa chỉ: xác định thiết bị mang địa chỉ được nhận dữ liệu (đối vớiSlave) hoặc dữ liệu nhận được từ địa chỉ vào (đối với Master) Địa chỉ đượcquy định từ 0-254

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

- Byte mã hàm: được quy định từ Master, xác định yêu cầu dữ liệu từ thiết bịSlave

- Byte dữ liệu: xác định dữ liệu trao đổi giữa Master và Slave

Đọc dữ liệu:

Master: 2 byte địa chỉ dữ liệu – 2 byte độ dài dữ liệu

Slave: 2 byte địa chỉ dữ liệu – 2 byte độ dài dữ liệu – n byte

dữ liệu đọc được

Ghi dữ liệu:

Master: 2 byte địa chỉ dữ liệu – 2 byte độ dài dữ liệu – n byte

dữ liệu cần ghi

Slave: 2 byte địa chỉ dữ liệu – 2 byte độ dài dữ liệu

- Byte CRC: 2 byte kiểm tra lỗi của hàm truyền, cách tính giá trị của Byte CRC

16 bit

Tín hiệu của giao thức UART sử dụng trong vi điều khiển dùng chuẩn TTLhoặc chuẩn CMOS Vì vậy, khi ta muốn sử dụng vi điều khiển để giao tiếp với cácthiết bị sử dụng giao thức Modbus RTU thì chúng ta cần có mạch chuyển đổiTTL/CMOS-RS232 hoặc TTL/CMOS-RS485

2.5 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG

Hệ thống được thiết kế có sử dụng các module, các thiết bị sau:

 Thiết bị đầu vào cảm biến dòng điện PZCT-2 100A và module đo điện

áp PZEM-004T, PZEM017.

 Module giúp chuyển đổi điện áp TTL sang giao tiếp RS-485.

 Thiết bị đầu ra LCD 16x02.

 Thiết bị xử lý trung tâm là vi điều khiển node MCU ESP8266.

 Các chuẩn truyền dữ liệu I2C, Internet.

 Thiết bị cung cấp nguồn 5V thông qua mạch nguồn thiết kế.

 Nguồn ắc quy(12V) / pin cell 3,7V.

 Thiết bị giao diện giám sát websever gồm laptop, smartphone.

2.5.1 Module đo thông số điện xoay chiều PZEM-004T

Module PZEM-004T đem lại rất nhiều tính năng như đo áp, đo dòng, đođược công suất của các thiết bị điện gia đình, ngoài ra còn có cả bộ nhớ để lưu trữgiá trị chỉ số tiêu thụ điện (như công tơ điện) Không những nhiều tính năng mà cácthông số đo đạt cũng khá chính xác, hoàn thiện tương đối tốt Nhưng PZEM-004Tlại không có màn hình để hiển thị trực tiếp mà truyền các giá trị đo qua giao tiếpUART với máy tính hoặc các vi xử lý

Hình 2.6 Hình ảnh thực tế PZEM-004T

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.7 Sơ đồ nối dây của PZEM-004T

Công suất đo

Chuẩn giao tiếp

Phương thức kết nối của module cũng rất đơn giản, có tổng cộng 8 ngõ, 4ngõ dành cho điện áp AC (bên phải hình 2.7) và 4 ngõ bên phải dành cho giao tiếpvới các thiết bị khác sử dụng điện áp DC (bên trái hình 2.7) Ngoài ra, để đảm bảo

an toàn, nhà sản xuất còn sử dụng Opto quang để cách ly giữa điện áp AC và DC.Các cổng giao tiếp với thiết bị xử lý gồm 2 chân nguồn GND và 5V, 2 chân TX, RX

để giao tiếp UART Các cổng còn lại gồm 2 chân để kết nối trực tiếp với điện lưới,

Phương pháp xử lí dữ liệu với PZEM004T

Hiện tại module đã có thư viện Arduino hỗ trợ rất tốt Nhưng để làm việc vớimodule PZEM-004T một cách chuyên nghiệp hơn, ta phải làm quen việc xử lý dữ liệutrên các thanh ghi của nó Mỗi thanh ghi có 8 bit dữ liệu (1 byte), tương ứng với 8 bit

dữ liệu truyền nối tiếp trên giao tiếp UART của module Byte đầu tiên truyền vào luônluôn là địa chỉ của module, địa chỉ của module có giá trị trong khoảng 0x01

– 0xF7 Các byte phía sau thì tuỳ vào chức năng mà người dùng muốn giao tiếp với

nó Cụ thể:

Cấu trúc lệnh để vi xử lý có thể yêu cầu module gửi kết quả đo là:

“Địa chỉ module + 0x04 + 2 byte địa chỉ thanh ghi + 2 byte số lượng thanh ghi + 2 byte CRC kiểm tra.”

Địa chỉ thanh ghi (2 bytes): địa chỉ thanh ghi đầu tiên để lấy dữ liệu

Số lượng thanh ghi (2 bytes): số lượng thanh ghi yêu cầu module gửi

CRC kiểm tra (2 bytes): bit kiểm tra dữ liệu của phần cứng

Cấu trúc lệnh module trả về cho vi xử lý:

“Địa chỉ module + 0x04 + 1 byte số lượng thanh ghi + 2 byte dữ liệu + byte

dữ liệu + … + 2 byte CRC kiểm tra.”

Số lượng thanh ghi (1 byte): báo số lượng thanh ghi (số byte) của dữliệu đo mà module sẽ gửi.

Byte dữ liệu: lần lượt các byte dữ liệu đo như điện áp, dòng điện, công suất,…sẽ được sắp xếp nối tiếp nhau theo bảng bên dưới

CRC kiểm tra (2 bytes): bit kiểm tra dữ liệu của phần cứng

*Để hiểu rõ hơn ta có thể lấy 1 ví dụ:

Vi xử lý sẽ gửi 1 chuỗi giá trị như sau:

“0x01 + 0x04 + 0x00 + 0x00 + 0x00 + 0x09 + 0xHH + 0xLL”

Như vậy, ta sẽ phân tích:

0x01: địa chỉ mặc định của module

0x04: báo hiệu truyền nhận dữ liệu đo

0x00 + 0x00: 2 bytes cho biết địa chỉ đầu tiên muốn nhận dữ liệu

0x00 + 0x09: cho biết vi xử lý muốn nhận 9 thanh ghi dữ liệu.

0xHH + 0xLL: ký hiệu cho CRC check byte Phần này do module tựthực hiện, người thiết kế không cần quan tâm

Sau đó, module sẽ trả về 1 chuỗi giá trị như sau:

“0x01 + 0x04 + 0x + 0x08 + 0x98 + 0x03 + 0xE8 + 0x00 + 0x00 +0x08 + 0x98 + 0x00 + 0x00 + 0x00 + 0x00 + 0x00 + 0x00 + 0x01 +0xF4 + 0x00 + 0x64 + 0xHH + 0xLL”

0x01: địa chỉ mặc định của module

0x04: báo hiệu truyền nhận dữ liệu đo

0x : có tổng cộng … thanh ghi dữ liệu được gửi đi

0x08 + 0x98: giá trị điện áp, ghép lại được 16 bit có giá trị là 0x0898 chuyển sang thập phân là 2200 nên giá trị điện áp là 220,0V

0x03 + 0xE8 + 0x00 + 0x00: giá trị dòng điện, ghép lại được 32 bit:0x000003E8 chuyển sang thập phân là 1000 nên giá trị dòng điện là1A

0x08 + 0x98 + 0x00 + 0x00: giá trị công suất, ghép lại được 32 bit:0x00000898 chuyển sang thập phân là 2200 nên giá trị công suất là220,0W

0x00 + 0x00 + 0x00 + 0x00: giá trị số chỉ tiêu thụ, ghép lại được 32 bit: 0x00000000 chuyển sang thập phân là 0 nên giá trị số chỉ là 0kWh

0x01 + 0xF4: giá trị tần số, ghép lại được 16 bit: 0x01F4 chuyển sang thập phân là 500 nên giá trị tần số là 50,0Hz

0x00 + 0x64: giá trị hệ số công suất, ghép lại được 16 bit: 0x0064 chuyển sang thập phân là 100 nên giá trị hệ số công suất là 1,00

0xHH + 0xLL: ký hiệu cho CRC check byte Phần này do module tựthực hiện, người thiết kế không cần quan tâm

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Cấu trúc lệnh để reset giá trị số chỉ tiêu thụ:

“Địa chỉ module + 0x42 + 2 byte CRC kiểm tra”

Cũng như trên nhưng khác ở chỗ thay 0x04 thành 0x42 để báo cho module xoá dữ liệu số chỉ được lưu trong thanh ghi

Hình 2.8 Sơ đồ khối xử lý của module PZEM-004T-100A.

2.5.2 Cảm biến dòng điện PZCT-02 100A

Hình 2.9 Hình ảnh thực tế Cảm biến dòng điện PZCT-02- 100A.