Giám sát điện năng qua internet

Chúng ta có thể dùng máy vi tính hoặc thiết bị di động có hỗ trợ duyệt web là có thể quan sát được các thông số của hệ thống điện nhà máy của mình.. Để khắc phục các nhược điểm trên, đề

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Tp Hồ Chí Minh - 7/2018

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH -

Tp Hồ Chí Minh - 7/2018

dụng vào thực tế

2 Nội dung thực hiện:

- Tìm hiểu về công nghê ̣ kết nối IoT

- Các chuẩn truyền thông I2C, UART

- Lập trình giao tiếp với module PZEM004T để đo các thông số điê ̣n năng

- Lập trình cho module wifi ESP8266 12E trên Arduino IDE, gửi dữ liê ̣u lên Web

- Ứng dụng IoT điều khiển, giám sát từ xa

- Kết nối mạch phần cứng giữa module PZEM004T, ESP8266, LCD

- Thiết kế và thi công mô hình thiết bi ̣ hoàn thiện

- Chạy thử nghiệm và cân chỉnh hệ thống

3 Phương pha ́ p nghiên cứu

Tìm hiểu tham khảo các tài liê ̣u có liên quan về hai mảng chính của đề tài: Cấu trú c ma ̣ch và ứng du ̣ng của esp8266

Phương pháp thực nghiê ̣m kiểm chứng: Sau khi đã xây dựng xong cơ sở lý

nghiệm trên mô hình để đưa ra kết luâ ̣n

4 Pha ̣m vi nghiên cứu

Đề tài này nghiên cứu thiết kế đồng hồ đo điê ̣n năng kết hợp với viê ̣c thu thâ ̣p

dữ liêu và gửi lên ứng du ̣ng điều khiển từ xa Cayenne trên nền IoT

5 Pha ̣m vi ứng du ̣ng

Đề tài là mô hình thu nhỏ, tuy nhiên nó sẽ được ứng du ̣ng rô ̣ng rãi trong các môi trường khác nhau như các doanh nghiê ̣p vừa và nhỏ, nhà xưởng, trang tra ̣i, hô ̣ gia đình

V Họ và tên cán bộ hướng dẫn: THS TRƯƠNG NGỌC ANH

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP-Y SINH

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

Tp HCM, ngày 01 tháng 04 năm 2018

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ tên sinh viên : Đoàn Trung Tín

Lớp: 14141DT1C MSSV: 14141318

Tên đề tài: GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG QUA INTERNET

GVHD

Tuần 2 Đăng kí đề tài, nhâ ̣n nhiê ̣m vu ̣ đồ án

Tuần 3 Phác thảo đồ án

Tuần 4 Tìm hiểu về công nghê ̣ IOT

Tuần 5 Giao tiếp với các module thực hiê ̣n đo điê ̣n năng

Tuần 6 Tìm hiểu cách thức giao tiếp của module wifi

NodeMCU ESP8266

Tuần 7 Giao tiếp với module wifi NodeMCU ESP8266 gửi

dữ liê ̣u lên Cloud qua Internet

Tuần 8 Mở rô ̣ng ý tưởng giám sát điê ̣n năng hai thiết bi ̣

cù ng lúc qua Internet

Tuần 9, 10 Tìm hiểu cách thức câ ̣p nhâ ̣t và lưu la ̣i các giá tri ̣

điê ̣n năng đo được ta ̣i bất kì thời điểm

Tuần 11 Thiết kế, lựa cho ̣n các linh kiê ̣n xây dựng phần cứng

Tuần 12, 13 Kết nối phần cứng với phần mềm Kiểm tra, cân

chỉnh hê ̣ thống thiết bi ̣

Tuần 14 Thiết kế và lắp đă ̣t mô hình thiết bi ̣

Tuần 15-17 Điều chỉnh các chương trình, giao diê ̣n giám sát, tiến

hành mô phỏng Viết báo cáo luâ ̣n văn

Những nội dung trình bày trong luận văn là những kiến thức của cá nhân em tích lũy trong quá trình học tập, nghiên cứu, không sao chép lại một công trình nghiên cứu hay luận văn của bất cứ tác giả nào khác

Trong nội dung của luận văn, những phần em nghiên cứu, trích dẫn đều được nêu

trong phần các tài liệu tham khảo, có nguồn gốc, xuất xứ, tên tuổi của các tác giả, nhà xuất bản rõ ràng

Những điều em cam kết hoàn toàn là sự thật, nếu sai, em xin chịu mọi hình thức xử

lý kỷ luật theo quy định

Người thực hiện đề tài

Trong cuộc sống, cùng với những giây phút thành công, mỗi cá nhân cũng phải trải qua những giai đoạn khó khăn và mất định hướng Trong khoảng thời gian đó, song hành với sự nổ lực và bản lĩnh của cá nhân, sự giúp đỡ chân thành của những người thân và bạn bè xung quanh đóng một vai trò rất quan trọng để một con người có thể trở lại và bước tiếp vượt qua nghịch cảnh Suốt bốn năm học vừa qua, cùng với sự tự nỗ lực và học hỏi của bản thân, em cũng nhận được sự giúp đỡ từ rất nhiều phía, để hôm nay có thể hoàn thành quyển luận văn này và kết thúc một hành trình đáng nhớ, bắt đầu một chuyến phiêu lưu mới đầy thử thách nhưng cũng nhiều thú vị trong sự nghiệp tương lai

Trước hết, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến người Thầy kính mến - Thầy Trương Ngọc Anh - Giảng viên bộ môn Điê ̣n Tử Công Nghiê ̣p – Y Sinh, đã góp ý và hướng dẫn

em trong suốt thời gian thực hiện đề tài này từ lúc bắt đầu nhâ ̣n đồ án

Em xin cảm ơn các quý Thầy Cô đã giảng dạy em, đặc biệt là các Thầy Cô giáo khoa Điện – Điện tử

Cuối cùng, em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, những người luôn theo dõi, hỗ trợ về cả vật chất và tinh thần, là những người đã động viên, tiếp thêm động

lực và hỗ trợ giúp em trong những lúc khó khăn

Nhưng vì thời gian và kiến thức cũng như kinh nghiệm còn hạn chế nhiều nên không thể tránh khỏi những sai sót trong quá trình thực hiện đồ án Kính mong được sự thông cảm và góp ý của quý Thầy Cô để giúp cho đồ án được thành công tốt hơn nữa

Người thực hiện đề tài

Đoa ̀n Trung Tín

Danh Mục Các Từ Viết Tắt 1

Liê ̣t Kê Hình Ảnh 2

Liê ̣t Kê Bảng 5

Tóm Tắt 6

Chương 1 Tổng Quan 7

1.1 Đặt Vấn Đề 7

1.2 Mu ̣c Tiêu 8

1.3 Nô ̣i Dung Nghiên Cứu 8

1.4 Giơ ́ i Ha ̣n 8

1.5 Bô ́ Cu ̣c 8

Chương 2 Cơ Sở Lý Thuyết 10

2.1 Tâ ̀m Quan Tro ̣ng Của Quản Lý Và Giám Sát Năng Lượng 10

2.2 Giới Thiệu Một Số Hệ Thống Giám Sát Và Quản Lý Năng Lượng Từ Xa Trong Thực Tế 10

2.2.1 Hệ Thống Giám Sát Và Quản Lý Năng Lượng Từ Xa Qua Sóng Vô Tuyến Rf 10

2.2.2 Hệ Thống Giám Sát Và Quản Lý Năng Lượng Từ Xa Qua Bộ Truyền Tải Tín Hiệu Thông Qua Đường Dây Điện 11

2.3 Công Nghê ̣ Iot 13

2.3.1 Giao Thư ́ c Kết Nối 14

2.3.2 Giao Thức Truyền Tải Dữ Liệu 15

2.4 Các Chuẩn Truyền Dữ Liệu 16

2.4.1 Giao Tiếp I2c 16

2.4.2 Giao Tiếp Uart 21

2.5 Giới Thiệu Phần Cứng 23

2.5.1 Module Nodemcu Esp8266 Wifi V1.0 23

2.5.2 Module Pzem004t 29

2.5.3 Ma ̀n Hình Lcd 20x4 33

2.5.4 Module Chuyển Đổi Giao Tiếp I2c 34

2.5.5 Ma ̣ch Chuyển Đổi Mức Điê ̣n Thế 4 Kênh 36

2.5.6 Module Nguô ̀n Chuyển Đổi Ac- Dc 37

3.1 Giới Thiệu 39

3.2 Tính Toán Và Thiết Kế Hệ Thống 39

3.2.2 Thiết Kế Sơ Đồ Khối Hệ Thống 40

4.2 Thi Công Hệ Thống 47

4.2.1 Thi Công Bo Mạch 47

4.2.2 Lă ́p Ráp Và Kiểm Tra 49

4.3 Đóng Gói Và Thi Công Mô Hình 50

4.3.1 Đóng Gói Bộ Điều Khiển 50

4.3.2 Thi Công Mô Hình 51

4.4 Lập Trình Hệ Thống 53

4.4.1 Lưu Đồ Giải Thuật 53

4.4.2 Phần Mềm Lập Trình Cho Vi Điều Khiển 53

4.4.3 Thiết Kế Giao Diê ̣n Trên Cayenne Cloud 69

4.5 Viê ́t Tài Liê ̣u Hướng Dẫn Sử Du ̣ng Thao Tác 73

4.5.1 Viê ́t Tài Kiê ̣u Hướng Dẫn Dử Du ̣ng 73

4.5.2 Quy Trình Thao Tác 74

6.1 Kết Luận 79

6.2 Hướng Phát Triển 79

Ta ̀i Liê ̣u Tham Khảo 80

Phu ̣ Lu ̣c 81

PLC - Power Line Communication: truyền thông trên đường dây điện

IoT - Internet of Things

MQTT - Message Queue Telemetry Transport

CoAP - Constrained Applications Protocol

AMQP - Advanced Message Queue Protocol

DDS - Data Distribution Service

VO - Constrast Voltage

MCU – vi điều khiển

QoS - Quality of Service

I2C - Inter-Intergrated Circuit

Hi ̀nh 2 1 Giao thức truyền của MQTT 15

Hi ̀nh 2 2 Bus I2C và các thiết bị ngoại vi 16

Hi ̀nh 2 3 Kết nối thiết bị vào bus I2C ở chế độ chuẩn (Standard mode) 17

Hi ̀nh 2 4 Quá trình truyền nhâ ̣n giữa thiết bi ̣ chủ (master) và tớ (slave) 18

Hi ̀nh 2 5 Trình tự truyền bit trên đường truyền 19

Hi ̀nh 2 6 Điểu kiê ̣n để giao tiếp I2C 20

Hi ̀nh 2 7 Quá trình truyền dữ liê ̣u I2C 21

Hi ̀nh 2 8 Kết nối UART giữa hai vi điều khiển 22

Hi ̀nh 2 9 Quá trình truyền dữ liê ̣u UART 22

Hi ̀nh 2 10 Sơ đồ kết nối toàn ma ̣ch 39

Hi ̀nh 2 11 Ảnh ESP8266-12 thực tế và sơ đồ chân 26

Hi ̀nh 2 12 Module Node MCU ESP8266 và sơ đồ chân 26

Hi ̀nh 2 13 Ma ̣ch nguyên lý của NodeMCU ESP8266 28

Hi ̀nh 2 14 Hình ảnh thực tế module PZEM004T 29

Hi ̀nh 2 15 Sơ đồ kết nối dây của module PZEM004T 31

Hi ̀nh 2 16 Sơ đồ chân LCD 20x4 33

Hi ̀nh 2 17 Hình ảnh thực tế module chuyển đổi I2C 35

Hi ̀nh 2 18 Ma ̣ch nguyên lý module chuyển đổi giao tiếp I2C 36

Hi ̀nh 2 19 Hình ảnh thực tế module chuyển đổi tín hiê ̣u 4 kênh 37

Hi ̀nh 2 20 Ảnh thực tế của moule nguồn Hi-Link 5V 3W 38

Hi ̀nh 3 1 Sơ đồ khối toàn hê ̣ thống 40

Hi ̀nh 3 2 Sơ đồ kết nối ma ̣ch giữa PZEM004T và NodeMCU ESP8266 41 Hi ̀nh 3 3 Sơ đồ kết nối ma ̣ch giữa NodeMCU ESP8266 và LCD 42

Hi ̀nh 3 4 Phương thức truyền và nhâ ̣n dữ liê ̣u của MQTT 43

Hi ̀nh 3 5 Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch 45

Hi ̀nh 3 6 Mô hình thiết bi ̣ 46

Hi ̀nh 4 1 Sơ đồ bố trí các linh kiê ̣n 48

Hi ̀nh 4 5 Mă ̣t trước mô hình thiết bi ̣ 51

Hi ̀nh 4 6 Mă ̣t dưới bên ngoài mô hình thiết bi ̣ 52

Hi ̀nh 4 7 Lưu đồ giải thuâ ̣t toàn hê ̣ thống 53

Hi ̀nh 4 8 Truy câ ̣p vào Arduino IDE 54

Hi ̀nh 4 9 Tải phần mềm Arduino IDE về máy 54

Hi ̀nh 4 10 Giải nén phần mềm Arduino IDE 55

Hi ̀nh 4 11 Cài đă ̣t phần mềm Arduino IDE 56

Hi ̀nh 4 12 Bước 1 cài đă ̣t Driver 57

Hi ̀nh 4 13 Bước 2 cài đă ̣t Driver 57

Hi ̀nh 4 14 Bước 3 cài đă ̣t Driver 58

Hi ̀nh 4 15 Bước 4 cài đă ̣t Driver 58

Hi ̀nh 4 16 Bước 1 cài đă ̣t ESP8266 trên Arduino IDE 59

Hi ̀nh 4 17 Bước 2 cài đă ̣t ESP8266 trên Arduino IDE 59

Hi ̀nh 4 18 Bước 3 cài đă ̣t ESP8266 trên Arduino IDE 60

Hi ̀nh 4 19 Bước 4 cài đă ̣t ESP8266 trên Arduino IDE 60

Hi ̀nh 4 20 Bước 5 cài đă ̣t ESP8266 trên Arduino IDE 61

Hi ̀nh 4 21 Ta ̣o tài khoản trên Cayenne 70

Hi ̀nh 4 22 Thiết lâ ̣p ứng du ̣ng trên Cayenne 71

Hi ̀nh 4 23 Cấu hình Cayenne cho dữ liê ̣u cần giám sát 71

Hi ̀nh 4 24 Thiết lâ ̣p các giá tri ̣ cho kênh giám sát 72

Hi ̀nh 4 25 Gửi dữ liệu bằng MQTT tới Cayenne 72

Hi ̀nh 4 26 Câ ̣p nhâ ̣t thời gian giám sát dữ liê ̣u 73

Hi ̀nh 4 27 Quy trình thao tác sử du ̣ng thiết bi ̣ 74

Hi ̀nh 5 3 Lưu và câ ̣p nhâ ̣t điê ̣n năng 77

Hi ̀nh 5 4 Bảng tính excell tải về từ Cayenne 78

Ba ̉ ng 2 1 Bảng so sánh các thông số ESP-01 đến ESP-14 25

Ba ̉ ng 2 2 Thông số cấu hình của NodeMCU ESP8266 27

Ba ̉ ng 2 3 Bảng các giao thức giao tiếp của module PZEM004T 32

Ba ̉ ng 2 4 Thông số kỹ thuâ ̣t của PZEM004T 33

Ba ̉ ng 2 5 Chức năng các chân trên LCD 20x4 34

Ba ̉ ng 2 6 Kết nối giữa module giao tiếp I2C với MCU 35

Ba ̉ ng 2 7 Thông số kỹ thuâ ̣t của module chuyển đổi giao tiếp I2C 36

Ba ̉ ng 2 8 Thông số kỹ thuâ ̣t của module chuyển đổi tín hiê ̣u 4 kênh 37

Ba ̉ ng 2 9 Thông số kỹ thuâ ̣t của moule nguồn Hi-Link 5V 3W 38

Ba ̉ ng 3 1 Các thông số nguồn sử du ̣ng 44

Ba ̉ ng 4 1 Danh sách linh kiê ̣n sử du ̣ng trong hê ̣ thống 47

Nhu cầu quản lý, giám sát cũng như kiểm soát việc đo điện năng, các thông số: điện

áp, dòng điện, các chỉ tiêu chất lượng điện năng từ xa là rất cần thiết cho các nhà quản lý, các công ty điện lực và cá nhân Mặc dù đã đạt đến một mức độ thành công nhất định, tuy nhiên các hệ thống quản lý và giám sát điện năng hiện nay chi phí rất cao và hạn chế về

việc truy cập từ xa Ngoài ra, xu hướng hiện nay là sử dụng các thiết bị thông minh: điện

thoại smart phone, máy tính bảng …để truy cập và giám sát từ xa Trong xu thế mới này,

hệ thống hỗ trợ việc quản lý, giám sát việc đo điện năng và các thông số hệ thống điện từ

xa bằng Internet là cần thiết để tìm ra hướng tiện nghi và kinh tế phục vụ các nhà quản lý, các công ty điện lực

Vớ i mong muốn giải quyết được phần nào những khó khăn và tìm ra mô ̣t hướng đi

mớ i cho ngành điê ̣n Viê ̣t Nam, em đã bắt tay vào nghiên cứu và thực hiê ̣n đề tài “Giám sát điện năng qua internet” Trên cơ sở tìm hiểu về IoT nhằm giám sát điện năng và các thông số khác của hệ thống điện từ xa qua internet, qua việc truy cập vào trang web, người dùng có thể giám sát từ xa ở mo ̣i nơi mo ̣i lúc Điểm nổi bâ ̣t của đề tài này là có thể giám sát điê ̣n năng đồng thời hai hay nhiều thiết bi ̣ điê ̣n thông qua internet, và kiểm soát thông qua việc đo, lưu trữ các thông số điện liên tục tại các thời điểm trong ngày

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Công nghệ Internet of Things (IOT) nói chung và công nghệ cảm biến không dây (Wireless Sensor) nói riêng được tích hợp từ các kỹ thuật điện tử, tin học và viễn thông tiên tiến vào trong mục đích nghiên cứu, giải trí, sản xuất, kinh doanh, v.v , phạm vi này ngày càng được mở rộng, để tạo ra các ứng dụng đáp ứng cho các nhu cầu trên các lĩnh vực khác nhau Hiện nay, mặc dù khái niệm IOT và công nghệ cảm biến không dây đã trở nên khá quen thuộc và được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực của đời sống con người, đặc biệt ở các nước phát triển có nền khoa học công nghệ tiên tiến Tuy nhiên, những công nghệ này chưa được áp dụng một cách rộng rãi ở nước ta, do những điều kiện về kỹ thuật, kinh tế, nhu cầu sử dụng Song nó vẫn hứa hẹn là một đích đến tiêu biểu cho các nhà nghiên cứu, cho những mục đích phát triển đầy tiềm năng

Được sự định hướng và chỉ dẫn của Tha ̣c sĩ Trương Ngo ̣c Anh em đã chọn đề tài luận án “Giám sát điện năng qua internet” Trên cơ sở tìm hiểu về IoT nhằm giám sát điện năng và các thông số khác của hệ thống điện từ xa qua internet, đó cũng là một nhu cầu có thật và đang tăng cao trong thời gian gần đây Đặc biệt là sau những đợt giá điện tăng, nhiều nhà máy đã tiết kiệm điện năng hiệu quả sau khi có kết quả theo dõi Với thiết

bị quan sát điện năng từ xa, chúng ta có thể nhìn thấy các thông số của hệ thống điện như điện áp, dòng điện, tần số, công suất, hệ số công suất, của nhà máy hoặc các bộ phận bất

cứ lúc nào mà ta không cần phải có mặt tại nhà máy Chúng ta có thể dùng máy vi tính hoặc thiết bị di động có hỗ trợ duyệt web là có thể quan sát được các thông số của hệ thống điện nhà máy của mình Hệ thống quản lý điện năng giúp nhà quản lý đánh giá sự tiêu thụ điện năng để thực hiện tiết kiệm chi phí và năng lượng

Luận án đã khảo sát các phương pháp giám sát điê ̣n năng điển hình trước đây thông qua internet như dùng module sim kết hợp RS232 qua cổng truyền thông RS485 theo phương thức truyền thông Modbus RTU [2], tuy nhiên thực tế mạng GSM sẽ gặp phải những khó khăn như việc bị trễ tin nhắn do nghẽn mạng, kẹt mạng hay những nơi có sóng GSM yếu và chỉ giám sát được trên máy tính Những phương pháp khác như dùng phần mềm Acuview giám sát điện năng thông qua đồng hồ đo điện năng đa năng Mutimeter ACUVIM [3] hoặc giám sát điê ̣n năng sử du ̣ng PLC S7-400 thông qua giao

diện WINCC [4] đều có giá thành cao rất tốn kém Để khắc phục các nhược điểm trên, đề tài: “Giám sát điện năng qua internet” nghiên cứu việc giao tiếp với các thiết bi ̣ điện qua Internet dù ng công nghê ̣ IoT, góp phần hỗ trợ cho công tác giám sát và quản lý điện năng

từ xa, sử dụng bộ vi điều khiển kết hợp với việc truyền dữ liệu qua WIFI, giúp đo ghi dữ liệu từ xa, mà không bi ̣ ha ̣n chế khoảng cách truyền dữ liệu

1.2 MỤC TIÊU

Kết quả cuối cùng của đề tài là xây dựng một hệ thống giám sát điê ̣n năng từ xa đo

các thông số về điện năng của nguồn xoay chiều của mạch điện như dòng điê ̣n, điê ̣n áp,

tần số, công suất và năng lượng tiêu thụ của hai hay nhiều thiết bi ̣ điê ̣n, bằng cách truy cập vào trang web, người dùng có thể giám sát từ xa ở mo ̣i nơi mo ̣i lúc

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Quá trình thực hiê ̣n đồ án thông qua 9 nô ̣i dung nghiên cứu sau:

- Nô ̣i 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

- Nô ̣i dung 2: Lâ ̣p trình giao tiếp với module PZEM004T để đo các thông số điê ̣n

năng

- Nô ̣i dung 3: Viết chương trình cho ESP8266 gửi dữ liê ̣u lên Web

- Nô ̣i dung 4: Kết nối mạch phần cứng giữa PZEM004T, ESP8266, LCD

- Nô ̣i dung 5: Thiết kế và thi công mô hình thiết bi ̣ hoàn thiện

- Nô ̣i dung 6: Xây dựng giao diện web giám sát thiết bị

- Nô ̣i dung 7: Chạy thử nghiệm và cân chỉnh hệ thống

- Nô ̣i dung 8: Viết quyển báo cáo đồ án tốt nghiệp

- Nô ̣i dung 9: Báo cáo đồ án tốt nghiệp

1.4 GIỚI HẠN

Với đề tài giám sát điện năng qua internet thì các giới hạn bao gồm:

 Mô hình thi công có kích thước: 25x17,7cm

 Số lượng thiết bi ̣ có thể giám sát : đồng thời hai thiết bi ̣

 Thời gian ổn đi ̣nh của thiết bi ̣: sau vài phút hoa ̣t đô ̣ng thiết bi ̣ sẽ đo chính xác hơn

1.5 BỐ CU ̣C

Với đề tài giám sát điện năng qua internet thì bố cục đồ án như sau:

Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nô ̣i dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án

 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

Chương này trình bày các lý thuyết có liên quan đến các vấn đề mà đề tài sẽ dùng

để thực hiện thiết kế, thi công cho đề tài

 Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán

Chương này giới thiệu tổng quan về các yêu cầu của đề tài về thiết kế và các tính toán liên quan đến đề tài

 Chương 4: Thi công hê ̣ thống

Chương này có thể gồm kết quả thi công phần cứng và những kết quả hình ảnh trên màn hình hay mô phỏng tín hiệu, kết quả thống kê

 Chương 5: Kết quả, nhâ ̣n xét, đánh giá

Chương này đưa ra nhận xét và đánh giá sản phẩm mô hình đã hoàn thành

 Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển

Chương này trình bày ngắn gọn những kết quả đã thu được dựa vào những phương pháp, thuật toán đã kiến nghị ban đầu

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 TẦM QUAN TRỌNG CỦA QUẢN LÝ VÀ GIÁM SÁT NĂNG LƯỢNG

Quản lý và giám sát năng lượng là chìa khóa để tiết kiê ̣m năng lượng trong các tổ chứ c thương ma ̣i, công nghiê ̣p và chính phủ trong những năm gần đây đang phải chi ̣u những áp lực to lớn về kinh tế và môi trường Giám sát và quản lý năng lượng giúp giảm

sự phu ̣ thuô ̣c vào nhiên liê ̣u hóa tha ̣ch đang ngày càng trở nên ca ̣n kiê ̣t Khi tiêu thu ̣ nhiều năng lượng, doanh nghiê ̣p cũng như các hô ̣ gia đình sẽ phải đối mă ̣t với tình tra ̣ng thiếu nguồn cung cấp nghiêm tro ̣ng kèm theo nguy cơ tăng giá năng lượng dẫn đến ảnh hưởng

tớ i lợi nhuâ ̣n của tổ chức, bằng viê ̣c quản lý năng lượng doanh nghiê ̣p và các hô ̣ gia đình

có thể giảm nguy cơ này bằng cách kiểm soát nhu cầu năng lượng, tiết kiê ̣m điê ̣n trên dây chuyền sản xuất từng bước tăng hiê ̣u quả viê ̣c đầu tư vào giá thành cho sản phẩm

Lợi ích đem la ̣i khi sử du ̣ng hê ̣ thống giám sát và quản lý năng lượng:

- Giảm thời gian chi phí nhân công để ghi la ̣i dữ liê ̣u từ các đồng hồ đo, nhâ ̣p vào file excell báo cáo mỗi tháng

- Giảm được sai sót trong quá trình thu thâ ̣p dữ liê ̣u bằng tay

- Kiểm soát dữ liê ̣u điê ̣n năng liên tu ̣c 24 giờ ta ̣i bất kì tra ̣m làm viê ̣c nào

- Giảm thời gian xử lý sự cố do dữ liê ̣u được thu thâ ̣p đầy đủ, có ghi la ̣i da ̣ng sóng

củ a nguồn điê ̣n khi sự cố xảy ra

Đây là mô ̣t trong những đề tài đang được tìm hiểu và nghiên cứu rất nhiều để đưa ra giải pháp giúp ngành điê ̣n Viê ̣t nam giải quyết được những khó khăn nêu trên

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

2.2.1 Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa qua sóng vô tuyến RF

Hệ thống đọc chỉ số công tơ từ xa bằng sóng vô tuyến RF bao gồm các khối chức năng sau:

- Công tơ điện tử có tích hợp tính năng thu phát tín hiệu vô tuyến RF lắp tại các hộ khách hàng sử dụng điện, có chức năng đo đếm, lưu trữ năng lượng vào bộ nhớ không dây và truyền về bộ thu thập tín hiệu di động khi nhận được lệnh

- Bộ thu thập tín hiệu di động (Handheld Unit) bao gồm: máy tính cầm tay (Handheld Unit) được tích hợp module thu phát tín hiệu vô tuyến RF bên trong, với chương trình thu thập số liệu do Công ty tự phát triển Trên máy tính cầm tay sẽ giúp người ghi ra lệnh đọc chỉ số công tơ trong phạm vi phủ sóng dựa vào danh sách và số liệu khách hàng sử dụng điện được ta ̣o ra từ cơ sở dữ liệu kinh doanh điện năng Toàn bộ dữ liệu ghi được sẽ được ghép nối vào cơ sở dữ liệu kinh doanh điện năng một cách tự động

mà không cần phải tốn nhiều thao tác thủ công như trước đây

Giải pháp này có các ưu điểm:

- Không phụ thuộc vào khoảng cách, không phụ thuộc vào vị trí điểm đầu, điểm cuối khi có sự thay đổi về vị trí lắp đặt công tơ, hay vị trí trung tâm thì không bị thay đổi

về thiết bị

- Thiết bị modem gọn nhẹ, thông dụng, dễ dàng lắp kèm với công tơ

- Cước phí tính theo lưu lượng (KB) thấp, rất phù hợp với hệ thống không yêu cầu truyền theo thời gian thực

Nhược điểm:

Do sử dụng đường truyền không dây, truyền qua mạng di động, nên tín hiệu có thể

bị ảnh hưởng khi thời tiết xấu, do đó cần cân nhắc chọn dịch vụ của nhà cung cấp mạng

có mật độ phủ sóng rộng, chất lượng tín hiệu tốt

2.2.2 Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa qua bộ truyền tải tín hiệu thông qua đường dây điện

Hệ thống đo đếm công tơ từ xa truyền qua đường dây điện CollectricTM là hệ thống

đo lượng điện năng tiêu thu ̣ theo thời gian thực Với hệ thống này, không cần cử nhân viên đi ghi chỉ số công tơ tại các hộ gia đình

Hệ thống Collectric gồm 5 thiết bị cơ bản sau:

 RTU: là thiết bị đầu cuối một chiều được lắp đặt bên trong hoặc bên ngoài các công tơ ở vị trí thuận tiện RTU sẽ đếm vòng quay của đĩa, biến thành tín hiệu điện, điều chế tín hiệu, truyền số liệu đã thu được và các thông tin khác về thiết bị tâ ̣p trung

 TRPU: là thiết bị đầu cuối hai chiều, nó vừa có tính năng của một RTU vừa có chức năng thông tin hai chiều bao gồm lệnh quản lý bảng thời gian sử dụng để tính các mức giá khác nhau tại thiết bị tâ ̣p trung, TRPU còn có thể truyền thông tin sắp xếp theo

bảng chữ cái hay chữ số nhận được từ thiết bị tâ ̣p trung tới khách hàng, nó còn có thể lặp tín hiệu như một bộ lặp, nếu có lắp đặt thêm bộ điều khiển tải nó có thể tự động đóng cắt tải theo lệnh từ trung tâm

 CONCENTRATOR: là thiết bị tâ ̣p trung lắp đặt trên lưới điện hạ thế ứng với một trạm Thiết bị này có thể thu thập và xử lý dữ liệu cho 1250 công tơ Dữ liệu từ các thiết

bị đầu cuối được tập trung tại bộ trung tâm và được truyền về máy tính trung tâm qua các cách khác nhau Thiết bị tập trung cũng có thể truyền lệnh quản lý và các chỉ thị khác tới các thiết bị đầu cuối hai chiều

 MICROTERMINAL: là thiết bị thu thập dữ liệu cầm tay là cầu nối giữa thiết bị tập trung với máy tính trung tâm, nó nhận dữ liệu từ bộ trung tâm và truyền về máy tính trung tâm Nó còn được dùng để lập trình cho các thiết bị tập trung, RTU, TRPU, và đọc các số liệu từ các thiết bị này để đưa vào máy tính

 MAIN COMPUTER: chứa các phần mềm cần thiết cho quá trình vận hành hệ thống Colletric Nó thu nhận dữ liệu từ các bộ trung tâm để sử dụng cho các mục đích của ngành điện

Kĩ thuật truyền thông: sử dụng công nghệ PLC truyền thông tin thông qua lưới điện

hạ thế (từ trạm biến áp đến các hộ gia đình) Tại các trạm biến áp (vốn có nhiệm vụ chuyển các dòng điện cao thế thành hạ thế và đưa đến hộ tiêu dùng), một modem tốc độ cao HE (HeadEnd) sẽ nối giữa đường hạ thế và hệ thống cáp quang truyền thông backbone Nhiệm vụ của modem HE là điều chế các tín hiệu truyền thông của cáp quang thành tín hiệu thông tin có tần số 1,6 - 80 Mhz ( Tùy vào từng hãng mà sử dụng những dãy tần số khác nhau) để truyền vào lưới điện hạ thế và ngược lại Các tín hiệu thông tin sau khi điều chế sẽ được truyền đi song song với tín hiệu điện trên lưới điện hạ thế đến các toà nhà Tại đây, một modem PLC (CPE lắp đặt tại gia đình) sẽ nhận các tín hiệu thông tin, giải điều chế, tái tạo lại tín hiệu thông tin ban đầu để có thể sử dụng Internet hoặc dùng điện thoại, fax Moderm PLC cũng có thể đảo ngược quá trình này để gửi các tín hiệu thông tin đã điều chế đến modem HE

Ưu điểm :

- Mạng lưới điện có mặt ở hầu khắp mọi nơi

- Mạng điện hạ thế có thể được dùng để thiết lập một cơ sở hạ tầng mạng sẵn có cho hàng triệu khách hàng, doanh nghiệp riêng biệt trên toàn thế giới, có đường dẫn tới tận các ổ cắm điện phục vụ cho cả thiết bị gia đình và thiết bị điện công nghiệp

- PLC có thể cung cấp khả năng truy cập tốc độ cao, tốc độ truyền thông đã đạt tới hành trăm Mb/s

- Mạng lưới đường dây điện đã được xây dựng nên có lợi thế về chi phí đầu tư cơ bản, cơ sở hạ tầng đường dây điện đã có sẵn, nên nó có thể cho phép cạnh tranh với giá rẻ hơn các kỹ thuật truy cập viễn thông nội vùng khác (thường yêu cầu vốn đầu tư cơ bản lớn)

Nhươ ̣c điểm:

Đường dây truyền tải điện không phải được thiết kế để dành cho truyền dữ liệu, do

đó có rất nhiều vấn đề cần được khắc phục Công suất nhiễu trên đường dây điện lực là tập hợp tất cả các nguồn nhiễu khác nhau thâm nhập vào đường dây và vào máy thu Các tải được kết nối vào mạng như ti vi, máy tính, máy hút bụi phát nhiễu và lan truyền qua đường dây điện; các hệ thống truyền thông khác cũng có thể đưa thêm nhiễu vào máy thu Đường dây điện được ra đời phục vụ cho việc truyền năng lượng điện chứ không nhằm mục đích truyền thông tin Khi đưa thông tin truyền trên đó, ta sẽ gặp phải rất nhiều yếu tố gây nhiễu cho tín hiệu

Tuy nhiên, chúng ta đang sống trong thời đại của kỹ thuật số, sự phổ biến của internet và các thiết bị di động thông minh đã tạo nên khái niệm mới là IoT (Internet of Things – Internet vạn vật), do đó vấn đề ứng dụng các thành tựu này vào việc giám sát và

điều khiển mo ̣i thứ mô ̣t cách dễ dàng đã được áp du ̣ng vào thực tế trong cuộc sống

2.3 CÔNG NGHỆ IOT

Là mạng lưới vạn vật kết nối Internet viết tắt là IoT là nền tảng công nghê ̣ mới của thế giới, khi mà mỗi đồ vật, con người được cung cấp một định danh của riêng mình, và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy tính IoT đã phát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet Nói đơn giản là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau, với Internet và với thế giới bên ngoài để thực hiện một công việc nào đó Hay hiểu một cách đơn giản IoT là tất cả

các thiết bị có thể kết nối với nhau Việc kết nối thì có thể thực hiện qua Wi-Fi, mạng viễn thông băng rộng (3G, 4G), Bluetooth, ZigBee, hồng ngoại… Các thiết bị có thể là điện thoại thông minh, máy pha cafe, máy giặt, tai nghe, bóng đèn, và nhiều thiết bị khác Cisco, nhà cung cấp giải pháp và thiết bị mạng hàng đầu hiện nay dự báo: đến năm 2020,

sẽ có khoảng 50 tỷ đồ vật kết nối vào Internet, thậm chí con số này còn gia tăng nhiều hơn nữa IoT sẽ là mạng khổng lồ kết nối tất cả mọi thứ, bao gồm cả con người và sẽ tồn tại các mối quan hệ giữa người và người, người và thiết bị, thiết bị và thiết bị Một mạng lưới IoT có thể chứa đến 50 đến 100 nghìn tỉ đối tượng được kết nối và mạng lưới này có thể theo dõi sự di chuyển của từng đối tượng Một con người sống trong thành thị có thể

bị bao bọc xung quanh bởi 1000 đến 5000 đối tượng có khả năng theo dõi

Việc lựa chọn chuẩn giao thức kết nối sao cho hợp lý là rất quan tro ̣ng, tùy thuộc vào các ứng dụng và các yếu tố như phạm vi giao tiếp, khối lượng dữ liệu truyền, yêu cầu tính bảo mật, năng lượng cho hệ thống pin, sẽ quyết định lựa chọn một hoặc nhiều phương thức truyền thông phù hợp

Sau đây là một số giao thức IoT cho các kỹ sư phát triển tìm hiểu và lựa chọn

2.3.1 Giao thư ́ c kết nối

Wifi là giao thức chính được ứng du ̣ng trong nô ̣i dung đề tài này

Wifi (là viết tắt từ Wireless Fidelity hay mạng 802.11) là hệ thống mạng không dây

sử dụng sóng vô tuyến, cũng giống như điện thoại di đô ̣ng, truyền hình và radio Kết nối Wifi thường là sự lựa chọn hàng đầu của rất nhiều kỹ sư bởi tính thông dụng và kinh tế của hệ thống wifi và mạng LAN với mô hình kết nối trong một phạm vi địa lý có giới hạn

Các sóng vô tuyến sử dụng cho WiFi gần giống với các sóng vô tuyến sử dụng cho thiết bị cầm tay, điện thoại di động và các thiết bị khác Nó có thể chuyển và nhận sóng

vô tuyến, chuyển đổi các mã nhị phân 1 và 0 sang sóng vô tuyến và ngược lại Tuy nhiên, sóng WiFi có một số khác biệt so với các sóng vô tuyến khác ở chỗ: chúng truyền và phát tín hiệu ở tần số 2.4 GHz hoặc 5 GHz Tần số này cao hơn so với các tần số sử dụng cho điện thoại di động, 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

 Dãy tần số hoa ̣t đô ̣ng: 2.4GHz and 5GHz bands

 Khoảng cách: 50m

 Tốc đô ̣ xử lý tối đa: 600 Mbps

Ngoài ra còn có các giao thức khác như Bluetooth, Zigbee, NFC, Sigfox, Neul, Thread, 6LoWPAN, Z-Wave, Cellular, được sử du ̣ng trong mô ̣t số ứng du ̣ng của IOT

2.3.2 Giao thức truyền tải dữ liệu

Có 5 giao thức truyền tải dữ liệu phổ biến có thể được sử dụng trong các mô hình

là: MQTT, CoAP, AMQP và DDS

MQTT là một giao thức kết nối máy với máy, một giao thức mã nguồn mở để

truyền các messages giữa nhiều Client (Publisher và Subscriber) thông qua một Broker trung gian, được thiết kế để đơn giản và dễ dàng triển khai Giao thức này nhẹ đến mức

nó có thể được hỗ trợ bởi một số thiết bị đo lường và giám sát nhỏ nhất và nó có thể truyền dữ liệu qua các mạng có khả năng tiếp cận, đôi khi liên tục Kiến trúc MQTT dựa trên Broker trung gian và sử dụng kết nối TCP long-lived từ các Client đến Broker Trong một hệ thống sử dụng giao thức MQTT, nhiều node trạm (gọi là mqtt client - gọi tắt là client) kết nối tới một MQTT server (gọi là broker) Mỗi client sẽ đăng ký một vài kênh (topic), ví dụ như "/client1/channel1", "/client1/channel2" Quá trình đăng ký này gọi là "subscribe" Mỗi client sẽ nhận được dữ liệu khi bất kỳ trạm nào khác gửi dữ liệu

và kênh đã đăng ký Khi một client gửi dữ liệu tới kênh đó, gọi là "publish"

Hi ̀nh 2 1 Giao thức truyền của MQTT

MQTT thì nhẹ nhàng hơn và nhanh Nó mất rất ít bytes cho việc kết nối với server

và quá trính kết nối có thể giữ trạng thái xuyên suốt Ưu điểm là giao tiếp sẽ mất ít dữ liệu và thời gian hơn HTTP protocol, nên có thể được sử dụng cho truyền thông 2 chiều thông qua các mạng có độ trễ cao và độ tin cậy thấp, nó cũng tương thích với các thiết bị tiêu thụ điện năng thấp

Vì vâ ̣y MQTT phù hợp để cho ̣n làm giao thức truyền thông chính trong đề tài

"Giám sát điê ̣n năng qua internet "

2.4 CÁC CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU

2.4.1 Giao tiếp I2C

2.4.1.1 Giới thiệu

Đầu năm 1980 Phillips đã phát triển một chuẩn giao tiếp nối tiếp 2 dây được gọi là I2C Đây là đường Bus giao tiếp giữa các IC với nhau I2C mặc dù được phát triển bở i Philips, nhưng nó đã được rất nhiều nhà sản xuất IC trên thế giới sử dụng I2C trở thành một chuẩn công nghiệp cho các giao tiếp điều khiển Bus I2C được sử dụng làm bus giao tiếp ngoại vi cho rất nhiều loại IC khác nhau như các loại Vi điều khiển 8051, PIC, AVR, ARM chip nhớ như: RAM tĩnh (Static Ram), EEPROM, bộ chuyển đổi tương tự số (ADC), số tương tự(DAC), IC điểu khiển LCD, LED

Hi ̀nh 2 2 Bus I2C và các thiết bị ngoại vi

2.4.1.2 Đặc điểm giao tiếp I2C

Một giao tiếp I2C gồm có 2 dây: Serial Data (SDA) và Serial Clock (SCL) SDA là đường truyền dữ liệu 2 hướng, còn SCL là đường truyền xung đồng hồ để đồng bộ và chỉ theo một hướng Như ta thấy trên hình vẽ trên, khi một thiết bị ngoại vi kết nối vào đường bus I2C thì chân SDA của nó sẽ nối với dây SDA của bus, chân SCL sẽ nối với dây SCL

Hi ̀nh 2 3 Kết nối thiết bị vào bus I2C ở chế độ chuẩn (Standard mode)

và chế độ nhanh (Fast mode) Mỗi dây SDA hãy SCL đều được nối với điện áp dương của nguồn cấp thông qua một điện trở kéo lên (pullup resistor) vì chân giao tiếp I2C của các thiết bị ngoại vi thường là dạng cực máng hở (opendrain hay opencollector) Giá trị của các điện trở này khác nhau tùy vào từng thiết bị và chuẩn giao tiếp, thường dao động trong khoảng 1K đến 4.7k

Xem hình 2.3, ta thấy có rất nhiều thiết bị (ICs) cùng được kết nối vào một bus I2C, mỗi thiết bị sẽ được nhận ra bởi một địa chỉ duy nhất với một quan hệ chủ/tớ tồn tại trong suốt thời gian kết nối Mỗi thiết bị có thể hoạt động như là thiết bị nhận hoặc truyền dữ liệu hay có thể vừa truyền vừa nhận Hoạt động truyền hay nhận còn tùy thuộc vào việc thiết bị đó là chủ (master) hay tớ (slave)

Một thiết bị hay một IC khi kết nối với bus I2C, ngoài một địa chỉ (duy nhất) để phân biệt, nó còn được cấu hình là thiết bị chủ hay tớ Khi giữa hai thiết bị chủ-tớ giao

tiếp thì thiết bị chủ có nhiệm vụ tạo xung đồng hồ cho toàn hệ thống và quản lý địa chỉ của thiết bị tớ trong suốt quá trình giao tiếp Thiết bị chủ giữ vai trò chủ động, còn thiết

bị tớ giữ vai trò bị động trong việc giao tiếp

Hi ̀nh 2 4 Quá trình truyền nhâ ̣n giữa thiết bi ̣ chủ (master) và tớ (slave)

Theo như hình 2.4 ta thấy xung đồng hồ chỉ có một hướng từ chủ đến tớ, còn luồng

dữ liệu có thể đi theo hai hướng, từ chủ đến tớ hay ngược lại tớ đến chủ

2.4.1.3 Chế độ hoạt động (tốc độ truyền):

Các bus I2C có thể hoạt động ở ba chế độ khác nhau:

 Chế độ tiêu chuẩn (Standard mode)

 Chế độ nhanh (Fast mode)

 Chế độ cao tốc High-Speed (Hs) mode

 Chế độ tiêu chuẩn:

- Đây là chế độ tiêu chuẩn ban đầu được phát hành vào đầu những năm 80

- Nó có tốc độ dữ liệu tối đa 100kbps

- Nó sử dụng 7-bit địa chỉ, 112 địa chỉ tớ

 Tăng cường hoặc chế độ nhanh:

- Tốc độ dữ liệu tối đa được tăng lên đến 400 kbps

- Để ngăn chặn gai tiếng ồn Ngõ vào của thiết bị Fast-mode là Schmitt-triggered

- Chân SCL và SDA của một thiết bị tớ I2C ở trạng thái trở kháng cao khi không cấp nguồn

 Chế độ cao tốc (High-Speed):

Chế độ này đã được tạo ra chủ yếu để tăng tốc độ dữ liệu lên đến 36 lần nhanh hơn

so với chế độ tiêu chuẩn Nó cung cấp 1,7 Mbps (với Cb = 400 pF), và 3.4Mbps (với C>

b = 100pF)

Một bus I2C có thể hoạt động ở nhiều chế độ khác nhau:

 Một chủ một tớ (one master - one slave)

 Một chủ nhiều tớ (one master - multi slave)

 Nhiều chủ nhiều tớ (Multi master - Multi slave)

Dù ở chế độ nào, một giao tiếp I2C đều dựa vào quan hệ chủ/tớ Giả thiết một thiết

bị A muốn gửi dữ liệu đến thiết bị B, quá trình được thực hiện như sau:

 Thiết bị A (Chủ) xác định đúng địa chỉ của thiết bị B (tớ), cùng với việc xác định địa chỉ, thiết bị A sẽ quyết định việc đọc hay ghi vào thiết bị tớ

 Thiết bị A gửi dữ liệu tới thiết bị B

 Thiết bị A kết thúc quá trình truyền dữ liệu

Khi A muốn nhận dữ liệu từ B, quá trình diễn ra như trên, chỉ khác là A sẽ nhận dữ liệu từ B Trong giao tiếp này, A là chủ còn B vẫn là tớ Chi tiết việc thiết lập một giao tiếp giữa hai thiết bị sẽ được mô tả chi tiết dưới đây

 Trình tự truyền bit trên đường truyền:

Hi ̀nh 2 5 Trình tự truyền bit trên đường truyền

- Bướ c 1: Thiết bị chủ tạo một điều kiện start Điều kiện này thông báo cho tất cả các thiết bị tớ chuẩn bị nhâ ̣n dữ liệu trên đường truyền

- Bướ c 2: Thiết bị chủ gởi địa chỉ của thiết bị tớ mà thiết bị chủ muốn giao tiếp và

cờ đọc/ghi dữ liệụ (nếu cờ thiết lập lên 1 byte tiếp theo được truyền từ thiết bị tớ đến thiết

bị chủ, nếu cờ thiết lập xuống 0 thì byte tiếp theo truyền từ thiết bị chủ đến thiết bị tớ)

- Bướ c 3: Khi thiết bị tớ trên bus I2C có địa chỉ đúng với địa chỉ mà thiết bị chủ gửi

sẻ phản hồi lại bằng một xung ACK

- Bướ c 4: Giao tiếp giữa thiết bị chủ và tớ trên bus dữ liệu bắt đầu Cả chủ và tớ đều

có thể nhận hoặc truyền dữ liệu tùy thuộc vào việc truyền thông là đọc hay ghi Bộ truyền gửi 8 bit dữ liệu tới bộ nhận, Bộ nhận phản hồi với một bit ACK

- Bướ c 5: Để kết thúc quá trình giao tiếp, thiết bị chủ tạo ra một điều kiện stop

 Điều kiện START và STOP (START and STOP conditions)

START và STOP là những điều kiện bắt buộc phải có khi một thiết bị chủ muốn thiết lập giao tiếp với một thiết bị nào đó trên bus I2C START là điều kiện khởi đầu, báo hiệu bắt đầu của giao tiếp, còn STOP báo hiệu kết thúc một giao tiếp Hình dưới đây mô

tả điều kiện START và STOP

Hi ̀nh 2 6 Điểu kiê ̣n để giao tiếp I2C

Ban đầu khi chưa thực hiện quá trình giao tiếp, cả hai đường SDA và SCL đều ở

mức cao (SDA = SCL = HIGH) Lúc này bus I2C được coi là rỗi (“bus free”), sẵn sàng

cho một giao tiếp Hai điều kiện START và STOP là không thể thiếu trong việc giao tiếp giữa các thiết bị I2C với nhau

Điều kiện START: một sự chuyển đổi trạng thái từ cao xuống thấp trên đường

SDA trong khi đường SCL đang ở mức cao (cao = 1; thấp = 0) báo hiệu một điều kiện START

Đỉều kiện STOP: Một sự chuyển đổi trạng thái từ mức thấp lên cao trên đường

SDA trong khi đường SCL đang ở mức cao Cả hai điều kiện START và STOP đều được tạo ra bởi thiết bị chủ Sau tín hiệu START, bus I2C coi như đang trong trạng thái làm việc (busy) Bus I2C sẽ rỗi, sẵn sàng cho một giao tiếp mới sau tín hiệu STOP từ phía thiết bị chủ

Sau khi có một điều kiện START, trong quá trình giao tiếp, khi có một tín hiệu START được lặp lại thay vì một tín hiệu STOP thì bus I2C vẫn tiếp tục trong trạng thái bận Tín hiệu START và lặp lại START (Repeated START) đều có chức năng giống nhau là khởi tạo một giao tiếp

 Truyền dữ liệu:

Mỗi xung clock có một bit dữ liệu được truyền Mức tín hiệu SDA chỉ được thay đổi khi xung clock đang ở mức thấp, và ổn định khi xung clock ở mức cao Thiết bị tớ có thể lấy mẫu dữ liệu khi xung clock ở mức cao

Hi ̀nh 2 7 Quá trình truyền dữ liê ̣u I2C 2.4.2 Giao tiếp UART

UART (Universal Asynchronous Receive/Transmit) là chuẩn giao tiếp truyền nhận

dữ liệu không đồng bộ Đây là chuẩn giao tiếp phổ biến và dễ sử dụng, thường dùng trong giao tiếp giữa vi điều khiển với nhau hoặc với các thiết bị khác

UART chuyển đổi giữa dữ liệu nối tiếp và song song Một chiều, UART chuyển đổi

dữ liệu song song bus hệ thống ra dữ liệu nối tiếp để truyền đi Một chiều khác, UART chuyển đổi dữ liệu nhận được dạng dữ liệu nối tiếp thành dạng dữ liệu song song cho CPU có thể đọc vào bus hệ thống

UART của PC hỗ trợ cả hai kiểu giao tiếp là giao tiếp đồng thời và không giao tiếp đồng thời Giao tiếp đồng thời tức là UART có thể gửi và nhận dữ liệu vào cùng một thời điểm Còn giao tiếp không đồng thời( không kép) là chỉ có một thiết bị có thể chuyển dữ liệu vào một thời điểm, với tín hiệu điều khiển hoặc mã sẽ quyết định bên nào có thể truyền dữ liệu Giao tiếp không đồng thời được thực hiện khi mà cả 2 chiều chia sẻ một đường dẫn hoặc nếu có 2 đường nhưng cả 2 thiết bị chỉ giao tiếp qua một đường ở cùng một thời điểm

Thêm vào đường dữ liệu, UART hỗ trợ chuẩn RS232 và tín hiêu điều khiển như

RTS, CTS, DTR, DCR, RT và CD

Để thuận tiện, các chương trình gửi và nhận dữ liệu trong định dạng không đồng bộ,

PC và nhiều vi xử lí khác có một bộ phận gọi là UART( universal asynchronous

receiver/transmitter: truyền /nhận không đồng bộ chung)

Hi ̀nh 2 8 Kết nối UART giữa hai vi điều khiển

Rất nhiều vi điều khiển hiện nay đã được tích hợp UART, vì vấn đề tốc độ và độ tiện dụng của UART không thể so sánh với các giao tiếp mới hiện nay nên các dòng PC

& Laptop đời mới không còn tích hợp cổng UART Nếu giao tiếp SPI và I2C có mô ̣t dây truyền dữ liệu và một dây được sử dụng để truyền xung clock (SCL) để đồng bộ trong giao tiếp thì với UART không có dây SCL, vấn đề được giải quyết khi mà việc truyền UART được dùng giữa hai vi xử lý với nhau, đồng nghĩa với việc mỗi vi xử lý có thể tự tạo ra xung clock cho chính nó sử dụng

Để bắt đầu cho việc truyền dữ liệu bằng UART, một START bit được gửi đi, sau đó

là các bit dữ liệu và kết thúc quá trình truyền là STOP bit

Hi ̀nh 2 9 Quá trình truyền dữ liê ̣u UART

Khi ở trạng thái chờ mức điện thế ở mức 1 (high) Khi bắt đầu truyền START bit sẽ chuyển từ 1 xuống 0 để báo hiệu cho bộ nhận là quá trình truyền dữ liệu sắp xảy ra Sau START bit là đến các bit dữ liệu D0-D7 (Theo hình vẽ các bit này có thể ở mức High or Low tùy theo dữ liệu) Sau khi truyền hết dữ liệu thì đến Bit Parity để bộ nhận kiểm tra

tính chính xác của dữ liệu Cuối cùng là STOP bit là 1, báo cho thiết bị rằng các bit đã được gửi xong Thiết bị nhận sẽ tiến hành kiểm tra khung truyền nhằm đảm báo tính chính xác của dữ liệu

Các thông số cơ bản trong truyền nhận UART:

 Baund rate (tốc độ baund ): Khoảng thời gian truyền 1 bit Phải được cài đặt giống nhau ở gửi và nhận

 Frame (khung truyền ): Khung truyền quy định về số bit trong mỗi lần truyền

 Start bit : là bit đầu tiên được truyền trong 1 Frame Báo hiệu cho thiết bị nhận có một gói dữ liệu sắp đc truyền đến Là bit bắt buộc

 Data : là dữ liệu cần truyền Bit có trọng số nhỏ nhất LSB được truyền trước sau

đó đến bit MSB

 Parity bit : kiểm tra dữ liệu truyền có đúng không

 Stop bit : là 1 hoặc các bit báo cho thiết bị rằng các bit đã được gửi xong Thiết bị nhận sẽ tiến hành kiểm tra khung truyền nhằm đảm bảo tính chính xác của dữ liệu

2.5 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG

Phần cư ́ ng gồm có những thiết bi ̣ sau:

 Thiết bị đầu vào: nút nhấn, ổ cắm thiết bi ̣

 Thiết bị đầu ra: LCD

 Thiết bi ̣ đo điê ̣n năng: PZEM004T

 Thiết bị điều khiển trung tâm: NodeMCU ESP8266 WiFi V1.0

 Các chuẩn truyền dữ liệu: UART, I2C, Wifi, 3G

 Thiết bị giao diện điều khiển: điện thoại, máy tính, Ipad

2.5.1 Module NodeMCU ESP8266 wifi v1.0

2.5.1.1 Giơ ́ i thiê ̣u mô ̣t số loa ̣i ESP8266

ESP8266 là dạng Vi điều khiển tích hợp Wifi (Wifi SoC) được phát triển bởi Espressif Systems, một nhà sản xuất Trung Quốc có trụ sở tại Thượng Hải Với Vi điều khiển và Wifi tích hợp, ESP8266 cho phép lập trình viên có thể thực hiện vô số các tác

vụ TCP/IP đơn giản để thực hiện vô số các ứng dụng khác nhau, đặc biệt là các ứng dụng

IoT Module ESP8266 có giá thành rẻ, phải nói là rẻ nhất trong tất cả các loại Wifi SoC

từ trước tới nay

Chip ESP8266 được phát triển bởi Espressif để cung cấp giải pháp giao tiếp Wifi cho các thiết bị IoT Điểm đặc biệt của dòng ESP8266 là nó được tích hợp các mạch RF như balun, antenna switches, TX power amplifier và RX filter ngay bên trong chip với kích thước rất nhỏ chỉ 5x5mm nên các board sử dụng ESP8266 không cần kích thước board lớn cũng như không cần nhiều linh kiện xung quanh

Sau nhiều năm phát triển, hiện tại AI-Thinker sản xuất 14 loại cho ESP từ module ESP-01 đến ESP-14 Ở thị trường VN thì ba module là ESP-01, ESP-07 và ESP-12F khá phổ biến, nhất là ESP-12

Ba ̉ ng 2 1 Bảng so sánh các thông số ESP-01 đến ESP-14

Phiên bản Số chân form factor LEDs Antenna Ant

Socket Shielded Dài mm

ESP-01 8 2×4 DIL Yes Etched-on PCB No No 14.3 x 24.8

ESP-02 8 2×4 notch No None Yes No 14.2 x 14.2

ESP-03 14 2×7 notch No Ceramic No No 17.3 x 12.1

ESP-04 14 2×4 notch No None No No 14.7 x 12.1

ESP-05 5 1×5 SIL No None Yes No 14.2 x 14.2

ESP-06 12+

GND 4×3 dice No None No Yes 16.3 x 13.1

ESP-07 16 2×8 pinhole Yes Ceramic Yes Yes 20.0 x 16.0

ESP-08 14 2×7 notch No None No Yes 17.0 x 16.0

ESP-09 12+

GND 4×3 dice No None No No 10.0 x 10.0

ESP-10 5 1×5 notch No None No No 14.2 x 10.0

ESP-11 8 1×8 pinhole No Ceramic No No 17.3 x 12.1

ESP-12 16 2×8 notch Yes Etched-on PCB No Yes 24.0 x 16.0

ESP-12-E 22 2×8 notch Yes Etched-on PCB No Yes 24.0 x 16.0

ESP-13 18 2×9 Etched-on PCB No Yes

2.5.1.2 ESP8266-12

Hi ̀nh 2 10 Ảnh ESP8266-12 thực tế và sơ đồ chân

ESP-12 kết hợp với firmware ESP8266 trên Arduino và thiết kế phần cứng giao tiếp

tiêu chuẩn đã tạo nên NodeMCU, cách sử dụng, kết nối dễ dàng, có thể lập trình, nạp

chương trình trực tiếp trên phần mềm Arduino, đồng thời tương tích với các bộ thư viện

Arduino sẵn có NodeMCU ESP8266 trở thành loại Kit phát triển phổ biến nhất trong

thời điểm hiện tại

Hi ̀nh 2 11 Module Node MCU ESP8266 và sơ đồ chân

a Thông số cấu hi ̀nh của NodeMCU ESP8266

Ba ̉ ng 2 2 Thông số cấu hình của NodeMCU ESP8266

Tần số hoa ̣t đô ̣ng 2.4 -2.5 GHz

Công suất đầu ra +20 dBm ở chế độ 802.11b

Giao tiếp ngoa ̣i vi UART/SDIO/SPI/I2C/I2S/IR

Remote Control, GPIO/PWM

bước

Phạm vi nhiệt độ hoạt động -40C ~ 125°C

b Sơ đồ ma ̣ch nguyên lý của NodeMCU ESP8266

Hi ̀nh 2 12 Ma ̣ch nguyên lý của NodeMCU ESP8266

 Chức năng cài đặt ngưỡng báo động nguồn (có thể đặt ngưỡng cảnh báo nguồn)

 Chức năng cài đặt lại của phím năng lượng

 Lưu trữ dữ liệu khi tắt nguồn (lưu trữ năng lượng tích lũy trước khi tắt nguồn)

 Chức năng hiển thị số màu đỏ (hiển thị điện áp, dòng điện, công suất hoạt động, năng lượng)

 Chức năng giao tiếp nối tiếp (với giao tiếp TTL, nó có thể giao tiếp với một loạt các thiết bi ̣ đầu cuối thông qua các chân, đo ̣c và thiết lâ ̣p thông số)

2.5.2.2 Màn hình và phím bấm

 Giao diện hiển thị

Giao diện hiển thị được chia thành bốn phần bởi số màu đỏ, được sử dụng để hiển thị thông số điện áp, dòng điện, công suất, năng lượng

 Định dạng hiển thị

 Công suất: Phạm vi kiểm tra: 0 ~ 22kW

Trong khoảng 0 ~ 10kW, định dạng hiển thị là 0,000 ~ 9,999;

Trong khoảng 10 ~ 22kW, định dạng hiển thị là 10 ~ 22,00

 Điê ̣n năng: Khoảng đo: 0 ~ 9999kWh

Trong khoảng 0 ~ 10kWh, định dạng hiển thị là 0,000 ~ 9,999;

Trong khoảng 10 ~ 100kWh, định dạng hiển thị là 10.00 ~ 99,99;

Phương pháp thiết lâ ̣p lại năng lượng: Nhấn và giữ phím trong 5 giây cho đến khi

màn hình nhấp nháy thì nhả phím Nhấn nhanh phím một lần nữa, sau đó dữ liệu năng lượng được xóa và thoát khỏi trạng thái nhấp nháy, bây giờ hoạt động Reset được hoàn thành; nếu nhấn lâu trong 5 giây nữa cho đến khi không còn nhấp nháy nữa, có nghĩa là thoát trạng thái đặt lại

2.5.2.3 Sơ đồ nối dây

Hi ̀nh 2 14 Sơ đồ kết nối dây của module PZEM004T

Hệ thống được chia thành hai phần: dòng điê ̣n và điê ̣n áp cho phép đă ̣t vào thiết bi ̣ đầu vào và các dây giao tiếp nối tiếp, theo nhu cầu thực tế của khách hàng, với chân TTL khác nhau hoàn toàn giao tiếp các thiết bi ̣ khác nhau

2.5.2.4 Giao diện ma ̀n hình hiển thị

Màn hình chia làm 4 vi ̣ trí hiển thi ̣, đó là điện áp, dòng điện, năng lượng và công suất Sau đây là mô tả ngắn gọn về từng thông số hiển thị:

 Màn hình hiển thị điện áp

Đo và hiển thị điện áp lưới điện tần số công nghiê ̣p ta ̣i thời điểm hiện tại

 Màn hình hiển thị dòng điê ̣n

Đo và hiển thị dòng điê ̣n tải, sử du ̣ng cho dòng điê ̣n từ 10mA trở lên

 Màn hình hiển thị điê ̣n năng

Đo và hiển thị điê ̣n năng tiêu thu ̣ hiê ̣n ta ̣i Có hướng dẫn bổ sung rằng đơn vị đo năng lượng tối thiểu là 0,001kWh, độ phân giải khá cao, đối với thử nghiệm tải điê ̣n năng thấp (trong 100W), có thể quan sát quá trình tích lũy trực tiếp

 Màn hình hiển thị công suất

Đo và hiển thị công suất tải hiện tại, dùng cho công suất cao từ 1W trở lên