luận văn thiết kế và thi công hệ thống giám sát điện năng

Sau hơn một thời gian thực hiện, nhóm đã may mắn hoàn thành được đề tài “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG H Ệ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ”, để có thể đạt được thành quả trê n ngoài sự cố gắng

Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1

I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG

TIÊU THỤ

II NHIỆM VỤ

1 Các số liệu ban đầu:

 Tiến hành tìm kiếm tài liệu, thông số kỹ thuật liên quan tới các giá trị điện

 Tham khảo các mô hình trong thực tế, từ các đề tài nghiên cứu trước

 Tìm hiểu và chọn ra các module, ngoại vi thích hợp cho hệ thống

2 Nội dung thực hiện:

 Nội dung 1: Nghiên cứu các mô hình thực tế, tìm giải pháp phù hợp với yêu cầy đặt ra và tính toán các thông số cho hệ thống giám sát điện

 Nội dung 2: Nghiên cứu các phương pháp điều khiển, giám sát, bảo vệ điện, tính toán, chọn lựa các linh kiện phù hợp với yêu cầu đặt ra

 Nội dung 3: Thiết kế sơ đồ hệ thống, sơ đồ nguyên lý, thiết kế mô hình

 Nội dung 4: Viết chương trình điều khiển hệ thống để đạt được các yêu cầu đặt ra

 Nội dung 5: Lắp ráp mô hình, chạy thử nghiệm sản phẩm

 Nội dung 6: Viết báo cáo các nội dung đã thực hiện

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 26/08/2019

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/12/2019

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS Nguyễn Đình Phú

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

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH o0o

Tp HCM, ngày 10 tháng 9 năm 2019

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT

NGHIỆP

Họ tên sinh viên 1: Trương Khánh Oanh Lớp: 14141DT2C MSSV: 14141224

Họ tên sinh viên 2: Nguyễn Chí Khang Lớp: 14141DT2B MSSV: 14141147 Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ

Xác nhận GVHD

1

(2/9 – 8/9)

- Gặp GVHD để phổ biến quy định:

thực hiện chọn đề tài, thống nhất tên

đề tài, thời gian làm việc

- Tính toán, lựa chọn linh kiện cho từng khối

- Thi công mạch, xây dụng mô hình sản phẩm

- Viết báo cáo

7

(14/10 – 20/10)

- Thi công mạch, xây dụng mô hình sản phẩm

- Viết chương trình điều khiển

- Lập trình và thiết kế web server

- Viết và chỉnh sửa báo cáo

8

(21/10 – 27/10)

- Thi công mạch, xây dụng mô hình sản phẩm

- Viết chương trình diều khiển

- Viết chương trình, thiết kế web server

- Viết và chỉnh sửa báo cáo

9

(28/10 – 3/11)

- Thi công mạch, xây dụng mô hình sản phẩm

- Viết chương trình điều khiển

- Viết chương trình, thiết kế web server

- Viết và chỉnh sửa báo cáo

- Viết và chỉnh sửa báo cáo

11 - Hoàn thiện, kiểm tra và theo dõi hoạt

- Viết và chỉnh sửa báo cáo

Đề tài này là công trình do bản thân nhóm tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và dưới sự hướng dẫn của ThS.Nguyễn Đình Phú Các số liệu trong đề tài được nhóm thu thập và không sao chép từ tài liệu hay công trình nào khác.

Người thực hiện đề tài:

Trương Khánh Oanh Nguyễn Chí Khang

Sau hơn một thời gian thực hiện, nhóm đã may mắn hoàn thành được đề tài

“THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG H Ệ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ”,

để có thể đạt được thành quả trê n ngoài sự cố gắng của từng thành viên trong nhóm

còn có sự giúp đỡ của gia đình, b ạn bè, các thầy cô trong khoa Điện – Điện Tử

Nhóm thực hiện xin chân thành gửi lời cảm ơn đến:

Thầy Nguyễn Đình Phú là n gười trực tiếp hướng dẫn nhóm trong suốt quá

trình thực hiện Cảm ơn Thầy đã giàn h thời gian quý báu để hướng dẫn nhóm, hỗ trợ

các thiết bị và góp ý đưa ra hướng giả i quyết mỗi khi nhóm gặp khó khăn

Bên c ạnh đó, nhóm cũng cảm ơn những kiến thức mà thầy cô đã truyền đạt trong suốt

những năm học tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM để từ đó nhóm có

cơ sở để vận dụng hoàn thiện nên đồ án tốt ngh iệp này

Cảm ơn gia đình, người thân đã luôn độn g viên và luôn bên cạnh trong những

lúc khó khăn nhất

Xin gửi lời c ảm ơn đến những người bạn sinh viên khoa Điện-Điện tử đã cùng

đồng hành trong quá trình học tập, đã cùng cố gắng, cùng nhau tạo động lực để nhóm

để có thể hoàn thành tốt đề tài này

Xin trân trọng cảm ơ n!

Những người thực hiện:

Trương Khánh Oanh Nguyễn Chí Khang

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGH IỆP i

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ii

LỜI CAM ĐOAN v

LỜI CẢM ƠN vi

MỤC LỤC vii

LIỆT KÊ HÌNH VẼ x

LIỆT KÊ BẢNG xiii

TÓM TẮT xiv

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2 MỤC TIÊU 2

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2

1.4 GIỚI HAṆ 2

1.5 BỐ CUC ̣ 3

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 MODULE PZEM004T v3.0 4

2.1.1 Giới Thiệu 4

2.1.2 Cấu Trúc Các Lệnh 5

2.1.3 Sơ Đồ Khối Chức Năng Và Kết Nối Dây 7

2.2 KIT STM 32F407VE 7

2.2.1 Giới Thiệu 7

2.2.2 Hardware and Layout 10

2.3 LCD 2004 12

2.4 NODEMCU ESP8266 13

2.4.1 Giới Thiệu 13

2.4.2 ESP8266-12 14

2.4.4 Sơ Đồ Mạch Nguyên Lý Của NodeMCU ESP8266 16

2.5 CÁC LINH KIỆN KHÁC 17

2.5.1 Module 4 Channel Logic Level Converter 3.3-5V 17

2.5.2 Relay 18

2.6.2 Các Thông Số Uart 21

2.7 GIAO THỨC Modbus RTU 22

2.7.1 Giới Thiệu Modbus RTU 22

2.7.2 Cấu trúc bản tin Modbus RTU 22

2.8 TRUYỀN DỮ LIỆU SONG SONG 23

2.9 GIAO THỨC KẾT NỐI 24

2.10 GIAO THỨC TRUYỂN TẢI DỮ LIỆU 25

2.9 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐIỆN BA PHA 26

2.9.1 Điện ba pha là gì? 26

2.9.2 Những ưu điểm khi sử dụng điện 3 pha 26

2.9.3 Lý thuyết cơ bản về mạch điện xoay chiều 3 pha 27

2.9.4 Hiện tượng mất pha 31

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 34

3.1 GIỚI THIỆU 34

3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 34

3.2.1 Sơ đồ kết nối toàn mạch 34

3.2.2 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 35

CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG 42

4.1 GIỚI THIỆU 42

4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG 42

4.2.1 Thi công bo mạch 42

4.2.1.1 Danh sách các linh kiện 42

4.2.1.2 Sơ đồ bố trí các linh kiện 43

4.2.1.3 Sơ đồ thi công mạch in PCB 43

4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra 44

4.3 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH 44

4.3.1 Đóng gói bộ điều khiển 44

4.3.2 Thi công mô hình 46

4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG 49

4.4.1 Lưu đồ giải thuật 49

4.4.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển 52

4.5 VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN VÀ THAO TÁC 70

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ, NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ 72

5.1 KẾT QUẢ 72

5.2 KẾT QUẢ MÔ HÌNH HỆ THỐNG 72

5.3 KẾT QUẢ WEB 74

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 77

6.1 KẾT LUẬN 77

6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

PHỤ LỤC 80

Hình……… Trang

Hình 2.1: Module đo điện năng PZEM004T v3.0 4

Hình 2.2: Sơ đồ khối chức năng của PZEM004T V3.0 7

Hình 2.3: Sơ đồ kết nối dây thực tế PZEM004T với máy tính 7

Hình 2.4: Hình ảnh thực tế STM32F407VET6 8

Hình 2.5: Sơ đồ các khối trong STM32F4DISCOVERY 10

Hình 2.6: Cấu tạo và kích thước 11

Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý 12

Hình 2.8: LCD 2004 13

Hình 2.9: ESP8266 và sơ đồ chân 14

Hình 2.10: Module NODEMCU ESP8266 v12 15

Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý của NodeMCU ESP8266 v12 16

Hình 2.12: Module 4 Channel Logic Level Converter 3.3-5V 17

Hình 2.13: Relay 5V DC 18

Hình 2.14: Kết nối UART giữa hai vi điều khiển 20

Hình 2.15: Khung truyền dữ liệu của chuẩn giao tiếp UART 21

Hình 2.16: Cấu trúc bản tin Modbus RT 22

Hình 2.17: Cơ chế truyền dữ liệu song song 24

Hình 2.18: Giao thức truyền của MQTT 25

Hình 2.19: Sơ đồ cấu tạo máy phát điện xoay chiều 3 pha 28

Hình 2.20: Đồ thị biểu diễn các pha trong dòng điện xoay chiều 3 pha 28

Hình 2.21: Mạch 3 pha gồm 3 mạch điện 1 pha riêng lẻ 29

Hình 2.22: Sơ đồ mạch điện hình sao 29

Hình 2.23: Sơ đồ mạch điện hình tam giác 30

Hình 3.1: Sơ đồ kết nối của toàn hệ thống 34

Hình 3.2: Sơ đồ các khối chức năng 36

Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý kết nối các nút nhấn với STM32F407 38

Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý kết nối LCD với STM32F407 38

Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý kết nối PZEM004T với STM32F407 39

Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý kết nối STM32F407 39

Hình 4.1: Sơ đồ bố trí các linh kiện 43

Hình 4.2: Sơ đồ mạch in PCB 43

Hình 4.3: Đóng gói mạch điều khiển mặt dưới bên trong hộp 45

Hình 4.4: Đóng gói các module khác vào bên trong hộp 45

Hình 4.5: Mặt bên trái và bên phải của tủ 46

Hình 4.6: Mặt trước của tủ điện 46

Hình 4.7: Tủ điện theo hướng nhìn chéo 47

Hình 4 8: Tủ điện hướng nhìn phía sau 47

Hình 4 9: Mô hình tải 48

Hình 4 10: Mô hình tải hoàn chỉnh 48

Hình 4 11: Lưu đồ giải thuật chính của hệ thống 49

Hình 4 12: Lưu đồ giải thuật khối cảnh báo 50

Hình 4 13: Lưu đồ giải thuật khối gửi dữ liệu lên Cayenne 51

Hình 4 14: Hướng dẫn cài đặt CubeMx 52

Hình 4 15: Hướng dẫn cài đặt CubeMx 53

Hình 4 16: Hướng dẫn cài đặt CubeMx 53

Hình 4.17: Hướng dẫn cài đặt CubeMx 54

Hình 4 18: Giao diện bắt đầu CubeMX 54

Hình 4.19: Tìm kiếm dòng Chip muốn sử dụng để lập trình 55

Hình 4 20: Cấu hình các chân IO sử dụng 56

Hình 4 21: Tạo project mới 56

Hình 4 22: Hướng dẫn cài đặt KeilC v5 57

Hình 4 23: Hướng dẫn cài đặt KeilC v5 58

Hình 4 24: Hướng dẫn cài đặt KeilC v5 59

Hình 4 25: Hướng dẫn cài đặt KeilC v5 59

Hình 4.26: Hướng dẫn cài đặt KeilC v5 60

Hình 4 27: Tạo project mới 60

Hình 4 28: Chọn dòng Arm muốn sử dụng 61

Hình 4 29: Kiểm tra Chip đã chọn 61

Hình 4 30: Cài đặt các thông số 62

Hình 4 33: Cấu hình Cayenne cho dữ liệu cần giám sát 65

Hình 4 34: Thiết lập các giá tri ̣ cho kênh giám sát 65

Hình 5 1: Các thông số giá trị pha 1 73

Hình 5 2: Các thông số giá trị pha 2 73

Hình 5 3: Các thông số giá trị pha 3 73

Hình 5 4: Cảnh báo pha 1 vượt ngưỡng giá trị I 74

Hình 5 5: Kết quả giám sát điện năng ba thiết bi ̣điện qua internet 74

Hình 5 6: Kết quả giám sát theo biểu đồ điện áp 75

Hình 5 7: Kết quả giám sát theo biểu đồ dòng điện 75

Hình 5 8: Kết quả giám sát theo bảng tính 76

Bảng Trang

Bảng 2.1: Địa chỉ thanh ghi lưu kết quả đo 6

Bảng 2.2: Cấu trúc khung dữ liệu 6

Bảng 2.3: Thông số cấu hình của NODEMCU ESP8266 15

Bảng 2.4: Kết nối chân giữa module chuyển đổi tín hiệu 4 kênh 18

Bảng 2.5: Thông số kỹ thuật của Relay 5VDC 18

Bảng 3.1: Các thông số nguồn sử dụng 37

Bảng 4.1: Danh sách linh kiện sử dụng trong hệ thống 42

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

Với mong muốn giải quyết đươc phần nào những khó khăn và tìm ra môt hướng đi mới cho ngành điện Viêt Nam, nhóm em đã bắt tay vào nghiên cứu và thưc hiện đề tài “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ” 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 viêc̣ truy cập vào trang web, người dùng có thể giám sát từ xa ở mọi nơi mọi lúc Điểm nổi bât của đề tài này là có thể giám sát điện năng đồng thời hai hay nhiều thiết bi ̣điên thông qua ̣internet, và kiểm soát thông qua viêc 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 Thạc sĩ Nguyễn Đình Phú, nhóm em đã chọn đề tài luận án “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ” 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 bi ̣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 điện năng điển hình trước đây thông qua internet như dùng module sim kết hơp RS232 qua cổng truyền thông RS485 theo phương thức truyền thông Modbus RTU, 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 đươc 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 hoặc giám sát điện năng sử dụng PLC S7-400 thông qua giao diện WINCC đều có giá thành cao rất tốn kém

Để khắc phục các nhược điểm trên, đề tài: “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ” nghiên cứu việc giao tiếp với các thiết bi ̣điện qua Internet dùng 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 ̣hạn chế khoảng cách truyền dữ liệu

1.2 MỤC TIÊU

Kết quả cuối cùng của đề tài là xây dưng một hệ thống giám sát điện năng từ

xa đo các thông số về điện năng của nguồn xoay chiều của mạch điện như dòng điện, điện áp, tần số, công suất và năng lượng tiêu thụ của hai hay nhiều thiết bi ̣điện, bằng cách truy cập vào trang web, người dùng có thể giám sát từ xa ở mọi nơi mọi lúc

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Quá trình thực hiện đồ án thông qua 9 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 để đo các thông số điện năng

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

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

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

- Nội dung 6: ̣ Xây dưng giao diện web giám sát thiết bị

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

- Nội dung 8: ̣ Viết báo cáo đồ án tốt nghiệp

- Nội dung 9: ̣ Báo cáo đồ án tốt nghiệp

1.4 GIỚI HAṆ

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

 Mô hình thi công có kích thước: 24x15cm

 Số lương thiết bị có thể giám sát: đồng thời ba thiết bị

 Thời gian ổn định của thiết bị: sau vài phút hoat động thiết bi ̣sẽ đo chính xác hơn

 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

Chương này trình bày quy tình hoạt động, giới thiệu phần cứng STM32F407VET6, LCD 2004, module PZEM004T v3.0, giới thiệu thư viện chính

sử dụng cho đề tài, giới thiệu chuẩn giao tiếp, các ngôn ngữ lập trình web như HTML, PHP

 Chương 3: Tính Toán và Thiết Kế Hệ Thống

Chương này thiết kế sơ đồ khối hệ thống, giải thích chức năng các khối, lựa chọn linh kiện, tính toán và thiết kế mạch điều khiển, khối nguồn, khối hiển thị, thiết

kế website, sơ đồ kết nối và sơ đồ nguyên lý toàn mạch

 Chương 4: Thi Công Hệ Thống

Chương này trình bày cách cài đặt hệ điều hành, cài đặt thư viện, các phương pháp điều khiển và hiển thị, lưu đồ giải thuật chính, lưu đồ giải thuật con và giải thích, thi công mạch, sơ đồ mạch layout, lắp ráp, kiểm tra đóng gói sản phẩm, thi công mô hình, lập trình code hệ thống

 Chương 5: Kết quả, Nhận xét, Đánh giá

Chương này trình bày kết quả mô hình, giao diện điều khiển website từ đó đưa

ra đánh giá, nhận xét

 Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển

Chương này nêu lên kết luận chung về những gì đã thực hiện đồng thời đúc kết lại ưu khuyết điểm để đưa ra hướng phát triển cho đề tài

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Các thiết bị và chuẩn giao tiếp sử dụng trong sản phầm gồm:

 Thiết bị đầu vào: Module PZEM004T v3.0, nút nhấn

 Thiết bị đầu ra: LCD 2004, đèn báo, chuông cảnh báo

 Thiết bị xử lý trung tâm: STM32F407VET6, NodeMCU ESP8266

 Chuẩn truyền dữ liệu: UART, I2C, one-wire, Internet

 Thiết bị giao diện điều khiển: máy tính

2.1 MODULE PZEM004T v3.0

2.1.1 Giới Thiệu

Module đo điện AC đa năng giao tiếp UART PZEM004T được sử dụng để

đo và theo dõi gần như hoàn toàn các thông số về điện năng AC của mạch điện như điện áp hoạt động, dòng tiêu thụ, công suất và năng lượng tiêu thụ Giao tiếp UART

dễ dàng kết nối truyền dữ liệu tới Vi điều kiển hoặc máy tính

Module đo điện giao tiếp UART PZEM004T nhỏ gọn, dễ lắp đặt, sử dụng cách

đo dòng cách ly an toàn và khả năng đo dòng lên đến 100A, mạch có chất lượng gia công và linh kiện tốt, độ bền cao

Hình 2.1: Module đo điện năng PZEM004T v3.0

THÔNG SỐ MODULE ĐO ĐIỆN AC ĐA NĂNG

 Điện áp đo và hoạt động: 80 ~ 260VAC / 50 – 60Hz, sai số 0.01

 Dòng điện đo và hoạt động: 0 ~ 100A, sai số 0.01

 Công suất đo và hoạt động: 0 ~ 26000W

 Năng lượng đo và hoạt động: 0~9999kWh

 Giao tiếp UART mức logic TTL 5VDC baudrate mặc định 9600, 8 data bits,

1 stop bit, no parity

 Có opto cách ly an toàn giữa mạch đo và mạch nhận tín hiệu UART

 Lưu giữ thông số năng lượng tiêu thụ trong bộ nhớ

 Có nút Reset, nhấn giữ 5 giây để xóa các thông số về 0

 Kích thước: 30 x 75 mm

2.1.2 Cấu Trúc Các Lệnh

Định dạng lệnh của thiết bị chủ đọc kết quả đo là (8 bytes):

Định dạng lệnh trả lời từ thiết bị tớ (PZEM004T) được chia thành hai loại:

Trả lời đúng:

Trả lời sai (lỗi):

Mã Abnormal được phân tích như sau:

Slave Address + 0x04 + Number of Bytes + Register 1 Data High Byte + Register

1 Data Low Byte + + CRC Check High Byte + CRC Check Low Byte

Slave address + 0x84 + Abnormal code + CRC check high byte + CRC check low byte

Mã Check CRC sử dụng định dạng 16 bits, chiếm hai byte, đa thức trình tạo mã

là X16+X15+X2+1, giá trị đa thức được sử dụng để tính toán là 0xA001

Giá trị của mã kiểm tra CRC là dữ liệu khung chia tất cả các kết quả kiểm tra tất

cả các byte ngoại trừ bit giá trị kiểm tra CRC

Địa chỉ thanh ghi lưu trữ kết quả đo (the register of the measurement results) được sắp xếp theo bảng sau:

Bảng 2.1: Địa chỉ thanh ghi lưukết quả đo Register address Description Resolution

0x0000 Voltage value 1LSB correspond to 0.1V 0x0001 Current value low 16 bits

1LSB correspond to 0.001A 0x0002 Current value high 16 bits

0x0003 Power value low 16 bits

1LSB correspond to 0.1W 0x0004 Power value high 16 bits

0x0005 Energy value low 16 bits

1LSB correspond to 1Wh 0x0006 Energy value high 16 bits

0x0007 Frequency value 1LSB correspond to 0.1Hz 0x0008 Power factor value 1LSB correspond to 0.01 0x0009 Alarm status 0xFFFF is alarm，

0x0000is not alarm Cấu trúc khung dữ liệu:

Giá trị đo được thiết bị tớ trả về dưới dạng mảng 25 phần tử, giá trí các thông

số đo điện áp được quy định trước trong vị trí trong mảng trả về Dưới dây là cấu trúc khung dữ liệu

Bảng 2.2: Cấu trúc khung dữ liệu

Vị trí trong mảng Description Các byte sử dụng

1 Thông số mặc định 0x04 1

3-4 Byte dữ liệu điện áp 3-4

5-6-7-8 Byte dữ liệu dòng điện 5-6-7-8

9-10-11-12 Byte dữ liệu công suất 9-10-11-12

13-14-15-16 Byte dữ liệu điện năng tiêu

2.1.3 Sơ Đồ Khối Chức Năng Và Kết Nối Dây

Hình 2.2: Sơ đồ khối chức năng của PZEM004T V3.0

Hình 2.3: Sơ đồ kết nối dây thực tế PZEM004T với máy tính

2.2 KIT STM32F407VE

2.2.1 Giới Thiệu

Kit STM32F407VET hiện là loại kit được sử dụng ở rất nhiều trường đại học hiện nay trong giảng dạy vi điều khiển ARM, nếu so sánh về ngoại vi và sức mạnh của STM32 so với các dòng ARM của các hãng khác thì ở cùng 1 tầm giá, ARM của

ST vượt trội về cấu hình và ngoại vi hơn rất nhiều

Kit STM32F407VE hỗ trợ khả năng của vi điều khiển hiệu suất cao STM32F407

Kit bao gồm một bộ công cụ gỡ lỗi nhúng ST-LINK, các module tích hợp, đèn LED, nút bấm và cổng micro-AB USB OTG

Có thể mở rộng chức năng của bộ STM32F407VE với kết nối ethernet, màn hình LCD và hơn thế nữa

Hình 2.4: Hình ảnh thực tế STM32F407VET6 Các đặc điểm tính năng chính

Giới thiệu IC STM32F407VET6

 Kernel: Cortex-M4 32-bit RISC

 Features: single-cycle DSP instructions

 Operating frequency: 168Mhz 210DMIPS / 1.25 DMIPS / MHZ

 1 x USB 2.0FS / HS controller (with dedicated DMA)

 1 x USB HS ULPII (for external USB HS PHY)

 1 x 10/100 Ethernet MAC

 1 x 8 to 12-bit parallel camera interface

 3 x AD (12 bit, 1us, sharing 24), 2 x DA (12-bit)

2.2.2 Hardware and Layout

KIT STM32F407VET được thiết kế nằm xung quanh bộ vi điều khiển

STM32F407 trong 100-pin LQFP

Hình 2.5: Sơ đồ các khối trong STM32F4DISCOVERY

Hình 2.6: Cấu tạo và kích thước

Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý

2.3 LCD 2004

Có rất nhiều dạng để hiển thị: hiển thị trên LCD, GLCD, hiển thị trên led đơn, hiển thị trên led 7 đoạn Mặc dù vậy nhưng mỗi dạng hiển thị đều có ưu nhược điểm riêng và với yêu cầu đề tài là hiển thị giá tri ̣ điện năng, công suất, điện áp, dòng điện

đo được thì em quyết định chọn hiển thị trên LCD, vì LCD phù hợp về kinh tế, dễ hiển thị và ít tốn thời gian trong việc hàn linh kiện Màn hình text LCD2004 sử dụng driver HD44780, có khả năng hiển thị 4 dòng với mỗi dòng 20 ký tự, màn hình có độ bền cao, rất phổ biến Theo yêu cầu và giới hạn đề tài thì sự lựa chọn phù hợp nhất là LCD 20x4

 Đèn Led nền có thể điều khiển bằng biến trở hoặc PWM

 Có thể điều khiển bằng 6 chân tín hiệu

 Hỗ trợ hiển thị bộ kí tự tiếng Anh và tiếng Nhật

 Khoảng cách giữa hai chân kết nối là 0.1 inch tiện dụng khi kết nối với

Breadboard

Hình 2.8: LCD 2004 Giao tiếp hệ thống:

 Chip này sử dụng 2 cách giao tiếp: 4 bits hoặc 8 bits

 Sau khi ghi (hoặc đọc) DDRAM hoặc CGRAM, AC sẽ tự động tăng lên 1 hoặc giảm 1 Dữ liệu AC được xuất ra chân DB0 đến CB6 khi RS=0 và R/W=1

2.4 NODEMCU ESP8266

2.4.1 Giới Thiệu

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

2.4.2 ESP8266-12

Hình 2.9: ESP8266 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

Đặc tính nổi bật Module thu phát Wifi ESP8266

 Tích hợp 2 nút nhấn

 Tích hợp chip chuyển usb – uart CH340

 Full IO: 10 GPIO, 1 Analog, 1SPI, 2 UART, 1 I2C/I2S, PWM, v.v…

 Được hỗ trợ bởi cộng đồng lớn mạnh Nodemcu

Hình 2.10: Module NODEMCU ESP8266 v12

Thông Số Cấu Hình Của NodeMCU

Bảng 2.3: Thông số cấu hình của NODEMCU ESP8266 THÔNG SỐ GIÁ TRI ̣ CẤU HÌNH

Dòng điện hoạt động 80mA

Số chân I/O 11

Công suất đầu ra 20 dBm ở chế độ 802.11b

Giao tiếp ngoại vi UART/SDIO/SPI/I2C/I2S/IR Remote

Control, GPIO/PWM ADC Môt đầu vào với độ phân giải 1024 bước

Phạm vi nhiệt độ hoạt

2.4.3 Sơ Đồ Mạch Nguyên Lý Của NodeMCU ESP8266

Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý của NodeMCU ESP8266 v12

2.5 CÁC LINH KIỆN KHÁC

2.5.1 Module 4 Channel Logic Level Converter 3.3-5V

Mạch ứng dụng cho các thiết bị chênh lệch mức tín hiệu giao tiếp như Raspberry Pi với các cảm biến, module, vi điều khiển Mạch có 2 con Fet BSS138 cùng với điện trở 10k kéo lên, thể hoạt động xuống tới mức 1.8V ở phía mức điện áp thấp, và chịu được 10V ở phía mức điện áp cao Mạch có vai trò chuyển mức tín hiệu logic 3.3V <=> 5V hai chiều bốn kênh Để giao tiếp được với NODEMCU ESP8266 thì cần chuyển mức tín hiệu 5V ở các chân giao tiếp trên module PZEM004T và STM32F407VET6 xuống mức 3.3V

Hình 2.12: Module 4 Channel Logic Level Converter 3.3-5V

THÔNG SỐ KỸ THUẬT:

 Mạch chuyển đổi tín hiệu 4 kênh dùng cho giao tiếp UART ,SPI, I2C

 Chuyển đổi 4 chân ở phía tín hiệu logic cao thành 4 chân ở phía tín hiệu logic thấp hoặc ngược lại

 Pinout được dán nhãn trên linh kiện

 Tương thích Breadboard

 Kích thước (không bao gồm chân): 15,2mm (0,6 ") chiều dài x 12,7mm (0,5") chiều rộng x 2,5mm (0,1 ") chiều cao

 Trọng lượng: 1,2g (0,04oz)

Bảng 2.4: Kết nối chân giữa module chuyển đổi tín hiệu 4 kênh

Bảng 2.5: Thông số kỹ thuật của Relay 5VDC

Family Power, Over 2 AmpsRelay Type General Purpose Coil Type Non Latching Coil Current 30mA

Coil Voltage 5VDC

Contact Form SPDT (1 Form C) Contact Rating (Current) 7A

Switching Voltage 250VAC, 100VDC - Max Turn On Voltage (Max) 4.7 VDC

Turn Off Voltage (Min) 1.2 VDC Features Sealed - Fully Mounting Type Through Hole Termination Style PC Pin

Contact Material Silver Tin Oxide (AgSnO) Operate Time 10ms

Release Time 10ms Coil Power 360 mW Coil Resistance 400 Ohms Operating Temperature -40°C ~ 70°C

2.6 CHUẨN GIAO TIẾP UART

2.6.1 Giới Thiệu 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)

Hình 2.14: 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 một 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

Quá trình truyền dữ liệu 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

2.6.2 Các Thông Số Uart

Hình 2.15: Khung truyền dữ liệu của chuẩn giao tiếp UART

Dưới đây là các thông số thường có của UART:

 Baud rate (tốc độ baud): Khi truyền nhận không đồng bộ để hai đối tượng hiểu được nhau thì cần quy định một khoảng thời gian cho một bit truyền nhận, nghĩa là trước khi truyền thì tốc độ phải được cài đặt đầu tiên Theo định nghĩa thì tốc độ baud là số bit truyền trong một giây

 Frame (khung truyền): Do kiểu truyền thông nối tiếp này rất dễ mất dữ liệu nên ngoài tốc độ, khung truyền cũng được cài đặt từ ban đầu để tránh bớt sự mất mát dữ liệu này Khung truyền quy định số bit trong mỗi lần truyền, các bit báo hiệu như start, stop, các bit kiểm tra như parity, và số bit trong một data

 Start Bit: Là bit bắt đầu trong khung truyền Bit này nhằm mục đích báo cho thiết bị nhận biết quá trình truyền bắt đầu

 Data: Dữ liệu cần truyền Data không nhất thiết phải 8 bit Trong UART bit LSB được truyền đi trước, Bit MSB được truyền đi sau

 Parity bit: Là bit kiểm tra dữ liệu được truyền có chính xác không Có 2 loại parity: chẵn (even parity), lẻ (odd parity) Parity chẵn là bit parity thêm vào để

số lượng số 1 trong data và parity là chẵn Parity lẻ là bit parity thêm vào để

số lượng số 1 trong data và parity là lẻ Bit Parity là không bắt buộc nên có thể dùng hoặc không

 Stop Bit: là bit báo cáo kết thúc khung truyền, có thể có 1 hoặc 2 bit stop

2.7 GIAO THỨC Modbus RTU

2.7.1 Giới Thiệu Modbus RTU

Giao thức Modbus RTU là một giao thức mở, sử dụng đường truyền vật lý RS-232 hoặc RS485 và mô hình dạng Master-Slave Đây là một giao thức được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như BMS (Building Management Systems), tự động hóa, công nghiệp, điện lực, Chắc hẳn sẽ có bạn tự hỏi, tại sao giao thức Modbus này lại thông dụng như thế, đi đến đâu, đụng vào thiết bị gì thì hầu như cũng

có giao thức này? Vâng, câu trả lời cho câu hỏi trên chắc chỉ cần gói gọn trong vài từ: Ổn định - Đơn giản - dễ dùng

Modbus được coi là giao thức truyền thông hoạt động ở tầng "Application", cung cấp khả năng truyền thông Master/Slave giữa các thiết bị được kết nối thông qua các bus hoặc network Trên mô hình OSI, Modbus được đặt ở lớp 7 Modbus được xác định là một giao thức hoạt động theo "hỏi/đáp" và sử dụng các "function codes" tương ứng để hỏi đáp

2.7.2 Cấu trúc bản tin Modbus RTU

Một bản tin Modbus RTU bao gồm: 1 byte địa chỉ - 1 byte mã hàm - n byte dữ liệu - 2 byte CRC như hình ở dưới:

Hình 2.16: Cấu trúc bản tin Modbus RT Chức năng và vai trò cụ thể như sau:

 Byte địa chỉ: xác định thiết bị mang địa chỉ được nhận dữ liệu (đối với Slave) hoặc dữ liệu nhận được từ địa chỉ nào (đối với Master) Địa chỉ này được quy định từ 0 - 254

 Byte mã hàm: được quy định từ Master, xác định yêu cầu dữ liệu từ thiết bị Slave Ví dụ mã 01: đọc dữ liệu lưu trữ dạng Bit, 03: đọc dữ liệu tức thời dạng Byte, 05: ghi dữ liệu 1 bit vào Slave, 15: ghi dữ liệu nhiều bit vào Slave

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

o 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

o 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

2.8 TRUYỀN DỮ LIỆU SONG SONG

Trong một thiết bị tính toán hoặc truyền thông, khoảng cách giữa các đơn vị con khác nhau quá ngắn Vì vầy người ta truyền dữ liệu giữa các đơn vị con bằng cách sử dụng một dây riêng để mang từng bit dữ liệu Có nhiều dây kết nối với từng thiết bị phụ và dữ liệu được trao đổi bằng chế độ truyền song song Chế độ hoạt động này dẫn đến sự chậm trễ nhỏ khi chuyển sang mỗi từ

 Trong truyền song song, tất cả các bit dữ liệu được truyền đồng thời trên các đường truyền riêng biệt

 Để truyền n bit, phải có n dây hoặc n đường được sử dụng vì vậy, mỗi bit có dây riêng của nó

 Tất cả các bit của một nhóm được truyền với mỗi xung nhịp từ một thiết bị đến một thiết bị khác, tức là nhiều bit được gửi đi với mỗi xung nhịp

 Truyền song song được sử dụng cho truyền thông khoảng cách ngắn

Hình 2.17: Cơ chế truyền dữ liệu song song

2.9 GIAO THỨC KẾT NỐI

Wifi là giao thức chính được ứng dụng trong nội 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 động, 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 hoạt động: 2.4GHz and 5GHz bands

 Khoảng cách: 50m

 Tốc độ 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 dụng trong một số ứng dụng của IOT

2.10 GIAO THỨC TRUYỂN 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"

Hình 2.18: 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 vậy MQTT phù hợp để chọn làm giao thức truyền thông chính trong đề tài

"Giám sát điện năng"

2.9 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐIỆN BA PHA

2.9.1 Điện ba pha là gì?

Theo kiến thức vật lý phổ thông được học, điện 3 pha là hệ thống điện gồm 3 dòng điện xoay chiều có cùng biên độ, cùng tần số nhưng lệch nhau về pha một góc phi Ø (phi)

Tuy nhiên có thể hiểu đơn giản điện 3 pha là điện gồm có 3 dây nóng và 1 dây lạnh

Vì có cấu tạo khác với điện 1 pha nên quy tắc đấu nối điện 3 pha và điện 1 pha cũng hoàn toàn khác nhau Hiện tại mạch điện xoay chiều 3 pha có 2 phương pháp đấu nối được áp dụng nhiều nhất đó là đấu nối hình sao và đấu nối hình tam giác.Tùy thuộc vào cơ sở hạ tầng và điều kiện công nghệ phù hợp cho các thiết bị sử dụng điện ở các quốc gia mà hiện thống lưới điện 3 pha cũng có những giá trị khác nhau

 Hệ thống lưới điện tại Mỹ: 220V/3F

 Hệ thống lưới điện tại Nhật Bản: 200V/3F

Việt Nam chúng ta đang sử dụng hệ thống lưới điện 3 pha 380V/3F

2.9.2 Những ưu điểm khi sử dụng điện 3 pha

Những nghiên cứu, sáng tạo mới đều đặt tiêu chí tiết kiệm và hiệu năng lên trên cùng

 Khi sử dụng hệ thống điện 3 pha, việc truyền tải điện năng sẽ tiết kiệm được dây dẫn hơn so với điện 1 pha do tận dụng được tối ra dung tính hữu dụng trong máy phát điện

 Không có điểm chết và các pha cân bằng nhau, giúp cho thiết bị điện làm việc hiệu quả, tránh tình trạng cháy nổ do lệch pha