Nghiên cứu, thi công hệ thống thu thập dữ liệu và giám sát điện năng

Xây dựng một hệ thống thu thập dữ liệu và giám sát năng lượng điện năngtiêu thụ, đo đạc được các thông số, cho phép hiển thị chúng trên website để chongười dùng tiện trong việc giám sát

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

2- Nguyễn Vũ Hoàng Anh Phi – 16141226

Tp Hồ Chí Minh - 07/2020

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

o0o Tp HCM, ngày 13 tháng 6 năm 2020

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU – THI CÔNG HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU VÀ

GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG

II NHIỆM VỤ:

1 Các số liệu ban đầu:

- Tài liệu nghiên cứu module ESP8266 NodeMCU v1.0 và ngôn ngữ lập trình

- Tài liệu nghiên cứu module đo điện năng AC PZEM-004T v30

- Tài liệu nghiên cứu Amazon Web Services

- Tài liệu nghiên cứu ngôn ngữ lập trình thiết kế giao diện web HTML, CSS,

JavaScript, PHP và phần mềm mô phỏng website – XAMPP

2 Nội dung thực hiện:

- Kết nối phần cứng, kiểm tra hoạt động

- Lập trình cho module ESP8266 NodeMCU v1.0 đo điện năng

- Lập trình thiết kế giao diện web

- Thiết lập, cài đặt Cloud Server để phân vùng lưu trữ dữ liệu trang web

- Thi công mạch

- Thiêt kế và thi công mô hình

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

23/03/202010/07/2020GVC.Ths Trương Ngọc Anh

TRƯỜNG ĐH SPKT TP HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Tên đề tài: Nghiên cứu, thi công hệ thống thu thập dữ liệu và giám sát điện năng.

Tuần/ngày Nội dung chính cần thực hiện Xác nhận GVHD

đồ án, nhận giấy giới thiệu làm đồ án Gặp(8/3 – 14/3)

GVHD để chọn đề tài

(29/3 – 4/4)

- Tìm hiểu cách thức giao tiếp của moduleESP8266

- Tìm hiểu chức năng Realtime của moduleESP8266

- Xây dựng sơ đồ khối, giải thích chức năng cho

- Thiết kế phần cứng.

- Chạy mô phỏng

- Tìm hiểu về các phần tử tạo nên website(10/5 – 16/5)

- Báo cáo tiến độ

- Tìm hiểu Php và MySQL

(17/5 – 23/5)

- Tìm hiểu về Javascript

dữ liệu

- Hoàn thành đưa dữ liệu phần cứng lên website(31/5 – 6/6)

- Tiến hành làm mô hình hệ thống

- Chạy thử nghiệm, kiểm tra hoạt động và cân(7/6 –13/6)

chỉnh hệ thống

(14/6 – 20/6)

-Nộp quyển ĐATN vào ngày 03/07/2020

Tuần 18 Bảo vệ ĐATN Khoa dự kiến từ ngày 10 đến

GV HƯỚNG DẪN(Ký và ghi rõ họ và tên)

Đề tài này là do nhóm chúng tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó.

Người thực hiện đề tài

Nguyễn Trung NghĩaNguyễn Vũ Hoàng Anh Phi

LỜI CẢM ƠN

Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Trương Ngọc Anh _ Giảng viên bộ môn Vi Xử

Lý, người Thầy đã đồng cùng nhóm trong suốt quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp Thầyluôn nhiệt tình, giúp đỡ nhóm trong những lúc khó khăn nhất, nhờ đó chúng tôi đã học hỏiđược nhiều điều, có được nhiều kinh nghiệm để vững bước tiến tới những công việc trongtương lại Chúng tôi xin gửi lời chúc sức khỏe và may mắn đến Thầy Trương Ngọc Anh,mong thầy giữ gìn sức khỏe và luôn giữ vững tinh thần yêu nghề của mình

Xin chân thành cảm ơn đến các tác giả của các tài liệu hướng dẫn, tài liệu tham khảo,các video trên internet đã đóng góp, chia sẻ cho chúng tôi những kiến thức quý báu đểchúng tôi học hỏi trong quá trình làm đồ án

Xin gửi lời chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Điện-Điện Tử, các giảng viêncủa trường DHSPKT Tp.HCM đã dạy cho sinh viên chúng tôi những kiến thức nền tảng, lấy

đó làm cơ sở để làm đồ án tốt nghiệp

Xin gửi lời cảm ơn thân thiết đến các người bạn hữu, các sinh viên của trườngDHSPKT Tp.HCM đã cùng đồng hành, cùng chia sẻ các kiến thức quý báu, đã hỗ trợ lẫnnhau trong suốt quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp

Đặc biệt xin gửi lời biết ơn đến cha mẹ, các bậc phụ huynh sinh viên đã đỡ đần, nuôinấng, hỗ trợ chúng tôi về các khoản kinh phí, cũng như cái ăn, cái ở, là người đã cho chúngtôi cơ hội, sức khỏe, luôn luôn tạo điều kiện cho chúng tôi được đi học để trưởng thành, vànhờ đó chúng tôi mới có cơ hội để thực hiện và hoàn thành đồ án tốt nghiệp

Xin chân thành cảm ơn!

Người thực hiện đề tài

Nguyễn Trung NghĩaNguyễn Vũ Hoàng Anh Phi

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 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 ix

LIỆT KÊ BẢNG xi

TÓM TẮT xii

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 HẠN 2

1.5 BỐ CỤC 3

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 GIỚI THIỆU MODULE ESP8266 NODEMCU V1.0 4

2.1.1 Sơ đồ chân 4

2.1.2 Thông số phần cứng 6

2.1.3 Chuẩn giao tiếp SPI 6

2.1.4 Một số loại ESP8266 được bán trên thị trường 7

2.2 Giới thiệu module PZEM-004T 7

2.3 MODULE hiển thị 9

2.3.1 Module LCD 20x4 9

2.3.2 Module chuyển đổi giao tiếp I2C 10

2.4 Khái quát về mạng không dây 11

2.4.1 Giới thiệu 11

2.4.2 Nguyên tắc hoạt động 12

2.4.3 Một số chuẩn WiFi 12

2.5 Webserver và cơ sở dữ liệu 14

2.5.1 Phần mêm mô phỏng trang web XAMPP 14

2.5.2 Tổng quan về webserver và ngôn ngữ lập trình trang web 14

3.1 Giới thiệu 22

3.2 Tính toán thiết kế 22

3.2.1 Sơ đồ khối hệ thống 22

3.2.2 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 29

3.2.3 Thiết kế mô hình thiết bị 31

Chương 4 THI CÔNG HỆ THỐNG 33

4.1 Giới thiệu 33

4.2 Thi công hệ thống 33

4.2.1 Thi công board mạch 33

4.2.2 Sắp xếp linh kiện cho tủ điện 34

4.2.3 Lắp ráp kiểm tra 35

4.3 Đóng gói thi công mô hình 37

4.3.1 Đóng gói bộ điều khiển 37

4.3.2 Thi công mô hình 38

4.4 Lập trình hệ thống 40

4.4.1 Lưu đồ giải thuật 40

4.4.2 Phần mềm lập trình 41

4.4.3 Cài đặt Amazon EC2 48

4.4.4 Tạo tên miền 57

4.4.5 Thiết lập Cloud Server 61

4.4.6 Đưa dữ liệu lên Cloud Server 67

4.5 Hướng dẫn sử dụng 69

Chương 5 KẾT QUẢ, NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ 71

5.1 Kết quả đạt được 71

5.1.1 Kết quả phần cứng 72

5.1.2 Kết quả phần mềm 76

5.2 Nhận xét và đánh giá 81

5.2.1 Về phần cứng 81

5.2.2 Về phần mềm 81

Chương 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 82

6.1 KẾT LUẬN 82

6.4 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO 83

Hình Trang

Hình 2.1 Sơ đồ chân module NodeMCU ESP8266 5

Hình 2.2 Sơ đồ khối minh họa chuẩn truyền SPI 6

Hình 2.3 Module đo điện năng AC PZEM-004T 8

Hình 2.4 Sơ đồ nối dây PZEM và thiết bị 9

Hình 2.5 Hình ảnh của LCD 20x4 9

Hình 2.6 Module chuyển đổi giao tiếp I2C 11

Hình 2.7 Sơ đồ mô tả nguyên tắc hoạt động của WiFi 12

Hình 2.8 Bảng điều khiển XAMPP 14

Hình 2.9 Sơ đồ tương tác của hệ quản trị CSDL với người dùng 18

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 22

Hình 3.2 Sơ đồ nối dây khối cảm biến dòng và khối đo điện năng, vi điều khiển 25

Hình 3.3 Sơ đồ nối dây khối hiển thị 28

Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 30

Hình 3.5 Tủ điện 31

Hình 3.6 Mặt trước tủ điện 32

Hình 4.1 Sơ đồ mạch in 33

Hình 4.2 Sắp xếp, bố trí linh kiện 35

Hình 4.3 Cố định linh kiện 36

Hình 4.4 Mặt sau nắp tủ điện 37

Hình 4.5 Đóng gói bộ điều khiển 38

Hình 4.6 Mặt trước mô hình thiết bị 39

Hình 4.7 Mặt đáy mô hình thiết bị 39

Hình 4 8 Lưu đồ giải thuật cho ESP8266 40

Hình 4.9 Lưu đồ giải thuật xử lý trang web 41

Hình 4.10 Chọn tải về Arduino IDE 42

Hình 4.11 Chọn tải về phần mềm 42

Hình 4.12 Giao diện khởi động 43

Hình 4.13 Thêm đường dẫn cài đặt board ESP8266 44

Hình 4.14 Cài đặt board ESP8266 cho phần mềm 44

Hình 4.15 Cài drive kết nối với board ESP8266 45

Hình 4.16 Tự động cập nhật drive 46

Hình 4.17 Cách thêm thư viện trong Arduino IDE 47

Hình 4.18 Chọn thư mục chứa thư viện đã tải về 47

Hình 4.19 Chọn board lập trình 48

Hình 4.20 Trang Amazon web services 49

Hình 4.21 Tạo tài khoản AWS 49

Hình 4.22 Tạo tài khoản AWS 50

Hình 4.23 Nhập thẻ visa 50

Hình 4.24 Đăng nhập vào bảng điều khiển 51

Hình 4.29 Tạo mới Instances 53

Hình 4.30 Chọn Instance 54

Hình 4.31 Chọn loại Instance 54

Hình 4.32 Cấu hình cho phép truy cập 55

Hình 4.33 Thêm các quyền truy cập 55

Hình 4.34 Khởi tạo Instance 56

Hình 4.35 Tạo file đăng nhập máy ảo – key pair 56

Hình 4.36 Tải về key pair 57

Hình 4.37 Instance sau khi khởi tạo 57

Hình 4.38 Đăng kí tên miền 58

Hình 4.39 Kiểm tra tên miền 58

Hình 4.40 Chọn đuôi tên miền muốn đăng kí 59

Hình 4.41 Bắt đầu thanh toán 59

Hình 4.42 Chọn miễn phí 12 tháng 59

Hình 4.43 Bắt đầu thiết lập DNS cho tên miền 60

Hình 4.44 Nhập DNS 60

Hình 4.45 Hoàn tất đăng kí 60

Hình 4.46 Giao diện khởi động Proderosa 61

Hình 4.47 Cấu hình đăng nhập vào máy ảo 62

Hình 4.48 Giao diện máy ảo 62

Hình 4.49 Chuyển người dùng 63

Hình 4.50 Cài đặt Apache 63

Hình 4.51 Cài đặt telnet 64

Hình 4.52 Chạy Apache trên web 64

Hình 4.53 Cấu hình kết nối cơ sở dữ liệu 67

Hình 4.54 Giao diện quản lý database của Navicat 67

Hình 4.55 Đăng nhập vào WinSCP 68

Hình 4.56 Quản lý thư mục bằng WinSCP 69

Hình 4.57 Kết quả hiển thị trên Website 69

Hình 5.1 Thử nghiệm mô hình 72

Hình 5.2 Hiển thị trên LCD 73

Hình 5.3 Bên trong thiết bị 73

Hình 5.4 Quạt điện dùng như tải kiểm tra 74

Hình 5.5 Kết quả thử nghiệm giá trị điện áp 74

Hình 5.6 Kết quả đo giá trị dòng điện 75

HÌnh 5.7 Kết quả đo giá trị công suất 75

Hình 5.8 Giao diện giám sát tổng quát khi chưa có báo động 77

Hình 5.9 Giao diện giám sát tổng quát khi có báo động 77

Hình 5.10 Email báo động người dùng 78

Hình 5.11 Giao diện giám sát chi tiết, biểu đồ 78

Hình 5.12 Giao diện cài đặt 79

Hình 5.13 Giao diện hiển thị trên điện thoại 80

Hình 5.14 Menu ở dạng thu nhỏ 80

Bảng Trang

Bảng 2.1 Thông số các chân của LCD 20x4 10

Bảng 2.2 Một số chuẩn WiFi 13

Bảng 3.1 Giao tiếp ngoại giữa NodeMCU và PZEM-004T 24

Bảng 3.2 So sánh ESP8266 ( ESP-12E ) và ESP32 25

Bảng 3.3 Giao tiếp ngoại vi giữa NodeMCU và LCD 20x4 I2C 27

Bảng 3.4 Các thông số của nguồn cung cấp cho thiết bị 28

Bảng 4.1 Danh sách linh kiện 34

Bảng 5.1 Kết quả đo các thông số của mô hình 76

TÓM TẮT

Đề tài “Nghiên cứu – thi công hệ thống thu thập dữ liệu và giám sát điện năng” cho

phép người dùng kiểm soát được các thông số cơ bản của điện năng như điện áp, dòng điện,công suất và công suất tiêu thụ Hệ thống cho phép người theo dõi các thông số này và càiđặt chúng thông qua các thiết bị như điện thoại di động, hay máy tính Hệ thống có thể báođộng người dùng thông qua cơ chế gửi mail tự động nếu như có thiết bị nào đó đang hoạtđộng bất thường

Nội dung đồ án của nhóm sẽ đi sâu vô tìm hiểu cách trao đổi dữ liệu của vi điều khiểntrên module ESP8266 với module đo điện năng PZEM-004T và module I2C Cách sử dụngthư viện PZEM-004T Cách lập trình để tạo nên một hệ thống trang web và cách sử dụngcông nghệ điện toán đám mây Amazon Web Services

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngày nay công nghệ truyền thông không dây đang được nghiên cứu và pháttriển rất mạnh mẽ để ứng dụng vào công nghiệp cũng như trong cuộc sống hàngngày từ các lĩnh vực dân dụng, giao thông cho đến công nghiệp, nông nghiệp, y tế…

Vì những công nghệ này có những ưu điểm như tần số làm việc thấp, công suấttruyền lớn, hiệu suất truyền cao, giá thành rẻ và an toàn với con người Trên hếthiện nay có khá nhiều loại chuẩn truyền khác nhau từ IR, RF, Bluetooth, 3G,LoRa…[5] Từ đó cho thấy công nghệ truyền thông không dây đem lại sự tiện lợi và

sẽ thay đổi cuộc sống con người theo hướng hiện đại hóa trong tương lại gần

Truyền dẫn qua mạng Wifi cũng là một công nghệ truyền không dây được sửdụng phổ biến, công nghệ này có những ưu điểm như truyền được khoảng cách xaqua mạng Wifi tiết kiệm năng lượng khi truyền dể dàng áp dụng cho cho bất cứ đâutrong vùng phủ sóng Wifi Để hiểu rõ hơn về vấn đề này nhóm chúng tôi đã chọn đề

tài “Nghiên cứu, thi công hệ thống thu thập dữ liệu và giám sát điện năng” dưới sự

định hướng và chỉ dẫn của giáo viên hướng dẫn của Thạc sĩ Trương Ngọc Anh.Trên cở sở tìm hiểu và nghiên cứu giám sát điện năng và các thông số khác của hệthống điện từ xa qua internet, đó cũng là một nhu cầu có thật và đang tăng cao trongthời gian gần đây Đặc biệt là sau những đợt giá điện, với thiết bi ̣quan sát điện năng

từ xa Chúng ta có thể nhìn thấy các thông số của hệ thống điện như công suất, dòngđiện, điện áp… Chúng ta có thể dùng máy vi tính hoặc thiết bị di động có hổ trợtrình duyệt web là có thể giám sát mức tiêu thụ điện năng của phòng học, phòngthực tập… Qua đó giúp chúng ta quản lý đánh giá sự tiêu thụ điện năng để thực hiệncác biện pháp tiết kiệm chi phí và năng lượng

Dựa trên cơ sở các đề tài trước đây làm về giám sát điện năng trước đây như

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

giao diện WINCC [2], dùng phần mềm Acuview giám sát điện năng thông qua đồng

hồ đo điện năng đa năng Mutimeter ACUVIM [3] Thì chúng tôi nhận thấy một sốhạn chế như giá thành cao, khả năng giám sát không đạt được hiệu quả cao Để khắcphục các nhược điểm trên nhóm đã nghiên cứu việc giao tiếp với các thiết bị điệnqua Internet dùng công nghệ IoT, góp phần hỗ trợ cho công tác giám sát và quản lýđiện năng từ xa, sử dụng bộ vi điều khiển kết hợp với việc truyền dữ liệu qua WIFIhiển thị giao diện trên Web

Xây dựng một hệ thống thu thập dữ liệu và giám sát năng lượng điện năngtiêu thụ, đo đạc được các thông số, cho phép hiển thị chúng trên website để chongười dùng tiện trong việc giám sát mức tiêu thụ năng lượng của các thiết bị, cóchức năng cảnh báo người dùng khi có thiết bị điện đang tiêu thụ quá mức, từ đóđưa ra giải pháp phòng ngừa, tiết kiệm năng lượng điện

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

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: Kết nối mạch phần cứng giữa module PZEM004T, ESP8266.NỘI DUNG 3: Lập trình giao tiếp với module PZEM004T để đo các thông sốđiện năng

NỘI DUNG 4: Lập trình cho module wifi ESP8266 trên Arduino IDE

NỘI DUNG 5: Thiết kế và thi công mô hình thiết bi ̣hoàn thiện

NỘI DUNG 6: Xây dựng giao diện web, giám sát, hiển thị

NỘI DUNG 7: Chạy thử nghiệm và cân chỉnh hệ thống

NỘI DUNG 8: Viết báo cáo thực hiện

NỘI DUNG 9: Bảo vệ luận văn

1.4 GIỚI HẠN

Với đề tài “Nghiên cứu – thi công hệ thống thu thập dữ liệu và giám sát điện

năng” thì sẽ có những giới hạn như sau:

Tổng dòng giám sát tối đa là 20A.

Hai mô hình tương đương với việc giám sát hai phòng thực tập

Website chỉ có chức năng giám sát và báo động, không có chức năng điều khiển

Chương 1: Tổng Quan

Chương này đặt vấn đề dẫn nhập đến lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn, thông số và bố cục của đồ án

Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết.

Chương này trình bày chi tiết về những lý thuyết cơ bản liên quan đến các vấn

đề mà đề tài sử dụng để thiết kế và thi công

Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán.

Chương này trình bày các bước thiết kế, tính toán về phần cứng như lựa chọncác linh kiện, module thích hợp, cũng như thiết kế phần mềm để phù hợp với yêucầu của đề tài

Chương 4: Thi công hệ thống.

Chương này trình bày chi tiết quá trình thi công về phần cứng cũng như phầnmềm, mô phỏng và kiểm tra quá trình hoạt động của hệ thống

Chương 5: Kết quả, nhận xét, đánh giá.

Chương này trình bày kết quả đạt được sau khi hoàn thành hệ thống so với mục tiêu ban đầu đề ra, đưa ra nhận xét ,đánh giá về kết quả đạt được

Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển

Chương này trình bày kết luận tổng thể về hệ thống từ phần cứng cũng như phần mềm từ đó đưa ra hướng phát triển cải thiện hệ thống

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Module nodeMCU ESP8266 là dòng vi điều khiển có tích hợp WiFi 2.4Ghz

có thể lập trình được phát triển bởi công ty Espressif Systems, là nhà sản xuất tạiTrung Quốc có trụ sở tại Thượng Hải Với sự tích hợp này cùng với giá thành rẻ,module nodeMCU ESP8266 cho phép lập trình viên có thể sử dụng nó để tiếp cậnđến các công việc liên quan đến internet hóa mọi thứ một cách dễ dàng

Chip ESP8266 được phát triển bởi Espressif để cung cấp giải pháp giao tiếpwifi cho các thiết bị IoT Điểm đặc biệt của dòng ESP8266 là nó được tích hợp cácmạch RF như balun, antenna switches, TX power amplifier và RX filter ngay bêntrong chip với kích thước rất nhỏ chỉ 5x5mm nên các board sử dụng ESP8266không cần kích thước board lớn cũng như không cần nhiều linh kiện xung quanh

ESP8266 có một cộng đồng các nhà phát triển trên thế giới rất lớn trên thếgiới, cung cấp nhiều Module lập trình mã nguồn mở giúp nhiều người có thể tiếpcận và xây dựng ứng dụng rất nhanh[13]

2.1.1 Sơ đồ chân.

Sơ đồ chân của module nodeMCU ESP8266 sẽ được hiển thị chi tiết thôngqua hình ảnh sau:

Hình 2.1 Sơ đồ chân module nodeMCU ESP8266

ESP8266 NodeMCU có tổng cộng 13 chân GPIO, các chân GPIO đều cóđiện trở kéo lên nguồn bên trong, ngoại trừ chân GPIO16 có điện trở kéo xuống,chức năng của các chân cụ thể như sau[14]:

- GPIO1 và GPIO3: hai chân này được kết nối với TX, RX của bộ giao tiếpUART0, bộ UART0 này có chức năng nhận code ta sẽ tránh sử dụng haichân này

- GPIO0, GPIO2, GPIO15: các chân này có nhiệm vụ cấu hình mode choESP8266 điều khiển quá trình nạp code nên bên trong NodeMCU có các trởkéo để định sẵn mức logic cho chúng như sau: GPIO0: HIGH, GPIO2:HIGH, GPIO15: LOW Vì vậy khi sử dụng các chân này ở vai trò GPIO cần

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

- Các chân GPIO còn lại, GPIO4, GPIO5, GPIO12, GPIO13, GPIO14,

GPIO16 không có chức năng đặc biệt nên có thể sử dụng bình thường

Hỗ trợ SDIO 2.0, UART, SPI, PWM, I2S với DMA

Một bộ chuyển đổi ADC có độ chính xác cao 10 – bit

Dải nhiệt độ hoạt động rộng: -40C ~ 125C

Có thể dùng tập lệnh AT

Hỗ trợ phát triển trên cả hai môi trường hệ điều hành Windows và Linux

2.1.3 Chuẩn giao tiếp SPI

Chuẩn giao tiếp SPI (Serial Peripheral Interface) được phát triển bởiMotorola, là một chuẩn đồng bộ nối tiếp để truyền dữ liệu ở chế độ song công toànphần (full – duplex) tức trong cùng một thời điểm có thể xảy ra đồng thời quá trìnhtruyền và nhận Đôi khi SPI còn được gọi là chuẩn giao tiếp 4 dây (Four-wire)

SPI là giao diện đồng bộ, bất cứ quá trình truyền nào cũng được đồng bộ hóavới tín hiệu clock chung Tín hiệu này sinh ra bởi master[15]

Trong giao diện SPI có bốn tín hiệu số:

MOSI hay SI – cổng ra của bên Master, cổng vào bên Slave Đây là chândành cho việc truyền tín hiệu từ thiết bị chủ động đến thiết bị bị động

MISO hay SO – cổng ra bên Slave, cổng vào bên Master Đây là chân dànhcho việc truyền dữ liệu từ thiết bị bị động sang thiết bị chủ động

SCLK hay SCK là tín hiệu clock đồng bộ (Serial Clock) Xung nhịp được tạo

ra bởi Master

SS hay CS là tín hiệu chọn vi mạch (Slave Select hay Chip Select) SS sẽ ở mức cao khi không làm việc Nếu SS được kéo xuống mức thấp thì sẽ xảy raquá trình giao tiếp Chỉ có một đường SS trên mỗi slave nhưng có thể có nhiều đường điều khiển SS trên master, tùy thuộc vào thiết kế của người dùng

2.1.4 Một số loại ESP8266 được bán trên thị trường

Hiện nay trên thị trường đã có rất nhiều phiên bản của ESP8266 phù hợp vớitừng người dùng với nhiều mục đích sử dụng khác nhau như: ESP-01, ESP-02,ESP-03, ESP-07, ESP-12F,… các module của ESP8266 được sử dụng rộng rãi nhưNodeMCU, Wemos Với giá thành rẻ, còn có thể được lập trình bởi ứng dụngArduino IDE, việc sử dụng và phát triển các dự án sẽ trở nên dễ dang và tiện lợi hơnđối với người lập trình

Module đo điện AC đa năng giao tiếp SPI PZEM-004T được sử dụng để đo

và theo dõi gần như hoàn toàn các thông số về điện năng AC của mạch điện nhưđiện áp hoạt động, dòng tiêu thụ, công suất và năng lượng tiêu thụ Giao tiếp SPI dễdàng kết nối truyền dữ liệu tới vi điều khiển hoặc máy tính

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.3 Module đo điện năng AC PZEM-004T

Module được thiết kế với kích thước nhỏ gọn, dễ lắp đặt, sử dụng cách đodòng cách ly an toàn và khả năng đo dòng lên đến 100A, mạch có chất lượng linhkiện và được gia công tốt, độ bền cao

Thông số kĩ thuật:

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,

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

UART Lưu trữ thông số năng lượng tiêu thụ trong bộ nhớ

Kích thước: 30 x 75 mm

Hình 2.4 Sơ đồ nối dây PZEM và thiết bị

Khối hiển thị là một khối không kém phần quan trọng Khối này giúp hiển thịcác thông tin quan trọng để người dùng có thể quan sát và đánh giá hoạt động củamạch, mặc khác còn giúp người lập trình làm việc dễ dàng hơn trong công việc

2.3.1 Module LCD 20x4

Khác với led 7 đoạn, LCD giúp chúng ta hiển thị được các thông số rõ rànghơn, chi tiết hơn, cùng với giá thành rẻ và lập trình đơn giản nên LCD được ưachuộng hơn các loại màn hình khác như HMI hay OLED…

Hiện nay trên thị trường có bán hai loại LCD với kích thước màn hình rấtphổ biến là LCD 16x2 và LCD 20x4 Để hiển thị được các thông số rõ ràng, chitiết thì LCD 20x4 với kích thước rộng rãi hơn sẽ là lựa chọn thích hợp

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Thông tin các chân của LCD sẽ được hiển thị chi tiết ở bảng 2.1

Bảng 2.1 Thông số các chân của LCD 20x4

hình

H: data signal, L: instruction signal

2.3.2 Module chuyển đổi giao tiếp I2C

I2C (Inter – Integrated Circuit) là giao thức giao tiếp được phát triển bởiPhilips Semiconductors để truyền dữ liệu giữa một bộ xử lý trung tâm với nhiều ICtrên cùng một board mạch chỉ sử dụng hai đường truyền tín hiệu.

Do tính đơn giản mà chuẩn giao tiếp này được sử dụng rộng rãi cho giao tiếpgiữa các vi điều khiển và mảng cảm biến, các thiết bị, thiết bị IoT, EEPROMs,…

Việc kết nối module LCD với ESP8266 sẽ tốn kém nhất nhiều chân màESP8266 không thể đáp ứng hết tất cả số chân của LCD Chính vì vậy mà moduleI2C đóng vai trò quan trọng có chức năng kết nối module LCD và ESP8266

Hình 2.6 Module chuyển đổi giao tiếp I2C

Thông số kỹ thuật:

Điện áp hoạt động: 2.5 – 6V DC

Hỗ trợ màn hình: LCD1602, 1604, 2004 (driver HD44780)

Giao tiếp: I2C

Địa chỉ mặc định: 0x27 (có thể điều chỉnh bằng cách ngắn mạch chân

A0/A1/A2)

Kích thước: 41.5mm(L) x 19mm(W) x 15.3mm(H)

Tích hợp biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Mạng không dây (hay còn gọi là mạng Wi-Fi, mạng Wireless, 802.11) làmạng kết nối các thiết bị có khả năng thu phát sóng (như máy vi tính có gắnAdapter không dây, PDA,…) lại với nhau không sử dụng dây dẫn mà sử dụng sóng

vô tuyến được truyền dẫn trong không gian thông qua các trạm thu/phát sóng

2.4.2 Nguyên tắc hoạt động

Để có thể có được sóng wifi thì chúng ta cần phải có các bộ phát wifi (nhưmodem, router wifi…) Các thiết bị này được gắn với đầu vào của internet đượccung cấp bởi các đơn vị viễn thông Khi đã kết nối các thiết bị Modem và router sẽlấy tín hiệu mạng qua đường dâu kết nối, sau đó chuyển thành sóng wifi để các thiết

bị có hỗ trợ kết nối wifi bắt và sử dụng mạng internet

Quá trình ngược lại cũng được truyền như sau: các thiết bị sử dụng wifi sẽgửi lại dữ liệu qua sóng wifi đến bộ giải mã là router và modem sẽ giải mã và gửilên mạng của một chuẩn kết nối Ethernet có dây

Hình 2.7 Sơ đồ mô tả nguyên tắc hoạt động của WiFi

2.4.3 Một số chuẩn WiFi

Chuẩn WiFi là được một tổ chức công nghệ IEEE ( Institute of Electrical andElectronics Engineers ) thành lập nên Qua đó, chuẩn wifi dùng để thống nhất mộtchuẩn chung cho nhiều giao thức kỹ thuật khác nhau và dùng để phân loại chung.Hiện nay có một số chuẩn WiFi thông dụng được thể hiện thông qua bảng 2.2

băng thôngrộng, phạm vihoạt động lớn,

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

với các chuẩnwifi còn lại

2.5.1 Phần mêm mô phỏng trang web XAMPP

Phần mềm XAMPP là phần mềm mô phỏng trang web, hay nói cách khác nó

là một server ảo và hoạt động mà không cần có kết nối internet

Hình 2.8 Bảng điều khiển XAMPP

XAMPP được tích hợp sẵn Apache, PHP, MySQL, FTP Server, Mail Server

và các công cụ như phpMyAdmin

XAMPP có giao diện quản lý khá tiện lợi, cho phép người dùng chủ động bậttắt hoặc khởi động lại các dịch vụ máy chủ bất kì lúc nào Phần mềm này cũng đượcthiết lập và phát triển dựa trên mã nguồn mở

2.5.2 Tổng quan về webserver và ngôn ngữ lập trình trang web

Ở khía cạnh phần cứng: một webserver là một máy tính lưu trữ các file thànhphần của một website (như các file HTML, CSS, JavaScript hay các file ảnh…) và có thể phân phát chúng tới thiết bị của người dùng cuối (end-user).

Nó kết nối tới mạng internet và có thể truy cập tới thông qua một tên miền như dantri.com

Ở khía cạnh phần mềm: một webserver bao gồm một số phần để điều khiển cách người sử dụng web truy cập tới các file được lưu trữ trên một HTTP server Một HTTP server là một phần mềm hiểu được các URL (các địa chỉ web) và HTTP (giao thức trình duyệt đang sử dụng để xem các trang web).Nhìn chung webserver là một nơi được tạo ra để lưu trữ các file liên quanđến website Khi tạo ra webserver mặc nhiên ta sẽ có một địa chỉ IP được gọi làDNS Để có thể liên kết được với webserver ta sẽ cần tạo một tên miền (hay còngọi là domain, domain này là duy nhất với mỗi server) và tên miền này sẽ đượctrỏ chính xác vào DNS của server

2.5.2.1 Khái quát về ngôn ngữ HTML

HTML (Hypertext Markup Language) là ngôn ngữ đánh dấu siêu văn bản, được tạo ra bởi Tim Berners-Lee, một nhà vật lý học của trung tâm nghiên cứu CERN

ở Thụy Sĩ Hiện nay, HTML đã trở thành một chuẩn internet tổ chức W3C (WorldWide Web Consortium) vận hành và phát triển HTML là phần quan trọng của mộtweb site giúp người dùng tạo và cấu trúc các thành phần cơ bản của một trang webnhư đặt tiêu đề, phân chia văn bản, đường link,…thông qua các bộ thẻ có trongHTML Các tâp tin chứa nội dung được viết bằng HTML phải có đuôi là html

HTML được cấu tạo bởi các bộ thẻ, mỗi bộ thẻ, bao gồm thẻ mở và thẻ đóng,

có một chức năng định nghĩa riêng Cấu trúc của một tập tin HTML bao gồm 3 phần

cơ bản:

Phần HTML: Mọi tài liệu HTML đều phải bắt đầu bằng thẻ mở <html> và kết thúc bằng thẻ đóng </html> Thẻ này báo cho trình duyệt biết nội dung

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Phần tiêu đề: Phần này bắt đầu bằng thẻ <head> và kết thúc bằng thẻ

</head> Phần này chứa các tiêu đề được hiển thị và các đường dẫn quan trọng khác Tiêu đề được đặt trong cặp thẻ <title><title>

Phần thân: Phần này nằm sau phần tiêu đề và là nơi chứa các thông tin quan trọng mà người dùng muốn hiển thị nó trên website như các đoạn văn, hình ảnh, hay các liên kết Phần thân nằm trong cặp thẻ <body></body>

2.5.2.2 Khái quát về CSS

CSS (Cascading Style Sheet language) là ngôn ngữ làm đẹp cho trang web.Một trang web được viết bằng HTML đơn thuần sẽ không tạo nên được sức hút chowebsite khiến cho website sẽ trở nên rất nhàm chán Chính vì vậy CSS là một ngônngữ quan trọng trong việc cấu thành một trang web

CSS được sử dụng theo ba cách:

Cách 1: Inline – Áp dụng trực tiếp trên một thẻ HTML cụ thể bằng thuộc tínhstyle

Ví dụ: <span style="font-weight:bold; "> Văn bản cần in đậm</span>

Cách 2: Internal – Đặt CSS vào trong một khối, khối này được bắt đầu bằngthẻ mở <style> và kết thúc bằng thẻ đóng </style> Bên trong khối sẽ là cácđịnh nghĩa về thuộc tính làm đẹp cho trang web như font chữ, màu sắc, cănchỉnh các khối… Các thuộc tính này sẽ được nhúng vào các phần tử HTMLthông qua các định danh (id) hay các lớp (class) hay thậm chí là ngay chínhphần tử HTML đó sẽ được thay đổi thuộc tính thông qua CSS

Ví dụ: <h1 class = “text-red” > Tô đỏ tiêu đề </h1>

<style> text-red {Color: red; } </style>

Cách 3: External – Các thuộc tính CSS sẽ được viết và lưu trữ vào một tệp tin riêng biệt có đuôi là css, khi đó ta có thể sử dụng file này để nhúng vào các file HTML khác nhau bằng cách thêm đường dẫn đến file CSS vào khối

<head></head> của HTML thông qua thẻ <link>

Ví dụ: Tên file: style.css Nhúng

vào trang HTML:

2.5.2.3 Khái quát về JavaScript

JavaScript là một ngôn ngữ lập trình hoặc ngôn ngữ kịch bản cho phép triểnkhai những chức năng phức tạp trên trang web như hiển thị các cập nhật nội dungkịp thời, tương tác với bản đồ, hoạt cảnh 2D/3D… Nó là một trong những tiêuchuẩn quan trọng để lập trình web

Tương tự như CSS, tuy nhiên JavaScript chỉ được thêm vào trang web theohai cách:

Cách 1 : Internal – Thêm trực tiếp vào file HTML và được đặt vào trong khốibắt đầu bằng thẻ mở <script> và thẻ đóng </script>

Cách 2 : External – Lập trình và lưu trữ code Javascript trong file dùng chung với đuôi js và có thể tham chiếu file này đến nhiều trang HTML khác nhau

2.5.3 Tổng quan về hệ quản trị cơ sở dữ liệu MySQL

Hệ quản trị cơ sở dữ liệu (Database Management System) là hệ thống đượcthiết kế để quản lí một khối lượng dữ liệu nhất định một cách tự động và có trật tựthông qua các bảng Các hành động quản lí này bao gồm chỉnh sửa, xóa, lưu thôngtin và tìm kiếm (truy xuất thông tin) trong một nhóm dữ liệu nhất định

Mỗi hệ quản trị cơ sở dữ liệu (hệ quản trị CSDL) là một phần mềm phức tạpgồm nhiều thành phần, trong đó hai thành phần chính là :

Bộ xử lý truy vấn

Bộ xử lý dữ liệu

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.9 Sơ đồ tương tác của hệ quản trị CSDL với người dùng.

Các hệ quản trị cơ sở dữ liệu ra đời và đóng vai trò quan trọng trong xử lý vàkiểm soát các nguồn thông tin, dữ liệu đơn lẻ Cụ thể, nó có các chức năng chínhnhư sau:

Cung cấp môi trường tạo lập cơ sở dữ liệu: Hệ quản trị CSDL đóng vai trò cung cấp cho người dùng ngôn ngữ định nghĩa dữ liệu để mô tả, khai báo kiểu dữ liệu, các cấu trúc dữ liệu

Cung cấp cách cập nhật và khai thác dữ liệu: Hệ quản trị CSDL cung cấp cho người dùng ngôn ngữ thao tác dữ liệu để diễn tả các yêu cầu, các thaotác cập nhật và khai thác cơ sở dữ liệu Thao tác dữ liệu bao gồm: Cập nhật (nhập, sửa, xóa dữ liệu), khai thác (tìm kiếm, kết xuất dữ liệu)

Cung cấp các công cụ kiểm soát, điều khiển các truy cập vào cơ sở dữ liệu: Nhằm đảm bảo thực hiện một số yêu cầu cơ bản của hệ cơ sở dữ liệu Bao gồm đảm bảo an ninh, duy trì tính nhất quán của dữ liệu, tổ chức điều khiển các truy cập, khôi phục cơ sở dữ liệu khi có sự cố về phần cứng hay phần mềm, quản lí các mô tả dữ liệu

Hiện nay, với mong muốn ngày càng cải thiện khả năng xử lý dữ liệu cho cácphần mềm máy tính, website…các hệ quản trị CSDL đã ra đời như: MySQL,Oracle, SQlite, MongoBD, PostgreSQL…

Trong đó MySQL là hệ quản trị cơ sở dữ liệu sử dụng mã nguồn mở phổbiến nhất thế giới và được các chuyên gia lập trình web rất ưa chuộng trong quátrình phát triển web, phát triển ứng dụng, Với tốc độ và tính bảo mật cao, MySQLrất thích hợp cho các ứng dụng có truy cập CSDL trên internet.

Một số điểm ưu việt của MySQL:

2.5.4 Amazon Web Services

Amazon Web Services (AWS) là nền tảng điện toán đám mây toàn diện vàđược sử dụng rộng rãi nhất, cung cấp trên 175 dịch vụ đầy đủ tính năng từ các trungtâm dữ liệu trên toàn thế giới

AWS có nhiều dịch vụ và nhiều tính năng nổi trội, vượt bậc từ các công nghệ

cơ sở hạ tầng như máy tính, ổ lưu trữ và cơ sở dữ liệu đến các công nghệ mới nổinhư machine learning và trí tuệ nhân tạo, kho dữ liệu và phân tích, Internet ofThings Điều này giúp ta chuyển các ứng dụng hiện có lên đám mây nhanh hơn, dễdàng hơn và hiệu quả hơn về chi phí cũng như xây dựng hầu hết mọi thứ

AWS cũng có chức năng sâu nhất trong các dịch vụ đó, như AWS cung cấpnhiều loại cơ sở dữ liệu nhất được xây dựng có mục đích cho các loại ứng dụngkhác nhau để ta có thể chọn công cụ phù hợp cho công việc để có chi phí và hiệusuất tốt nhất

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

cao Điều này được hỗ trợ bởi một công cụ bảo mật trên đám mây chuyên sâu với

230 tính năng cũng như dịch vụ bảo mật, tuân thủ và quản trị

Điện toán đám mây là việc phân phối các tài nguyên công nghệ thông tintheo nhu cầu qua internet với chính sách thanh toán theo mức sử dụng Thay vì mua,

sở hữu và bảo trì các trung tâm dữ liệu và máy chủ vật lý, ta có thể tiếp cận các dịch

vụ công nghệ, như năng lượng điện toán, lưu trữ và cơ sở dữ liệu, khi cần thiết, từnhà cung cấp dịch vụ đám mây như Amazon Web Service (AWS)

2.5.4.1 Cách thức đưa dữ liệu trang web lên server.

Sau khi lập trình viên đã soạn thảo được một dự án website theo yêu cầu củanhà thiết kế, hay nhằm mục đích để phục vụ các cá nhân, các tổ chức, ta cần đưa dự

án này lên server để người dùng có thể xem và tương tác với website của mình

Cách thông thường nhất để đưa dự án lên server thì ta sẽ cần phải đăng kí haithành phần chính là domain và hosting

Domain (tên miền) là địa chỉ, đường dẫn để chúng ta truy cập vào website và

nó tồn tại duy nhất dưới quyền sở hữu của cá nhân hoặc công ty, được gia hạn theonăm

Hosting là một phân vùng lưu trữ dữ liệu dự án website trên online Mộthosting được chạy thì sẽ có một tên miền chính được liên kết với hosting này

Sau khi đăng kí được hai thành phần này ta sẽ cấu hình hosting, lấy địa chỉ IPhosting, sau đó cập nhật địa chỉ IP này cho DNS của domain Như vậy là ta đã cómột hệ thống server Việc cuối cùng là tải lên dự án của mình vào hosting

Ngoài hosting, ta còn có một phân vùng lưu trữ dữ liệu khác được gọi là điệntoán đám mây (Cloud Server) Mô hình này có dung lượng lưu trữ lớn hơn hosting

và đang được sử dụng rất phổ biến nhờ chi phí rẻ nhiều ưu điểm nổi bật khác

2.5.4.2 Một vài tính năng của Amazon Web Services

Amazon Web Services cung cấp cho người dùng nhiều tính năng và dịch vụnhằm giúp người dùng có nhiều lựa chọn, nhiều giải pháp khác nhau để thực hiện nhu

cầu của mình như: EC2, DynamoDB, S3,… Trong đó tính năng EC2 là tính năngđang được người dùng ưa chuộng nhất.

2.5.4.3 Amazon EC2

Amazon EC2 (Amazon Elastic Compute Cloud) là dịch vụ web cung cấpnăng lực điện toán bảo mật và có kích cỡ linh hoạt trên đám mây Dịch vụ này đượcthiết kế giúp các nhà phát triển dễ sử dụng điện toán đám mây ở quy mô web hơn.Giao diện dịch vụ web đơn giản của Amazon EC2 cho phép ta có được và cấu hìnhnăng lực với sự va chạm tối thiểu Dịch vụ này cung cấp cho ta khả năng kiểm soáttoàn phần các tài nguyên điện toán và chạy trên môi trường điện toán đã được kiểmchứng của Amazon

Amazon EC2 cung cấp môi trường điện toán ảo đích thực, cho phép ngườidùng sử dụng các giao diện dịch vụ web để khởi chạy các phiên bản trên nhiều hệđiều hành khác nhau, tải các phiên bản này với môi trường ứng dụng tùy chỉnh vàquản lý quyền truy cập mạng một cách riêng tư

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

Chương 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

Đề tài “Nghiên cứu, thi công hệ thống thu thập dữ liệu giám sát điện năng”

sử dụng module đo điện AC PZEM-004T để đo các thông số của nguồn điện AC sửdụng trong phòng học phòng thực tập, nhà ở… với bộ xử lý trung tâm là moduleNodeMCU ESP8266-12E để điều khiển thu thập dữ liệu, hiển thị lên LCD20x4 vàgửi dữ liệu thu thập được lên Webserver dựa trên nền tảng AWS

Vì hệ thống sử dụng module là chính, nên ở chương này chúng tôi sẽ trìnhbày về sơ đồ khối hoạt động của hệ thống, sơ đồ nguyên lý, phân tích chức năng củatừng khối, trình bày về lý do để lựa chọn các linh kiện, module sao cho phù hợp với

hệ thống, từ đó đưa ra cái nhìn tổng quan nhất cho hệ thống và tiến hành thiết kế, vẽmạch PCB để kết nối các module lại với nhau thành một hệ thống hoàn chỉnh

3.2.1 Sơ đồ khối hệ thống

Chức năng các khối :

Khối cảm biến dòng: Khối này đảm nhận nhiệm vụ đo dòng điện xoay chiều

từ các thiết bị ngõ vào, từ đó có dữ liệu để gửi đến khối đo điện năng, vì khốicảm biến dòng không có chức năng xử lý các thông số và không có chức năng nhận dữ liệu từ khối đo điện năng, nên quan hệ truyền nhận giữa hai khối này là quan hệ một chiều

Khối đo điện năng (PZEM004T): Khối này đảm nhận chức năng đo điện áp xoay chiều, tần số của thiết bị ngõ vào, cùng với đó là nhận dữ liệu dòng điệnxoay chiều từ khối cảm biến dòng, từ đó tiến hành xử lý, tính toán để cho ra các dữ liệu khác như công suất, hệ số công suất, công suất tiêu thụ của thiết

bị Sau đó đưa dữ liệu qua khối xử lý trung tâm theo yêu cầu của người lập trình Khối này xử lý các tín hiệu theo yêu cầu được gửi từ khối xử lý trung tâm nên quan hệ giao tiếp truyền nhận giữa khối này và khối xử lý trung tâm

là quan hệ hai chiều

Khối xử lý trung tâm: Đóng vai trò quan trọng trong hệ thống, khối này có chức năng giao tiếp với người dùng thông qua các ứng dụng lập trình, giao tiếp, từ đó tiếp nhận yêu cầu của lập trình viên tiến hành xử lý các tín hiệu nhận được từ khối đo điên năng AC, sau đó cho phép chúng hiển thị trên các module hiển thị và giao tiếp wifi để đưa các tín hiệu lên trang web

Khối hiển thị: Khối này nhận nhiệm vụ hiển thị các tín liệu, các thông số đãđược xử lý ở khối xử lý trung tâm và đưa chúng ra màn hình để cho ngườidùng, người lập trình dễ dàng quan sát và đánh giá trực tiếp khả năng hoạtđộng của hệ thống Quan hệ giao tiếp truyền nhận giữa khối hiển thị và khối

xử lý trung tâm là quan hệ một chiều

Khối nguồn: Cấp nguồn cho hệ thống

Amazon Web Services: Tương tự như khối hiển thị, Amazon Web Services đảm nhận vai trò hiển thị các giá trị thông số đã xử lý ở khối xử lý trung tâm

và xuất chúng ra giao diện website, là kho lưu trữ dữ liệu về website, giao

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

3.2.1.1 Khối cảm biến dòng và khối đo điện năng

Như đã trình bày ở trên, khối đo điện năng đo các giá trị điện áp xoay chiều,tần số cùng với đó là nhận tín hiệu đo dòng điện xoay chiều từ khối cảm biến dòng

để tính toán và đưa ra các giá trị điện năng khác Hai khối này điều nhận nhiệm vụ

đo đạc thông số của điện năng xoay chiều để cung cấp cho hệ thống

Hiện nay, trên thị trường có rất nhiều thiết bị đo điện năng thông dụng nhưcông tơ điện một pha hai dây EMIC hay ENTES-32L, hay các thiết bị đo cao cấphơn như đồng hồ đo điện đa năng PM5000, công tơ điện tử thông minh ELECALLDDS2015AX,… Tuy nhiên để thiết kế một hệ thống nhỏ gọn với giá thành rẻ thìcác thiết bị tương đương với các thiết bị đo được kể trên không phù hợp về kíchthước, cũng như giá thành

PZEM-004T cũng là thiết bị đo điện năng đang được các sinh viên của cáctrường đại học đang làm đề tài có liên quan ưa chuộng Với kích thước nhỏ gọn, tiệnlơi, giá thành rẻ, có cơ chế bảo vệ khi quá tải, ngắn mạch, PZEM-004T là sự lựachọn hoàn hảo, đáp ứng được nhu cầu đo các thông số của điện xoay chiều mà tacần, dễ dàng giao tiếp với NodeMCU ESP8266-12E thông qua giao tiếp UART.Tuy nhiên trên thị trường hiện nay có nhiều phiên bản PZEM-004T nên khi mua và

sử dụng cần tìm hiểu thư viện lập trình của PZEM-004T cho NodeMCU sao chophù hợp với một số phiên bản mới nhà sản xuất

Để kết nối giao tiếp NodeMCU với module PZEM-004T cũng như kết nốiPZEM-004T với thiết bị, chúng tôi đã liệt kê ra giao tiếp ngoại giữa NodeMCU vàPZEM-004T (bảng 3.1) và hình ảnh sơ đồ nối dây khối cảm biến dòng, khối đo điệnnăng, vi điều khiển (hình 3.2) như bên dưới

Bảng 3.1 Giao tiếp ngoại giữa NodeMCU và PZEM-004T

Hình 3.2 Sơ đồ nối dây khối cảm biến dòng và khối đo điện năng, vi điều khiển

3.2.1.2 Khối xử lý trung tâm

Sử dụng vi điều khiển chính là module ESP8266 kết nối với các thiết bị ngoại

vi và giao tiếp với server thông qua WiFi Đến thời điểm hiện tại đã có rất nhiều phiênbản module ESP được tạo ra để phục vụ cho người lập trình tùy vào mục đích sử dụngcủa họ, các phiên bản ESP như ESP-01, ESP-02, ESP-03, ESP-12E, ESP-12F,

ESP32,…

Với giới hạn của đề tài này thì nhóm chúng tôi sẽ hướng tới hai sự lựa chọnchính đó là NodeMCU ESP8266 và ESP32 làm bộ xử lý trung tâm nhờ độ thôngdụng cũng như giá cả hợp lý, kích thước nhỏ gọn, cung cấp đầy đủ các chức năngcần thiết phục vụ cho mạch Dưới đây là bảng so sánh về tính năng, chức năng củatừng module

Bảng 3.2 So sánh ESP8266 ( ESP-12E ) và ESP32

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

Dựa vào các tiêu chí trên ta sẽ thấy ESP32 có nhiều ưu điểm và tính năngvượt trội hơn hẳn so với ESP8266, do đó nếu ta lựa chọn ESP32 để làm bộ xử lýtrung tâm cho hệ thống thì sẽ là một điều tuyệt vời Tuy nhiên, ở đề tài lần này, việc

sử dụng hai module ESP32 để làm một hệ thống giám sát với hai tủ điện thì quáphung phí về giá cả cũng như chức năng của module, chính vì vậy nhóm chúng tôilựa chọn ESP8266 NodeMCU để làm vi xử lý chính cho hệ thống

Module NodeMCU hiện nay gồm có hai phiên bản đó là NodeMCU v0.9 ( 12) và NodeMCU v1.0 (ESP-12E) Theo kinh nghiệm làm việc thì nhóm chúng tôi cómột cái nhìn tổng quan về hai loại này, cả hai module này đểu là NodeMCU nên sốchân và chức năng giống nhau, chỉ khác nhau ở kích thước của module NodeMCU v0.9

ESP-cũng không được ổn định Vì lẽ đó với phiên bản nâng cấp hơn NodeMCU v1.0 sẽ

là lựa chọn cuối cùng cho bộ xử lý trung tâm của hệ thống

Chức năng chính của bộ xử lý trung tâm này khi được cấp nguồn thì sẽ pháttín hiệu cho phép khối đo điện năng đo đạc các thông số, nhận dữ liệu gửi về từ khối

đo điện năng, sau đó xử lý các thông tin, dữ liệu để hiển thị lên các thiết bị giám sátcho phép người dùng quản lý được các thông số một cách tiện lợi

3.2.1.3 Khối hiển thị

Để thuận tiện theo dõi các thông số điện đo được, ta sẽ hiển thị các thông sốđiện năng lên màn hình LCD được đặt trên nắp thiết bị So với việc hiển thị thôngtin trên các led bảy đoạn thì việc lựa chọn LCD làm sẽ hiển thị được nhiều thông sốhơn, các thông số sẽ được hiển thị rõ ràng hơn, cùng với việc thi công phần cứngcũng trở nên nhẹ nhàng hơn Ta sẽ kết hợp module LCD với I2C để tiết kiệm sốchân giao tiếp trên ESP

Dưới đây là bảng kết nối các chân của LCD I2C với NodeMCU cũng nhưhình ảnh nối dây của chúng:

Bảng 3.3 Giao tiếp ngoại vi giữa NodeMCU và LCD 20x4 I2C