Đồ án tốt nghiệp: Giám sát điện năng qua Internet

Chia sẻ: Xylitol Extra | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:90

Thêm vào BST

Báo xấu

107
lượt xem 30
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Kết quả cuối cùng của đề tài là xây dựng 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 bị điện, bằng cách truy cập vào trang web, người dung có thể giám sát từ xa ở mọi nơi mọi lúc. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đồ án tốt nghiệp: Giám sát điện năng qua Internet

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 --------------------------------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG QUA INTERNET GVHD: ThS. Trương Ngo ̣c Anh SVTH: Đoàn trung Tín MSSV: 14141318 Tp. Hồ Chí Minh - 7/2018
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 --------------------------------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG QUA INTERNET GVHD: ThS. Trương Ngo ̣c Anh SVTH: Đoàn trung Tín MSSV: 14141318 Tp. Hồ Chí Minh - 7/2018
TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ----o0o---- Tp. HCM, ngày 01 tháng 04 năm 2018 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Đoàn Trung Tiń MSSV: 14141318 Chuyên ngành: Kỹ thuâ ̣t Điện tử-Truyề n thông Mã ngành: 141 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 14 Khóa: 2014 Lớp: 14141DT1C I. TÊN ĐỀ TÀI: GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG QUA INTERNET II. NHIỆM VỤ ̣ vu ̣: 1. Nhiêm Xây dựng mô hình giám sát điê ̣n năng các thiế t bi ̣ điê ̣n từ xa dựa vào module wifi esp8266 12E trên nề n tảng IoT. Từ đó phát triể n cao hơn, đưa bô ̣ điề u khiể n áp du ̣ng vào thực tế . 2. Nội dung thực hiện: - Tìm hiể u về công nghê ̣ kế t nố i IoT. - Các chuẩ n truyề n thông I2C, UART. - Lâ ̣p trình giao tiế p với module PZEM004T để đo các thông số điê ̣n năng. - Lâ ̣p triǹ h cho module wifi ESP8266 12E trên Arduino IDE, gửi dữ liê ̣u lên Web. - Ứng du ̣ng IoT điề u khiể n, giám sát từ xa. - Kết nối mạch phần cứng giữa module PZEM004T, ESP8266, LCD. - Thiết kế và thi công mô hình thiế t bi ̣hoàn thiện. - Chạy thử nghiệm và cân chỉnh hệ thống. 3. Phương pháp nghiên cứu ́ h của đề tài: Cấ u Tìm hiể u tham khảo các tài liê ̣u có liên quan về hai mảng chin trúc ma ̣ch và ứng du ̣ng của esp8266. Phương pháp thực nghiê ̣m kiể m chứng: Sau khi đã xây dựng xong cơ sở lý thuyế t của đề tài sẽ tiế n hành thử nghiê ̣m sự hoa ̣t đô ̣ng trên các thiế t bi ̣hiê ̣n có.
Các bước tiế n hành nghiên cứu là tìm hiể u cơ sở lý thuyế t về vấ n đề nghiên cứu, tiế n hành thiế t kế chương trin ̀ h điề u khiể n và ma ̣ch điề u khiể n, sau đó thử nghiê ̣m trên mô hình để đưa ra kế t luâ ̣n. 4. Pha ̣m vi nghiên cứu Đề tài này nghiên cứu thiế t kế đồ ng hồ đo điê ̣n năng kế t hơ ̣p với viê ̣c thu thâ ̣p dữ liêu và gửi lên ứng du ̣ng điề u khiể n từ xa Cayenne trên nề n IoT. 5. Pha ̣m vi ứng du ̣ng Đề tài là mô hình thu nhỏ, tuy nhiên nó sẽ đươ ̣c ứng du ̣ng rô ̣ng raĩ trong các môi trường khác nhau như các doanh nghiê ̣p vừa và nhỏ, nhà xưởng, trang tra ̣i, hô ̣ gia đình. III. Ngày giao nhiệm vụ: 01/04/2018 IV. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 01/07/2018 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)
TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ----o0o---- 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 Xác nhận Tuần/ngày Nội dung GVHD Tuầ n 2 Đăng kí đề tài, nhâ ̣n nhiê ̣m vu ̣ đồ án. Tuầ n 3 Phác thảo đồ án. Tuầ n 4 Tìm hiể u về công nghê ̣ IOT. Tuầ n 5 Giao tiế p với các module thực hiê ̣n đo điê ̣n năng. Tìm hiể u cách thức giao tiế p của module wifi Tuầ n 6 NodeMCU ESP8266. Giao tiế p với module wifi NodeMCU ESP8266 gửi Tuầ n 7 dữ liê ̣u lên Cloud qua Internet. Mở rô ̣ng ý tưởng giám sát điê ̣n năng hai thiế t bi ̣ Tuầ n 8 cùng lúc qua Internet. Tuầ n 9, 10 Tìm hiể u cách thức câ ̣p nhâ ̣t và lưu la ̣i các giá tri ̣ điê ̣n năng đo đươ ̣c ta ̣i bấ t kì thời điể m. Tuầ n 11 Thiế t kế , lựa cho ̣n các linh kiê ̣n xây dựng phầ n cứng. Kế t nố i phầ n cứng với phầ n mề m. Kiể m tra, cân Tuầ n 12, 13 chin̉ h hê ̣ thố ng thiế t bi.̣ Tuầ n 14 Thiế t kế và lắ p đă ̣t mô hình thiế t bi.̣ Điề u chỉnh các chương trình, giao diê ̣n giám sát, tiế n Tuầ n 15-17 hành mô phỏng. Viế t báo cáo luâ ̣n văn. GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên)
LỜI CAM ĐOAN 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 nguồ n 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 Đoàn Trung Tín
LỜI CẢM ƠN 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 Thầ y kính mế n - Thầy Trương Ngo ̣c 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. Cuố i 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 Thầ y Cô để giúp cho đồ án được thành công tốt hơn nữa. Người thực hiện đề tài Đoàn Trung Tín
MỤC LỤC Danh Mục Các Từ Viết Tắt ........................................................................................................................ 1 ̀ h Ảnh ....................................................................................................................................... 2 Liê ̣t Kê Hin 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 Giới Ha ̣n .......................................................................................................................................... 8 1.5 Bố Cu ̣c ............................................................................................................................................. 8 Chương 2. Cơ Sở Lý Thuyết .................................................................................................................... 10 2.1 Tầ m Quan Tro ̣ng Của Quản Lý Và Giám Sát Năng Lươ ̣ng .......................................................... 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 Thức Kế t Nố i ................................................................................................................ 14 2.3.2 Giao Thức Truyền Tải Dữ Liệu............................................................................................. 15 2.4 Các Chuẩn Truyền Dữ Liệu .......................................................................................................... 16 2.4.1 Giao Tiế p I2c ......................................................................................................................... 16 2.4.2 Giao Tiế p 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 Màn Hiǹ h Lcd 20x4 .............................................................................................................. 33 2.5.4 Module Chuyể n Đổ i Giao Tiế p I2c ....................................................................................... 34 2.5.5 Ma ̣ch Chuyể n Đổ i Mức Điê ̣n Thế 4 Kênh ............................................................................ 36 2.5.6 Module Nguồ n Chuyể n Đổ i 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 3.2.3 Sơ Đồ Nguyên Lý Của Toàn Mạch ....................................................................................... 44
3.2.4 Sơ Đồ Thiế t Kế Mô Hin ̣ ̀ h Thiế t Bi ........................................................................................ 46 4.1 Giới Thiệu ..................................................................................................................................... 47 4.2 Thi Công Hệ Thống....................................................................................................................... 47 4.2.1 Thi Công Bo Mạch ................................................................................................................ 47 4.2.2 Lắ p Ráp Và Kiể m 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 Thiế t Kế Giao Diê ̣n Trên Cayenne Cloud ............................................................................. 69 4.5 Viế t Tài Liê ̣u Hướng Dẫn Sử Du ̣ng Thao Tác .............................................................................. 73 4.5.1 Viế 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 Tài Liê ̣u Tham Khảo................................................................................................................................. 80 Phu ̣ Lu ̣c ..................................................................................................................................................... 81
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 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 điề u khiể n QoS - Quality of Service I2C - Inter-Intergrated Circuit Trang 1
LIỆT KÊ HÌNH ẢNH ̀ h 2. 1 Giao thức truyề n của MQTT ..................................................... 15 Hin ̀ h 2. 2 Bus I2C và các thiết bị ngoại vi ................................................. 16 Hin ̀ h 2. 3 Kết nối thiết bị vào bus I2C ở chế độ chuẩn (Standard mode) .. 17 Hin ̀ h 2. 4 Quá triǹ h truyề n nhâ ̣n giữa thiế t bi ̣chủ (master) và tớ (slave) .. 18 Hin ̀ h 2. 5 Trình tự truyền bit trên đường truyền ........................................ 19 Hin ̀ h 2. 6 Điể u kiê ̣n để giao tiế p I2C ......................................................... 20 Hin ̀ h 2. 7 Quá trình truyề n dữ liê ̣u I2C ...................................................... 21 Hin ̀ h 2. 8 Kế t nố i UART giữa hai vi điề u khiể n ........................................ 22 Hin ̀ h 2. 9 Quá triǹ h truyề n dữ liê ̣u UART ................................................. 22 Hin ̀ h 2. 10 Sơ đồ kế t nố i toàn ma ̣ch ........................................................... 39 Hin ̀ h 2. 11 Ảnh ESP8266-12 thực tế và sơ đồ chân................................... 26 Hin ̀ h 2. 12 Module Node MCU ESP8266 và sơ đồ chân .......................... 26 Hin ̀ h 2. 13 Ma ̣ch nguyên lý của NodeMCU ESP8266 .............................. 28 Hin ̀ h 2. 14 Hiǹ h ảnh thực tế module PZEM004T ...................................... 29 Hin ̀ h 2. 15 Sơ đồ kế t nố i dây của module PZEM004T .............................. 31 Hin ̀ h 2. 16 Sơ đồ chân LCD 20x4 .............................................................. 33 Hin ̀ h 2. 17 Hiǹ h ảnh thực tế module chuyể n đổ i I2C ................................ 35 Hin ̀ h 2. 18 Ma ̣ch nguyên lý module chuyể n đổ i giao tiế p I2C .................. 36 Hin ̀ h 2. 19 Hiǹ h ảnh thực tế module chuyể n đổ i tiń hiê ̣u 4 kênh .............. 37 Hin ̀ h 2. 20 Ảnh thực tế của moule nguồ n Hi-Link 5V 3W....................... 38 Hin ̀ h 3. 1 Sơ đồ khố i toàn hê ̣ thố ng ........................................................... 40 Hin ̀ h 3. 2 Sơ đồ kế t nố i ma ̣ch giữa PZEM004T và NodeMCU ESP8266 . 41 Hin ̀ h 3. 3 Sơ đồ kế t nố i ma ̣ch giữa NodeMCU ESP8266 và LCD ............ 42 Hin ̀ h 3. 4 Phương thức truyề n và nhâ ̣n dữ liê ̣u của MQTT ...................... 43 Hin ̀ h 3. 5 Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch ................................................. 45 Hin Hin ̣ ̀ h 3. 6 Mô hình thiế t bi .......................................................................... 46 ̀ h 4. 1 Sơ đồ bố trí các linh kiê ̣n ........................................................... 48 Hin ̀ h 4. 2 Sơ đồ ma ̣ch in PCB .................................................................... 49 Hin Trang 2
̀ h 4. 3 Đóng gói bô ̣ điề u khiể n mă ̣t trên bên trong hô ̣p ....................... 50 Hin ̀ h 4. 4 Đóng gói các module còn la ̣i vào mă ̣t dưới hô ̣p ........................ 50 Hin ̀ h 4. 5 Mă ̣t trước mô hình thiế t bi ......................................................... Hin ̣ 51 ̀ h 4. 6 Mă ̣t dưới bên ngoài mô hin Hin ̣ ̀ h thiế t bi ......................................... 52 ̀ h 4. 7 Lưu đồ giải thuâ ̣t toàn hê ̣ thố ng ................................................. 53 Hin ̀ h 4. 8 Truy câ ̣p vào Arduino IDE......................................................... 54 Hin ̀ h 4. 9 Tải phầ n mề m Arduino IDE về máy .......................................... 54 Hin ̀ h 4. 10 Giải nén phầ n mề m Arduino IDE ............................................ 55 Hin ̀ h 4. 11 Cài đă ̣t phầ n mề m Arduino IDE .............................................. 56 Hin ̀ h 4. 12 Bước 1 cài đă ̣t Driver ............................................................... 57 Hin ̀ h 4. 13 Bước 2 cài đă ̣t Driver ............................................................... 57 Hin ̀ h 4. 14 Bước 3 cài đă ̣t Driver ............................................................... 58 Hin ̀ h 4. 15 Bước 4 cài đă ̣t Driver ............................................................... 58 Hin ̀ h 4. 16 Bước 1 cài đă ̣t ESP8266 trên Arduino IDE ............................. 59 Hin ̀ h 4. 17 Bước 2 cài đă ̣t ESP8266 trên Arduino IDE ............................. 59 Hin ̀ h 4. 18 Bước 3 cài đă ̣t ESP8266 trên Arduino IDE ............................. 60 Hin ̀ h 4. 19 Bước 4 cài đă ̣t ESP8266 trên Arduino IDE ............................. 60 Hin ̀ h 4. 20 Bước 5 cài đă ̣t ESP8266 trên Arduino IDE ............................. 61 Hin ̀ h 4. 21 Ta ̣o tài khoản trên Cayenne ..................................................... 70 Hin ̀ h 4. 22 Thiế t lâ ̣p ứng du ̣ng trên Cayenne ............................................. 71 Hin ̀ h 4. 23 Cấ u hình Cayenne cho dữ liê ̣u cầ n giám sát ............................ 71 Hin ̀ h 4. 24 Thiế t lâ ̣p các giá tri ̣cho kênh giám sát .................................... 72 Hin ̀ h 4. 25 Gửi dữ liệu bằng MQTT tới Cayenne ...................................... 72 Hin ̀ h 4. 26 Câ ̣p nhâ ̣t thời gian giám sát dữ liê ̣u ......................................... 73 Hin ̀ h 4. 27 Quy triǹ h thao tác sử du ̣ng thiế t bi ........................................... Hin ̣ 74 Trang 3
̀ h 5. 1 Mô hình thiế t bi ̣đã hoàn thành .................................................. 75 Hin ̀ h 5. 2 Kế t quả giám sát điê ̣n năng hai thiế t bi ̣điê ̣n qua internet .......... 76 Hin ̀ h 5. 3 Lưu và câ ̣p nhâ ̣t điê ̣n năng ......................................................... 77 Hin ̀ h 5. 4 Bảng tiń h excell tải về từ Cayenne ............................................ 78 Hin Trang 4
LIỆT KÊ BẢNG Bảng 2. 1 Bảng so sánh các thông số ESP-01 đến ESP-14 ..................................... 25 ̀ h của NodeMCU ESP8266 ......................................... 27 Bảng 2. 2 Thông số cấ u hin Bảng 2. 3 Bảng các giao thức giao tiế p của module PZEM004T ........................... 32 Bảng 2. 4 Thông số kỹ thuâ ̣t của PZEM004T ......................................................... 33 Bảng 2. 5 Chức năng các chân trên LCD 20x4 ....................................................... 34 Bảng 2. 6 Kế t nố i giữa module giao tiế p I2C với MCU ......................................... 35 Bảng 2. 7 Thông số kỹ thuâ ̣t của module chuyể n đổ i giao tiế p I2C ....................... 36 Bảng 2. 8 Thông số kỹ thuâ ̣t của module chuyể n đổ i tin ́ hiê ̣u 4 kênh .................... 37 Bảng 2. 9 Thông số kỹ thuâ ̣t của moule nguồ n Hi-Link 5V 3W ........................... 38 Bảng 3. 1 Các thông số nguồ n sử du ̣ng .................................................................... 44 Bảng 4 1 Danh sách linh kiê ̣n sử du ̣ng trong hê ̣ thố ng ............................................ 47 Trang 5
TÓM TẮT 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 muố n giải quyế t đươ ̣c phầ n nào những khó khăn và tìm ra mô ̣t hướng đi mới cho ngành điê ̣n Viê ̣t Nam, em đã bắ t tay vào nghiên cứu và thực hiê ̣n đề tài “Giám sát điện năng qua internet”. Trên cơ sở tìm hiểu về IoT nhằ m giám sát điện năng và các thông số khác của hệ thống điện từ xa qua internet, qua viê ̣c truy cập vào trang web, người dùng có thể giám sát từ xa ở mo ̣i nơi mo ̣i lúc. Điể m nổ i bâ ̣t của đề tài này là có thể giám sát điê ̣n năng đồ ng thời hai hay nhiề u thiế t bi ̣ điê ̣n thông qua internet, và kiể m soát thông qua viê ̣c đo, lưu trữ các thông số điện liên tục tại các thời điểm trong ngày. Trang 6
Chương 1. Tổ ng Quan 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 si ̃ Trương Ngo ̣c Anh em đã chọn đề tài luận án “Giám sát điện năng qua internet”. Trên cơ sở tìm hiểu về IoT nhằ m 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 thiế t 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 điê ̣n năng điển hình trước đây thông qua internet như dùng module sim kế t hơ ̣p 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 đươ ̣c trên máy tính. Những phương pháp khác như dùng phần mềm Acuview giám sát điện năng thông qua đồ ng hồ đo điện năng đa năng Mutimeter ACUVIM [3] hoă ̣c giám sát điê ̣n năng sử du ̣ng PLC S7-400 thông qua giao Trang 7
Chương 1. Tổ ng Quan diện WINCC [4] đề u có giá thành cao rấ t tố n kém. Để khắc phục các nhược điểm trên, đề tài: “Giám sát điện năng qua internet” nghiên cứu việc giao tiếp với các thiế t 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 ̣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 nguồ n xoay chiề u của mạch điện như dòng điê ̣n, điê ̣n áp, tầ n số , công suất và năng lượng tiêu thụ của hai hay nhiề u thiế t 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: - 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: Lâ ̣p trình giao tiế p với module PZEM004T để đo các thông số điê ̣n năng. - Nội dung 3: Viết chương trình cho ESP8266 gửi dữ liê ̣u lên Web. - Nội dung 4: Kết nối mạch phần cứng giữa PZEM004T, ESP8266, LCD. - Nội dung 5: Thiết kế và thi công mô hình thiế t bi ̣hoàn thiện. - Nội dung 6: Xây dựng giao diện web giám sát thiết bị. - Nội dung 7: Chạy thử nghiệm và cân chỉnh hệ thống. - Nội dung 8: Viết quyển báo cáo đồ án tốt nghiệp. - Nội 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 lươ ̣ng thiế t bi ̣có thể giám sát : đồ ng thời hai thiế t bi.̣  Thời gian ổ n đinh ̣ của thiế t bi:̣ sau vài phút hoa ̣t đô ̣ng thiế t bi ̣sẽ đo chin ́ h xác hơn. 1.5 BỐ CỤC Với đề tài giám sát điện năng qua internet thì bố cục đồ án như sau:  Chương 1: Tổng Quan Trang 8
Chương 1. Tổ ng Quan 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 đế n đề tài.  Chương 4: Thi công hê ̣ thố ng 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. Trang 9
Chương 2. Cơ Sở Lý Thuyế t Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TẦM QUAN TRỌNG CỦ A QUẢN LÝ VÀ GIÁM SÁT NĂNG LƯỢNG Quản lý và giám sát năng lươ ̣ng là chià khóa để tiế t kiê ̣m năng lươ ̣ng trong các tổ chức thương ma ̣i, công nghiê ̣p và chin ́ h phủ trong những năm gầ n đây đang phải chiụ những áp lực to lớn về kinh tế và môi trường. Giám sát và quản lý năng lươ ̣ng 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 ̣ nhiề u năng lươ ̣ng, doanh nghiê ̣p cũng như các hô ̣ gia điǹ h sẽ phải đố i mă ̣t với tiǹ h tra ̣ng thiế u nguồ n cung cấ p nghiêm tro ̣ng kèm theo nguy cơ tăng giá năng lươ ̣ng dẫn đế n ảnh hưởng tới lơ ̣i nhuâ ̣n của tổ chức, bằ ng viê ̣c quản lý năng lươ ̣ng doanh nghiê ̣p và các hô ̣ gia điǹ h có thể giảm nguy cơ này bằ ng cách kiể m soát nhu cầ u năng lươ ̣ng, tiế t kiê ̣m điê ̣n trên dây chuyề n sản xuấ t từng bước tăng hiê ̣u quả viê ̣c đầ u tư vào giá thành cho sản phẩ m. Lơ ̣i ích đem la ̣i khi sử du ̣ng hê ̣ thố ng giám sát và quản lý năng lươ ̣ng: - Giảm thời gian chi phí nhân công để ghi la ̣i dữ liê ̣u từ các đồ ng hồ đo, nhâ ̣p vào file excell báo cáo mỗi tháng. - Giảm đươ ̣c sai sót trong quá trình thu thâ ̣p dữ liê ̣u bằ ng tay. - Kiể m soát dữ liê ̣u điê ̣n năng liên tu ̣c 24 giờ ta ̣i bấ t kì tra ̣m làm viê ̣c nào. - Giảm thời gian xử lý sự cố do dữ liê ̣u đươ ̣c thu thâ ̣p đầ y đủ, có ghi la ̣i da ̣ng sóng của nguồ n điê ̣n khi sự cố xảy ra. Đây là mô ̣t trong những đề tài đang đươ ̣c tìm hiể u và nghiên cứu rấ t nhiề u để đưa ra giải pháp giúp ngành điê ̣n Viê ̣t nam giải quyế t đươ ̣c 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. Trang 10
Chương 2. Cơ Sở Lý Thuyế t - 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 Trang 11