zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Kỹ Thuật - Công Nghệ

» Điện - Điện tử

Xây dựng hệ thống quản lí và giám sát việc sử dụng điện cho hộ gia đình

Chia sẻ: Phó Cửu Vân | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Báo xấu

10
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết "Xây dựng hệ thống quản lí và giám sát việc sử dụng điện cho hộ gia đình" nhằm xây dựng một hệ thống gồm phần cứng có khả năng đo và giám sát các thông số như cường độ dòng điện, điện áp, công suất và điện năng tiêu thụ tại các hộ gia đình và phần mềm có chức năng quản lí thiết bị phần cứng, có khả năng lưu trữ, xử lí dữ liệu và đưa ra cảnh báo cho người dùng. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Xây dựng hệ thống quản lí và giám sát việc sử dụng điện cho hộ gia đình

Hội nghị Quốc gia lần thứ 26 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2023) Xây dựng hệ thống quản lí và giám sát việc sử dụng điện cho hộ gia đình Bùi Trung Ninh, Nguyễn Anh Tuấn Khoa Điện tử Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ, ĐHQGHN Email: ninhbt@vnu.edu.vn Abstract— Trong bài báo này, chúng tôi xây dựng một hệ gần đây là trong các hệ thống quản lí, giám sát việc thống gồm phần cứng có khả năng đo và giám sát các truyền tải, sử dụng điện năng. thông số như cường độ dòng điện, điện áp, công suất và điện năng tiêu thụ tại các hộ gia đình và phần mềm có chức Hiện nay, trên thị trường có một số hệ thống giám năng quản lí thiết bị phần cứng, có khả năng lưu trữ, xử lí sát điện năng như AT-PMS là hệ thống tự động hoá dữ liệu và đưa ra cảnh báo cho người dùng. Các kết quả trong công nghiệp được phát triển từ phần mềm khảo sát và thử nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động ổn ATSCADA, sản phẩm là sự đóng gói của nhiều giải định, thu thập và xử lí dữ liệu một cách nhanh chóng, pháp phần mềm ứng dụng trong sản xuất, giám sát điện chính xác, cho phép hiển thị các thông số dưới dạng biểu năng cho toàn bộ nhà máy sản xuất hoặc hệ thống giám đồ, xuất báo cáo chi tiết về các thiết bị, người dùng được quản lí. Ngoài ra, hệ thống còn có thể gửi E-mail thông sát điện năng tiêu thụ EMS được sử dụng cho ký túc xá, báo cho người dùng về sự vượt ngưỡng cảnh báo của các chung cư, khách sạn. Hệ thống cho phép người quản lí thông số như cường độ dòng điện, điện áp và điện năng giám sát được lượng điện năng sử dụng, theo dõi điện tiêu thụ. năng tiêu thụ cho từng phòng, từng hộ và hiển thị dưới dạng biểu đồ. Hệ thống cảnh báo khi một hộ tiêu thụ phát Keywords- IoT, cảm biến, hệ thống giám sát. sinh tăng hoặc giảm đột biến. Các hệ thống này thường là sản phẩm nhập ngoại, được triển khai lắp đặt trên I. GIỚI THIỆU phạm vi, quy mô lớn như nhà máy, xí nghiệp, kí túc xá, Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư (I 4.0) đang chung cư, chi phí thường đắt đỏ và đòi hỏi nhiều thủ tục diễn ra mạnh mẽ với sự hội tụ của thế giới thực và thế phát sinh, chưa thích hợp cho các hộ gia đình, hoặc triển giới ảo. Một trong những yếu tố thúc đẩy cho cuộc cách khai trên quy mô vừa và nhỏ. mạng này chính là Internet kết nối vạn vật (IoT). IoT Trong bài báo [3] các tác giả cũng đã xây dựng được không chỉ giúp tiết kiệm thời gian, nguồn lực mà còn mở một hệ thống giám sát mức tiêu thụ điện năng thông qua ra những cơ hội mới cho sự tăng trưởng, đổi mới, sáng mạng cảm biến không dây và IOT cho phép người dùng tạo tri thức. Nắm bắt xu hướng ấy, các tổ chức, doanh có thể giám sát mức tiêu thụ điện năng của các thiết bị nghiệp trên thế giới và cả Việt Nam hiện nay đều đang hay hệ thống điện qua mạng Internet. Mỗi nút mạng nỗ lực áp dụng IoT vào các lĩnh vực khác nhau [1]. được gắn cảm biến để xác định mức công suất điện của một hoặc nhiều thiết bị điện, đồng thời gửi các thông tin này qua mạng cảm biến tới nút mạng có khả năng kết nối với mạng Internet để chuyển tiếp dữ liệu lên máy chủ Google. Với hệ thống này, người dùng có thể phân tích được các thông số về mức công suất điện của các thiết bị điện được giám sát ở mỗi nút mạng, có khả năng tự động giám sát dữ liệu, qua đó gửi đi cảnh báo qua thư điện tử cho người giám sát khi giá trị dữ liệu vượt trên mức ngưỡng đã được thiết lập. Tuy nhiên các thông số Hình 1. Vai trò của IoT với cuộc sống [2] hiển thị cho người quản lí chưa được đầy đủ và chi tiết, chưa thống kê được danh sách người dùng, danh sách Chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy IoT đã và đang các thiết bị. đóng vai trò quan trọng trong đời sống của con người, có mặt ở hầu hết các lĩnh vực như công nghiệp và sản Trong bài báo này chúng tôi đề xuất xây dựng một xuất và chế biến, năng lượng, y học và sức khoẻ, hệ thống giám sát và quản lí việc sử dụng điện, cụ thể là logistics và vận tải, giải trí và đặc biệt trong thời gian theo dõi và kiểm soát hoạt động của các hệ thống điện trong gia đình. Hệ thống giúp người dùng có thể dễ dàng kiểm tra tình trạng hệ thống điện từ xa, cũng như dự ISBN ............ 978-604-80-8932-0 113
Hội nghị Quốc gia lần thứ 26 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2023) đoán và đưa ra những điều chỉnh kịp thời khi các hệ nhau qua mạng. Nó được thiết kế để cung cấp các dịch thống điện gặp sự cố. Bài báo là sự kết hợp giữa thiết kế, vụ web cho các ứng dụng khác nhau thông qua giao thức lắp đặt hệ thống phần cứng, xây dựng phần mềm quản HTTP và sử dụng ngôn ngữ XML (Extensible Markup lí, cho phép trích xuất thống kê báo cáo dưới dạng bảng Language) để truyền tải dữ liệu. biểu và đồ thị một cách tường minh, chi tiết. Phần còn lại của bài báo được tổ chức như sau: trong phần II, chúng tôi phân tích cơ sở lí thuyết và các công nghệ sử dụng. Phần III là phân tích và thiết kế hệ thống. Phần IV là kết quả thử nghiệm hệ thống. Cuối cùng, chúng tôi kết luận bài báo trong phần V. II. CƠ SỞ LÍ THUYẾT 1. Internet vạn vật (IoT) Internet of Thing (IoT) là một mạng lưới kết nối các thiết bị thông minh với nhau qua mạng Internet. Trong Hình 2. Dịch vụ Web [2] môi trường IoT, mỗi đồ vật, thiết bị và con người đều có 3. Ngôn ngữ lập trình Arduino định dạng riêng của mình, cho phép trao đổi thông tin và Arduino là một nền tảng phát triển phần cứng dữ liệu trở nên dễ dàng hơn, không cần đến sự tương tác (hardware) và phần mềm (software) mã nguồn mở, cho trực tiếp giữa con người và máy tính. Các thiết bị IoT có phép các nhà phát triển thiết kế và sản xuất các thiết bị khả năng kết nối với nhau thông qua nhiều kết nối khác điện tử tùy chỉnh và dễ dàng lập trình các chức năng của nhau như Wi-Fi, 3G, 4G, Bluetooth, Zigbee, hồng chúng [7]. Ngôn ngữ lập trình chính cho Arduino là ngoại…Chúng có thể là các thiết bị thông minh như điện Wiring. Wiring được phát triển dựa trên ngôn ngữ thoại, máy giặt, tai nghe, hay bóng đèn và nhiều thiết bị C/C++, với một số thư viện được viết sẵn để hỗ trợ các khác [4]. chức năng cơ bản của các loại module điện tử, ví dụ như Theo Gartner, Inc. (một công ty nghiên cứu và tư vấn đọc giá trị từ cảm biến, điều khiển động cơ, hay giao công nghệ), có gần 26 tỷ thiết bị trên IoT vào năm 2020 tiếp với các thiết bị thông qua các giao thức phổ biến [5]. ABI Research ước tính rằng hơn 30 tỷ thiết bị được như I2C, SPI, hay UART. kết nối không dây với "Kết nối mọi thứ" (Internet of Các bản mạch Arduino thường được thiết kế với các Everything) vào năm 2020 [6]. IoT đã tạo ra một mạng chip vi xử lý AVR hoặc ARM Cortex, có đầy đủ các lưới lớn kết nối tất cả mọi thứ, bao gồm cả con người. chân GPIO (General Purpose Input/Output) để kết nối Mạng lưới này có thể chứa đến hàng nghìn tỉ đối tượng với các module điện tử khác nhau. Các bản mạch này được kết nối và có thể theo dõi sự di chuyển của từng cũng được thiết kế để tiết kiệm năng lượng, cho phép đối tượng. Con người sống trong thành phố có thể bị bao chạy trên pin AA hoặc pin AAA thông thường, hoặc sử quanh bởi 1000 đến 5000 đối tượng có khả năng theo dụng pin Lithium-ion. dõi sự di chuyển của họ. 4. Ngôn ngữ Java Tuy nhiên, việc triển khai IoT cũng đặt ra nhiều Java là một ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng thách thức, bao gồm vấn đề bảo mật thông tin và quản được phát triển bởi James Gosling tại Sun lý dữ liệu. Các thông tin được thu thập từ các thiết bị IoT Microsystems vào những năm 1990. Java chạy trên có thể chứa những thông tin nhạy cảm, do đó việc đảm nhiều nền tảng khác nhau như Windows, macOS và bảo an toàn và bảo mật cho dữ liệu là rất quan trọng. Linux, và được sử dụng rộng rãi để viết các ứng dụng máy tính, web, game, mobile, IoT và nhiều loại ứng IoT hiện đã và đang được áp dụng trong các giải dụng khác. Cấu trúc của một ứng dụng Java gồm nhiều pháp thông minh cho gia đình, cho phép người dùng điều package, mỗi package chứa nhiều class. Một class bao khiển các thiết bị như đèn, quạt hay máy lạnh thông qua gồm các thuộc tính và phương thức, và có thể được sử điện thoại thông minh hoặc giọng nói. Trong lĩnh vực dụng để tạo ra các đối tượng [8]. giao thông vận tải, các hệ thống giám sát thông minh đã được phát triển để giúp giảm tắc đường và tai nạn giao 5. Thư viện ReactJS thông. Với tiềm năng và ứng dụng đa dạng của mình, Thư viện ReactJS là một thư viện JavaScript mã IoT sẽ tiếp tục là một lĩnh vực có tiềm năng phát triển nguồn mở được phát triển bởi Facebook để xây dựng trong tương lai. Việc tìm hiểu và áp dụng công nghệ này các giao diện người dùng động. Với ReactJS, chúng ta sẽ đóng vai trò rất quan trọng trong việc phát triển và cải có thể tạo ra các ứng dụng web đơn trang hoặc ứng dụng thiện các lĩnh vực khác nhau của đời sống. web phức tạp với nhiều trang. ReactJS cho phép xây 2. Dịch vụ Web dựng các thành phần UI độc lập và tái sử dụng để tăng tính linh hoạt và hiệu quả trong việc phát triển ứng dụng Dịch vụ Web là một kiểu kiến trúc phần mềm cho [9]. phép các ứng dụng và hệ thống khác nhau tương tác với ISBN ............ 978-604-80-8932-0 114
Hội nghị Quốc gia lần thứ 26 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2023) III. PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 1. Thiết kế, chế tạo hệ thống phần cứng Trong phần này, chúng tôi thiết kế và xây dựng hệ thống mạch giám sát, quản lí điện sử dụng bộ vi điều khiển Arduino Uno R3, mô đun AC PZEM-004T để đo điện áp AC, dòng điện, công suất hoạt động, tần số, hệ số công suất và năng lượng tiêu thụ; màn hình LCD16x2 và mô đun I2C LCD để kết nối và hiển thị thông tin. Mô đun wifi ESP8266-ESP01 cho phép kết nối hệ thống phần cứng với server và phần mềm quản lí, cảnh báo. (Hình 3 và 4). Dòng điện xoay chiều Hình 5. Lưu đồ thuật toán chức năng kết nối wifi CT Thiết bị cảm biến Hình 5, 6 trình bày lưu đồ chức năng kết nối wifi, thu thập, hiển thị dữ liệu, cho phép thiết bị kết nối với PZEM-004T Internet, thu thập dữ liệu về dòng điện và gửi tới Server, hiển thị thông tin lên màn hình. Dữ liệu dòng điện ADRUINO UNO I2C LCD 16x2 Hiển thị dữ liệu Dữ liệu dòng điện ESP8266-ESP01 Request Server Hình 3. Sơ đồ khối của hệ thống Hình 6. Lưu đồ thuật toán chức năng thu thập và gửi dữ liệu đến Server Hình 4. Sơ đồ mạch thiết bị Hình 7. Lưu đồ thuật toán chức năng hiển thị dữ liệu 2. Xây dựng hệ thống phần mềm Khối xử lý trung tâm/server là phần quan trọng nhất, nó thực hiện việc lưu trữ dữ liệu và tham gia vào toàn bộ hoạt động của hệ thống. Hình 4. Mạch giám sát, quản lí điện sau khi lắp đặt hoàn chỉnh Hình 7, 8 trình bày lưu đồ thuật toán chức năng hiển thị dữ liệu và sơ đồ Use case hệ thống bao gồm các chức ISBN ............ 978-604-80-8932-0 115
Hội nghị Quốc gia lần thứ 26 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2023) năng hướng đến hai đối tượng người dùng là Admin và User. Các chức năng cơ bản bao gồm đăng nhập, đăng kí tài khoản, đổi mật khẩu, thu thập và xử lý dữ liệu, quản lí thiết bị (xem thông tin, thêm, cập nhật, xoá, xuất báo cáo về thiết bị). Chức năng quản lí người dùng như xem thông tin người dùng, xuất báo cáo thống kê người dùng, xem nhật kí hoạt động… Chức năng thiết lập tài khoản, thiết lập hệ thống cảnh báo cho phép người quản trị đặt các mốc cảnh báo cho hệ thống, cho phép người dùng tiêu chuẩn thiết lập mốc cảnh báo việc sử dụng điện cho tài khoản của mình. Hình 8. Sơ đồ Use case hệ thống IV. KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM cường độ dòng điện (A), công suất dòng điện (W) và điện năng tiêu thụ (kWh). Hệ thống được xây dựng hoàn chỉnh, kết hợp giữa phần cứng và phần mềm, các chức năng được thực hiện một - Chức năng hiển thị: cho phép hiển thị các thông tin cách đầy đủ bao gồm: cần thiết trên màn hình LCD, sử dụng nút bấm để thay - Chức năng kết nối Wifi, cho phép hiển thị điểm truy đổi chế độ hiển thị (Hình 10). cập, giao diện cấu hình, giao diện nhập SSID và password như Hình 9. Hình 10. Giao diện hiển thị dữ liệu thiết bị - Chức năng đăng nhập, đăng kí tài khoản, đổi mật khẩu: cho phép người dùng đăng kí tài khoản, đăng nhập, thay đổi mật khẩu khi cần thiết, vào tài khoản để quản lí, điều khiển thiết bị… - Chức năng thu thập và xử lí dữ liệu: Server nhận yêu Hình 9. Giao diện kết nối Wifi cầu từ các thiết bị cảm biến, lưu dữ liệu nhận được (a) Điểm truy cập Wifi, (b) Menu chính giao diện cấu hình, vào cơ sở dữ liệu và xuất thông báo xác nhận dữ liệu. (c) Giao diện nhập SSID và password Nếu dữ liệu bất thường sẽ xuất cảnh báo và gửi mail - Chức năng thu thập dữ liệu và gửi tới server: cảm biến cảnh báo tới Email của người dùng. Kết quả thử ghi nhận các thông số dòng điện bao gồm: điện áp (V), nghiệm server nhận được dữ liệu chứa thông số dòng điện, một thông báo nhận dữ liệu được thêm (chức năng xem nhật kí hoạt động). Nếu thông số dòng điện ISBN 978-604-80-8932-0 116
Hội nghị Quốc gia lần thứ 26 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2023) bất thường, một cảnh báo dữ liệu bất thường được thể tìm kiếm danh sách người dùng theo một khoảng thêm, một email cảnh báo được gửi tới email của thời gian nhất định (Hình 15, 16). người dùng (Hình 11). Hình 11. Email cảnh báo dữ liệu bất thường - Chức năng quản lí thiết bị, xem thông tin thiết bị: cho phép hiển thị danh sách thiết bị gồm ID, tên thiết bị, ngày thêm, xem thông tin chi tiết của từng thiết bị, cho phép hiện thị tên thiết bị, mã thiết bị, ngày tạo thiết bị, điện áp trung bình, cường độ dòng điện trung bình, công suất trung bình, chỉ số đầu, chỉ số cuối, điện năng tiêu thụ, số lần thiết bị vượt ngưỡng cảnh báo, các biểu đồ điện áp, cường độ dòng điện, công suất (Hình 12, Hình 14. Biểu đồ theo dõi các thông số dòng điện theo ngày 13, 14). Hình 12. Giao diện hiển thị danh sách thiết bị quản lí Hình 15. Báo cáo thống kê thiết bị Hình 13. Giao diện xem thông tin chi tiết thiết bị - Chức năng xuất báo cáo thống kê thiết bị: cho phép Hình 16. Giao diện hiển thị danh sách người dùng hiển thị đầy đủ thông tin về thiết bị như tên, mã, ngày tạo, ngày bắt đầu, ngày kết thúc, điện áp trung bình, cường độ dòng trung bình, công suất trung bình, số lần thiết bị vượt ngưỡng, và thông số điện năng tiêu thụ…(Hình 15). - Chức năng quản lí người dùng, xem thông tin người dùng: cho phép hiển thị danh sách toàn bộ người dùng, hiển thị thông tin của từng người dùng hoặc có Hình 17. Giao diện xem thông tin chi tiết người dùng ISBN ............ 978-604-80-8932-0 117
Hội nghị Quốc gia lần thứ 26 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2023) - Chức năng xuất báo cáo thống kê người dùng: cho phép xuất file dữ liệu tổng hợp danh sách người dùng, thống kê tình hình sử dụng điện năng (Hình 18). Hình 20. Giao diện thiết lập tài khoản và ngưỡng cảnh báo Hình 18. Báo cáo thống kê tình hình sử dụng điện của người cho người dùng tiêu chuẩn và tài khoản Admin dùng V. KẾT LUẬN - Chức năng xem nhật kí hoạt động: cho phép kiểm tra, hiển thị danh sách nhật ký hoạt động các thiết bị của Trong bài báo này, chúng tôi đã xây dựng thành công người dùng (Hình 19). hệ thống giám sát và quản lí việc sử dụng điện cho các hộ gia đình. Hệ thống với thiết bị phần cứng cho phép đo đạc các thông số như diện áp, dòng điện, công suất, điện năng tiêu thụ; phần mềm quản lí được cài đặt trên server với các tính năng thu thập, xử lí, lưu trữ dữ liệu, quản lí thiết bị, xuất báo cáo thống kê, quản lí người dùng, quản lí lượng điện năng tiêu thụ và đưa ra những cảnh báo khi các chỉ số vượt ngưỡng. Với các tính năng đa dạng, tiện lợi, giá thành rẻ, sản phẩm sẽ là một lựa chọn thích hợp cho các hộ gia đình. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Mohsen Soori a , Behrooz Arezoo, Roza Dastres, "Internet of Hình 19. Giao diện nhật kí hoạt động things for smart factories in industry 4.0, a review", Internet of Things and Cyber-Physical Systems V.3 (2023) pp.192-204. - Chức năng thiết lập tài khoản, thiết lập ngưỡng cảnh [2] http://unicjsc.com/ báo: cho phép người dùng nhập thông tin thay đổi tài [3] Lê Minh Tuấn, Mai Thị Thu Hương, “Xây dựng hệ thống giám sát mức tiêu thụ điện năng thông qua mạng cảm biến không dây khoản, nhập thông tin ngưỡng cảnh báo sử dụng điện và IOT” Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 71, Số 3 (người dùng tiêu chuẩn); ngưỡng cảnh báo của hệ (04/2020), 274-284. thống như điện áp, cường độ dòng điện, công suất [4] “Internet Vạn Vật” (2023), Wikipedia, truy cập vào 28/03/2023, https://vi.wikipedia.org/wiki/Internet_V%E1%BA%A1n_V% ngưỡng trên, dưới và ngưỡng điện năng tiêu thụ (tài E1%BA%ADt khoản Admin) (Hình 20). [5] “Gartner Says the Internet of Things Installed Base Will Grow to 26 Billion Units By 2020” (2013), Finyear, https://www.finyear.com/Gartner-Says-the-Internet-of-Things- Installed-Base-Will-Grow-to-26-Billion-Units-By 2020_a27901.html [6] “More Than 30 Billion Devices Will Wirelessly Connect to the Internet of Everything in 2020” (2013), ABIResearch, https://www.abiresearch.com/press/more-than-30-billion devices-will-wirelessly-conne/. [7] Trần My (2022), “Arduino, lập trình Arduino là gì? Các thành phần của Arduino”, dinhnghia.com.vn, https://www.dinhnghia.com.vn/arduino-lap-trinh-arduino-la- gi-cac-thanh-phan-cua-arduino/. [8] https://topdev.vn/blog/tong-quan-ve-ngon-ngu-lap-trinh-java/ [9] “ReactJS – Những điều bạn cần phải biết”, TopDev, https://topdev.vn/blog/reactjs-nhung-dieu-ban-can-phai-biet/. ISBN 978-604-80-8932-0 118

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí

65 tài liệu

2431 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.