THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠNG CẢM BIẾN ỨNG DỤNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG GIA DỤNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC DUY TÂN


-------------- -------------

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠNG CẢM BIẾN
ỨNG DỤNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG GIA DỤNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH ĐIỆN – ĐIỆN TỬ


Đà Nẵng, 12/2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC DUY TÂN


-------------- -------------

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠNG CẢM BIẾN ỨNG
DỤNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG GIA DỤNG
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
CHUYÊN NGÀNH ĐIỆN – ĐIỆN TỬ PNU

Người hướng dẫn:

Đà Nẵng, 12/2021

LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đồ án này là cơng trình nghiên cứu của cá nhân tôi và được sự
hướng dẫn của ThS. Trương Văn Trương. Các nội dung nghiên cứu trong đề tài “THIẾT
KẾ VÀ THI CÔNG MẠNG CẢM BIẾN ỨNG DỤNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG GIA
DỤNG” của tôi là trung thực và chưa cơng bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây. Các dữ
liệu bao gồm hình ảnh, số liệu, thông tin trong đồ án đều trung thực. Do bản thân tơi tìm
hiểu, tham khảo từ nhiều nguồn tư liệu khác nhau và có ghi rõ nguồn gốc. Đồ án này khơng
sao chép các đồ án đã có từ trước.
Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm về nội
dung đề tài của mình. Trường đại học Duy Tân khơng liên quan đến những vi phạm tác
quyền, bản quyền do tơi gây ra trong q trình thực hiện (nếu có).

Đà Nẵng, ngày…, tháng…, năm 2021
Người cam đoan


NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………

Đà Nẵng, ngày…, tháng…, năm 2021
Giảng viên hướng dẫn



LỜI CÁM ƠN
Lời đầu tiên em xin chân thành gửi lời cám ơn đến thầy đã giúp em rất nhiều trong
q trình thực hiện đồ án tốt nghiệp này. Ngồi ra trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em
đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của gia đình và bạn
bè.
Nhờ sự giúp đỡ tận tình của thầy nên trong quá trình thực hiện đồ án em đã tiếp thu
được nhiều kiến thức q báu, có ích trong q trình học tập và làm việc trong tương lai.
Được tiếp cận với vi điều khiển Atmega328P, Lora Ra-02, Module FT232, xây dựng giao
tiếp theo mơ hình Star giữa các Sensor Node, từ công đoạn vẽ mạch nguyên lý cho đến việc
layout mạch ra thành phẩm PCB,…
Trong quá trình thực hiện đồ án do em chưa có nhiều kinh nghiệm nên khơng thể
tránh khỏi những sai sót. Mong nhận được sự góp ý của các thầy (cơ) để em hồn thiện hơn.
Lời cuối em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các quý thầy (cô) đã luôn tạo điều
kiện, quan tâm, động viên em trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp này.

Sinh viên thực hiện


MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU.......................................................................................................1
CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU........................................................................................1
1.1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI.......................................................................................1
1.2. GIỚI THIỆU MỘT SỐ HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG.........................2
1.2.1. Hệ thống giám sát điện năng qua sóng vô tuyến RF......................................2
1.2.2. Hệ thống giám sát điện năng qua mạng khơng dây LoRaWAN.....................3
1.3. MƠ HÌNH MẠNG CẢM BIẾN GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG................................4
1.4. MỤC TIÊU..........................................................................................................4
1.5. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU...........................................................4
1.5.1. Đối tượng nghiên cứu:...................................................................................4
1.5.2. Phạm vi nghiên cứu:......................................................................................5
1.6. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU........................................................................5
1.6.1. Cách tiếp cận:................................................................................................5
1.6.2. Phương pháp nghiên cứu:..............................................................................5
1.7. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN.................................................6
1.8. CƠ CẤU CỦA ĐỒ ÁN........................................................................................6

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG.................................................7
2.1. GIỚI THIỆU VỀ IOT...........................................................................................7
2.1.1. IoT là gì?........................................................................................................7
2.2. GIỚI THIỆU VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY........................................8
2.2.1. Mạng cảm biến khơng dây là gì?...................................................................8
2.2.2. Cấu trúc của mạng cảm biến khơng dây.........................................................8
2.2.3. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây....................................................10
2.3. MẠNG LPWAN CHO CÁC ỨNG DỤNG IoT..................................................10
2.3.1. LPWAN là gì?..............................................................................................10
2.3.2. LPWAN trong mơi trường vơ tuyến.............................................................11
2.4. GIỚI THIỆU VỀ LORA.....................................................................................11
2.4.1. LoRa là gì?...................................................................................................11
2.4.2. Nguyên lý hoạt động của LoRa....................................................................12

2.4.3. LoRaWAN là gì?..........................................................................................13


2.4.4. Cấu trúc của hệ thống LoRaWAN................................................................13
2.4.5. LoRaWan hoạt động như thế nào?...............................................................14
2.4.6. Tại sao lại lựa chọn LoRaWAN?..................................................................14
2.5. NGUYÊN LÝ ĐO DÒNG ĐIỆN AC.................................................................16
2.6. GIỚI THIỆU LINH KIỆN TRONG HỆ THỐNG..............................................17
2.6.1. Bộ xử lý trung tâm Atmega328P..................................................................17
2.6.2. Module LoRa ra-02 SX1278 433Mhz..........................................................18
2.6.2.1. Cơ sở lý thuyết..........................................................................................18
2.6.2.2. Thông số kỹ thuật......................................................................................19
2.6.3. Board Wifi LoRa32......................................................................................20
2.6.3.1. Giới thiệu về Wifi LoRa32........................................................................20
2.6.4. IC cảm biến dịng điện ACS712...................................................................21
2.6.5. Module UART PZEM004T..........................................................................22
2.6.6. Màn hình LCD 16*2....................................................................................23

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG....................................................24
3.1. PHẦN CỨNG HỆ THỐNG...............................................................................24
3.1.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống...............................................................25
3.1.2. Schematic & Layout....................................................................................26
3.1.2.1. Các linh kiện sử dụng trong mạch chính...................................................28
3.2. LƯU ĐỒ THUẬT TỐN CỦA HỆ THỐNG....................................................29
3.2.1. Chương trình của Sensor Node....................................................................29
3.2.1.1. Giải thích lưu đồ thuật tốn của Sensor Node...........................................29
3.2.2. Chương trình của Wifi LoRa32....................................................................30
3.2.2.1. Giải thích lưu đồ thuật toán của Wifi LoRa32...........................................30
3.3. XÂY DỰNG MẠNG CẢM BIẾN.....................................................................31
3.3.1. Phương pháp xây dựng................................................................................31

3.3.2. Các chỉ số đánh giá chất lượng gói tin.........................................................32
3.3.2.1. RSSI (Received Signal Strenght Indicator)...............................................32
3.3.2.2. SNR (Signal-to-Noise Ratio).....................................................................32
3.4. THIẾT KẾ PHẦN MỀM QUẢN LÝ HỆ THỐNG............................................32
3.4.1. Giới thiệu phần mềm Blynk.........................................................................32
3.4.2. Xây dựng giao diện trên phần mềm Blynk...................................................33


CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ......................................................35
4.1. KẾT QUẢ MÔ HÌNH........................................................................................35
4.1.1. Sensor Node của mơ hình............................................................................35
4.1.2. Mơ hình tổng thể..........................................................................................35
4.2. KẾT QUẢ KIỂM THỬ......................................................................................36
4.2.1. Môi trường kiểm thử....................................................................................36
4.2.2. Kết quả kiểm thử..........................................................................................36
4.2.2.1. Lắp đặt Sensor Node1(20A) tại nhà hộ dân(1)..........................................36
4.2.2.2. Lắp đặt Sensor Node2(5A) tại nhà hộ dân(2)............................................38
4.2.2.3. Lắp đặt Sensor Node3(5A) tại nhà hộ dân(3)............................................39
4.3. KIỂM TRA ĐỘ CHÍNH XÁC...........................................................................40
4.4. NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ............................................................................42
4.4.1. Đánh giá.......................................................................................................42
4.4.1.1. Ưu điểm.....................................................................................................42
4.4.1.2. Nhược điểm...............................................................................................42
4.4.1.3. Ý kiến của người sử dụng..........................................................................43
4.4.2. Ứng dụng.....................................................................................................43

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN........................................................45
KẾT LUẬN............................................................................................................... 45
HƯỚNG PHÁT TRIỂN............................................................................................45

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................46
NHẬT KÝ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI....................................................................47

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
IoT
RF
LPWAN
LoRa
M2M
UHF
ISM

Thuật ngữ
Internet of Things
Radio Frequency
Low Power Wide Area Network
Long Range Radio
Machine to machine
Ultra High Frequency
Phổ tần số vô tuyến


RTC
UART
SPI
I2C
PWM
PCBA
ADC

DAC
BW
SF
CR
RSSI
SNR

Real Time Control
Universal Asynchronous Receiver/Transmitter
Serial Peripheral Interface
Inter-Integrated Circuit
Pulse-width modulation
Printed Circuit Board Assembly
Analog to Digital Converter
Digital to Analog Converter
Band Width
Spread Frequency
Conversion Rate
Received Signal Strength Indicator
Signal-to-noise ratio


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 4.1 Kết quả kiểm thử tại nhà hộ dân(1)...................................................................37
Bảng 4.2 Kết quả kiểm thử tại nhà hộ dân(2)...................................................................39
Bảng 4.3 Kết quả kiểm thử tại nhà hộ dân(3)...................................................................40
Bảng 4.4 Kiểm tra kết quả đo dòng điện qua từng thiết bị...............................................41
Bảng 4.5 Đánh giá và nhận xét của người sử dụng..........................................................43

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ TH

Hình 1.1 Cơng tơ điện tử................................................................................................3
Hình 2.1 IoT là gì?.........................................................................................................7
Hình 2.2 Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây...............................................9
Hình 2.3 Các khối cơ bản của Sensor Node...................................................................9
Hình 2.5 Bandwidth Required.....................................................................................11
Hình 2.6 Cấu trúc mạng LoRaWAN.............................................................................13
Hình 2.7 The ACS712 output an analog signal.............................................................16
Hình 2.8 Quan hệ tuyến tính giữa dịng điện đo và điện áp..........................................17
Hình 2.9 Vi điều khiển Atmega328P.............................................................................18
Hình 2.10 Chip LoRa Ra02..........................................................................................19
Hình 2.11 Board Wifi LoRa 32.....................................................................................20
Hình 2.12 Wifi LoRa 32 Pinout....................................................................................21
Hình 2.13 Cảm biến dịng điện ACS712.......................................................................21
Hình 2.14 Module Pzem004T......................................................................................22
Hình 2.15 Màng hình LCD 16*2..................................................................................23
Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống.......................................................................................24
Hình 3.2 Sơ đồ khối Sensor Node................................................................................25
Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý của Sensor Node.................................................................26
Hình 3.4 Layout lớp TOP của Sensor Node..................................................................27
Hình 3.5 Layout lớp BOT của Sensor Node.................................................................27
Hình 3.6 Lưu đồ thuật tốn của Sensor Node...............................................................29
Hình 3.7 Lưu đồ thuật tốn của Wifi LoRa32...............................................................30
Hình 3.8 Giao diện chính của Blynk App.....................................................................34
Hình 4.1 Sensor Node của mơ hình..............................................................................35
Hình 4.2 Tồn cảnh của mơ hình..................................................................................36
Hình 4.3 Kết quả đo dịng điện của bàn ủi....................................................................41
Hình 4.4 Kết quả đo của máy sấy tóc...........................................................................42

LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy rằng, những trang thiết bị hiện đại ra
đời phục vụ cho cơng cuộc cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa. Những thiết bị điện, điện tử
xuất hiện và được ứng dụng rộng rãi trong đời sống hằng ngày. Sự ra đời ấy giúp cho
cuộc sống của con người thay đổi rất nhiều, khiến mọi thứ trở nên dễ dàng và tốt đẹp
hơn. Khi đó tồn ngành Điện Tử đóng vai trị khơng nhỏ vào phát triển nền kinh tế của
đất nước. Theo thống kê mới nhất từ vietnamnet.vn thì ngành Điện Tử chiếm tỉ trọng
17,8% tồn ngành cơng nghiệp. Như vậy có thể nói ngành cơng nghiệp điện tử không
thể thiếu được trong cuộc sống sinh hoạt cũng như trong sản xuất của con người.
Như vậy, để làm sáng tỏ hiệu quả của điện tử vào ứng dụng thực tế, sau khoảng
thời gian dài học tập được các thầy cô trong khoa Điện – Điện Tử giảng dạy kiến thức
chuyên sâu về chuyên ngành mà em theo học, cùng với sự nỗ lực của bản thân thì em
đã “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠNG CẢM BIẾN ỨNG DỤNG GIÁM SÁT
ĐIỆN NĂNG GIA DỤNG”. Nhưng do dịch bệnh phức tạp, kiến thức và kinh nghiệm
triển khai thực tế của em cịn hạn chế nên trong q trình thực hiện đồ án này sẽ khơng
tránh khỏi những sai sót. Em rất mong nhận được sự giúp đỡ, tham khảo ý kiến của
thầy cô và các bạn nhằm phát triển đề tài trở nên có ích và phù hợp hơn với xu thế hiện
nay.


CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU
1.1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Trong vài năm trở lại đây, chúng ta chắc đã nghe qua cụm từ IoT xuất hiện ngày
một nhiều trên các trang mạng Internet, trên tivi, báo đài… sở dĩ cụm từ này xuất hiện
nhiều là bởi vì Internet of Things (IoT) là một trong các trụ cột chính của cuộc cách
mạng hiện đại và hiện đang được đầu tư phát triển về mọi mặt. Ở Việt Nam, IoT đang
cho chúng ta thấy được sự phổ biến của chúng vào tất cả các mặt của đời sống. Gần gũi
với chúng ta nhất là các thiết bị sử dụng điện năng trong gia đình, chính vì sự gần gũi
đó đã làm cho các thiết bị sử dụng điện ngày một đa dạng về mẫu mã. Việc xuất hiện

ngày một nhiều các thiết bị gia dụng như vậy làm cho việc giám sát, quản lý điện năng
gặp bài tốn khó. Với việc quản lý điện năng rõ ràng, hiệu quả sẽ giúp tiết kiệm các
nguồn năng lượng dư thừa, kiểm sốt các thơng số một cách cụ thể hơn. Mặt khác, việc
ghi nhận dữ liệu cụ thể làm cho các nhà quản lý dễ dàng đánh giá mức độ để rồi đưa ra
các phương án tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí, giúp giám sát chất lượng nguồn
điện, cảnh báo khi bị quá tải, giảm thiểu các nguy cơ rủi ro khi sử dụng điện.
Dựa trên cơ sở tìm hiểu về IoT mục đích giám sát điện năng và các thơng số liên
quan qua mạng cảm biến khơng dây, đó cũng chính là nhu cầu thực tế và mong muốn
của mỗi hộ dân. Với thiết bị giám sát điện năng từ xa, chúng ta có thể nhìn thấy các
thơng số điện năng tiêu thụ của từng thiết bị trong nhà bất cứ lúc nào mà ta mong
muốn. Hơn nữa việc giám sát điện năng trên quy mơ lớn dưới mạng cảm biến có thể
trở thành tài nguyên số liệu quý giá giúp nhà quản lý phân tích tính tốn để nâng cao
độ tin cậy và tính liên tục của hệ thống điện.
Nhờ sự định hướng và chỉ dẫn của thầy Trương Văn Trương em đã chọn đề tài
tốt nghiệp “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠNG CẢM BIẾN ỨNG DỤNG GIÁM SÁT
ĐIỆN NĂNG GIA DỤNG”. Hệ thống được tích hợp chức năng đo dịng điện, điện áp
và công suất tiêu thụ của thiết bị điện, đồng thời những dữ liệu đo đạc được sẽ tổng
hợp gửi về Dashboard để phân tích và đánh giá. Như thế chúng ta dễ dàng nhận thấy rõ
14


tình hình sử dụng điện năng của từng thiết bị, căn cứ trên các số liệu thu được chúng ta
đưa ra các đề xuất và giải pháp để cải thiện điện năng và tối ưu chúng.
1.2. GIỚI THIỆU MỘT SỐ HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG
Từ xưa đến nay, việc giám sát điện năng là yếu tố rất quan trọng ở các tòa nhà
lớn, các doanh nghiệp và ở những khu dân cư đông đúc, càng quan trọng hơn trong khu
sản xuất và kinh doanh của các doanh nghiệp. Bài toán đặt ra là làm sao quản lý được
điện năng trong khu vực có diện tích sàn rộng lớn như thế một cách hiệu quả để giảm
chi phí, tiết kiệm năng lượng ở mức tối đa, góp phần tiết kiệm chi phí và bảo vệ mơi
trường. Phương án tốt nhất hiện nay là thiết lập hệ thống tự động hóa quản lý và giám

sát từ xa hay có thể tự động xử lý các sự cố xảy ra.
Các tham số của điện năng như dịng điện, điện áp, cơng suất, hệ số công suất…
đều là những thông số cần được giám sát chặt chẽ vì có ảnh hưởng rất lớn đến tất cả
các thiết bị sử dụng điện, đồng nghĩa với việc giảm chi phí vận hành của các tịa nhà,
các doanh nghiệp và cả các hộ dân khi sử dụng thiết bị.
1.2.1. Hệ thống giám sát điện năng qua sóng vơ tuyến RF
Việc thay đổi hệ thống giám sát thơng qua sóng vơ tuyến là một hướng có lợi
cho nhà cung cấp điện năng, vì nó giải quyết được bài tốn chi phí, tránh sai sót trong
q trình ghi chép số liệu hơn so với kiểu truyền thống. Hệ thống đọc chỉ số cơng tơ từ
xa bằng sóng vơ tuyến RF bao gồm các khối chức năng sau:
 Công tơ điện từ có tích hợp tính năng thu phát tín hiệu vơ tuyến RF.
 Bộ thu thập tín hiệu di động bao gồm: Thiết bị cầm tay được tích hợp module
thu phát tín hiệu vơ tuyến RF bên trong.
Ưu điểm:
 Thiết bị modem gọn nhẹ, thông dụng, dễ dàng lắp kèm với cơng tơ.
 Cước phí tính theo lưu lượng (Kb) thấp, rất phù hợp với hệ thống không yêu cầu
theo thời gian thực.
Nhược điểm:
15


 Tín hiệu có thể bị ảnh hưởng bởi nhiễu như gặp thời tiết xấu, nhiều vật cản xung
quanh do sử dụng đường truyền không dây, chung đường truyền của mạng di
động. Nên khi sử dụng đồng hồ số thì cần phải cân nhắc chọn dịch vụ của nhà
cung cấp có độ phủ sóng rộng và uy tín.

Hình 1.1 Cơng tơ điện tử
1.2.2. Hệ thống giám sát điện năng qua mạng không dây LoRaWAN
Bằng việc áp dụng công nghệ truyền thông không dây LoRa tần số thấp vào các
hệ thống thơng minh trên thế giới, nhằm rút ngắn chi phí lắp đặt, tạo độ tin cậy cho tín

hiệu và giảm chi phí thi cơng. Em mong muốn đưa ra một hệ thống quản lý và giám sát
điện năng thông minh giúp giải quyết được các vấn đề mà hệ thống khác chưa giải
quyết được và có thể mang lại những lợi ích cho người dùng, có thể kể đến như sau:
 Việc sử dụng sóng RF để thu thập dữ liệu theo cách cũ tốn nhiều thời gian nên
việc đưa vào hệ thống giám sát qua mạng LoRaWAN sẽ giúp giảm thời gian, chi
phí nhân cơng trong việc ghi chép dữ liệu.
 Giám sát dữ liệu điện năng liên tục 24/7 và truyền đi đến Gateway với khoảng
cách xa.
 Đo đạc và gửi dữ liệu đến Gateway một cách thuận lợi khi ở trong phạm vi giao
tiếp vì Sensor Node không bị phụ thuộc vào đường truyền Internet.
 Tạo các báo cáo về thống kê điện năng tiêu thụ ở từng thiết bị tải cụ thể theo
dạng bảng hoặc đồ thị.
16


1.3. MƠ HÌNH MẠNG CẢM BIẾN GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG
Với nhiều năm học tập tại trường đại học Duy Tân, bản thân em đã tích lũy
được nhiều kiến thức quý báu để cuối cùng đưa ra sản phẩm gồm các nhóm chức năng
chính như sau:
 Khối đo đạc: Là phần quan trọng nhất, đo đạc tính tốn và đưa ra số liệu về điện
năng tiêu thụ.
 Khối giao tiếp: Góp phần vào việc truyền nhận dữ liệu trong mạng cảm biến
LoRaWAN được xây dựng theo mơ hình tiêu chuẩn Star, mở rộng khoảng cách
và kết nối thông minh.
 Khối hiển thị: Hiển thị các thông số cần thiết qua màn hình LCD, Dashboard.
1.4. MỤC TIÊU
 Thiết kế thiết bị sử dụng cho việc đo đạc các thông số điện năng bao gồm điện
áp, dịng điện, cơng suất trong suốt khoảng thời gian sử dụng từng thiết bị điện.
 Xây dựng mơ hình mạng cảm biến theo mơ hình chuẩn Star. Được thực hiện
bằng cách xây dựng thuật toán kết nối các Sensor Node với Gateway trung gian

đến Webserver.
 Theo dõi, đánh giá chất lượng của các gói tin được gửi đi trong mạng
LoRaWAN thông qua các kịch bản khác nhau và sử dụng phần mềm để kiểm tra
các gói tin.
 Giám sát số liệu điện năng tiêu thụ của từng thiết bị trên ứng dụng điện thoại và
đánh giá dựa trên mỗi kịch bản khác nhau.
1.5. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU
1.5.1. Đối tượng nghiên cứu:

 Nghiên cứu tài liệu bao gồm nguyên lý hoạt động của vi điều khiển
Atmega328P, cảm biến dòng điện ACS712, Pzem004T, chip thu phát RF LoRa
SX1278 433Mhz Ra-02, module Wifi LoRa32 (V2).
 Nghiên cứu cách thức làm việc của cảm biến dòng điện, giao tiếp giữa vi điều
khiển và LoRa-02.
17


 Tìm hiểu mạng cảm biến khơng dây LoRaWAN, ưu và nhược điểm so với các
LPWAN khác.
 Cách thức đóng gói, gửi tin và an tồn bảo mật trong mạng LoRaWAN.
 Nghiên cứu cách thu thập và gửi dữ liệu đo được lên trên Blynk app.
1.5.2. Phạm vi nghiên cứu:






Vi điều khiển Atmega328P.
Chip LoRa Ra-02 SX1278 433Mhz.

Module Wifi Lora32 (V2).
Module Pzem004T, cảm biến dòng ACS712.
Thingspeak, Blynk App.

1.6. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1.6.1. Cách tiếp cận:
Sử dụng các kiến thức đã học trên lớp, các tài liệu về ngơn ngữ lập trình C++, kiến
thức về xây dựng sơ đồ khối, lưu đồ thuật tốn cho hệ thống, tìm hiểu tài liệu về các
vấn đề liên quan trên môi trường Internet và sự hướng dẫn của giảng viên, từ đó tìm ra
phương pháp và hướng đi đúng để thực hiện các yêu cầu của đề tài.
1.6.2. Phương pháp nghiên cứu:
Như các vấn đề đã được nêu ra ở trên thì em đã có phương pháp để hoàn thành tốt đồ
án này:
 Nghiên cứu tài liệu về các linh kiện, cách thức giao tiếp giữa Atmega328p và
LoRa.
 Thu thập tài liệu nghiên cứu có liên quan đến đề tài, bao gồm tài liệu lý thuyết
và thực nghiệm.
 Khảo sát thực tế các yếu tố liên quan đến thực nghiệm như cơ sở vật chất, mặt
bằng kỹ thuật và cơng nghệ, thiết bị sẵn có, linh kiện có mặt trên thị trường.
1.7. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN
 Đề tài có khả năng áp dụng thực tiễn cao, ứng dụng tại các hộ gia đình, các trạm
đo đạc và giám sát điện năng trong các công ty.
18


 Dữ liệu đo được theo các mốc thời gian sẽ là nguồn thông tin cho các nghiên
cứu sau này.
 Từ biểu đồ giám sát thì có thể đưa ra nhận xét, nhằm nâng cao ý thức sử dụng
điện cho mọi người. Từ đó ý thức được việc chung tay tiết kiệm điện năng, mặt
khác góp phần vào việc bảo vệ môi trường.

1.8. CƠ CẤU CỦA ĐỒ ÁN
Cấu trúc đồ án gồm 4 chương:
Chương I: Tổng quan
Trình bày về các hệ thống đo đạc điện năng hiện nay, giới thiệu về mơ hình mạng cảm
biến của đề tài.
Chương II: Cơ sở lý thuyết
Trình bày về các lý thuyết của đề tài qua quá trình tìm hiểu.
Chương III: Thiết kế và thi cơng
Trong báo cáo sẽ trình bày rõ cơ sở lý thuyết từ thiết kế phần cứng đến phần mềm, xây
dựng lưu đồ thuật toán của hệ thống, xây dựng mơ hình mạng và cuối cùng là phương
pháp kiểm thử.
Chương IV: Kết quả và bàn luận
Trình bày kết quả kiểm thử, kiểm tra độ chính xác của hệ thống. Từ đó đưa ra được
những nhận xét và đánh giá cụ thể.

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
2.1. GIỚI THIỆU VỀ IOT
2.1.1. IoT là gì?
IoT hay cịn gọi là Internet of things, là một mạng lưới trong đó có sự tham gia
của nhiều thành phần như là thiết bị được tích hợp thêm các bộ phận điện tử, phần
mềm cũng như nhiều loại cảm biến với mục đích khác nhau. Vừa có thể thu thập dữ
liệu, vừa có thể kết nối qua mạng máy tính để truyền và chia sẻ dữ liệu đó. Hệ thống
19


các thiết bị, phương tiện thông minh này sẽ tạo nên một cơ sở hạ tầng đáp ứng nhu cầu
phát triển của xã hội thông tin. Internet of things lần đầu tiên xuất hiện vào năm 1999,
trong những năm tiếp theo thì sự bùng nổ của cơng nghệ và sự lan tỏa của mạng
Internet đã tạo ra một nền tảng thuận lợi giúp IoT tiếp tục phát triển.

Hình 2.1 IoT là gì?
Chúng ta có thể hình dung đơn giản về IoT như sau:


Ban đầu là các thiết bị, phương tiện thông thường mà chúng ta hay sử dụng
như oto, đồng hồ, máy hút bụi… Sau đó chúng sẽ được tích hợp các thiết bị
cảm biến, giúp chúng thu thập thông tin thực tế như hình ảnh đường đi, các



đồ vật trên đường, đo nhịp tim…
Tiếp đó, các dữ liệu được thu thập sẽ được truyền tải qua hệ thống mạng
Internet. Những dữ liệu này sẽ được tải lên, xử lý và chia sẻ trên mơi trường
ảo. Q trình này có thể tạo ra các lệnh, các chương trình giúp điều khiển



hoạt động của thiết bị ban đầu.
Thiết bị, phương tiện thông minh sẽ tiếp nhận các lệnh thông qua dữ liệu
đường truyền của mạng và tiến hành thực hiện các nhiệm vụ mà người dùng
yêu cầu.

20


2.2. GIỚI THIỆU VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
2.2.1. Mạng cảm biến khơng dây là gì?
Mạng cảm biến khơng dây (Wireless Sensor Network) bao gồm một tập hợp các
thiết bị tích hợp cảm biến sử dụng các kết nối khơng dây (vô tuyến, hồng ngoại hoặc
quang học) để phối hợp thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin dữ liệu của đối tượng

với quy mô lớn trong bất kỳ điều kiện và ở bất kỳ vùng địa lý nào. Mạng cảm biến
khơng dây có thể liên kết trực tiếp với Sensor Node quản lý giám sát trực tiếp thông
qua một điểm thu phát (Gateway). Lợi thế chủ yếu của mạng cảm biến là khả năng
truyền tin xa với công suất phát thấp và triển khai đến các khu vực mà mạng có dây
truyền thống khơng thể làm được.
2.2.2. Cấu trúc của mạng cảm biến không dây
Một mạng cảm biến không dây bao gồm số lượng lớn các Sensor Node được
triển khai dày đặc ở gần đối tượng cần thu thập dữ liệu. Vị trí các cảm biến có thể triển
khai ngẫu nhiên trong các vùng không thể tiếp cận hoặc các khu vực nguy hiểm. Khả
năng tổ chức thành các mơ hình mạng và làm việc với nhau của các cảm biến không
dây là những đặc trưng rất cơ bản của mạng này. Với khả năng truyền xa với công suất
phát nhỏ thì các Sensor Node được triển khai gần nhau tạo thành truyền thông đa liên
kết trong một khu vực cụ thể là một lợi thế lớn. Khi mà triển khai mạng với truyền
thơng đơn liên kết thì độ hiệu quả của việc truyền tín hiệu thấp hơn so với truyền thông
đa liên kết.

21


Hình 2.2 Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây
Các Sensor Node được triển khai trong một khu vực gọi là Sensing region. Mỗi
Sensor Node được phát tán trong mạng có khả năng thu thập thơng tin số liệu, gửi số
liệu về bộ phận thu Base Station nhờ môi trường Internet để gửi đến User. Mỗi Sensor
Node bao gồm bốn thành phần cơ bản là: Khối cảm biến, khối xử lý, khối thu phát
không dây và khối nguồn. Dựa vào từng ứng dụng cụ thể mà các Node cịn có thể có
các thành phần bổ sung. Khối cảm biến thường gồm thành phần là đầu đo cảm biến và
bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC). Các tín hiệu tương tự chuyển sang tín hiệu số
bằng bộ chuyển đổi ADC, rồi mới được đưa tới khối xử lý. Ở đây tín hiệu được phân
tích và tính tốn, cộng tác với các khối khác để phối hợp thực hiện nhiệm vụ. Đảm bảo
kết nối khơng dây thành cơng thì có sự kết hợp giữa khối xử lý và khối thu phát. Dưới

đây là các thành phần trong một Sensor Node.

Hình 2.3 Các khối cơ bản của Sensor Node

2.2.3. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây






Giám sát và điều khiển cơng nghiệp.
Tự động hóa thiết bị trong gia đình và điện dân dụng.
Triển vọng của mạng cảm biến không dây trong quân sự.
Mạng cảm biến không dây trong y tế và giám sát sức khỏe.
Mạng cảm biến không dây với môi trường và ngành nông nghiệp.
Các mạng cảm biến khơng dây với chi phí đầu tư thấp, tiêu thụ ít điện năng, cho

phép triển khai trong nhiều điều kiện địa hình khí hậu phức tạp, đặc biệt là khả năng tổ
22


chức mạng, khả năng cộng tác và chịu được các hư hỏng sự cố đã tạo ra một triển vọng
ứng dụng đầy tiềm năng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Tuy nhiên để triển khai mạng
cảm biến không dây, người thiết kế hệ thống cần phải nắm được những nhân tố tác
động đến mạng, những nhược điểm của mạng cần phải được khắc phục, cần quan tâm
đến các tham số mạng… cần có sự mơ phỏng đánh giá để từ đó có thể thiết kế hệ thống
theo cách tối ưu nhất.
2.3. MẠNG LPWAN CHO CÁC ỨNG DỤNG IoT
Hiện nay các cơng nghệ khơng dây chiếm phần lớn trong q trình giao tiếp,

truyền tải dữ liệu lên Server. Điều đặc biệt nhất của các ứng dụng IoT là công suất phát
nhỏ, tiết kiệm năng lượng là truyền đi được xa, độ bao phủ lớn. Các ông lớn công nghệ
cũng chạy đua phát triển sản phẩm riêng cho mình để bắt kịp xu hướng thuộc về các
ứng dụng khác nhau. LPWAN – Mạng diện rộng công suất thấp là một trong các xu
hướng để triển khai hệ thống IoT trong tương lai.
2.3.1. LPWAN là gì?
LPWAN là các cơng nghệ khơng dây với các đặc điểm như phủ sóng lớn, băng
thơng thấp, kích thước gói tin truyền đi nhỏ và đặc biệt hơn là thời gian sử dụng pin lâu
dài. Nó cung cấp một khả năng kết nối cho các thiết bị và ứng dụng có tính di động
thấp và mức độ truyền dữ liệu thấp.
2.3.2. LPWAN trong môi trường vô tuyến
Công nghệ LPWAN tạo ra để truyền dữ liệu từ các thiết bị đo như cảm biến và
các thiết bị khác với khoảng cách dài. Vì vậy mà LPWAN ra đời là sự cần thiết của các
thiết bị M2M. Dưới đây là một số điểm mạnh của LPWAN:





Tiêu thụ điện năng thấp vì các gói tin được gửi đi với dung lượng thấp.
Khoảng cách truyền tải xa hơn so với các công nghệ không dây khác.
Khả năng mở rộng mạng theo các mơ hình mạng chuẩn như đã nêu ở mục trên.
Chi phí cung cấp và bảo trì thiết bị LPWAN ở mức thấp hơn so với mạng di
động.

23


Hình 2.5 Bandwidth Required.
Trên đây là băng thơng và tốc độ dữ liệu về các dạng truyền thông vô tuyến xa

gần theo các vùng. LPWAN nằm trong vùng Long range nghĩa là truyền được khoảng
cách xa. Ở trong hệ sinh thái của LPWAN gồm có các giao thức truyền thơng như
LoRaWAN, Sigfox, NB-IoT (Narrow-Band), LTE-M…
2.4. GIỚI THIỆU VỀ LORA
2.4.1. LoRa là gì?
LoRa là viết tắt của Long Range Radio được nghiên cứu và phát triển bởi
Cycleo (Pháp) nhưng kể từ 2012 thì đã bán lại cho cơng ty Semtech(Mỹ). Với cơng
nghệ này, chúng ta có thể truyền dữ liệu đi xa với khoảng cách lên hàng km mà không
cần đến các module khuếch đại công suất, nhờ vậy mà tiết kiệm được năng lượng tiêu
thụ khi truyền dẫn dữ liệu. Chính vì ưu điểm của nó mà ngày nay LoRa có thể được áp
dụng rộng rãi trong các ứng dụng thu thập dữ liệu như giám sát chất lượng môi trường,
giám sát điện năng tiêu thụ…nhờ các Sensor Node gửi đi xa hàng km và Gateway có
thể hoạt động với battery trong thời gian dài trước khi cần thay pin.
Có rất nhiều công nghệ nằm trong hệ sinh thái LPWAN hiện nay như: Sigfox,
NB-IoT (Narrow-Band), LTE-M …Tuy nhiên LoRa nổi tiếng với phạm vi giao tiếp

24


vượt trội, tăng cường độ nhạy thu, và khả năng truyền dữ liệu lớn. Vì thế, LoRa là lý
tưởng để triển khai các ứng dụng IoT mạnh mẽ trên các khu vực rộng lớn.
LoRa phát đi tín hiệu sóng vơ tuyến RF có tần số là 433MHz nằm trong miền
tần số sóng điện từ UHF nên thường dùng để truyền tín hiệu trong mơi trường khơng
khí. Loại sóng này cũng tuân theo các định luật phản xạ, khúc xạ, giao thoa của sóng
điện từ và cịn có khả năng đâm xuyên vật cản. Công nghệ LoRa ra đời đã và đang
giúp thay đổi rất nhiều trong một số lĩnh vực của đời sống.
2.4.2. Nguyên lý hoạt động của LoRa
LoRa sử dụng kỹ thuật điều chế gọi là Chirp Spread Spectrum. Có thể hiểu đơn
giản nguyên lý này là dữ liệu sẽ được băm bằng các xung cao tần để tạo ra tín hiệu có
dãy tần số cao hơn tần số của dữ liệu gốc (gọi là chipped). Sau đó tín hiệu cao tần này

tiếp tục được mã hóa theo các chuỗi chirp signal (là các tín hiệu hình Sin có tần số thay
đổi theo thời gian, có 2 loại chirp signal là up-chirp có tần số tăng theo thời gian và
down-chip có tần số giảm theo thời gian). Việc mã hóa theo nguyên tắc bit 1 sẽ sử
dụng up-chirp và bit 0 sẽ sử dụng down-chip trước khi truyền ra anten để gửi đi.
Theo Semtech cơng bố thì ngun lý này giúp giảm độ phức tạp và độ chính xác
cần thiết của mạch nhận để có thể giải mã và điều chế lại dữ liệu, hơn nữa LoRa không
cần công xuất phát lớn mà vẫn có thể truyền xa vì tín hiệu thấp hơn cả nhiễu mơi
trường xung quanh. Và dưới đây là băng tần làm việc của LoRa là từ 430MHz đến
915MHz cho từng khu vực khác nhau trên thế giới:





Băng tần 433MHz cho Châu Á.
Băng tần 780MHz cho Trung Quốc.
Băng tần 866MHz cho Châu Âu.
Băng tần 915MHz cho Mỹ.

2.4.3. LoRaWAN là gì?
LoRaWAN(Long Range Wireless Area Network) là một giao thức tuyền thông
không dây trong mạng dựa trên LoRa do LoRa Alliance tạo ra. Rất hữu ích trong giao
25