(Đồ án hcmute) giám sát năng lượng điện tiêu thụ hộ gia đình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT
ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG

GIÁM SÁT NĂNG LƯỢNG ĐIỆN TIÊU THỤ HỘ
GIA ĐÌNH

GVHD: Nguyễn Trường Duy
SVTH: Nguyễn Tấn Minh - 15141211
Nguyễn Hữu Trí - 15141312

SKL 0 0 6 0 8 5

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7/2019

do an


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 NĂNG LƯỢNG ĐIỆN
TIÊU THỤ HỘ GIA ĐÌNH
GVHD: ThS. Nguyễn Trường Duy
SVTH: Nguyễn Tấn Minh
MSSV: 15141211
SVTH: Nguyễn Hữu Trí
MSSV: 15141312

Tp. Hồ Chí Minh - 07/2019

do an


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 NĂNG LƯỢNG ĐIỆN
TIÊU THỤ HỘ GIA ĐÌNH
GVHD: ThS. Nguyễn Trường Duy
SVTH: Nguyễn Tấn Minh

MSSV: 15141211
SVTH: Nguyễn Hữu Trí
MSSV: 15141312

Tp. Hồ Chí Minh - 07/2019

do an


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
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 tháng năm 2019

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên:
Chuyên ngành:
Hệ đào tạo:
Khóa:

Nguyễn Tấn Minh
Nguyễn Hữu Trí
Kỹ thuật điện tử - truyền thơng
Đại học chính quy
2015

MSSV: 15141211

MSSV: 15141312
Mã ngành: 141
Mã hệ: 1
Lớp: 15141DT

I. TÊN ĐỀ TÀI: GIÁM SÁT NĂNG LƯỢNG ĐIỆN TIÊU THỤ HỘ GIA ĐÌNH
II. NHIỆM VỤ
1. Các số liệu ban đầu
- Nhìn nhận tính cấp thiết và vai trị quan trọng của việc giám sát điện năng tiêu thụ
trong hộ gia đình
- Tiến hành tìm hiểu, nghiên cứu tài liệu, các mơ hình hiện tại liên quan tới đề tài để
so sánh, cải tiến.
- Nghiên cứu datasheet và ứng dụng của cảm biến đo điện.
- Sự phổ biến của công nghệ IoT và sự thông dụng của chip wifi ESP8266.
2. Nội dung thực hiện
- Nhiệm vụ 1: Tìm hiểu và lựa chọn cảm biến, vi điều khiển.
- Nhiệm vụ 2: Giao tiếp giữa cảm biến, vi điều khiển, màn hình hiển thị.
- Nhiệm vụ 3: Thiết kế mạch, mơ hình hệ thống.
- Nhiệm vụ 4: Cập nhật thông tin và quản lí dữ liêu trên web, gửi tin nhắn về điện
thoại người dùng.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS. Nguyễn Trường Duy
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

i

do an

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
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 tháng năm 2019

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên 1: Nguyễn Tấn Minh
Lớp: 15141DT2A

MSSV: 15141211

Họ tên sinh viên 2: Nguyễn Hữu Trí
Lớp: 15141DT2B

MSSV: 15141312

Tên đề tài:
GIÁM SÁT NĂNG LƯỢNG ĐIỆN TIÊU THỤ HỘ GIA ĐÌNH
Tuần/ngày
Tuần 1 (18/2 – 24/2)

Nội dung

Xác nhận GVHD

- Gặp giáo viên hướng dẫn
- Chọn đề tài.

Tuần 2 (25/2 – 3/3)

- Viết đề cương chi tiết cho đồ án.

Tuần 3 (4/3 – 10/3)

- Trình bày phương án thực hiện đề tài.
- Phân chia công việc cho từng thành viên.

Tuần 4 (11/3 – 17/3)

- Tìm hiểu hoạt động của cảm biến
PZEM004T và chip ESP8266.

Tuần 5 (18/3 – 24/3)

- Kết nối trên testboard để giao tiếp và lấy
số liệu từ cảm biến, tìm hiểu màn hình
Oled.

Tuần 6, 7

- Thiết kế mạch wifi dùng chip ESP8266

(25/3 – 7/4)

- Kết nối khối ngõ ra, hiển thị thông tin đo

đạc ra màn hình.

Tuần 8, 9

- Tìm hiểu khái niệm host, ngơn ngữ PHP

(8/4– 21/4)

và cơ sở dữ liệu. Lập trình đưa dữ liệu từ
ESP8266 lên webserver.

ii

do an


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Tuần 10 (22/4 - 28/4)

- Tiến hành thiết kế giao diện web.

Tuần 11, 12

- Tìm hiểu Kit Arduino Uno – SIM800A,

(29/4 – 12/5)

thực hiện giao tiếp, lấy số liệu cảm biến.
- Gửi dữ liệu lên webserver

Tuần 13 (13/5 – 19/5)

- Thiết kế sơ đồ nguyên lý toàn mạch
- Viết chương trình cho tồn bộ hệ thống.

Tuần 14, 15

- Vẽ mạch PCB

(20/5 – 2/6)

- Gia công và hàn mạch.
- Cân chỉnh mạch phần cứng, tối ưu hóa
giao diện web

Tuần 16 (3/6 – 9/6)

- Kiểm tra lại hệ thống, chỉnh sửa, hoàn
thiện quyển báo cáo.

GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)

iii

do an


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

LỜI CAM ĐOAN
-

Tên đề tài: GIÁM SÁT NĂNG LƯỢNG ĐIỆN TIÊU THỤ HỘ GIA ĐÌNH

-

GVHD: THS. NGUYỄN TRƯỜNG DUY

-

Họ và tên sinh viên 1:
MSSV:

NGUYỄN TẤN MINH

15141211

Lớp: 15141DT2A

Số điện thoại liên lạc:

0964712900

Email:
-

Họ và tên sinh viên 2:
MSSV:

NGUYỄN HỮU TRÍ

15141312

Lớp: 15141DT2B

Số điện thoại liên lạc:

0389365947

Email:
“ Tơi xin cam đoan khóa luận tốt nghiệp (ĐATN) này là do chính tơi nghiên cứu là
thực hiện. Tơi khơng sao chép từ bất kì một bài viết nào đã được cơng bố mà khơng
trích dẫn nguồn gốc. Nếu có bất kì một sự vi phạm nào, tối xin chịu hoàn toàn trách
nhiệm”.
Người thực hiện đề tài
Nguyễn Tấn Minh

Nguyễn Hữu Trí

iv

do an


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

LỜI CẢM ƠN
Chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Nguyễn Trường Duy – Giảng viên
bộ môn Điện tử Công Nghiệp – Y Sinh đã trực tiếp hướng dẫn và tận tình giúp đỡ

tạo điều kiện để hoàn thành tốt đề tài.
Em xin gởi lời chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện – Điện tử đã tạo ra
những điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành đề tài.
Em cũng gửi lời đồng cảm ơn đến các bạn trong lớp đã chia sẻ trao đổi kiến thức
cũng như những kinh nghiệm quý báu trong thời gian thực hiện đề tài.
Xin chân thành cảm ơn!
Người thực hiện đề tài
Nguyễn Tấn Minh

Nguyễn Hữu Trí

v

do an


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ............................................................................ i
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ................................................. ii
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... iv
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. v
MỤC LỤC .................................................................................................................. vi
DANH MỤC HÌNH ................................................................................................... ix
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................. xii
TĨM TẮT ................................................................................................................ xiii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ....................................................................................... 1
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ ................................................................................................... 1
1.2 MỤC TIÊU ........................................................................................................ 2

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .............................................................................. 2
1.5 BỐ CỤC ............................................................................................................. 3
1.4 GIỚI HẠN ......................................................................................................... 4
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................... 5
2.1. NỀN TẢNG VỀ IOT ........................................................................................ 5
2.1.1 Định nghĩa ................................................................................................... 5
2.1.2 Tính chất của hệ thống IoT.......................................................................... 6
2.1.3 Các thiết bị IoT giao tiếp với nhau ra sao?.................................................. 7
2.2 CÁC CHUẨN GIAO TIẾP ............................................................................... 8
2.2.1 Chuẩn giao tiếp UART [4][5][6] ................................................................. 8
2.2.2 Chuẩn giao tiếp I2C [7] ............................................................................. 10
2.2.3 Chuẩn giao tiếp Wifi ................................................................................. 13
2.3 ĐO LƯỜNG NĂNG LƯỢNG VỚI CẢM BIẾN PZEM004T ........................ 16
2.4 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ WEBSITE .................................................. 18
2.5 CƠ SỞ DỮ LIỆU (CSDL) ............................................................................... 19
2.5.1 Khái niệm CSDL và hệ quản trị CSDL ..................................................... 19
2.5.2 Hệ quản trị cơ sở dữ liệu MySQL ............................................................. 20
CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ....................................... 21
vi

do an


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
3.1. THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI............................................................................... 21
3.2 MODULE CẢM BIẾN PZEM-004T .............................................................. 22
3.2.1 Sơ đồ nối dây của PZEM004T .................................................................. 23
3.2.2 Nút reset module ....................................................................................... 23
3.2.3 Thông số kỹ thuật ...................................................................................... 23
3.3 CHIP WIFI ESP8266 ....................................................................................... 24

3.3.1 Giới thiệu chung ........................................................................................ 24
3.3.2 Các loại module ESP8266 trên thị trường................................................. 26
3.4 KIT ARDUINO UNO – MODULE SIM 800A .............................................. 30
3.4 MÀN HÌNH OLED 0.96 INCH....................................................................... 31
3.5 KHỐI NGUỒN ................................................................................................ 32
3.6 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ TOÀN MẠCH ............................................................ 34
CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG .................................................................... 35
4.1 GIỚI THIỆU .................................................................................................... 35
4.2 THI CƠNG HỆ THỐNG ................................................................................. 35
4.2.1 Thi cơng board mạch ................................................................................. 36
4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra .................................................................................... 39
4.3 ĐĨNG GĨI VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH ........................................................ 43
4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ............................................................................... 43
4.4.1 Lưu đồ giải thuật ....................................................................................... 43
4.4.2. Phần mềm lập trình cho vi điều khiển ...................................................... 46
4.4.3 Giới thiệu ứng dụng ESP8266 SmartConfig ............................................. 51
4.4.4 Giới thiệu cPanel ....................................................................................... 53
4.4.5 Ngơn ngữ lập trình PHP ............................................................................ 56
4.4.6 Phần mềm cơ sở dữ liệu MySQL .............................................................. 58
4.4.7 Giới thiệu về phpMyAdmin ...................................................................... 61
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ – NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ ........................................... 65
5.1 KẾT QUẢ ........................................................................................................ 65
5.2 NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ ............................................................................... 66
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .......................................... 71
vii

do an


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

6.1 KẾT LUẬN...................................................................................................... 71
6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN .................................................................................. 72
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 72
PHỤ LỤC .................................................................................................................. 75

viii

do an


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1: Cấu trúc một khung dữ liệu trong chuẩn giao tiếp UART.......................... 8
Hình 2.2: Bus I2C và các thiết bị ngoại vi ................................................................ 10
Hình 2.3: Thiết bị kết nối vào I2C ở chế độ chuẩn và chế độ nhanh........................ 11
Hình 2.4: Quá trình giao tiếp giữa thiết bị chủ - tớ .................................................. 11
Hình 2.5: Trình tự truyền dữ liệu .............................................................................. 12
Hình 2.6: Giản đồ thời gian điều kiện START và STOP ........................................... 12
Hình 2.7: Mơ hình hoạt động của mạng wifi ............................................................ 14
Hình 3.1: Sơ đồ khối tồn bộ hệ thống ..................................................................... 21
Hình 3.2: Module cảm biến PZEM004T ................................................................... 22
Hình 3.3: Sơ đồ chân của module cảm biến PZEM004T .......................................... 23
Hình 3.4: Sơ đồ chân ESP8266 ................................................................................. 25
Hình 3.5: Sơ đồ chân của ESP-01 ............................................................................ 27
Hình 3.6: Sơ đồ chân ESP-07 ................................................................................... 28
Hình 3.7: Sơ đồ chân ESP-12F ................................................................................. 29
Hình 3.8: Module Arduino Uno – SIM800A ............................................................. 30
Hình 3.9: Màn hình Oled 0.96 inch .......................................................................... 32
Hình 3.10: Mạch nguồn xung 5V 3.5W ..................................................................... 33

Hình 3.11: Sơ đồ ngun lý tồn mạch ..................................................................... 34
Hình 4.1: PCB mặt top của mạch chính ................................................................... 37
Hình 4.2: PCB mặt bottom của mạch chính ............................................................. 37
Hình 4.3: Mơ phỏng 3D của mạch chính .................................................................. 37
Hình 4.4: PCB mặt top của mạch wifi ...................................................................... 38
Hình 4.5: PCB mặt bottom của mạch wifi ................................................................ 38
Hình 4.6: Mơ phỏng 3D của mạch wifi ..................................................................... 38
Hình 4.7: Board mạch chính nhìn từ trên xuống ...................................................... 39
Hình 4.8: Board mạch wifi ESP8266 sau khi hàn .................................................... 40
Hình 4.9: Hệ thống hồn chỉnh (cho giải pháp sử dụng wifi) .................................. 41
Hình 4.10: Board Arduino Uno – SIM800A ............................................................. 41
Hình 4.11: Hệ thống hồn chỉnh (cho giải pháp sử dụng GPRS) ............................ 42
ix

do an


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Hình 4.12: Hệ thống hồn chỉnh (cho giải pháp sử dụng GPRS) ............................ 42
Hình 4.13: Lưu đồ giải thuật chương trình khi sử dụng Wifi ESP8266 ................... 44
Hình 4.14: Lưu đồ giải thuật chương trình chính khi sử dụng SIM800A ................. 45
Hình 4.15: Lưu đồ giải thuật của chương trình con Webserver ............................... 46
Hình 4.16: Download phần mềm Arduino IDE ........................................................ 47
Hình 4.17: Giao diện Arduino IDE ........................................................................... 48
Hình 4.18: Các vùng làm việc của trình biên dịch Arduino IDE ............................. 48
Hình 4.19: Thêm đường link để tải driver cho ESP8266 .......................................... 50
Hình 4.20: Cài đặt thư viện ESP8266 ....................................................................... 50
Hình 4.21: Chọn board để nạp chương trình là NodeMCU 1.0 ............................... 51
Hình 4.22: Thao tác cấu hình Wifi trên ứng dụng SmartConfig............................... 52
Hình 4.23: Giao diện đăng nhập cPanel .................................................................. 54

Hình 4.24: Giao diện cPanel .................................................................................... 54
Hình 4.25: Giao diện quản lí tập tin và thư mục trên host ....................................... 55
Hình 4.26: Giao diện upload tập tin ......................................................................... 55
Hình 4.27: Giao diện tạo thư mục ............................................................................ 56
Hình 4.28: Logo đại diện của MySQL ...................................................................... 59
Hình 4.29: Chọn công cụ MySQL trên cửa sổ DATABASES của cPanel................. 59
Hình 4.30: Giao diện khởi tạo Database .................................................................. 60
Hình 4.31: Giao diện tạo database user ................................................................... 60
Hình 4.32: Giao diện cửa số Add a User to Database ............................................. 61
Hình 4.33: Giao diện cửa số Manage User Privileges ............................................. 61
Hình 4.34: Chọn công cụ MySQL trên cửa sổ DATABASES của cPanel................. 62
Hình 4.35: Danh sách các database đã tạo và dữ liệu trên từng database .............. 62
Hình 4.36: Chọn cơng cụ Remote MySQL trên cửa sổ DATABASES của cPanel.... 63
Hình 4.37: Danh sách máy chủ được phép truy cập vào database .......................... 63
Hình 4.38: Giao diện import file sql vào database ................................................... 63
Hình 4.39: Giao diện chọn file sql để import ........................................................... 64
Hình 5.1: Hình ảnh hoạt động của mạch .................................................................. 66
Hình 5.2: Kiểm nghiệm song song hai cơng cụ đo ................................................... 67
x

do an


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Hình 5.3: Giao diện đăng nhập trang web ............................................................... 68
Hình 5.4: Giao diện giám sát các chỉ số điện và quá trình tiêu thụ năng lượng ...... 69
Hình 5.5: Giao diện thống kê điện năng tiêu thụ theo ngày trong tháng 6 .............. 69
Hình 5.6: Giao diện đăng nhập trang quản trị hệ thống cPanel .............................. 70
Hình 5.7: Giao diện quản lý cơ sở dữ liệu của hệ thống .......................................... 70

xi

do an


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1: Thông số kĩ thuật của module cảm biến PZEM004T ............................... 23
Bảng 3.2: Các chế độ boot up của ESP8266 và cấu hình GPIO tương ứng ............ 26
Bảng 3.3: Thông số sử dụng nguồn của các thiết bị trong mạch ............................. 32
Bảng 4.1: Thông tin các linh kiện sử dụng ............................................................... 36

xii

do an


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

TĨM TẮT
Để giải quyết bài tốn tiết kiệm điện, quản lí và sử dụng điện hiệu quả, chúng
tôi đã xây dựng một hệ thống giám sát điện năng bao gồm các thiết bị gắn trực tiếp
trên nguồn điện. Bộ xử lý trung tâm và website thuận tiện cho việc giám sát từ xa,
phục vụ mục đích minh bạch hóa dữ liệu của người dùng điện. Đây là nguồn thông
tin đáng tin cậy cho công ty điện lực trong việc cung cấp và quản lí q trình tiêu thụ
điện của khách hàng.
Hệ thống thực hiện nhiệm vụ đo và quản lí các thơng số điện như dịng điện,
điện áp, công suất và điện năng tiêu thụ hàng ngày, xuất thông tin tiền điện mỗi tháng.
Dữ liệu được hiển thị ra màn hình và lưu vào trong cơ sở dữ liệu để cập nhật liên tục

trên website dưới dạng biểu đồ và bảng thống kê, nơi người dùng có thể truy cập để
thực hiện việc giám sát bất cứ lúc nào. Vào mỗi thời điểm cuối tháng, hệ thống sẽ gửi
tin nhắn thơng báo chi phí tiền điện mà hộ gia đình đã tiêu thụ về số điện thoại.

xiii

do an


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Cùng với sự phát triển của nền kinh tế đất nước, nhu cầu về tiêu thụ điện năng
ngày càng cao trong khi khả năng cung cấp điện cịn rất nhiều khó khăn, từ đó vấn đề
sử dụng điện tiết kiệm, hiệu quả trở thành vấn đề cấp bách. Để tiết kiệm điện phụ
thuộc ở 2 yếu tố: thiết bị điện và thói quen sử dụng của con người. Người dùng thường
bận rộn với cơng việc nên ít có thời gian giám sát được việc sử dụng các thiết bị trong
gia đình hay cơ quan, dẫn đến nhiều thiết bị hoạt động khơng cần thiết, gây lãng phí
năng lượng điện và tăng chi phí điện cho gia đình, cơ quan. Bên cạnh đó, nhu cầu
quản lí, giám sát cũng như kiểm sốt các chỉ tiêu chất lượng điện năng từ xa là rất cần
thiết cho các công ty điện lực và cá nhân hộ tiêu thụ điện. Hòa cùng sự phát triển của
công nghệ, việc sử dụng các thiết bị thông minh như smart phone, laptop, máy tính
bảng kết hợp với điện toán đám mây đang trở thành xu thế để phục vụ nhu cầu giám
sát và điều khiển từ xa. Đồng thời cũng là giải pháp cho sự tiện nghi và tối ưu hiệu
quả kinh tế.
Với mong muốn đưa những tiện ích trên vào thực tế, nhóm quyết định nghiên
cứu và thực hiện đề tài: “Giám sát năng lượng điện tiêu thụ hộ gia đình”. Theo đó,
đây sẽ là một chiếc đồng hồ điện tử có chức năng giám sát tại chỗ và từ xa lượng điện
năng tiêu thụ và các thơng số khác của hệ thống điện gia đình. Song song với việc

giám sát, hệ thống cũng tự động gửi tin nhắn báo tiền điện về số điện thoại người dùng
vào cuối tháng nhằm giúp cá nhân chủ số điện thoại và hộ tiêu thụ nắm bắt được chi
phí điện mỗi tháng, tiết kiệm tối đa nguồn năng lượng, giảm được chi phí tiêu dùng
điện.
Đây là một đề tài khơng mới, đã được nhiều sinh viên khóa trên thực hiện.
Nhưng bên cạnh vẫn cịn nhiều điểm cần cải thiện đó là độ chính xác của các thơng
số đo đạc, giao diện dành cho người dùng, cần một giải pháp kết nối internet tổng thể,
tiện lợi hơn, cũng như tối ưu kích thước và chi phí cho mạch.

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

do an

1


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
1.2 MỤC TIÊU
Với mục tiêu xây dựng hệ thống giám sát điện năng từ xa cho công ty điện lực
cũng như hộ gia đình sử dụng điện xoay chiều 1 pha, đề tài hướng tới giải quyết các
công việc sau:
- Giao tiếp với cảm biến đo điện PZEM004 để lấy các thơng số dịng điện, điện
áp, cơng suất, điện năng tiêu thụ từ đó tính ra chi phí sử dụng điện.
- Thực hiện giao tiếp giữa các Module NodeMCU ESP8266, SIM900A,
ATMega328 và màn hình Oled để xử lí, truyền nhận, hiển thị dữ liệu và gửi thơng
báo qua tin nhắn điện thoại.
- Xây dựng một trang web có chức năng lưu trữ, cập nhật các chỉ số điện hiện
tại và thống kê quá trình tiêu thụ điện của người dùng, thuận tiện cho việc giám sát
mọi lúc, mọi nơi.
- Xây dựng song song hai giải pháp kết nối internet: dùng Wifi hoặc GPRS.

Đối với những hộ tiêu thụ có lắp sẵn modem wifi trong nhà thì sẽ sử dụng wifi để kết
nối internet, còn với những hộ khơng dùng wifi thì sẽ sử dụng SIM, đăng kí và duy
trì gói dữ liệu hàng tháng để truy cập internet. Việc lựa chọn một trong hai giải pháp
giúp tối ưu chi phí cho hệ thống, phù hợp với điều kiện, hồn cảnh từng gia đình.
1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Nội dung 1: Tìm hiểu và tham khảo các tài liệu, giáo trình, nghiên cứu các chủ đề và
nội dung liên quan đến đề tài.
Nội dung 2: Nghiên cứu và đưa ra phương án thực hiện đề tài.
Nội dung 3: Giao tiếp với module cảm biến đo điện PZEM004T. Viết chương trình
lấy dữ liệu từ cảm biến và xuất ra màn hình.
Nội dung 4: Lập trình cho ESP8266 kết nối wifi và gửi dữ liệu lên webserver
Nội dung 5: Lập trình cho Kit Arduino Uno – SIM800A lấy dữ liệu từ cảm biến và
gửi dữ liệu lên webserver bằng GPRS.
Nội dung 6: Xây dựng cơ sở dữ liệu và trang web giám sát quá trình sử dụng điện.
Nội dung 7: Thiết kế mạch nguyên lý và vẽ mạch in, thi công hộp đựng.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

do an

2


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Nội dung 8: Thi công mạch phần cứng, chạy thử nghiệm và cân chỉnh hệ thống
Nội dung 9: Viết quyển báo cáo đồ án tốt nghiệp
Nội dung 10: Báo cáo đồ án tốt nghiệp
1.5 BỐ CỤC
Chương 1: Tổng quan
Chương này trình bày, đặt vấn đề, dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội

dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Giới thiệu nền tảng IoT, giao thức truyền thông wifi, các chuẩn giao tiếp giữa
các khối đầu vào – trung tâm – đầu ra; nguyên lí đo lường năng lượng của cảm biến;
nêu khái niệm chung về web host, hệ quản trị cơ sở dữ liệu mà đề tài sử dụng.
Chương 3: Tính tốn và thiết kế
Đặc tả phần cứng các thiết bị ngõ vào, điều khiển, ngõ ra; tính tốn và thiết kế
các module chức năng, khối nguồn, thiết kế sơ đồ nguyên lý toàn mạch.
Chương 4: Thi công hệ thống
Thi công mạch phần cứng: layout PCB, hàn và đóng gói tạo mơ hình hồn
chỉnh, các bước xây dựng thuật tốn và viết chương trình cho hệ thống; trình bày quá
trình xây dựng trang web và giới thiệu các phần mềm hỗ trợ.
Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá
Nêu kết quả đạt được, hình ảnh hoạt động của mạch, đánh giá tính ổn định của
hệ thống và các chức năng liên quan.
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển
Nêu kết luận về quá trình thực hiện và thành quả đạt được, các vấn đề còn tồn
tại, đề ra hướng phát triển sản phẩm.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

do an

3


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
1.4 GIỚI HẠN
- Hệ thống sử dụng 1 cảm biến đo điện, áp dụng trên một hộ gia đình.
- Giới hạn đo trên từng tải riêng lẻ như đèn, quạt… chưa đo thực nghiệm được

trên một căn nhà. Tính chính xác của mạch thi cơng được kiểm nghiệm bằng đồng hồ
VOM.
- Xây dựng trang web bằng host và tên miền tự đăng ký, sử dụng ngôn ngữ
PHP và cơ sở dữ liệu MySQL để cập nhật và lưu trữ dữ liệu trên host. Giao diện trang
web sử dụng chung cho hộ tiêu thụ và phía cơ quan điện lực, chưa có tính năng phần
quyền sử dụng, quản trị.
- Hệ thống hoạt động trong điều kiện khô ráo, thống mát, tránh những nơi có
nhiệt độ cao có thể gây sai lệch, chập cháy hệ thống.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

do an

4


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Để có thể xây dựng được một hệ thống như yêu cầu đặt ra, chúng ta cần phải
tìm hiểu một số khái niệm, cơ sở liên quan đến hệ thống. Các khái niệm về những đại
lượng liên quan đến năng lượng, các cách thức để giao tiếp giữa các module với nhau
hay những phương thức tạo thành một hệ thống công nghệ IoT đều được trình bày
trong chương này. Đồng thời, cũng giải quyết được các thức kết nối, giao tiếp giữa
các module với nhau để xây dựng thành một hệ thống hoàn chỉnh và hoạt động tốt.
2.1. NỀN TẢNG VỀ IOT
Trong phần này, chúng tôi đã tham khảo tài liệu và sử dụng ý kiến từ nguồn
[1], [2], [3].
2.1.1 Định nghĩa
Internet of Things (IoT) được dịch là Mạng lưới vạn vật kết nối Internet. Đó là

một liên mạng, trong đó các thiết bị, phương tiện được nhúng với các bộ phận điện
tử, phần mềm, cảm biến, cơ cấu chấp hành cùng với khả năng kết nối mạng máy tính
giúp cho các thiết bị này có thể thu thập và truyền tải dữ liệu.
Năm 2013, tổ chức Global Standards Initiative on Internet of Things (IoT-GSI)
định nghĩa IoT là “hạ tầng cơ sở tồn cầu phục vụ cho xã hội thơng thơng tin, hỗ trợ
các dịch vụ điện tốn chun sâu thơng qua các thiết bị được kết nối với nhau nhờ vào
công nghệ thông tin và truyền thông”.
Về cơ bản, Internet of Things cung cấp kết nối chuyên sâu cho các thiết bị, hệ
thống và dịch vụ, đồng thời hỗ trợ da dạng giao thức, và ứng dụng. Kết nối này mang
hiệu quả vượt trội so với kiểu truyền tải máy-máy (M2M), đồng thời hỗ trợ da dạng
giao thức, miền (domain), và ứng dụng. Kết nối các thiết bị nhúng này (luôn cả các
vật dụng thông minh được kỳ vọng sẽ mở ra kỷ nguyên tự động hóa trong hầu hết các
ngành, mở rộng tới những lĩnh vực khác như thành phố thơng minh. Trên cơ sở đó,
hệ thống IoT cho phép các thiết bị được cảm nhận hoặc được điều khiển từ xa thông
qua hạ tầng mạng hiện hữu, tạo cơ hội cho thế giới thực được tích hợp trực tiếp hơn

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

do an

5


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
vào hệ thống điện toán. Hệ quả mang lại là hiệu năng, độ tin cậy và lợi ích kinh tế
được tăng cường bên cạnh việc giảm thiểu sự can dự của con người.
Tóm lại, IoT là một kịch bản của thế giới, khi mà mỗi đồ vật, con người được
cung cấp một định danh của riêng mình. Tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thơng
tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa
người với người, hay người với máy tính.

2.1.2 Tính chất của hệ thống IoT
a. Thông minh
Sự thông minh và tự động trong điều khiển thực chất không phải là một phần
trong ý tưởng về IoT. Các máy móc có thể dễ dàng nhận biết và phản hồi lại mơi
trường xung quanh, chúng cũng có thể tự điều khiển bản thân mà không cần đến kết
nối mạng. Tương lai của IoT có thể là một mạng lưới các thực thể thơng minh có khả
năng tự tổ chức và hoạt động riêng lẻ tùy theo tình huống, mơi trường, đồng thời
chúng cũng có thể liên lạc với nhau để trao đổi thơng tin, dữ liệu.
Việc tích hợp trí thơng minh vào IoT cịn có thể giúp các thiết bị, máy móc,
phần mềm thu thập và phân tích các dấu vết điện tử của con người khi chúng ta tương
tác với những thứ thơng minh. Từ đó phát hiện ra các tri thức mới liên quan tới cuộc
sống, môi trường, các mối tương tác xã hội cũng như hành vi con người.
b. Kiến trúc dựa trên sự kiện
Các thực thể, máy móc trong IoT sẽ phản hồi dựa theo các sự kiện diễn ra trong
lúc chúng hoạt động theo thời gian thực. Một số nhà nghiên cứu từng nói rằng một
mạng lưới các sensor chính là một thành phần đơn giản của IoT.
c. Là một hệ thống phức tạp
Trong một thế giới mở, IoT sẽ mang tính chất phức tạp bởi nó bao gồm một
lượng lớn các đường liên kết giữa những thiết bị, máy móc, dịch vụ với nhau, ngồi
ra cịn bởi khả năng thêm vào các nhân tố mới.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

do an

6


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
d. Vấn đề không gian, thời gian

Trong IoT, vị trí địa lý chính xác của một vật nào đó là rất quan trọng. Hiện
nay, Internet chủ yếu được sử dụng để quản lý thông tin được xử lý bởi con người.
Do đó những thơng tin như địa điểm, thời gian, không gian của đối tượng không mấy
quan trọng bởi người xử lý thơng tin có thể quyết định các thơng tin này có cần thiết
hay khơng, và nếu cần thì họ có thể bổ sung thêm. Trong khi đó, IoT về lý thuyết sẽ
thu thập rất nhiều dữ liệu, trong đó có thể có dữ liệu địa điểm, và việc xử lý dữ liệu
đó để có thể mang lại những hiệu quả thông minh hơn khi trong những tình huống
khơng cần đến sự can thiệp của con người.
2.1.3 Các thiết bị IoT giao tiếp với nhau ra sao?
Để thu thập dữ liệu, các thiết bị phải kết nối được với nhau. Nếu là sản phẩm
của một nhà sản xuất thì khơng thành vấn đề, nhưng các thiết bị của các nhà sản xuất
khác nhau sẽ khơng “nói chuyện” được với nhau. Nếu một gia đình sử dụng đồng thời
giải pháp nhà thông minh và thiết bị tưới cây thông minh, họ sẽ phải sử dụng hai bộ
điều khiển và hai ứng dụng di động điều khiển khác nhau. Điều gì sẽ xảy ra khi gia
đình này muốn sử dụng thiết bị của mười nhà sản xuất?
Nguyên do là chưa hình thành một chuẩn chung để kết nối tất cả các thiết bị
IoT. Nếu bạn muốn tưới cây thông minh kết nối với bộ điều khiển nhà thông minh và
ngược lại, ít nhất là nhà sản xuất sẽ phải chỉnh sửa phần mềm trên thiết bị của họ. Nói
cách khác là làm cho thiết bị đó có thể “nói nhiều hơn một ngơn ngữ”.
Trong q trình phát triển các ứng dụng IoT (Internet of Things), việc lựa chọn
chuẩn giao thức kết nối sao cho hợp lý là một vấn đề khá đau đầu với các kỹ sư điện
- điện tử. Hiện nay có nhiều cơng nghệ giao tiếp được biết đến như Wifi, Bluetooth,
Zigbee và mạng di động 2G/3G/4G... Các giao thức giao tiếp không dây trong thế giới
IoT được thiết kế để thỏa mãn các yêu cầu cơ bản:
• Tiêu tốn ít năng lượng cho việc thu/phát sóng,
• Tiêu tốn ít băng thơng (để giảm gánh nặng cho router và hệ thống mạng)
• Hoạt động trong mạng mắt lưới

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

do an

7


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
2.2 CÁC CHUẨN GIAO TIẾP
2.2.1 Chuẩn giao tiếp UART [4][5][6]
a. Giới thiệu
Hiện nay, chuẩn UART (Universal Asynchronous Receiver – Transmitter) là
chuẩn giao tiếp truyền nhận dữ liệu không đồng bộ, được sử dụng rất nhiều trong các
board mạch điều khiển để truyền nhận dữ liệu giữa các vi điều khiển với nhau hoặc
với các thiết bị với nhau. Hai thiết bị giao tiếp UART với nhau thông qua hai đường
dẫn là RX (read), TX (transmit. Khác với kiểu truyền đồng bộ, cần một đường dữ liệu
và một đường xung nhịp báo hiệu sẵn sàng cho quá trình truyền/nhận, truyền thông
“không đồng bộ” chỉ cần một đường truyền cho một q trình. “Khung dữ liệu” đã
được chuẩn hóa bởi các thiết bị nên không cần đường xung nhịp báo trước dữ liệu
đến, mà các thiết bị phải "thỏa thuận" với nhau một khoảng thời gian nhất định để đọc
dữ liệu. Do đó, để đảm bảo q trình truyền thành cơng thì việc tn thủ các tiêu chuẩn
truyền là rất quan trọng đảm bảo tính chính xác của dữ liệu trong quá trình truyền.

Hình 2.1: Cấu trúc một khung dữ liệu trong chuẩn giao tiếp UART
Các khái niệm quan trọng trong truyền nhận UART:
Baudrate: Số bit truyền được trong 1s, ở truyền nhận khơng đồng bộ thì ở các
bên truyền và nhận phải thống nhất Baudrate. Các thông số tốc độ Baudrate thường
hay sử dụng để giao tiếp 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 14400, 19200, 38400, 56000,
57600, 115200.
Frame: Ngoài việc giống nhau của tốc độ baud 2 thiết bị truyền nhận thì khung
truyền của bên cũng được cấu hình giống nhau. Khung truyền quy định số bit trong
mỗi lần truyền, bit bắt đầu (Start bit), các bit kết thúc (Stop bit) , bit kiểm tra tính chẵn

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

do an

8


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
lẻ (Parity), ngoài ra số bit quy định trong một gói dữ liệu cũng được quy định bởi
khung truyền. Có thể thấy, khung truyền đóng một vai trị rất quan trọng trong việc
truyền thành cơng dữ liệu.
Start bit: Bit đầu tiên được truyền trong một frame, bit này có chức năng báo
cho bên nhận rằng sắp có một gói dữ liệu truyền đến. Đường truyền UART ln ở
trạng thái cao mức “1” cho đến khi chip muốn truyền dữ liệu đi thì nó gởi bit Start
bằng cách kéo xuống mức “0”. Như vậy Start bit có giá trị điện áp 0V và phải bắt
buộc có trong khung truyền.
Data: Data hay dữ liệu là thông tin mà chúng ta nhận được trong q trình
truyền và nhận. Data khơng nhất thiết phải là gói 8 bit. Trong q trình truyền UART,
bit có trọng số thấp nhất (LSB) sẽ được truyền trước và cuối cùng là bit có trọng số
cao nhất (MSB)
Parity bit: Parity dùng để kiểm tra dữ liệu truyền có đúng hay khơng. Có 2
loại Parity đó là Parity chẵn (even parity) và parity lẻ (odd parity). Parity chẵn nghĩa
là số bit “1” trong trong data truyền cùng với bit Parity luôn là số chẵn, ngược lại nếu
Parity lẻ nghĩa là số bit “1” trong data truyền cùng với bit Parity luôn là số lẻ. Bit
Parity không phải là bit bắt buộc và vì thế chúng ta có thể loại bỏ bit này ra khỏi khung
truyền.
Stop bits: Stop bits là một bit báo cáo để cho bộ truyền/nhận biết được gói dữ
liệu đã được gởi xong. Stop bits là bit bắt buộc phải có trong khung truyền. Stop bits
có thể là 1bit, 1.5bit, 2bit tùy thuộc vào ứng dụng UART của người sử dụng.
b. Cách thức truyền dữ liệu:

Khi chưa truyền dữ liệu thì ban đầu điện thế ở mức logic 1 (mức cao). Khi bắt
đầu truyền dữ liệu, bit START chuyển từ mức logic 1 về logic 0, báo cho bộ nhận là
việc truyền dữ liệu bắt đầu được thực hiện. Tiếp theo là truyền đi các bit dữ liệu D0D7 (có thể là logic 1 hoặc 0). Bộ nhận sẽ kiểm tra tính đúng đắn của dữ liệu truyền đi
dựa theo bit PARITY (kiểm tra chẵn/lẻ). Cuối cùng bit STOP sẽ báo cho thiết bị rằng
dữ liệu đã được gửi đi hồn tất.

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

do an

9