(Đồ án hcmute) thiết kế thi công hệ thống giám sát lưới điện

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 ÐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG

THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG HỆ THỐNG
GIÁM SÁT LƯỚI ÐIỆN

GVHD: NGUYỄN ĐÌNH PHÚ
SVTH : VŨ VĂN ĐẠT
MSSV: 13141054
SVTH : LÊ VĂN NHỰT QUANG
MSSV: 13141255

SKL 0 0 5 3 6 8

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2017

do an


TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TP. HỒ CHÍ MINH
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP-Y SINH
Tp. HCM, ngày 25 tháng 7 năm 2017

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

Vũ Văn Đạt
Lê Văn Nhựt Quang
Kỹ thuật điện tử, truyền thông
Đại học chính quy
2013

MSSV: 13141054
MSSV: 13141255
Mã ngành: 141
Mã hệ:
1
Lớp:
13141DT2

I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT

LƯỚI ĐIỆN
II. NHIỆM VỤ
1. Các số liệu ban đầu:
- Thiết kế hệ thống đo dòng điện lưới điện ba pha cấp 22KV.
- Giao tiếp bộ xử lý trung tâm, lưu hiện tượng quá dòng, báo sự cố quá dòng, mất
pha.
- Kết nối Internet gửi dữ liệu.
2. Nội dung thực hiện:

- Nhiệm vụ 1: Giao tiếp các mô - đun với Vi điều khiển.
- Nhiệm vụ 2: Giao tiếp giữa các Client-Client-Server.
- Nhiệm vụ 3: Thiết kế các mạch đo lường, giao tiếp, mơ hình hệ thống.
- Nhiệm vụ 4: Hiển thị thơng tin và quản lý dữ liệu trên Web và hệ thống cảnh báo
khi có sự cố.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
30/03/2017
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 25/07/2017
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
ThS.Gvc Nguyễn Đình Phú
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH

do an


TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TP. HỒ CHÍ MINH
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP-Y SINH
Tp. HCM, ngày 25 tháng 07 năm 2017

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên 1: Vũ Văn Đạt
Lớp:
13141DT2
MSSV: 13141054

Họ tên sinh viên 2: Lê Văn Nhựt Quang
Lớp:
13141DT2
MSSV: 13141255
Tên đề tài: Thiết kế và thi công hệ thống giám sát lưới điện.

Tuần/ngày

Nội dung

1

Tìm hiểu về đề tài, lựa chọn hướng xây dựng và
tham khảo một số hệ thống đã có.

2

Lựa chọn, tìm hiểu cách thức hoạt động của một
số cảm biến, vi điều khiển.

3

Tiến hành thực nghiệm hệ thống qua các loại vi
điều khiển, các mô- đun giao tiếp khác nhau.

4

Lập trình cho vi điều khiển sau khi đã lựa chọn
xong vi điều khiển và các thiết bị mong muốn.

5

Kiểm tra hoạt động của hệ thống, chỉnh sửa và
tiến hành lập trình trang web, gửi dữ liệu.

6

Thiết kế hệ thống, vẽ sơ đồ mạch nguyên lý,
thiết kế mạch in.

7

Tiến hành làm mạch, kiểm thử và chỉnh sửa các
lỗi, sau đó hồn chỉnh bằng các phiên bản khác.

8

Lập trình Android cho hệ thống.

9

Thiết kế mơ hình cho các thiết bị đo, thiết bị
trung tâm.

10

Tiến hành thử nghiệm hệ thống trong thực tế ở
khoảng cách mong muốn.

11

Đóng gói thiết bị bằng thành một sản phẩm
hoàn chỉnh.
Viết báo cáo.

12

do an

Xác nhận
GVHD


13

Viết báo cáo, thiết kế powerpoint.

GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)

do an


LỜI CAM ĐOAN
Đề tài này là do nhóm tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và khơng sao chép từ tài
liệu hay cơng trình đã có trước đó.

Người thực hiện đề tài
Vũ Văn Đạt

do an

Lê Văn Nhựt Quang


LỜI CẢM ƠN
Em xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Nguyễn Đình Phú _ Giảng viên bộ mơn
Điện tử Công Nghiệp - Y Sinh đã trực tiếp hướng dẫn và tận tình giúp đỡ tạo điều kiện
để hồn thành tốt đề tài.
Em xin gởi lời chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Điện-Điện Tử đã tạo
những điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành đề tài.
Em cũng gửi lời đồng cảm ơn đến các bạn lớp 13141DT2 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
Vũ Văn Đạt
Quang

do an

Lê Văn Nhựt


MỤC LỤC
Trang bìa ...................................................................................................................... i
Nhiệm vụ đồ án ........................................................................................................... ii
Lịch trình ................................................................................................................... iii
Cam đoan .................................................................................................................. iv
Lời cảm ơn .................................................................................................................. v

Mục lục ...................................................................................................................... vi
Liệt kê hình vẽ ........................................................................................................... ix
Liệt kê bảng vẽ ......................................................................................................... xi
Tóm tắt ..................................................................................................................... xii

Chương 1. TỔNG QUAN ............................................................................... 1
1.1 Đặt vấn đề ......................................................................................................... 1
1.2 Mục tiêu ............................................................................................................ 1
1.3 Nội dung nghiên cứu ........................................................................................ 2
1.4 Giới hạn ............................................................................................................ 2
1.5 Bố cục ............................................................................................................... 2

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................... 4
2.1 Quy trình thực hiện hệ thống ............................................................................ 4
2.1.1 Chuẩn bị ........................................................................................................ 4
2.1.2 Lựa chọn vi điều khiển cho hệ thống ............................................................ 4
2.1.3 Lựa chọn các loại cảm biến ........................................................................... 4
2.1.4 Kết nối các thiết bị ngoại vi với vi điều khiển .............................................. 4
2.2 Các bộ cảnh báo sự cố trên đường dây điện trên thị trường ............................ 5
2.2.1 Bộ cảnh báo đường dây trung thế FCI – Fault Circuit Indicator .................. 5
2.2.2 Một số loại khác ............................................................................................ 8
2.3 Giới thiệu phần cứng ........................................................................................ 9
2.3.1 Cảm biến biến dòng Hall 100A YHDC ........................................................ 9
2.3.2 Vi Điều Khiển Arduino Nano ..................................................................... 11
2.3.3 Giới thiệu về module Lora E32-TTL-100. .................................................. 12
2.3.4 Mô-đun USB UART PL2303 ...................................................................... 16
2.3.5 Mô-đun chuyển giao tiếp LCD sang I2C .................................................... 17
2.3.6 Mô-đun LCD 20x4 ..................................................................................... 18
2.3.7 IC nguồn 7805 ............................................................................................. 20
2.3.8 Đồng hồ thời gian thực DS1307 .................................................................. 20

do an


2.3.9 IC EEPROM 24LC512 ................................................................................ 22
2.3.10 Kit NodeMCU – Lua - Wifi-V3 ................................................................ 23
2.3 Các chuẩn giao tiếp. ....................................................................................... 24
2.3.1 Chuẩn giao tiếp UART. ............................................................................... 24
2.3.2 Chuẩn giao tiếp I2C ..................................................................................... 25
2.4 Giới thiệu phần mềm. ..................................................................................... 27
2.4.1 Phần mềm lập trình Arduino IDE 1.8.1 ...................................................... 27
2.4.2 Phần mềm thiết kế mạch Altium ................................................................. 29
2.4.3 Phần mềm cấu hình cho Lora RF_Setting_EN_V2.7 ................................. 31
Chương 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ ............................................................ 33
3.1 Giới thiệu ........................................................................................................ 33
3.2 Tính tốn và thiết kế hệ thống ........................................................................ 33
3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ....................................................................... 33
a. Sơ đồ khối của hệ thống. .................................................................................. 33
b. Chức năng từng khối ........................................................................................ 34
3.2.2 Tính tốn và thiết kế mạch .......................................................................... 35
a. Thiết kế khối đo ................................................................................................ 35
b. Thiết kế khối giao tiếp sóng RF. ...................................................................... 41
c. Tính tốn khối đồng hồ thời gian thực DS1307 ............................................... 43
d. Thiết kế khối lưu trữ dữ liệu khi mất kết nối với Internet ................................ 44
e. Thiết kế khối trung tâm và led cảnh báo. ......................................................... 47
f. Thiết kế khối hiển thị ........................................................................................ 50
g. Thiết kế khối nguồn. ......................................................................................... 51
3.2.3 Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch................................................................... 53
a. Sơ đồ nguyên lý bộ xử lý trung tâm. ................................................................ 53
b. Sơ đồ nguyên lý mach đo ................................................................................. 54

Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG .................................................................... 54
4.1 Giới thiệu ........................................................................................................ 54
4.2 Thi công hệ thống ........................................................................................... 54
4.2.1 Thi công bo mạch ........................................................................................ 54
a. Thi công các thiết bị đo .................................................................................... 54
b. Thi công bộ xử lý trung tâm. ............................................................................ 57

do an


4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra ...................................................................................... 59
a. Lắp ráp khối đo. ................................................................................................ 59
b. Thi công bộ xử lý trung tâm ............................................................................. 61
4.3 Đóng gói và thi cơng mơ hình ........................................................................ 63
4.3.1 Mơ hình các khối đo hồn chỉnh ................................................................. 63
4.3.2 Mơ hình bộ xử lý trung tâm......................................................................... 63
4.4 Lập trình hệ thống .......................................................................................... 64
4.4.1 Lưu đồ giải thuật ......................................................................................... 64
4.4.2 Phần mềm lập trình cho Arduino và NodeMCU ......................................... 67
a. Giới thiệu phần mềm lập trình Arduino IDE .................................................... 67
b. Chương trình hệ thống...................................................................................... 68
4.4.3 Phần mềm lập trình Android Studio ............................................................ 70
a. Giới thiệu phần mềm lập trình Android Studio ................................................ 70
b. Lập trình Android Studio ................................................................................. 70
4.4.4 Lập trình Ứng dụng Web (Web Application) ............................................. 76
a. Giới thiệu về Web server .................................................................................. 76
d. Các bước tạo lập trang Web cho hệ thống giám sát lưới điện ......................... 78
Chương 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ............................................... 84
5.1 Kết quả khảo sát ............................................................................................. 84
5.1.1 Cảm biến...................................................................................................... 84

5.1.2 Vi điều khiển ............................................................................................... 84
a. Arduino Nano ................................................................................................... 84
b. Kit NodeMCU – Lua- wifi- v 3.0 ..................................................................... 85
5.1.3 Một số mô-đun khác và các chuẩn giao tiếp ............................................... 85
a. Mô - đun truyền nhận sóng RF ......................................................................... 85
b. Lưu trữ dữ liệu và đồng hồ thời gian thực. ...................................................... 86
c. Chuẩn giao tiếp ................................................................................................. 86
d. Các phần mềm sử dụng .................................................................................... 86
5.2 Kết quả thực nghiệm ...................................................................................... 87
5.2.1 Một số hình ảnh về hệ thống. ...................................................................... 87
a. Kết quả quá trình truyền nhận dữ liệu giữa chủ và thiết bị đo ........................ 87
b. Mô hình hệ thống sau khi đóng gói tồn bộ. .................................................... 88
c. Các kết quả từ phép đo thống kê ...................................................................... 88
5.2.2 Website và ứng dụng Android..................................................................... 94

do an


a. Website quản lý dữ liệu tự thiết kế ................................................................... 94
b. Ứng dụng trên điện thoại ................................................................................ 966
Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ....................................... 967
6.1 Kết luận .......................................................................................................... 97
6.2 Hướng phát triển ............................................................................................. 97

do an


TỪ VIẾT TẮT

IOT: Internet of Things

FCI: Fault Circuit Indicator
IDE: Integrated Development Environment
UART: Universal Asynchronous Receiver – Transmitter
SPI: Serial Peripheral Interface
I2C:Inter-Intergated Circuit
RF: Radio Frequently
IC: Intergated Circuit
USB: Universal Serial Bus
MCU: Microprocessor Control Unit
SDA: Serial Data
SCL: Serial Clock
RTC: Real-time clock
RAM : Random Access Memory
CRC : Cyclic Redundancy Check
LSB : Least Significant Bit
MSB : Most Significant Bit
PCB : Printed Circuit Board
HTTP: HyperText Transfer Protocol
HTML: HyperText Markup Language
DBMS: Database Managerment System
SQL: Structured Query Language
API: Application Programming Interface

do an


LIỆT KÊ HÌNH VẼ
Hình 2. 1: Bộ cảnh báo sự cố trên đường dây trung thế FCI ................................................. 5
Hình 2. 2: Khả năng cảnh báo chính xác đường dây gặp sự cố ............................................. 6
Hình 2. 3: Gắn bộ cảnh báo trên đường dây và đèn led báo hiệu sự cố ................................. 6

Hình 2. 4: Hệ thống cảnh báo thơng minh............................................................................... 7
Hình 2. 5: Bộ cảnh báo sự cố trên đường dây FLA3 ............................................................... 8
Hình 2. 6: Cảm biến dịng diện Hall 100A YHDC ................................................................... 9
Hình 2. 7: Mặt cắt kỹ thuật chi tiết Hall 100A YHDC ........................................................... 10
Hình 2. 8: Arduino Nano ........................................................................................................ 11
Hình 2. 9: Mơ-đun Lora E32-TTL-100. ................................................................................. 12
Hình 2. 10: Cách thức hoạt động của chân AUX .................................................................. 15
Hình 2. 11: Trạng thái chân Aux khi cấu hình Lora. ........................................................... 15
Hình 2. 12: Sơ đồ khối Sx 1278 .............................................................................................. 15
Hình 2. 13: Sơ đồ chân của các IC semtech SX12xx ............................................................. 16
Hình 2. 14: Mơ- đun USB UART PL2303 .............................................................................. 16
Hình 2. 15: Mơ-đun giao tiếp I2C ........................................................................................... 17
Hình 2. 16: Giao tiếp với LCD qua mạch chuyển I2C ........................................................... 18
Hình 2. 17: Mạch LCD 20x4 ................................................................................................... 18
Hình 2. 18: IC nguồn 5V 7805 ................................................................................................ 20
Hình 2. 19: Hai gói cấu tạo chip DS1307 ............................................................................... 21
Hình 2. 20: Mạch IC thời gian thực DS1307 ......................................................................... 21
Hình 2. 21: Mặt trước và sau của Module IC thời gian thực DS1307 .................................. 22
Hình 2. 22: IC Eeprom 24LC512 ............................................................................................ 22
Hình 2. 23: Kit NodeMCU – Lua-Wifi-V3............................................................................. 23
Hình 2. 24: Mơ tả giao tiếp Uart ............................................................................................. 24
Hình 2. 25: Cấu trúc một khung dữ kiệu trong chuẩn giao tiếp uart ................................... 24
Hình 2. 26: Sơ đồ kết nối các thiết bị trên bus I2C ................................................................ 25
Hình 2. 27: Quá trình truyền nhận dữ liệu theo chuẩn I2C ................................................. 26
Hình 2. 28: Trình tự truyền bit trên đường truyền I2C ......................................................... 26
Hình 2. 29: Truyền dữ liệu trong giao tiếp I2C...................................................................... 27
Hình 2. 30: Giao diện Arduino IDE với project mới (sketch mới) ........................................ 28
Hình 2. 31: Biên dịch thành cơng ........................................................................................... 29
Hình 2. 32: Logo khởi động của Altium 16 ............................................................................ 30
Hình 2. 33: Cửa sổ làm việc thiết kế mạch nguyên lý Altium ............................................... 30

Hình 2. 34: Cửa sổ thiết kế PCB ............................................................................................. 31
Hình 2. 35: Giao diện của phần mềm cấu hình cho Lora RF_Setting_EN_V2.7 ................ 31
Hình 2. 36: Các thơng số khi cấu hình cho Lora E32-TTL-100. .......................................... 32
Hình 3.1. Sơ đồ khối tồn hệ thống ........................................................................................ 33
Hình 3.2. Sơ đồ khối của khối đo ............................................................................................ 35
Hình 3.3. Kết nối ngõ ra cảm biến dòng điện Hall với Arduino............................................ 36
Hình 3.4. Đo dịng điện thơng qua điện áp trên 2 đầu điện trở ............................................. 37
Hình 3.5. Thêm 2 điện trở phân áp ......................................................................................... 38
Hình 3.6. Biểu đồ ngõ ra khi chưa được gắn tụ C1 ............................................................... 38
Hình 3.7. Ngõ ra sau khi gắn tụ C1 ........................................................................................ 38
Hình 3.8. Cách kết nối đúng của Hall 100A YHDC với đường dây ...................................... 40
Hình 3.9. Sơ đồ nguyên lý khối đo. ......................................................................................... 41
Hình 3.10. Chế độ truyền theo địa chỉ .................................................................................... 42
Hình 3.11. Chọn chế độ truyền theo địa chỉ, cố định............................................................. 42
Hình 3.12. Cấu hình 2 mơ-đun truyền theo chế độ target cố định ........................................ 43
Hình 4.1. Bản vẽ thiết kế khối đo. ........................................................................................... 54
Hình 4.2. Mơ phỏng 3D mạch điều khiển khối đo ................................................................. 55

do an


Hình 4.3. Mạch in khối đo ...................................................................................................... 55
Hình 4.4. Mạch sau khi tiến hành in và rửa mạch. ............................................................... 56
Hình 4.5. Bản vẽ thiết kế PCB khối trung tâm ....................................................................... 57
Hình 4.6. Sơ đồ bố trí linh kiện khối trung tâm. .................................................................... 57
Hình 4.7. Mạch in khối trung tâm. ......................................................................................... 58
Hình 4.8. Mạch xử lý trung tâm.............................................................................................. 58
Hình 4.9. Mơ hình thi cơng thử nghiệm ................................................................................. 60
Hình 4.10. Mạch khối đo khi hồn chỉnh. ............................................................................. 61
Hình 4.11. Mơ hình chạy thử nghiệm .................................................................................... 61

Hình 4.12. Mạch xử lý trung tâm tháo rời LCD. ................................................................... 62
Hình 4.13. Khối đo dịng ......................................................................................................... 63
Hình 4.14. Bộ xử lý trung tâm (bên trong) ............................................................................. 63
Hình 4.15. Bộ xử lý trung tâm (bên ngồi) ............................................................................ 64
Hình 4.16. Lưu đồ giải thuật chính của hệ thống.................................................................. 65
Hình 4.17. Lưu đồ hàm gửi và nhận (1) ................................................................................. 66
Hình 4.18. Lưu đồ giải thuật hàm gửi và nhận (2) ................................................................ 67
Hình 4. 19: Bắt đầu cài đặt phần mềm ................................................................................... 71
Hình 4. 20: Chọn nội dung cần cài đặt .................................................................................. 71
Hình 4. 21: Hộp thoại khởi động phần mềm lần đầu tiên ..................................................... 72
Hình 4. 22: Hộp thoại tạo project mới .................................................................................... 72
Hình 4. 23: Lựa chọn thiết bị sẽ chạy ứng dụng chuẩn bị viết ............................................. 73
Hình 4. 24: Chọn loại Activity................................................................................................. 73
Hình 4. 25: Màn hình làm việc của Android Studio .............................................................. 74
Hình 4. 26: Vùng cấu trúc hệ thống tin trong một project .................................................... 74
Hình 4. 27: Màn hình hiển thị giao diện trên thiết bị. ........................................................... 75
Hình 4. 28: Vùng viết code của project trên Android Studio ................................................. 75
Hình 4. 29: Đã đăng nhập thành cơng vào trang web vừa tạo .............................................. 79
Hình 4. 30: Tạo tài khoản database ........................................................................................ 79
Hình 4. 31: Bảng dữ liệu chứa các mẫu tin đã được cập nhật và lưu trữ ............................ 80
Hình 4. 32: Nơi nhập các câu lênh thao tác trên database.................................................... 80
Hình 4. 33: Sau khi nhập dữ liệu cho bảng thành cơng........................................................ 81
Hình 4. 34: Hướng dẫn đăng nhập và upload file lên Internet. ............................................ 82
Hình 4. 35: Hộp thoại Site Manager. ..................................................................................... 82
Hình 4. 36: Sau khi đăng nhập thành công bằng FileZilla. ................................................. 83
Hình 5. 1: Cảm biến dịng diện Hall 100A YHDC ................................................................. 84
Hình 5. 2: Mơ-đun NodeMCU – Lua-Wifi-V3 ...................................................................... 85
Hình 5. 3: Quá trình truyền nhận của hệ thống. ................................................................... 87
Hình 5. 4: Giao tiếp giữa các thiết bị với bộ xử lý trung tâm. ............................................... 88
Hình 5. 5: Báo cáo sai số thông qua phép đo nhiều giá trị dịn điện .................................... 89

Hình 5. 6: Đo dịng điện hoạt động của quạt bằng đồng hồ.................................................. 90
Hình 5. 7: Kết nối 3 thiết bị cảnh báo trên cùng một đường dây .......................................... 90
Hình 5. 8: Kết quả dịng điện của quạt đo bằng thiết bị cảnh báo ........................................ 91
Hình 5. 9: Kết quả đo dòng hoạt động của tủ lạnh bằng đồng hồ ........................................ 92
Hình 5. 10: Dịng điện hoạt động của tủ lạnh trên kênh 1 .................................................... 92
Hình 5. 11: Kết quả phép đo trên bếp hồng ngoại dùng đồng hồ ......................................... 93
Hình 5. 12: Kết quả đo dịng bếp hồng ngoại bằng bộ cảnh báo .......................................... 93
Hình 5. 13: Quản lý dữ liệu qua bảng lưu trữ. .................................................................... 955
Hình 5. 14: Lưu trữ cơ sở dữ liệu ........................................................................................... 95
Hình 5. 15: Ứng dụng Android trên điện thoại .................................................................... 966

do an


LIỆT KÊ BẢNG
Bảng 2. 1: Thông số cơ bản của hall 100A YHDC ................................................................ 10
Bảng 2. 2: Mô tả chân và các chức năng. .............................................................................. 13
Bảng 2. 3: Các chế độ hoạt động của mô-đun E32-TTL-100. ............................................... 13
Bảng 2. 4: Các thông số cơ bản phiên bản sx1276/77/78/79 ................................................. 16
Bảng 2. 5: Thông số của module giao tiếp I2C ...................................................................... 17
Bảng 2. 6: Các chân của mạch LCD 20x4. ............................................................................ 19
Bảng 2. 7: Các thông số của EEPROM 24LC512.................................................................. 23
Bảng 3. 1: Cấu hình địa chỉ cho EEPROM 24LC512. .......................................................... 45
Bảng 4. 1: Danh sách các linh kiện khối đo........................................................................... 56
Bảng 4. 2: Danh sách các linh kiện mạch trung tâm. .......................................................... 59
Bảng 5.1: Bảng thống kê kết quả đo thực nghiệm ................................................................. 94

do an

TĨM TẮT

Với nhu cầu giám sát dịng điện trên đường dây truyền tải điện từ xa. Chúng tôi đã
xây dựng một hệ thống giám sát dòng điện bao gồm các thiết bị gắn trực tiếp trên đường
dây, bộ xử lý trung tâm và website, ứng dụng trên điện thoại để giao tiếp người dùng.
Hệ thống sẽ thực hiện những nhiệm vụ là quản lý giá trị dòng điện hằng ngày, hằng
giờ, tổng hợp và được lưu lại. Khi người dùng muốn xem lại bất cứ lúc nào cũng có thể
truy cập để tra cứu
Khi có các sự cố, sẽ có nhưng đèn cảnh báo cho người dùng, đồng thời có những
cảnh báo trên web, cảnh báo tại bộ xử lý trung tâm nhằm giúp cho người dùng có nhưng
tác động sớm nhất.
Các trường hợp sự cố sẽ xử lý là q dịng, mất pha, hoặc là mất kết nối internet
thì dữ liệu sẽ được lưu lại trong bộ nhớ và khi có kết nối trở lại sẽ được gửi lên website.
Hệ thống thực hiện nhiều chức năng và chủ yếu là mảng truyền nhận dữ liệu khơng
dây thơng qua sóng radio.
Như vậy, hệ thống có vai trị là giám sát, quản lý dữ liệu theo thời gian thực, thông
báo sự cố, đưa ra dữ liệu thống kê cho người dùng.

do an


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Chương 1. TỔNG QUAN
1.1

ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngày nay, ngày càng có nhiều các khu cơng nghiệp lớn, các nhà máy mọc lên, các

trung tâm thương mại, giải trí cũng rất phổ biến. Kéo theo sự phát triển về hệ thống lưới

điện phân phối và cung cấp một lượng điện lớn cho nhà máy, xí nghiệp.
Trong q trình truyền tải, phân phối điện trong nhà máy hay rộng hơn là hệ thống
lưới điện cũng gặp phải những sự cố q dịng, hay mất pha cần được kiểm sốt và phát
hiện càng sớm càng tốt nhằm giảm thiểu thiệt hại.
Dựa trên các nhu cầu về kiểm soát các sự cố quá dòng hay mất pha của của đường
dây truyền tải điện. Nhóm đã đưa ra giải pháp là xây dựng một hệ thống giám sát các sự
cố về quá dòng, mất pha của dòng điện cũng như quản lý sự thay đổi giá trị dịng điện
để thơng báo cho người sử dụng mọi lúc, mọi nơi.
Hệ thống cũng ứng dụng Internet of things (IOT), với việc quản lý dữ liệu trên
internet và có thể giám sát ở mọi nơi có Internet và các thiết bị điện tử thông minh như
điện thoại thông minh, laptop.
Với hệ thống giám sát, quản lý mạng lưới điện trên, người dùng có thể trực tiếp
biết được những sự cố ở mọi nơi, đồng thời đưa ra những giải quyết nhanh nhất nhằm
giảm thiểu thiệt hại.

1.2

MỤC TIÊU
Đề tài hướng tới việc giám sát dữ liệu dòng điện, các sự cố quá dòng, mất pha của

hệ thống lưới điện. Như mục tiêu ở trên, thì hệ thống sẽ được thiết kế bao gồm:
 Thiết kế thiết bị đo dòng điện.
 Thiết kế bộ xử lý trung tâm, trung tâm dữ liệu.
 Trang web giao tiếp với người dùng.
 Ứng dụng Android.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

do an

1


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

1.3

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Đề tài sẽ bao gồm các nội dung nghiên cứu chính sau:

 NỘI DUNG 1: Tìm hiểu các sự cố về dịng điện trong hệ thống lưới điện.
 NỘI DUNG 2: Đưa ra các giải pháp xây dựng hệ thống và phác thảo hệ thống.
 NỘI DUNG 3: Thiết kế các thiết bị đo, bộ xử lý trung tâm, website, App.
 NỘI DUNG 4: Thiết kế mơ hình thiết bị đơ và bộ xử lý trung tâm.
 NỘI DUNG 5: Đánh giá kết quả thực hiện.
 NỘI DUNG 6: Hướng phát triển và khả năng ứng dụng của hệ thống.

1.4

GIỚI HẠN
Thiết kế mơ hình hệ thống bao gồm các thiết bị đo được gắn trên các pha của

đường dây truyền tải điện và một bộ xử lý trung tâm:
 Có ba thiết bị đo dòng điện.
 Một bộ xử lý trung tâm.
 Các thiết bị đo dịng điện có kích thước 5 x 6 x 6 cm bao gồm các cảm biến do
dòng điện, vi điều khiển và mô- đun truyền nhận không dây.
 Các mơ- đun truyền nhận khơng dây Lora E32-TTL-100 có khả năng truyền nhận
lý tưởng là 3000 m khi không có vật cản, và trong thực tế thực hiện khoảng 200300m.
 Bộ xử lý trung tâm có kích thước 11 x 10 x 6.5 cm, bao gồm vi điều khiển các mơđun ngoại vi.

 Đề tài xây dựng mơ hình với các cảm biến, mơ – đun có sẵn trên thị trường nên có
độ nhạy và sai số nhất định.
 Hệ thống chưa tối ưu được vấn đề về năng lượng, các ngồn cấp cho thiết bị đo là
nguồn Pin.

1.5

BỐ CỤC
Đề tài hệ thống giám sát lưới điện thực hiện được chia làm các chương sau:

 Chương 1: Tổng Quan.
 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết.
 Chương 3: Thiết Kế và Tính Tốn.

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH

do an

2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

 Chương 4: Thi Công Hệ Thống.
 Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá.
 Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển.
Nơi dụng tóm lược của các chương như sau:
 Chương 1: Tổng quan.
Trong chương này tập trung giới thiệu về các công nghệ truyền thông không dây,
cũng như các ưu nhược điểm khi sử dụng mơ- đun Lora.Từ đó đưa ra quyết định sử

dụng mơ-đun cho đề tài.
 Chương 2: Cơ sở lý thuyết.
Trình bày sơ lược về các mô-đun được sử dụng về phần cứng, tài nguyên, phần
mềm cũng như khả năng giao tiếp, kết nối giữa các thiết bị.
 Chương 3: Thiết kế và tính tốn.
Từ các u cầu cũng như nhiệm vụ của đề tài nhóm đã hệ thống thành sơ đồ khối.
Thiết kế phần cứng: dựa trên sơ đồ khối tiến hành thiết kế kết nối các mô-đun lại
với nhau tạo thành một hệ thống đáp ứng chức năng.
Thiết kế phần mềm: Trình bày lưu đồ thuật tốn để giải quyết các yêu cầu đã được
đặt ra, tối ưu hiệu quả hoạt động.
 Chương 4: Thi Công Hệ Thống.
Từ các sơ đồ nguyên lý thiết kế, sơ đồ mạch in cũng như sơ đồ bố trí linh kiện.
Tiến hành thi công bao gồm thi công các bo mạch, cho đến kết nối các mô-đun trong hệ
thống lại với nhau và cuối cùng là đóng gói.
 Chương 5: Kết quả, Nhận xét và đánh giá.
Tiến hành lắp ráp mạch thực tế chạy thử nghiệm để quan sát được độ chính xác
cũng như ổn định của hệ thống và dung lượng pin cần đáp ứng cho các thiết bị đo được
gắn trên các đường dây.
 Chương 6: Kết quả và hướng phát triển.
Trình bày kết quả, cũng như ưu, nhược điểm cịn mắc phải và giải pháp.
Đưa ra hướng phát triển và khả năng áp dụng thực tế.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

do an

3


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1

QUY TRÌNH THỰC HIỆN HỆ THỐNG

2.1.1 Chuẩn bị
Với yêu cầu của đề tài cần thực hiện một hệ thống quản lý, giám sát dòng điện từ
mọi nơi, mọi thời điểm. Nhóm đã tiến hành tham khảo một số hệ thống điều khiển từ xa
như nhà thông minh, hệ thống báo cháy từ xa, từ đó tìm hiểu một số loại thiết bị có khả
năng truyền nhận dữ liệu khơng dây.
Kiến thức: Các kiến thức đã học về điện tử cơ bản, kỹ thuật số và lập trình vi điều
khiển cũng như tham khảo trên internet. Đồng thời tìm hiểu cách thức hoạt động của các
cảm biến, cách thức giao tiếp giữa các mô-đun ngoại vi với vi điều khiển.

2.1.2 Lựa chọn vi điều khiển cho hệ thống
Vi điều khiển là phần quan trọng nhất của hệ thống có nhiệm vụ giao tiếp nhiều
ngoại vi, là trung tâm xử lý dữ liệu nên chọn:
 Vi điều khiển phổ biến có khả năng giao tiếp nhiều ngoại vi.
 Tiết kiệm năng lượng.
 Tận dụng vừa đủ tài nguyên, tránh lãng phí.

2.1.3 Lựa chọn các loại cảm biến
Lựa chọn cảm biến có đủ chức năng u cầu như đo dịng điện, có khả năng chống
chịu nhiệt độ, độ ẩm môi trường tốt.

2.1.4 Kết nối các thiết bị ngoại vi với vi điều khiển
Sau khi tiến hành lựa chọn xong cảm biến, vi điều khiển, các thiết bị ngoại vi phù
hợp cho hệ thống tiến hành kết nối, điều khiển và thiết kế mô hình cho hệ thống.

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH

do an

4


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.2

CÁC BỘ CẢNH BÁO SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY ĐIỆN TRÊN

THỊ TRƯỜNG
2.2.1 Bộ cảnh báo đường dây trung thế FCI – Fault Circuit Indicator
Bộ cảnh báo sự cố trên đường dây điện FCI được nhập khẩu từ Mỹ có nhằm xác
định vị trí chính xác trên nhánh đường dây truyền tải xảy ra sự cố. Sản phẩm này được
phân phối bởi công ty Tân Trung Nam.

Hình 2.1. Bộ cảnh báo sự cố trên đường dây trung thế FCI

Bộ cảnh báo thì được lắp đặt trên đường dây trung thế từ 6kV-35kV. Nhằm cảnh
báo các sự cố ngắn mạch hay dây chạm đất, đem lại lợi ích lớn cho các công ty truyền
tải và phân phối điện.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

do an

5

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Các tính năng của bộ cảnh báo sự cố:

Hình 2.2. Khả năng cảnh báo chính xác đường dây gặp sự cố

Với bộ cảnh báo sự cố trên ta hồn tồn có thể biết được chính xác đường dây
thuộc nhánh nào đang gặp sự cố, và sự cố đó là gì thơng qua việc nhận dữ liệu từ trung
tâm điều khiển. Đồng thời bộ cảnh báo sự cố FCI cũng phát đi những cảnh báo bằng đèn
báo hiệu và như thế nhân viên vận hành có thế trực tiếp quan sát để xử lý

Hình 2.3. Gắn bộ cảnh báo trên đường dây và đèn led báo hiệu sự cố

Một hệ thống cảnh báo thông minh, nhằm giúp người sử dụng tiện lợi trong việc
quản lý các sự cố của một hệ thống truyền tải phức tạp.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

do an

6


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.4. Hệ thống cảnh báo thông minh

Hệ thống thông minh bao gồm nhiều các bộ cảnh báo FCI được gắn trên đường

dây truyền tín hiệu về bộ xử lý được gắn ở vị trí gần đó. Sau đó các dữ liệu được gửi
lên mạng Internet, thuận tiện cho việc quản lý, phát hiện sự cố chính xác.
Hệ thống thơng minh trên cũng sử dụng nguồn pin năng lượng mặt trời để cung
cấp năng lượng.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

do an

7


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.2.2 Một số loại khác
Một loại cảnh báo sự cố quá dòng là FLA3 do hãng EMG của Đức sản xuất. Có
những tính năng như cảnh báo, phát hiện sự cố trên đường dây, tiết kiệm thời gian cho
người dùng. Đang được sử dụng ở hệ thống lưới điện 22kV miền trung.

Hình 2.5. Bộ cảnh báo sự cố trên đường dây FLA3

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

do an

8


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.3

GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG
Hệ thống được thiết kế có sử dụng các mơ- đun, các thiết bị sau:
Thiết bị đầu vào là dòng điện đọc từ cảm biến dòng điện Hall 100A YHDC.
Thiết bị đầu ra gồm có các led đơn báo kết nối, cảnh báo sự cố, LCD 20x4…
Thiết bị điều khiển trung tâm là vi điều khiển Arduino Nano và NodeMCU 1.0.
Các chuẩn truyền dữ liệu UART, I2C, Internet…
Thiết bị giao tiếp không dây mô- đun Lora E32-TTL-100.
Thiết bị cung cấp nguồn 5V là nguồn pin 9V qua mạch ổn áp 5V
Thiết bị lưu trữ là bộ nhớ EEPROM 24LC512.
Thiết bị đồng hồ thời gian thực mô-đun đồng hồ thời gian thực DS1307.
Thiết bị giao diện giám sát websever, app android gồm laptop, smartphone.

2.3.1 Cảm biến biến dòng Hall 100A YHDC
Cảm biến dòng điện xoay chiều có chức năng chuyển đổi dịng điện từ lớn sang
nhỏ sau đó được chuyển đổi qua điện áp. Người sử dụng có thể biết được dịng điện
AC dựa vào việc đo điện áp ngõ ra.

Hình 2.6. Cảm biến dịng diện Hall 100A YHDC

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH

do an

9


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Thông số kỹ thuật:
Bảng 2.1. Thơng số cơ bản của hall 100A YHDC

Model

STC -013

Dịng ngõ vào

0- 100 A AC

Dòng ngõ ra

0- 50 mA AC

Nhiệt độ làm việc

-25 – 70°C

Kích thước

13 mm x 13 mm

Bản vẽ cắt kĩ thuật và cấu tạo:

Hình 2.7. Mặt cắt kỹ thuật chi tiết Hall 100A YHDC [15]

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

do an

10