HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG TỰ ĐỘNG BẰNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA CÔNG NGHỆ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Luận văn được thực hiện bởi:
1. Họ tên: Nguyễn Trọng Nghĩa, MSSV: 1110934, Lớp: Điện tử - Truyền
thông_K37
2. Họ tên: Lý Hoàng Duy, MSSV: 1117963, Lớp: Kỹ Thuật Máy Tính_K37
Tựa đề luận văn:

HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG TỰ ĐỘNG
BẰNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Luận văn đã nộp và báo cáo tại Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn tốt
nghiệp Đại học ngành Điện tử Viễn thông/ Kỹ thuật Máy tính, Bộ môn
Điện tử Viễn thông vào ngày 12 tháng 12 năm 2015.
(Quyết định thành lập Hội đồng số: 383/QĐ-CN của Trưởng Khoa Công
Nghệ ký ngày 24/11/2015)

Kết quả đánh giá: _____________
Chữ ký của các thành viên Hội đồng:

Thành viên 1: TS. Lương Vinh Quốc Danh ..................................
Thành viên 2: ThS. Nguyễn Tăng Khả Duy ..................................
Thành viên 3: ThS. Trần Hữu Danh ..............................................
Thành viên 4: ThS. Trần Thanh Quang .........................................


LỜI CAM ĐOAN
Đề tài “Hệ thống giám sát điện năng tự động bằng mạng cảm biến không
dây” được thực hiện bởi: Nguyễn Trọng Nghĩa sinh viên ngành Điện tử - Truyền

thông, khóa 37 và Lý Hoàng Duy sinh viên ngành kỹ thuật máy tính, khoá 37,
khoa Công Nghệ, Đại học Cần Thơ.
Trong suốt quá trình thực hiện đề tài chúng tôi nhận được sự hướng dẫn tận
tình của thầy Nguyễn Tăng Khả Duy và thầy Lương Vinh Quốc Danh. Do hạn chế
về kiến thức nên không thể tránh khỏi các thiếu sót trong nội dung trình bày.
Chúng tôi xin cam đoan rằng: các nội dung nghiên cứu được trình bày trong
quyển báo cáo luận văn tốt nghiệp này không phải là bản sao chép của bất kỳ công
trình nghiên cứu nào đã thực hiện trước đây. Nếu không đúng sự thật chúng tôi xin
chịu mọi trách nhiệm trước nhà Trường.

Cần Thơ, ngày 12 tháng 12 năm 2015
Sinh viên thực hiện

Lý Hoàng Duy

Nguyễn Trọng Nghĩa

i


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình thực hiện đề tài, chúng tôi gặp phải không ít khó khăn
do hạn chế về kiến thức, kinh nghiệm cũng như tài chính hạn hẹp. Để vượt qua tất
cả, bên cạnh những nỗ lực cá nhân là rất nhiều sự quan tâm giúp đỡ, động viên từ
phía thầy cô, gia đình và bạn bè.
Chúng tôi chân thành gửi lời cảm ơn đến TS. Lương Vinh Quốc Danh và
ThS. Nguyễn Tăng Khả Duy đã tận tình hướng dẫn, chỉ dạy, giúp đỡ, hỗ trợ thiết
bị, kinh phí ban đầu và tạo điều kiện thuận lợi để chúng tôi thực hiện đề tài.
Cảm ơn thầy ThS. Nguyễn Nhựt Tiến ở Bộ môn Kỹ thuật Điện đã chia sẻ
kiến thức và kỹ thuật trong phân tích điện năng.

Cảm ơn bạn Lương Hồng Duy Khanh đã hỗ trợ ý tưởng và giúp đỡ trong quá
trình thiết kế thiết bị đo điện.
Cảm ơn các bạn Nguyễn Quốc Cường, Huỳnh Phú Châu, và Trần Gia Bảo,
ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, khóa 39 đã đóng góp ý kiến và tham
gia kiểm tra hệ thống.
Cảm ơn thầy ThS. Trần Thanh Hùng, thầy ThS. Nguyễn Minh Luân ở Bộ
môn Tự động hóa, cùng với Thầy Cô ở Bộ môn Quản lý công nghiệp đã tạo điều
kiện cho chúng tôi lắp đặt thử nghiệm hệ thống.
Cảm ơn gia đình, đặc biệt là cha mẹ đã bỏ ra vô vàn công sức nuôi dạy, ủng
hộ, giúp đỡ tài chính để chúng tôi hoàn thành đề tài.
Nhóm sinh viên thực hiện đề tài

Lý Hoàng Duy

Nguyễn Trọng Nghĩa

ii


NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN 1
...........................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................

...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
Cần Thơ, ngày 12 tháng 12 năm 2015
Giảng viên hướng dẫn 1

Lương Vinh Quốc Danh

iii


NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN 2
...........................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................

...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
Cần Thơ, ngày 12 tháng 12 năm 2015
Giảng viên hướng dẫn 2

Nguyễn Tăng Khả Duy

iv


NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN 1
...........................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
. ...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................

...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
Cần Thơ, ngày 12 tháng 12 năm 2015
Giảng viên phản biện 1

Trần Hữu Danh

v


NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN 2
...........................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................

...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
Cần Thơ, ngày 12 tháng 12 năm 2015
Giảng viên phản biện 2

Trần Thanh Quang

vi


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................. ii
MỤC LỤC .................................................................................................... vii
DANH MỤC HÌNH ........................................................................................ x
DANH MỤC BẢNG ................................................................................... xiii
KÍ HIỆU VÀ VIẾT TẮT ............................................................................. xiv
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN ........................................................................... 1
1.1 Đặt vấn đề .............................................................................................. 1
1.2 Mục tiêu và phạm vi của đề tài .............................................................. 2
1.2.1 Mục tiêu .......................................................................................... 2
1.2.2 Phạm vi của đề tài ........................................................................... 2
1.3 Phương pháp nghiên cứu ....................................................................... 2
1.4 Cấu trúc bài báo cáo .............................................................................. 3
CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................. 4
2.1 Giới thiệu về điện năng .......................................................................... 4
2.1.1 Sản xuất điện năng .......................................................................... 4
2.1.2 Tính toán điện năng tiêu thụ ........................................................... 4
2.2 Giới thiệu về cấu trúc của hệ thống truyền thông .................................. 7

2.3 Giới thiệu chung về mạng cảm biến không dây .................................... 8
2.4 Giới thiệu khái quát về ứng dụng lưu trữ trực tuyến ............................. 9
2.4.1 Tổng quan về Google Apps Script ................................................. 9
2.4.2 Tổng quan về Google Drive ........................................................... 9
2.4.3 Giới thiệu Google Spreadsheet ..................................................... 10
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ....................................................... 11
3.1 Tổng quan hệ thống ............................................................................. 11
3.2 Thiết kế phần cứng .............................................................................. 11
vii


3.2.1 Mô tả kiến trúc của hệ thống ........................................................ 11
3.2.2 Thiết kế thiết bị ghi nhận điện năng ............................................. 13
3.2.3 Thiết kế thiết bị thu thập dữ liệu ................................................... 21
3.3 Giải thuật vận hành hệ thống và giao thức giao tiếp mạng internet .... 24
3.3.1 Giải thuật vận hành của thiết bị ghi nhận điện năng .................... 24
3.3.2 Giải thuật vận hành của thiết bị thu thập dữ liệu .......................... 25
3.3.3 Giao thức bắt tay gửi dữ liệu lên Google Spreadsheet ................. 26
3.4 Giao thức mạng thu thập dữ liệu ......................................................... 26
3.4.1 Cấu trúc hệ thống truyền thông không dây................................... 26
3.4.2 Giao thức kết nối trong hệ thống .................................................. 28
3.4.3 Mô hình mạng không dây ............................................................. 30
CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ............................................... 33
4.1 Kết quả thiết kế phần cứng .................................................................. 33
4.1.1 Thiết bị ghi nhận điện năng .......................................................... 34
4.1.2 Thiết bị thu thập dữ liệu................................................................ 34
4.2 Kiểm tra độ chính xác của thiết BỊ giám sát........................................ 35
4.2.1 Mô tả thí nghiệm ........................................................................... 35
4.2.2 Kết quả .......................................................................................... 40
4.3 Kiểm tra sự vận hành của thiết bị thu thập dữ liệu .............................. 43

4.3.1 Mô tả thí nghiệm ........................................................................... 43
4.3.2 Kết quả .......................................................................................... 48
4.4 Kiểm tra hoạt động của hệ thống ......................................................... 50
4.4.1 Mô tả thí nghiệm ........................................................................... 50
4.4.2 Kết quả .......................................................................................... 55
CHƯƠNG V: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ................................................... 56
5.1 Kết luận ................................................................................................ 56
5.1.1 Thiết bị ghi nhận điện năng .......................................................... 56
5.1.2 Xây dựng mô hình mạng cảm biến không dây ............................. 56

viii


5.1.3 Vận hành hệ thống ........................................................................ 57
5.2 Đề nghị................................................................................................. 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 59
PHỤ LỤC 1: CÁC BƯỚC TẢI DỮ LIỆU LÊN GOOGLE DRIVE ........... 60

ix


DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1 Tam giác công suất .......................................................................... 6
Hình 2.2 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống truyền thông .............................. 7
Hình 2.3 Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây .............................. 9
Hình 3.1 Mô hình tổng quan của hệ thống ................................................... 11
Hình 3.2 Sơ đồ kiến trúc của hệ thống .......................................................... 12
Hình 3.3 Quá trình ghi nhận điện năng ......................................................... 14
Hình 3.4 Mạch hạ áp ...................................................................................... 15
Hình 3.5 Sơ đồ mạch xử lý tín hiệu điện áp .................................................. 16

Hình 3.6 Mạch biến đổi dòng điện ................................................................ 17
Hình 3.7 Sơ đồ mạch xử lý tín hiệu dòng điện .............................................. 17
Hình 3.8 Sơ đồ mạch đếm thời gian thực ...................................................... 18
Hình 3.9 Mô-đun TRP433MHz .................................................................... 19
Hình 3.10 Sơ đồ mạch giao tiếp HM-TRP433MHz với MSP432 ................. 19
Hình 3.11 Sơ đồ mạch thông báo .................................................................. 20
Hình 3.12 Sơ đồ mạch ổn áp nguồn .............................................................. 20
Hình 3.13 Giao tiếp ngoại vi của MSP432 .................................................... 21
Hình 3.14 Sơ đồ mạch giao tiếp SDCard ...................................................... 22
Hình 3.15 Sơ đồ giao tiếp ngoại vi của Kit CC3200 ..................................... 23
Hình 3.16 Giải thuật hoạt động của thiết bị ghi nhận điện năng ................... 24
Hình 3.17 Giải thuật hoạt động của thiết bị thu thập dữ liệu ........................ 25
Hình 3.18 Mô hình upload dữ liệu lên Google Spreadsheet ........................ 26
Hình 3.19 Cấu trúc hệ thống truyền thông .................................................... 27
Hình 3.20 Mô hình truyền nhận trực tiếp ...................................................... 30
Hình 3.21 Mô hình truyền gián tiếp .............................................................. 32
Hình 4.1 Sản phẩm hoàn chỉnh ...................................................................... 33
Hình 4.2 Cấu trúc thiết bị ghi nhận điện năng ............................................... 34
Hình 4.3 Cấu trúc thiết bị thu thập dữ liệu .................................................... 34
x


Hình 4.4 Kết nối thiết bị với máy tính ........................................................... 35
Hình 4.5 Thông tin cổng kết nối trên máy tính ............................................. 36
Hình 4.6 Cấu hình giao tiếp trong Hecules ................................................... 36
Hình 4.7 Cấu hình lưu dữ liệu trong Hecules ................................................ 37
Hình 4.8 Kết nối thiết bị tiêu thụ vào thiết bị ghi nhận điện năng ................ 38
Hình 4.9 Vẽ đồ thị và phân tích điện bằng Excel .......................................... 38
Hình 4.10 Đo điện bằng máy đo Oscilloscope .............................................. 39
Hình 4.11 Kết quả đo điện của hai thiết bị với đèn sợi đốt ........................... 39

Hình 4.12 Kết quả đo điện của hai thiết bị với đèn huỳnh quang ................. 40
Hình 4.13 Kết quả đo điện của hai thiết bị với quạt bàn ............................... 40
Hình 4.14 Kết quả đo điện của hai thiết bị với bàn ủi ................................... 41
Hình 4.15 Kết quả đo điện của hai thiết bị với nguồn adapter ...................... 41
Hình 4.16 Vị trí lắp thiết bị ghi nhận điện năng ............................................ 44
Hình 4.17 Kết nối bộ chủ giả lập vào máy tính ............................................. 44
Hình 4.18 Yêu cầu Slave gửi dữ liệu bằng ứng Hecules ............................... 45
Hình 4.19 Yêu cầu bộ con gửi dữ liệu bằng ứng dụng Hecules .................... 45
Hình 4.20 Bộ chủ yêu cầu dữ liệu của bộ con ............................................... 46
Hình 4.21 Dữ liệu bộ chủ nhận được ............................................................. 47
Hình 4.22 Các điểm khảo sát trong khuôn viên khoa Công Nghệ ................ 47
Hình 4.23 Ghi nhận điện năng tiêu thụ của máy lạnh Mitsubishi ................. 50
Hình 4.24 Ghi nhận điện năng tiêu thụ của máy lạnh Panasonic .................. 51
Hình 4.25 Đặt thiết bị thu thập dữ liệu ở phòng FPGA ................................. 51
Hình 4.26 File trước khi upload dữ liệu ........................................................ 52
Hình 4.27 Dữ liệu được cập nhật ngày đầu ................................................... 52
Hình 4.28 Dữ liệu điện năng được phân tích từ trang tính ............................ 53
Hình 4.29 Điện năng tiêu thụ của máy lạnh ở phòng TT.CĐT ..................... 53
Hình 4.30 Điện năng tiêu thụ của máy lạnh ở BM.QLCN ............................ 54
Hình 4.31 Điện năng tiêu thụ của máy lạnh phòng TT.CĐT trong một tuần 54

xi


Hình 4.32 Điện năng tiêu thụ của máy lạnh tại BM.QLCN trong một tuần . 55
Hình 5.1 Tạo một Spreadsheet mới trên Google Drive ................................. 60
Hình 5.2 Spreadsheet với tên dữ liệu cần lưu ................................................ 60
Hình 5.3 Mở trình biên tập của Google Apps Script ..................................... 61
Hình 5.4 Lập trình GAS trên trình duyệt web ............................................... 61
Hình 5.5 Xác nhận để được phép truy cập chương trình ............................... 62

Hình 5.6 Thiết lập quyền truy cập ứng dụng ................................................. 62
Hình 5.7 Trình duyệt trả về URL để thực thi ứng dụng ................................ 63
Hình 5.8 Giao diện đăng nhập của host Hostinger ........................................ 63

xii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1 Giao thức kết nối của hệ thống....................................................... 28
Bảng 4.1 Kết quả kiểm tra độ chính xác của mạch đo điện .......................... 42
Bảng 4.2 Phân tích điện năng từ kết quả lấy mẫu ......................................... 43
Bảng 4.3 Kết quả kiểm tra đường truyền của bộ chủ giả lập ở Phòng 306 ... 46
Bảng 4.4 Kết quả thống kê từ thí nghiệm khảo sát đường truyền ................. 49

xiii


KÍ HIỆU VÀ VIẾT TẮT

3DES:

Triple Data Encryption Algorithm

ADC:

Analog to Digital Converter

AES:

Advanced Encryption Standard

API:

Application Programming Interface

ASCII:

American Standard Code for Information Interchenge

ASK:

Amplitude Shift Keying

COM:

Communication

CPU:

Central Processing Unit

CRC:

Cyclic Redundancy Check

DES:

Data Encryption Standard

DSSS:

Direct-Sequence Spread Spectrum

FSK:

Frequency Shift Keying

FPGA:

Field Programmable Gate Array

HTTP:

Hypertext Transfer Protocol

I2C:

Inter-Integrated Circuit

IC:

Integrated Circuit

MD5:

Message Digest Algorithm

MHz:

Megahertz

MSPS:

Mega-Samples Per Second

OFDM:

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

PHP:

Hypertext Preprocessor

PSK:

Phase Shift Keying

PWM:

Pulse Width Modulation.

QAM:

Quadrature Amplitude Modulation

QRC:

Quick Response Code

RAM:

Random Access Momory

xiv


RTC:

Real-Time Clock

SD:

Secure Digital

SHA2:

Secure Hash Algorithm 2

SPI:

Serial Peripheral Interface.

SSL:

Secure Sockets Layer

TCP:

Transmission Control Protocol

TLS:

Transport Layer Security

UART:

Universal Asynchronous Receiver Transmitter

UDP:

User Datagram Protocol

USB:

Universal Serial Bus

URL:

Uniform Resource Locator

WPA2:

Wi-fi Protected Access 2

BM.QLCN:

Bộ môn Quản lý Công nghiệp

TT.CĐT:

Thực tập Cơ Điện tử

xv


TÓM TẮT
Điện năng là một trong những loại năng lượng rất quan trọng đối với con
người, nó góp phần thúc đẩy sự tiến bộ và văn minh của một quốc gia. Tuy nhiên,
năng lượng điện cũng dễ bị lãng phí bởi việc sử dụng phụ thuộc vào ý thức con
người. Do đó, chúng tôi đề xuất một hệ thống giám sát điện dựa trên mạng cảm
biến không dây và công nghệ Internet of Things. Nhằm giúp người sử dụng thấy rõ
vấn đề lãng phí trong sử dụng điện tại đơn vị mình. Từ đó, đưa ra những giải pháp
thích hợp nhằm tiết kiệm hiệu quả hơn. Quá trình giám sát dựa trên việc ghi nhận,
phân tích dữ liệu về điện của thiết bị và truyền tải không dây về trung tâm để lưu
trữ lên mạng Internet. Hệ thống sử dụng các dòng vi điều khiển siêu tiết kiệm năng
lượng của Texas Instruments (MSP432 và CC3200). Hệ thống đề xuất có khả năng
giám sát điện liện tục, mở rộng lên đến 200 điểm giám sát, ít phụ thuộc vào cơ sở
hạ tầng nơi lắp đặt, cho phép sử dụng được ở cơ quan, nhà máy, xí nghiệp với các
qui mô khác nhau. Hiện tại, hệ thống đang được lắp đặt ở một số phòng làm việc
và phòng thí nghiệm tại Khoa Công Nghệ, Đại học Cần Thơ. Kết quả bước đầu
cho thấy hệ thống hoạt động ổn định, có độ tin cậy cao, dễ sử dụng, cho phép triển
khai nhanh ở hầu hết các nơi lắp đặt.
Từ khoá: CC3200, giám sát, Internet of Things, mạng cảm biến không dây,
MSP432.

xvi


ABSTRACT
Electric energy is one of the very important energy for humans contributing

to the progress and civilization of a country. However, electric power also
vulnerable to waste by the use depends on human consciousness. Hence, we
propose a power monitoring system based on wireless sensor networks and the
Internet of Things trend. The system helps users clearly see waste in terms of
electric power. From there, take the appropriate measures in order to save more
effectively. The analysis is based on data recorded by the device capacity and
wireless transmission center to store on the internet. Monitoring process based on
the recorded, analysis of power data of the electric equipments and wireless
transmission center to store on the internet. The system uses the microcontroller
line super energy efficient Texas Instruments (MSP432 and CC3200). The
proposed system has the ability to monitor uninterruptible power, expandable up to
200 monitoring points, less dependent on infrastructure where installed, allows
using in offices, factories, enterprises with sizes. Currently the system is being
installed in some office and laboratory at the Faculty of Technology, Can Tho
University. Initial results show that the system works stability, high reliability,
easy of using, allows fast implementation in most of the place.
Keywords: CC3200, Internet of Things, monitoring, MSP432, Wireless sensor
networks.

xvii


Hệ thống giám sát điện năng tự động bằng mạng cảm biến không dây

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
Chương một gồm có bốn phần. Phần một, đặt vấn đề: trình bày
tầm quan trọng và thực trạng của điện năng; tính cấp thiết của
việc tiết kiệm điện năng; sơ lược các nghiên cứu về giải pháp tiết
kiệm điện năng; đưa ra đề xuất. Phần hai, đặt ra mục tiêu và
phạm vi đề tài. Phần ba, đưa ra các phương pháp nghiên cứu đề

để thực hiện đề tài. Phần bốn, tóm tắt nội dung bài báo cáo giúp
người đọc dễ dàng theo dõi

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngày nay, năng lượng đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển bền vững
của một quốc gia [1]. Ở những nước phát triển và đang phát triển các chiến lược
tiết kiệm năng lượng hay tiết kiệm điện năng luôn được đặt lên hàng đầu. Thực tế
điện năng được tạo ra từ các nguồn năng lượng như thuỷ năng, nhiệt năng, hạt
nhân,... Vì vậy, nếu tiết kiệm năng lượng điện thì sẽ tiết kiệm nhiều nguồn tài
nguyên khác, đồng thời góp phần bảo vệ môi trường. Ở một góc nhìn khác, tiết
kiệm điện năng chính là tiết kiệm chi phí phải trả đối với các xí nghiệp, nhà máy,
cơ quan, hộ gia đình.
Tuy điện năng rất quý giá nhưng việc lãng phí vẫn đang diễn ra ở rất nhiều
nơi và phần lớn là do sự thiếu ý thức của người sử dụng điện. Ở các cơ quan, nhà
máy,… chi phí sử dụng điện do người quản lý chi trả nên các cá nhân sẽ chủ quan,
không hoặc quên tắt các thiết bị điện khi không sử dụng. Nếu nhiều người không
tắt điện, nhiều thiết bị hoạt động dư thừa thì mức độ lãng phí điện năng sẽ rất lớn,
ảnh hưởng xấu không chỉ về kinh tế, uy tín của từng đơn vị mà còn tác động tiêu
cực đến sự phát triển của quốc gia. Ngoài ra, việc quên tắt điện còn làm giảm tuổi
thọ hoặc gây hư hỏng thiết bị thậm chí dẫn đến các sự cố về điện.
Thông thường, việc giám sát và đo đạc điện năng tiêu thụ được quản lý bởi
nhà nước hay một cơ quan chức năng riêng. Người sử dụng chỉ biết được tổng
năng lượng điện họ đã sử dụng mỗi tháng, nhưng rất khó để biết được đơn vị (phân
xưởng, phòng, nhóm thiết bị,…) nào đang sử dụng lãng phí năng lượng điện, hay
chúng có được sử dụng một cách hiệu quả.
Hiện nay, các hệ thống đo đạc, giám sát điện năng cho các đơn vị (phân
xưởng, phòng, thiết bị…) trong cơ quan, nhà máy, xí nghiệp có mặt ở Việt Nam
(SuperBrain Smart Controller, hệ thống SCADA,…) có nhiều tính năng mạnh [2].
Tuy nhiên, chúng thường đòi hỏi chi phí đầu tư rất cao, chỉ thích hợp cho các nhà
1

Hệ thống giám sát điện năng tự động bằng mạng cảm biến không dây

máy, xí nghiệp có quy mô lớn; yêu cầu phải có chuyên môn trong sử dụng. Ngoài
ra, chúng thường đòi hỏi cơ cấu hạ tầng riêng cho từng nơi lắp đặt, gây khó khăn
cho công tác lắp đặt, bảo trì.
Từ đánh giá về các hệ thống đã có ngoài thị trường cho thấy hệ thống giám
sát điện năng tiêu thụ cho các cơ quan, nhà máy, xí nghiệp đòi hỏi:


Giám sát điện năng tiêu thụ của thiết bị điện một cách liên tục giúp đánh giá
chính xác tình trạng lãng phí điện.



Lắp đặt nhanh chóng, không can thiệp sâu vào cơ sở hạ tầng có sẵn.



Cho phép mở rộng hệ thống khi có nhu cầu giám sát tăng.



Dễ sử dụng. Giúp người không có chuyên môn về giám sát, vận hành hệ
thống cũng có thể theo dõi và đánh giá nhanh tình trạng tiêu thụ điện của
thiết bị bằng các thiết bị thông minh có hỗ trợ kết nối internet.



Chi phí đầu tư thấp.

Như vậy, một hệ thống đáp ứng được các nhu cầu vừa trình bày là rất cần
thiết trong việc giám sát điện năng hiện nay.
1.2 MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI CỦA ĐỀ TÀI
1.2.1 Mục tiêu
 Xây dựng một hệ thống giám sát bằng mạng cảm biến không dây phục vụ
cho việc giám sát điện năng.
 Hỗ trợ phân tích tình trạng sử dụng điện trong các cơ quan, nhà máy bằng
cách thu thập và lưu trữ dữ liệu tiêu thụ điện của các thiết bị.
1.2.2 Phạm vi của đề tài
Để hoàn thiện đề tài trong thời gian qui định, nhóm đưa ra giới hạn đề tài như
sau:
-

Thiết kế thiết bị ghi nhận điện năng tiêu thụ cho từng thiết bị, nhóm thiết bị.

-

Thiết lập một hệ thống mạng không dây hỗ trợ thu thập dữ liệu từ nhiều điểm
giám sát về trung tâm lưu trữ.

-

Lưu trữ dữ liệu thu thập được từ quá trình giám sát điện lên mạng internet.

1.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Để giải quyết các mục tiêu của đề tài nhóm tiến hành thực hiện theo phương
pháp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm để kiểm chứng.

2


Hệ thống giám sát điện năng tự động bằng mạng cảm biến không dây

Phần lý thuyết: Nhóm tiến hành tìm hiểu cách tính điện năng tiêu thụ của
thiết bị điện xoay chiều, kết hợp với tìm hiểu kiến thức về mạng cảm biến không
dây, kỹ thuật truyền dữ liệu vô tuyến, các ứng dụng cho phép lưu trữ dữ liệu trực
tuyến. Ngoài việc tìm kiếm, phân tích tài liệu liên quan, chúng tôi được giảng viên
hướng dẫn truyền đạt thêm kiến thức, cung cấp các tài liệu, mẫu báo cáo của các
nhóm trước.
Phần thực nghiệm gồm có:
Ghi nhận điện năng: tiến hành thiết kế mạch ghi nhận dòng điện và điện áp,
dựa trên cơ sở lý thuyết phân tích điện năng xây dựng giải thuật ghi nhận điện
năng; so sánh kết quả đo dòng điện, điện áp với máy đo Oscilloscope và VOM đối
với thiết bị thuần trở (đèn sợi đốt), khảo sát đo điện cho các thiết bị không thuần
trở.
Mạng cảm biến không dây: tiến hành khảo sát chất lượng thu phát cũng như
phạm vi hoạt động của mô-đun thu phát RF tần số 433 Mhz; thiết lập mô hình
truyền thông không dây; thiết lập giao thức truyền nhận cho hệ thống.
Thu thập dữ liệu: xây dựng giải thuật quản lý hệ thống cho phép thu thập dữ
liệu từ các điểm giám sát về trung tâm.
Cập nhật và lưu trữ dữ liệu: sử dụng các giao thức giao tiếp mạng Internet đã
có [10] để lưu trữ dữ liệu lên ứng dụng lưu trữ trực truyến.
1.4 CẤU TRÚC BÀI BÁO CÁO
Bài báo cáo được chia thành 7 phần với các nội dung chính như sau:
Tóm lược đề tài.
Chương 1: Đặt vấn đề, mục tiêu, giới hạn và hướng giải quyết cho đề tài.
Chương 2: Trình bày cơ sở lý thuyết liên quan đến thiết kế hệ thống
Chương 3: Thiết kế mạch điện, xây dựng mô hình mạng cảm biến không dây,

thiết lập mô hình truyền thông không dây, lưu đồ giải thuật điều khiển hệ thống
Chương 4: Kết quả thiết kế phần cứng, mô tả các thí nghiệm kiểm tra hệ
thống và kết quả thu được.
Chương 5: Đưa ra kết luận và đề xuất phát triển hệ thống.
Tài liệu tham khảo và phụ lục.

3


Hệ thống giám sát điện năng tự động bằng mạng cảm biến không dây

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Nội dung chương 2 gồm có bốn phần chính. Phần một, giới thiệu
sơ lược về điện năng, phân tích điện năng. Phần hai, giới thiệu
khái quát về mô hình truyền thông không dây. Phần ba, trình bày
tổng quan về mạng cảm biến không dây. Phần bốn, giới thiệu về
ứng dụng lưu trữ trực tuyến của Google.
2.1 GIỚI THIỆU VỀ ĐIỆN NĂNG
2.1.1 Sản xuất điện năng
Sản xuất điện năng là giai đoạn đầu tiên trong quá trình cung cấp điện đến
người tiêu dùng. Các giai đoạn tiếp theo là truyền tải và phân phối điện. Thực chất
sản xuất điện năng là sự biến đổi các dạng năng lượng khác nhau (hóa năng, thủy
năng, nhiệt năng…) sang năng lượng điện hay điện năng. Tuỳ vào tính chất của
các nguồn năng lượng mà có các nhà máy điện tương ứng (Nhà máy điện hạt nhân,
thủy điện, nhiệt điện…). Dòng điện xuất hiện sau khi lưới điện được kết nối với
mạng tiêu thụ.
Điện năng được sản xuất ra theo nhiều cách khác nhau, phần lớn được sản
xuất bởi các máy phát điện, chúng có cùng nguyên tắc hoạt động là nguyên lý
động điện (định luật cảm ứng điện của Michael Faraday). Ngoài ra, điện năng còn
được sản xuất bằng các hình thức khác như trong pin, ắc quy, tế bào nhiên liệu, tế

bào quang điện… [3][4].
Tùy vào điều kiện sản xuất, sử dụng và các qui định về điện năng của mỗi
nước mà điện áp và tần số điện xoay chiều cũng khác nhau giữa các nước và khu
vực. Hầu hết sử dụng 230V/50Hz. Khoảng 20% quốc gia sử dụng 110V/60Hz, một
số ít nước sử dụng 240V/60Hz [5]. Việt Nam sử dụng 220V/50Hz.
2.1.2 Tính toán điện năng tiêu thụ
Việc phân tích hay tính toán điện năng là rất quan trọng, cơ sở để đánh giá
chất lượng của điện năng trong sản xuất, phân phối và sử dụng điện. Nếu nguồn
cung cấp điện hoạt động không ổn định thường bị sụt áp, tăng áp hay mất áp điều
là nguyên nhân dẫn đến hư hỏng thiết bị điện. Ngoài ra phân tích điện năng còn
đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá tình trạng hoạt động của các thiết bị
điện, cho biết lượng điện năng tiêu thụ của thiết bị cũng như cho biết chi phí sử
dụng điện. Trọng tâm phần này chúng tôi sẽ giới thiệu về các khái niệm, công thức
trong phân tích năng lượng điện được tham khảo trong tài liệu Fundamentals of
Electric Circuits [6].

4


Hệ thống giám sát điện năng tự động bằng mạng cảm biến không dây

2.1.2.1 Giá trị hiệu dụng
Giá trị hiệu dụng được hình thành từ nhu cầu đo lường điện áp hoặc nguồn
dòng điện xoay chiều của một tải thuần trở,
𝑣(𝑡) = 𝑉𝑚 cos(𝜔𝑡 + 𝜃𝑣 )

(volts)

(1)

𝑖(𝑡) = 𝐼𝑚 cos(𝜔𝑡 + 𝜃𝑖 )

(amperes)

(2)

(volts)

(3)

(amperes)

(4)

1

𝑇

1

𝑇

𝑉𝑟𝑚𝑠 = √ ∫0 𝑣 2 (𝑡 )𝑑𝑡
𝑇
𝐼𝑟𝑚𝑠 = √ ∫0 𝑖 2 (𝑡)𝑑𝑡
𝑇
Trong đó: 𝑉𝑚 là biên độ (giá trị đỉnh) của điện áp
𝐼𝑚 là biên độ (giá trị đỉnh) của dòng điện

𝜃𝑣 và 𝜃𝑖 là góc pha của điện áp và dòng dòng điện

2.1.2.2 Công suất tức thời và công suất trung bình
Công suất tức thời 𝑝(𝑡) được tính từ điện áp tức thời 𝑣(𝑡) và dòng điện tức
thời 𝑖(𝑡),
𝑝 (𝑡 ) = 𝑣 (𝑡 ) × 𝑖 (𝑡 )

(watts)

(5)

Công suất thực hay công suất trung bình, còn được gọi là công suất tác dụng,
là thành phần được biến đổi thành công có ít ở tải. Công suất thực được tính bởi
trung bình công suất tức thời trong một chu kỳ,
1

𝑇

𝑃 = ∫0 𝑝(𝑡 )𝑑𝑡
𝑇

(watts)

(6)

2.1.2.3 Công suất biểu kiến và hệ số công suất
Công suất biểu kiến 𝑆 là tổng công suất cung cấp cho tải, bao gồm tải thuần
trở và không thuần trở, được tính bằng giá trị hiệu dụng của dòng điện 𝐼𝑟𝑚𝑠 và điện
áp hiệu dụng 𝑉𝑟𝑚𝑠 ,
𝑆 = 𝑉𝑟𝑚𝑠 × 𝐼𝑟𝑚𝑠

(VA)

(7)

Đối với tải thuần trở công suất trung bình cũng chính là công suất biểu kiến.
Tức là toàn bộ công suất (công suất biểu kiến) cung cấp đến tải đó được biến đổi
5


Hệ thống giám sát điện năng tự động bằng mạng cảm biến không dây

thành công có ít. Đối với tải không thuần trở, công suất trung bình thường nhỏ hơn
so với công suất biểu kiến, bởi vì có một phần năng lượng được phụ tải (thành
phần cảm kháng hoặc dung kháng bên trong tải đó) tiêu thụ, biến đổi thành công
không có ít.
Để đánh giá hiệu quả sử dụng điện của một tải hay thiết bị người ta cần một
thông số đại diện cho tỷ số giữa công suất thực và công suất biểu kiến. Đó là hệ số
công suất 𝑝𝑓, có giá trị dao động trong khoảng từ không đến một,
𝑝𝑓 =

𝑃
𝑆

= cos(𝜃𝑣 − 𝜃𝑖 )

(8)

Trường hợp tải thuần trở, lúc này dòng điện và điện áp cùng pha. Do đó,
công suất thực và công suất biểu kiến bằng nhau có nghĩa là 𝑝𝑓 = 1. Ngược lại đối
với tải thuần kháng (cảm kháng hay dung kháng) công suất thực bằng không và

𝑝𝑓 = 0, khi đó hao phí hay tổn thất về điện năng là lớn nhất.

2.1.2.4 Công suất phản kháng
Trong phân tích điện năng việc biết được năng lượng tiêu thụ bởi các phụ tải
hay nguồn năng lượng tham gia sinh công không có ít là rất quan trọng. Bởi vì, để
ngăn chặn tổn thất về điện năng cần phải biết được phần công suất hao phí hay
công suất phản kháng 𝑄 ở tải từ đó đưa ra các giải pháp làm giảm thành phần này
xuống. Công suất phản kháng thường được xác định từ công suất biểu kiến và
công suất thực,
𝑄 = √𝑆 2 − 𝑃2

(VA)

(9)

Mối liên hệ giữa công suất thực, công suất biểu kiến và công suất phản kháng
được mô tả như Hình 2.1

Hình 2.1 Tam giác công suất [6]

6


Hệ thống giám sát điện năng tự động bằng mạng cảm biến không dây

2.2 GIỚI THIỆU VỀ CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG
Một hệ thống truyền thông (không dây và có dây) nói chung thường gồm hai
thành phần chính đó là máy phát và máy thu. Máy phát thực hiện việc đóng gói dữ
liệu (thông tin) trước khi gửi đi nhằm hạn chế các lỗi xảy ra trên đường truyền còn
máy thu thực hiện việc nhận và phân tách gói tin để khôi phục lại dữ liệu (thông

tin) gốc từ máy phát. Cấu tạo một máy phát cơ bản gồm có các khối: định dạng dữ
liệu (Format), mã hóa dữ liệu gốc (Source Coding), mã hóa kênh (Channel
Coding), điều chế (Modulation). Bên cạnh đó, máy thu có các khối chức năng như:
giải điều chế (Demodulation), giải mã kênh (Channel decoding), giải mã gốc
(Soure Decoding) và Format. Cấu trúc một hệ thống truyền thông cơ bản được mô
tả như Hình 2.2
Nose
Info.

Source

Transmitted
signal
Transmitter
Channel

Received
info.

Received
signal

Receiver

User

Transmitter
Formatter

Source

encoder

Channel
encoder

Modulator

Receiver
Formatter

Source
decoder

Channel
decoder

Demodulator

Hình 2.2 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống truyền thông [7]

2.2.1.1 Định dạng dữ liệu (Format)
Ở máy phát, định dạng dữ liệu được xem là quá trình biến đổi các thông tin
dạng tương tự hay văn bản (ký tự) về dạng số để phù hợp với các kênh truyền
thông số. Ở máy thu, định dạng dữ liệu là quá trình biến đổi tín hiệu số thành các
tín hiệu tương tự, văn bản [8].

2.2.1.2 Mã hóa nguồn (Source Coding) và giải mã hóa nguồn (Source
Decoding)
Mã hóa nguồn là quá trình biến đổi làm giảm kích thước của tín hiệu gốc
nhằm làm giảm dung lượng gói dữ liệu trên kênh truyền, cũng như hỗ trợ việc khôi

phục dữ liệu trong quá trình truyền nhận, mã hóa nguồn được gọi là nén. Các
7