Thiết kế và thi công hệ thống giám sát điện năng trong hộ gia đình
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (7.39 MB, 126 trang )
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:
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG
GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ
TRONG HỘ GIA ĐÌNH
GVHD: ThS. Nguyễn Trường Duy
SVTH: Nguyễn Văn Cang
MSSV: 14141020
SVTH: Nguyễn Chí Dũng
MSSV: 14141047
Tp. Hồ Chí Minh - 7/2018
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 KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG
ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG
GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ
TRONG HỘ GIA ĐÌNH
GVHD: Ths.Nguyễn Trường Duy
SVTH: Nguyễn Văn Cang
MSSV: 14141020
SVTH: Nguyễn Chí Dũng
MSSV: 14141047
Tp. Hồ Chí Minh - 7/2018
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 29 tháng 6 năm 2018
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên:
Chuyên ngành:
Hệ đào tạo:
Khóa:
Nguyễn Văn Cang
Nguyễn Chí Dũng
Kỹ thuật điện tử, truyền thông
Đại học chính quy
2014
MSSV: 14141020
MSSV: 14141047
Mã ngành: 141
Mã hệ:
1
Lớp:
14141DT
I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN
NĂNG TIÊU THỤ TRONG HỘ GIA ĐÌNH.
II. NHIỆM VỤ
1. Các số liệu ban đầu:
- Thiết kế hệ thống đo dòng điện và điện áp của lưới điện gia đình.
- Tính toán công suất và điện năng.
- Giao tiếp bộ xử lý trung tâm, báo sự cố quá công suất.
- 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, mô hình hệ thống.
- Nhiệm vụ 4: Hiển thị thông tin và quản lý dữ liệu trên Web và hệ thống cảnh báo khi
có sự cố.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
27/03/2018
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 29/06/2018
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
ThS.Nguyễn Trường Duy
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH
ii
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 27 tháng 03 năm 2018
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên 1: Nguyễn Văn Cang
Lớp:
14141DT1A
MSSV: 14141020
Họ tên sinh viên 2: Nguyễn Chí Dũng
Lớp:
14141DT2A
MSSV: 14141047
Tên đề tài: Thiết kế và thi công hệ thống giám sát điện năng trong hộ gia đình.
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.
6
Tiến hành lập trình trang web, gửi dữ liệu.
7
Thiết kế hệ thống, vẽ sơ đồ mạch nguyên lý, thiết
kế mạch in.
8
Tiến hành làm mạch, kiểm thử và chỉnh sửa các
lỗi, sau đó hoàn chỉnh bằng các phiên bản khác..
9
Thiết kế mô hình cho các thiết bị đo và 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.
Xác nhận
GVHD
iii
12
Viết báo cáo.
13
Viết báo cáo, thiết kế powerpoint.
GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)
iv
LỜI CAM ĐOAN
Đề tài này là do nhóm tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và không sao chép
từ tài liệu hay công trình đã có trước đó.
Người thực hiện đề tài
Nguyễn Văn Cang
Nguyễn Chí Dũng
v
LỜI CẢM ƠN
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
những điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành đề tài.
Em cũng gửi lời đồng cảm ơn đến các bạn trong lớp 1414DT1 và 1414DT2 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 Văn Cang
Nguyễn Chí Dũng
vi
MỤC LỤC
Trang bìa .................................................................................................................... i
Nhiệm vụ đồ án ......................................................................................................... ii
Lịch trình .................................................................................................................. iii
Cam đoan................................................................................................................... v
Lời cảm ơn ................................................................................................................ vi
Mục lục .................................................................................................................... vii
Liệt kê hình vẽ ........................................................................................................... x
Liệt kê bảng vẽ ........................................................................................................ xii
Tóm tắt.................................................................................................................... xiii
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 ......................................................................................................... 3
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................ 5
2.1 QUY TRÌNH THỰC HIỆN HỆ THỐNG .................................................. 5
2.1.1
Mô tả quy trình đo điện năng .............................................................. 5
2.1.2
Mô tả quy trình giám sát và cảnh báo ................................................ 5
2.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG ....................................................................... 6
2.2.1
Cảm biến biến dòng Hall 100A YHDC ............................................... 6
2.2.2
Module cảm biến điện áp AC .............................................................. 7
2.2.3
Vi Điều Khiển Arduino Nano .............................................................. 9
2.2.4
Module chuyển giao tiếp LCD sang I2C .......................................... 11
2.2.5
Module LCD 20x4............................................................................... 13
2.2.6
Module NodeMCU ESP8266. ............................................................ 20
2.2.7
Module Sim900A. ............................................................................... 25
2.2.8
Đồng hồ thời gian thực DS1307 ......................................................... 27
2.2.9
IC EEPROM 24LC512....................................................................... 29
2.2.10 IC nguồn LM2576............................................................................... 29
vii
2.3 CÁC CHUẨN GIAO TIẾP. ....................................................................... 32
2.3.1
Chuẩn giao tiếp UART. ...................................................................... 32
2.3.2
Chuẩn giao tiếp I2C............................................................................ 33
2.4 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM. ...................................................................... 38
2.4.1
Phần mềm lập trình Arduino IDE 1.8.1 ........................................... 38
2.4.2
Phần mềm thiết kế mạch Altium ....................................................... 40
Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ............................................................. 43
3.1 GIỚI THIỆU ............................................................................................... 43
3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ............................................. 43
3.2.1
Thiết kế sơ đồ khối hệ thống .............................................................. 44
3.2.2
Tính toán và thiết kế mạch ................................................................ 45
Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG .................................................................... 65
4.1 GIỚI THIỆU ............................................................................................... 65
4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG ........................................................................... 65
4.2.1
Thi công bo mạch................................................................................ 65
4.2.2
Lắp ráp và kiểm tra ............................................................................ 68
4.3 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH .................................................. 70
4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ......................................................................... 71
4.4.1
Lưu đồ giải thuật ................................................................................ 71
4.4.2
Phần mềm lập trình cho vi điều khiển .............................................. 74
4.4.3
Phần mềm lập trình Web Server ...................................................... 78
Chương 5.
KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ .......................................... 87
5.1 KẾT QUẢ KHẢO SÁT .............................................................................. 87
5.1.1
Cảm biến .............................................................................................. 87
5.1.2
Vi điều khiển ....................................................................................... 88
5.1.3
Một số mô-đun khác và các chuẩn giao tiếp .................................... 89
5.2 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ..................................................................... 90
5.2.1
Một số hình ảnh về hệ thống. ............................................................. 91
5.2.2
Website ................................................................................................ 95
Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ......................................... 97
6.1 KẾT LUẬN ................................................................................................. 97
viii
6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................................................. 97
Tài liệu tham khảo .................................................................................................. 98
Phụ lục ................................................................................................................... 100
ix
LIỆT KÊ HÌNH VẼ
Hình 2. 1: Cảm biến dòng điện Hall 100A YHDC. ...................................................... 6
Hình 2. 2: Mặt cắt kỹ thuật chi tiết Hall 100A YHDC. ................................................ 7
Hình 2. 3: Module cảm biến điện áp. ............................................................................ 8
Hình 2. 4: Arduino Nano. .............................................................................................. 9
Hình 2. 5: Module giao tiếp I2C. ................................................................................. 11
Hình 2. 6: Giao tiếp với LCD qua mạch chuyển I2C. ................................................ 12
Hình 2. 7: LCD 20x4. ................................................................................................... 13
Hình 2. 8: Giản đồ thời gian chu kỳ đọc của LCD. .................................................... 16
Hình 2. 9: Giản đồ thời gian chu kỳ ghi của LCD. .................................................... 17
Hình 2. 10: Sơ đồ khối của bộ điều khiển LCD.......................................................... 18
Hình 2. 11: Module NodeMCU ESP8266 V3. ............................................................ 20
Hình 2. 12: Chip ESP8266. ......................................................................................... 22
Hình 2. 13: Sơ đồ chân ESP8266. ............................................................................... 23
Hình 2. 14: Module Sim 900A. .................................................................................... 25
Hình 2. 15: Kết nối Module Sim 900A với arduino. ................................................... 26
Hình 2. 16: Hai gói cấu tạo chip DS1307. .................................................................. 27
Hình 2. 17: Mạch đồng hồ thời gian thực DS1307. ................................................... 28
Hình 2. 18: Mặt trước và sau của Module IC thời gian thực DS1307. ..................... 28
Hình 2. 19: IC Eeprom 24LC512. ............................................................................... 29
Hình 2. 20: IC ổn áp LM2576. .................................................................................... 30
Hình 2. 21: Cấu tạo của LM2576. ............................................................................... 31
Hình 2. 22: Mô tả giao tiếp UART. ............................................................................. 32
Hình 2. 23: Cấu trúc một khung dữ kiệu trong chuẩn giao tiếp UART. .................. 32
Hình 2. 24: Mạng I2C với nhiều thiết bị và 2 điện trở kéo lên cho SDA, SCL. ........ 34
Hình 2. 25: Giản đồ xung của SCL và SDA. .............................................................. 35
Hình 2. 26: Giản đồ xung khi có REPEAT START. .................................................. 35
Hình 2. 27: Giản đồ xung khi có Address Packet Format. ........................................ 37
Hình 2. 28: Giản đồ xung định dạng gói dữ liệu trong I2C. ..................................... 38
Hình 2. 29: Khung truyền dữ liệu trong I2C. ............................................................. 38
Hình 2. 30: Giao diện Arduino IDE với project mới (sketch mới). ........................... 39
Hình 2. 31: Biên dịch thành công. .............................................................................. 40
Hình 2. 32: Màn hình khởi động của Altium 16. ....................................................... 41
Hình 2. 33: Cửa sổ làm việc thiết kế mạch nguyên lý Altium.................................... 41
Hình 2. 34: Cửa sổ thiết kế PCB. ................................................................................ 42
Hình 3. 1: Sơ đồ khối toàn hệ thống. .......................................................................... 44
Hình 3. 2: Sơ đồ khối của khối đo dòng điện. ............................................................ 46
Hình 3. 3: Kết nối ngõ ra cảm biến dòng điện Hall với Arduino. ............................. 47
Hình 3. 4: Đo dòng điện thông qua điện áp trên 2 đầu điện trở. ............................... 48
Hình 3. 5: Thêm 2 điện trở phân áp. ........................................................................... 49
Hình 3. 6: Biểu đồ ngõ ra khi chưa được gắn tụ C1. ................................................. 49
Hình 3. 7: Ngõ ra sau khi gắn tụ C1. .......................................................................... 50
Hình 3. 8: Cách kết nối đúng của Hall 100A YHDC với đường dây......................... 51
Hình 3. 9: Sơ đồ nguyên lý khối đo dòng điện............................................................ 52
Hình 3. 10: Sơ đồ khối của khối đo điện áp................................................................ 52
Hình 3. 11: Module cảm biến điện áp. ........................................................................ 53
ix
Hình 3. 12: Mạch cảm biến điện áp - băng thông (~ 50 Hz). .................................... 53
Hình 3. 13: Đặc tính đầu ra của ZMPT101B………………………………………..54
Hình 3. 14: Sơ đồ nguyên lý khối đo điện áp. ............................................................. 54
Hình 3. 15: Sơ đồ khối của khối xử lý trung tâm. ...................................................... 55
Hình 3. 16: Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị. ................................................................. 57
Hình 3. 17: Sơ đồ chân IC 24LC512. .......................................................................... 59
Hình 3. 18: Chọn các giá trị cho t_r và C_b ............................................................... 61
Hình 3. 19: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn. ................................................................. 62
Hình 3. 20: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch. ..................................................................... 64
Hình 4. 1: Bản vẽ thiết kế khối đo. .............................................................................. 65
Hình 4. 2: Mô phỏng 3D của mạch. ............................................................................ 66
Hình 4. 3: Mạch in của mạch. ..................................................................................... 66
Hình 4. 4: Mạch sau khi tiến hành in và rửa mạch. .................................................. 68
Hình 4. 5: Mô hình thi công thử nghiệm. ................................................................... 68
Hình 4. 6: Bo mạch tháo rời LCD. .............................................................................. 69
Hình 4. 7: Mô hình đóng gói của sản phẩm. .............................................................. 70
Hình 4. 8: Bo mạch bên trong của sản phẩm. ............................................................ 71
Hình 4. 9: Lưu đồ giải thuật chính của hệ thống....................................................... 72
Hình 4. 10: Lưu đồ chương trình đo. .......................................................................... 73
Hình 4. 11: Tải phần mềm. .......................................................................................... 74
Hình 4. 12: Giao diện phần mềm. ............................................................................... 75
Hình 4. 13: Hướng dẫn sử dụng phần mềm. .............................................................. 75
Hình 4. 14: Thêm đường link để tải driver. ................................................................ 77
Hình 4. 15: Nhấn Install để cài đặt. ............................................................................ 77
Hình 4. 16: Chọn mudule NodeMCU 0.9. .................................................................. 78
Hình 4. 17: File cài đặt Adobe Dreamweaver CS6. .................................................... 79
Hình 4. 18: Nhấn Accept để chấp nhận. ..................................................................... 80
Hình 4. 19: Nhấn chọn Next để tiếp tục. .................................................................... 80
Hình 4. 20: Nhấn Install để cài đặt. ............................................................................ 81
Hình 4. 21: Chương trình đang cài đặt vào máy. ....................................................... 81
Hình 4. 22: Nhấn Done để hoàn tất quá trình cài đặt................................................ 82
Hình 4. 23: Giao diện Adobe Dreamweaver CS6. ...................................................... 82
Hình 4. 24: Tạo project mới......................................................................................... 83
Hình 4. 25: Lựa chọn ngôn ngữ thiết kế và tạo chương trình. ................................. 84
Hình 4. 26: Khung soạn thảo code. ............................................................................. 85
Hình 5. 1: Cảm biến dòng diện Hall 100A YHDC. .................................................... 87
Hình 5. 2: Module cảm biến điện áp. .......................................................................... 88
Hình 5. 3: Module NodeMCU ESP8266 ..................................................................... 89
Hình 5. 4: Quá trình đo điện năng tiêu thụ. ............................................................... 91
Hình 5.5. Báo cáo sai số thông qua phép đo nhiều giá trị dòn điện .......................... 92
Hình 5.6. Đo dòng điện hoạt động của bàn ủi bằng đồng hồ .................................... 93
Hình 5.7. Kết quả dòng điện của bàn ủi bằng thiết bị. ............................................... 93
Hình 5.8. Kết quả đo điện áp 2 nguồn ........................................................................ 94
Hình 5.9. Điện áp trên 2 nguồn do bằng mạch đo. .................................................... 94
Hình 5.10. Quản lý dữ liệu qua bảng lưu trữ. ............................................................ 95
Hình 5.11. Lưu trữ cơ sở dữ liệu ................................................................................. 96
Hình 5. 12: Cảnh báo qua tin nhắn...................................................................................96
x
LIỆT KÊ BẢNG
Bảng 2. 1: Thông số cơ bản của cảm biến hall 100A YHDC. ...................................... 7
Bảng 2. 2: Thông số kỹ thuật của module cảm biến điện áp. ...................................... 8
Bảng 2. 3: Chức năng các chân của module cảm biến điện áp. .................................. 9
Bảng 2. 4: Thông số cơ bản của Arduino Nano. ........................................................ 10
Bảng 2.5. Sơ đồ chân của module I2C ........................................................................ 11
Bảng 2. 6: Địa chỉ của module giao tiếp I2C. ............................................................. 12
Bảng 2. 7: Các chân LCD 20x4. .................................................................................. 13
Bảng 2. 8: Các lệnh điều khiển LCD. ......................................................................... 15
Bảng 2. 9: Thông số thời gian của LCD. .................................................................... 17
Bảng 2. 10: Bảng mã ASCII. ....................................................................................... 19
Bảng 2. 11: Thông số kỹ thuật của ESP8266 NodeMCU. ......................................... 21
Bảng 2. 12: Chức năng các chân ESP8266. ............................................................... 23
Bảng 2. 13: Các thông số của Eeprom 24LC512. ....................................................... 29
Bảng 3. 1: Cấu hình địa chỉ cho EEPROM 24LC512. .............................................. 59
Bảng 3. 2: Thông số cơ bản của hall 100A YHDC. .................................................... 61
Bảng 4. 1: Danh sách các linh kiện của mạch. .......................................................... 67
xii
TÓM TẮT
Với nhu cầu giám sát điện năng tiêu thụ từ xa. 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 và bộ cảnh báo.
Hệ thống sẽ thực hiện những nhiệm vụ là quản lý giá trị dòng điện, điện áp, công
suất và điện năng hằng 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 cảnh báo cho người dùng nhằm giúp cho người dùng có
những tác động sớm nhất.
Các trường hợp sự cố 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.
Như vậy, hệ thống có vai trò là giám sát, quản lý dữ liệu theo thời gian thực, thông
báo sự cố, đưa ra dữ liệu thống kê cho người dùng.
xiii
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
Chương 1. TỔNG QUAN
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong cuộc sống hiện đại, năng lượng là yếu tố quyết định trong mọi quá trình sản
xuất, lao động cũng như sinh hoạt của con người. Từ công nghiệp, nông nghiệp, dịch vụ
thậm chí đến nghiên cứu khoa học, khám phá thiên nhiên đều cần năng lượng, đặc biệt
là năng lượng điện. Ngày nay, hầu hết các thiết bị trong hộ gia đình đều sử dụng nguồn
năng lượng điện. Chính vì vậy, nhu cầu sử dụng điên năng trở thành một phần không
thể thiếu trong cuộc sống hằng ngày.[7]
Trong quá trình sử dụng điện năng tiêu thụ cho các thiết bị điện trong gia đình khó
kiểm soát được các vấn đề không mong muốn như điện năng tiêu thụ tăng cao so với
bình thường hoặc các thiết bị điện vượt quá công suất cho phép hay thậm chí là các sự
cố về điện… Nhóm đã đưa ra giải pháp là xây dựng một hệ thống giám sát các sự cố về
quá dòng hay quá áp cũng như quản lý sự thay đổi điện năng tiêu thụ để thông báo cho
người sử dụng mọi lúc, mọi nơi.[7]
Hệ thống cũng ứng dụng Internet of things (IOT) để 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 điện năng tiêu thụ trong nhà ở mọi nơi từ đó phát hiện ra những sự cố, đồng
thời đưa ra các biện pháp kịp thời và hơp lý nhằm giảm thiểu thiệt hại.
1.2. MỤC TIÊU
Thiết kế và thi công hệ thống đo điện năng một cách chính xác, trực quan. Hiển
thị và cập nhật thông tin nhanh chóng trên màn hình LCD, cảnh báo khi quá công suất
cài đặt. Xây dựng được website quản trị đồng thời cập nhật cơ sở dữ liệu lên database
thông qua mạng Internet, đăng ký được tên miền cho website. Đề tài nghiêm cứu nhầm
ứng dụng điều khiển và quản lý thông qua đường truyền Internet, hướng tới một môi
trường IOT hiện đại và phát triển.
1
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• Tìm hiểu về đề tài, lựa chọn hướng xây dựng và tham khảo một số hệ thống đã
có.
• Lựa chọn tìm hiểu cách thức hoạt động của một số cảm biến, vi điều khiển.
• Tiến hành thực nghiệm hệ thống qua các loại vi điều khiển, các module giao
tiếp khác nhau.
• Lập trình cho vi điều khiển sau khi đã lựa chọn xong vi điều khiển và các thiết
bị mong muốn.
• Thiết kế sơ đồ khối hệ thống, vẽ sơ đồ mạch nguyên lý, thiết kế mạch in và thi
công mạch.
• Tiến hành lập trình trang web.
• Kết nối mạch phần cứng với web, gửi dữ liệu.
• Tiến hành làm mạch, kiểm thử và chỉnh sửa các lỗi, sau đó hoàn chỉnh bằng các
phiên bản khác.
• Thiết kế mô hình.
• Tiến hành thử nghiệm hệ thống trong thực tế.
• Đóng gói thiết bị thành một sản phẩm hoàn chỉnh.
• Viết sách luận văn.
• Báo cáo đề tài tốt nghiệp.
1.4. GIỚI HẠN
Đề tài xây dựng mô hình có một số giới hạn, với các cảm biến, module có sẵn trên
thị trường nên có độ nhạy và sai số nhất định. Sử dụng 2 bộ vi xử lý để xử lý đo và các
tác vụ khác, ngoài ra việc tính toán công suất xoay chiều có thông số hệ số công suất vì
vẫn chưa tìm được giải pháp đo chính xác nên hệ số công suất lấy sử dụng với giá trị
bằng 1.
2
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.5. BỐ CỤC
Đề tài hệ thống giám sát điện năng trong hộ gia đình thực hiện được chia làm các
chương sau:
Chương 1: Tổng quan.
Chương 2: Cơ cở lý thuyết.
Chương 3: Thiết kế và tính toán.
Chương 4: Thi công hệ thống.
Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá.
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển.
Nôi 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 module. Từ đó đưa ra quyết định sử dụng
module cho đề tài.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết.
Trình bày sơ lược về các module 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 toán.
Từ các yêu 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 module lại
với nhau tạo thành một hệ thống đáp ứng chức năng.
Thiết kế phần mềm: Trình bày lưu đồ thuật toán 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 module trong hệ
thống lại với nhau và cuối cùng là đóng gói.
Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá.
3
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
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 dòng điện từ mạch nguồn có đủ đáp ứng cho các thiết
bị hoặc module trong mạch.
Chương 6: Kết quả và hướng phát triển.
Trình bày kết quả cũng như ưu và nhược điểm còn mắc phải và giải pháp.
Đưa ra hướng phát triển và khả năng áp dụng thực tế.
4
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. QUY TRÌNH THỰC HIỆN HỆ THỐNG
Hệ thống giám sát điện năng tiêu thụ được đo thông qua các cảm biến dòng, áp và
được xử lý qua Arduino Nano kết nối với Internet thông qua module wifi ESP8266 hoạt
động dưới sự điều khiển của bộ xử lý trung tâm là NodeMCU ESP8266. Các thông tin
về dòng điện, điện áp, công suất và điện năng tiêu thụ sẽ được đưa lên Web Server sau
khi được đo để giám sát quá trình hoạt động. Những thông số về điện năng cũng được
hiển thị qua LCD và sẽ được cảnh báo cho người dùng khi điện năng quá mức cho phép
thông qua tin nhắn.
2.1.1. Mô tả quy trình đo điện năng
Quá trình đo sẽ được cảm biến dòng và cảm biến áp đo hai thông số dòng điện và
điện áp. Từ hai thông số dòng điện và điện áp có thể tính toán ra công suất và điện năng
tiêu thụ, sau khi qua đo và tính toán những thông số trên sẽ được hiển thị trên LCD và
được lưu trữ trên web server.
Dữ liệu đưa lên web server sẽ được bảo vệ khi mất kết nối wifi thông qua
EEPROM, khi mất kết nối wifi dữ liệu sẽ được lưu vào EEPROM và khi được kết nối
wifi trở lại dữ liệu sẽ cập nhật tiếp tục mà không mất đi dữ liệu cũ.[6]
2.1.2. Mô tả quy trình giám sát và cảnh báo
Những thông tin về dòng điện, điện áp, công suất và điện năng tiêu thụ sẽ được
giám sát bởi người sử dụng thông qua Web Server. Dữ liệu về những thông số sẽ được
cập nhật liên tục theo đúng ngưỡng mong muốn của người sử dụng, nếu có sự cố hoặc
trường hợp sử dụng quá mức công suất cho phép thì hệ thống sẽ cảnh báo cho người sử
dụng về trường hợp trên để người sử dụng có thể xử lý. Để dễ dàng nhận biết thông báo
hệ thống sẽ cảnh báo cho người sử dụng trên web server, tin nhắn và thiết bị đo.[6]
5
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.2.
GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG
Hệ thống được thiết kế có sử dụng các module, các thiết bị sau:
Thiết bị đầu vào là dòng điện và điện áp đọc từ cảm biến dòng điện Hall 100A
YHDC và module cảm biến điện áp.
Thiết bị đầu ra gồm có các led đơn báo kết nối, cảnh báo sự cố, LCD 20x4…
Thiết bị xử lý khối đo là vi điều khiển Arduino Nano.
Thiết bị xử lý trung tâm là module NodeMCU ESP8266.
Thiết bị không dây truyền nhận là module sim900A, module wifi ESP8266.
Các chuẩn truyền dữ liệu UART, I2C, Internet.
Thiết bị cung cấp nguồn 5V thông qua mạch nguồn thiết kế.
Thiết bị lưu trữ là bộ nhớ EEPROM 24LC512.
Thiết bị đồng hồ thời gian thực là mô-đun DS1307.
Thiết bị giao diện giám sát websever gồm laptop, smartphone.
2.2.1. Cảm biến biến dòng Hall 100A YHDC
Cảm biến dòng điện xoay chiều có chức năng chuyển đổi dòng điện từ lớn sang
nhỏ sau đó được chuyển đổi qua điện áp. Người sử dụng có thể biết được dòng điện
AC dựa vào việc đo điện áp ngõ ra.
Hình 2.1: Cảm biến dòng điện Hall 100A YHDC.
6
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Thông số kỹ thuật:
Bảng 2. 1: Thông số cơ bản của cảm biến hall 100A YHDC.
Model
STC -013
Dòng 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. 2: Mặt cắt kỹ thuật chi tiết Hall 100A YHDC.
2.2.2. Module cảm biến điện áp AC
Module cảm biến điện áp là một module có chức năng đo điện áp AC. Khi kết
nối điện lưới AC vào cảm biến sẽ lấy mẫu vào và ra đưa ra điện áp tương tự, trong
khoảng 0 đến 5V. Là cảm biến lý tưởng cho việc đo điện áp.
7
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Hình 2.3: Module cảm biến điện áp.
Thông số kỹ thuật:
Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật của module cảm biến điện áp.
Chipset
ZMPT101B
Loại võ
OEM
Điện áp hoạt động
5V
Giới hạn điện áp đo
Đến 250V
Nhiệt độ
-40 đến 85oC
Kích thước
50x20x21.5
Chân ra
Analog
8
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chức năng các chân:
Bảng 2.3: Chức năng các chân của module cảm biến điện áp.
Chân
Mô tả
VCC
Đầu vào 5V
OUT
Chân điện áp đầu ra
GND
0V
GND
0V
N
Đầu vào trung tính
L
Đầu vào pha
2.2.3. Vi Điều Khiển Arduino Nano
Arduino là một nên tảng điện tử với mã nguồn mở, với phần cứng và phần mềm
linh hoạt dễ dàng cho người sử dụng.
Hình 2. 4: Arduino Nano.
Arduino Nano là phiên bản nhỏ gọn của Arduino Uno với cùng vi điều khiển
ATmega328P có thể lập trình trực tiếp bằng máy tính và đặc biệt hơn cả đó là kích thước
của nó. Kích thước của Arduino Nano cực kì nhỏ (1.85cm x 4.3cm), vì giá rẻ hơn
9
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Arduino Uno nhưng dùng được tất cả các thư viện của IDE. Cáp kết nối được dùng để
nạp Arduino là cáp mini USB.
Một số thông số cơ bản:
Bảng 2. 4: Thông số cơ bản của Arduino Nano.
Vi điều khiển
Atmega328(họ 8bit)
Điện áp hoạt động
5V – DC
Tần số hoạt động
16 MHz
Dòng tiêu thụ
30 mA
Điện áp vào khuyên dùng
7 – 12 VDC
Điện áp vào giới hạn
6 – 20 VDC
Số chân Digital I/O
14 (6 chân PWM)
Số chân Analog
8 (độ phân giải 10 bit)
Dòng tối đa trên mỗi chân I/O
40 mA
Dòng ra tối đa(5V)
500 mA
Dòng ra tối đa(3.3V)
50 mA
Bộ nhớ flash
32 KB (AT mega328) với 2 KB dùng bởi
bootloader.
SRAM
2 KB (AT mega328)
EEPROM
1 KB (AT mega328)
Kích thước
1.85cm x 4.3cm
10
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.2.4. Module chuyển giao tiếp LCD sang I2C
Để điều khiển và hiển thị được kí tự từ vi điều khiển xuất ra màn hình LCD20x4
cần có ít nhất là 10 đường nối đến chân của vi điều khiển (8 đường data từ D0 – D7 và
2 đường điều khiển RS, RW) nếu bit DL (data length) =1 hoặc cần ít nhất 6 đường (4
đường data từ D4 – D7 và 2 đường điều khiển RS, RW) nếu bit DL=0. Chính vì điều
này đã làm cho mạch khi thiết kế rườm rà, khó viết code…Nhưng với module chuyển
đổi I2C ta chỉ cần 2 chân SDA và SCL nối với vi điều khiển là ta có thể điều khiển và
hiển thị trên màn hình LCD. Hình ảnh module I2C như hình 2.5.
Hình 2.5: Module giao tiếp I2C.
Bảng 2.5. Sơ đồ chân của module I2C
Chân
Tên chân
I/O
Chức năng
1
GND
Nguồn
Chân nối mass
2
VCC
Nguồn
Chân nối điện áp +5V
3
SDA
I/O
Chân truyền nhận dữ liệu
4
SCL
CLK
Chân nhận xung clock
A0
A0
Jumber
Chân thiết lập địa chỉ A0
A1
A1
Jumber
Chân thiết lập địa chỉ A1
A2
A2
Jumber
Chân thiết lập địa chỉ A2
Backlight
Jumber
Chân điều khiển đèn nền của LCD
Contrast
Pot
Chân điều khiển độ tương phản của LCD
11
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
