Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế và thi công hệ thống giám sát điện năng tiêu thụ kết hợp với điều khiển thiết bị điện từ xa thông qua Internet và Lora
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (7.21 MB, 116 trang )
TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
----o0o---Tp. HCM, ngày 10 tháng 06 năm 2019
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên:
Võ Hồng Sơn
MSSV: 15141268
Nguyễn Lâm Hoàng Minh Tuấn
MSSV: 15141320
Chuyên ngành:
Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông
Mã ngành: 141
Hệ đào tạo:
Đại học chính quy
Mã hệ:
1
Khóa:
2015
Lớp:
15141DT
I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN
NĂNG TIÊU THỤ KẾT HỢP VỚI ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ
ĐIỆN TỪ XA THÔNG QUA INTERNET VÀ LORA
II. NHIỆM VỤ
1. Các số liệu ban đầu:
-
Các loại vi điều khiển: Arm STM32F103, Arduino Nano, Esp 8266 V12
-
Các loại Module: Lora – E32 TTL 100, đo điện năng PZEM004T, sim 800L
-
Màn hình hiển thị: LCD 16x02, LCD_TFT 2.4 inch
-
Cảm biến khí gas MQ2
-
Điều khiển thiết bị điện: relay, transistor, diode
-
Nguồn: module hạ áp AC – DC, pin dự phòng và mạch sạc pin
2. Nội dung thực hiện
-
Tìm hiểu và tham khảo các tài liệu, giáo trình, nghiên cứu các chủ đề, các nội
dung liên quan đến đề tài.
-
Tìm hiểu về công nghệ Lora, IoT.
-
Thiết kế, thi công hệ thống điều khiển.
-
Thiết kế ứng dụng điều khiển trên hệ điều hành Android
-
Chạy thử nghiệm hệ thống
-
Chỉnh sửa lỗi xuất hiện
-
Đánh giá kết quả thực hiện
-
Viết báo cáo luận văn
i
-
Báo cáo đề tài tốt nghiệp
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
18/02/2019
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/06/2019
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
ThS. Nguyễn Duy Thảo
BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
ii
TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
----o0o---Tp. HCM, ngày 10 tháng 06 năm 2019
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên 1: Võ Hồng Sơn
Lớp:
15141DT1C
MSSV:15141268
Họ tên sinh viên 2: Nguyễn Lâm Hoàng Minh Tuấn
Lớp:
15141DT1A
MSSV:15141320
Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG
TIÊU THỤ KẾT HỢP VỚI ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN TỪ XA
QUA INTERNET VÀ LORA
Xác nhận
Tuần/ngày
Nội dung
Tuần 1,2
Gặp GVHD để lựa chọn đề tài tốt nghiệp và
GVHD
18/02-03/03
viết đề cương chi tiết
Tuần 3,4,5
Tìm hiểu các linh kiện sử dụng trong mạch.
04/03-24/03
Thiết kế sơ đồ nguyên lí
Tuần 6,7,8,9
Lập trình vi điều khiển điều khiển và giao tiếp
25/03-21/04
với các module trong mạch
Tuần 10,11
Thiết kế App Android, truyền nhận dữ liệu
22/04-05/05
giữa Firebase với App và với Esp8266
Tuần 12
06/05-12/05
Tuần 13,14,15
13/05-09/06
Đóng hộp mô hình, kiểm tra hoạt động của hệ
thống
Kiểm tra và sửa lỗi hệ thống. Viết báo cáo
hoàn chỉnh
GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)
iii
LỜI CAM ĐOAN
Đề tài này là do chúng tôi 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
Võ Hồng Sơn
Nguyễn Lâm Hoàng Minh Tuấn
iv
LỜI CẢM ƠN
Chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến ThS. Nguyễn Duy Thảo đã trực tiếp
hướng dẫn, góp ý, chia sẻ nhiều kinh nghiệm quý báu, tận tình giúp đỡ và tạo điều
kiện để chúng em hoàn thành tốt đề tài.
Chúng em xin gửi 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.
Chúng em cũng gửi lời đồng cảm ơn đến các bạn lớp 15141DT đã chia sẻ trao
đổi kiến thức cũng như những kinh nghiệm quý báu trong thời gian thực hiện đề tài.
Cảm ơn đến cha mẹ đã tạo điều kiện tốt nhất về kinh tế và tinh thần để con hoàn
thành tốt đề tài này.
Xin chân thành cảm ơn!
Người thực hiện đề tài
Võ Hồng Sơn
Nguyễn Lâm Hoàng Minh Tuấn
v
MỤC LỤC
Trang
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ........................................................................... i
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ...............................................iii
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... iv
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ v
LIỆT KÊ HÌNH .......................................................................................................viii
LIỆT KÊ BẢNG ...................................................................................................... xii
TÓM TẮT ...............................................................................................................xiii
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .................................................................................... 1
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ .............................................................................................. 1
1.2. MỤC TIÊU ................................................................................................... 2
1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ........................................................................ 2
1.4. GIỚI HẠN .................................................................................................... 3
1.5. BỐ CỤC ....................................................................................................... 4
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT........................................................................ 5
2.1. TẦM QUAN TRỌNG CỦA VIỆC QUẢN LÝ ĐIỆN NĂNG .................... 5
2.2. CÔNG NGHỆ IOT ....................................................................................... 5
2.3. GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG ........................................................................ 6
2.3.1.
Vi điều khiển ...................................................................................... 6
2.3.2.
Module WiFi ESP 8266...................................................................... 9
2.3.3.
Module Lora E32 – TTL – 100 ........................................................ 11
2.3.4.
Module đo điện năng PZEM – 004T ................................................ 13
2.3.5.
Module Sim 800L ............................................................................. 15
2.3.6.
Module chuyển đổi nguồn điện AC – DC ........................................ 16
2.3.7.
Module hiển thị................................................................................. 17
2.3.8.
Cảm biến khí Gas MQ-2................................................................... 20
2.3.9.
Relay tiếp điểm cơ khí ...................................................................... 21
2.3.10.
Pin và mạch sạc ................................................................................ 22
2.4. CÁC CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU .......................................................... 23
2.4.1.
Chuẩn truyền thông UART .............................................................. 23
2.4.2.
Chuẩn truyền thông SPI.................................................................... 25
2.4.3.
Chuẩn giao tiếp I2C .......................................................................... 26
CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ........................................................ 28
3.1. GIỚI THIỆU ............................................................................................... 28
3.2. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ............................................... 28
vi
3.2.1.
Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ............................................................ 28
3.2.2.
Tính toán mạch điện ......................................................................... 30
3.2.3.
Thiết kế từng khối............................................................................. 32
3.2.4.
Sơ đồ nguyên lí toàn mạch ............................................................... 40
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG ............................................................... 42
4.1. GIỚI THIỆU ............................................................................................... 42
4.2. THI CÔNG HỆ THỐNG ............................................................................ 42
4.2.1.
Thi công board mạch ........................................................................ 42
4.2.2.
Lắp ráp và kiểm tra ........................................................................... 44
4.2.3.
Thi công, đóng gói mô hình ............................................................. 45
4.3. LẬP TRÌNH HỆ THỐNG .......................................................................... 48
4.3.1.
Lưu đồ giải thuật............................................................................... 48
4.3.2.
Phần mềm lập trình cho vi điều khiển .............................................. 63
4.3.3.
Phần mềm lập trình giao diện điều khiển ......................................... 66
4.4. VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC ....................... 68
4.4.1.
Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng ....................................................... 68
4.4.2.
Qui trình thao tác .............................................................................. 69
CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ ........................................... 72
5.1. GIỚI THIỆU ............................................................................................... 72
5.2. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC ............................................................................. 72
5.3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM...................................................................... 74
5.3.1.
Cấp nguồn và kết nối Wifi cho board mạch chính (Master) ............ 74
5.3.2.
Kết nối Master với các Slave ............................................................ 76
5.3.3.
Đăng nhập ứng dụng trên điện thoại ................................................ 77
5.3.4.
Cài đặt các thông số cho ứng dụng ................................................... 82
5.3.5.
Giám sát và điều khiển trực tiếp tại các board mạch ........................ 83
5.3.6.
Cảnh báo rò rỉ khí Gas qua tin nhắn SMS và cuộc gọi .................... 85
5.3.7.
Hệ thống hoạt động khi mất điện ..................................................... 87
5.4. NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ ........................................................................ 88
5.4.1.
Nhận xét ............................................................................................ 88
5.4.2.
Đánh giá ............................................................................................ 88
CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN..................................... 90
6.1. KẾT LUẬN ................................................................................................ 90
6.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................................................. 90
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 91
PHỤ LỤC ................................................................................................................ 92
vii
LIỆT KÊ HÌNH
Hình
Trang
Hình 2.1: Board STM32F103C8T6 BlueBill .............................................................6
Hình 2.2: Board STM32F103C8T6 BlueBill với các GPIO ......................................7
Hình 2.3: Board Arduino Nano .................................................................................8
Hình 2.4: Arduino Nano GPIO .................................................................................8
Hình 2.5: ESP – 12 ...................................................................................................10
Hình 2.6: Module Lora E32 – TTL – 100 ................................................................11
Hình 2.7: Mạch nguyên lý nối dây với vi điều khiển...............................................12
Hình 2.8: Dạng sóng khi module truyền dữ liệu qua vi điều khiển .........................12
Hình 2.9: Dạng sóng khi module nhận dữ liệu không dây.......................................12
Hình 2.10: Module PZEM - 004T ............................................................................13
Hình 2.11: Sơ đồ nối dây để sử dụng module PZEM 004T .....................................14
Hình 2.12: Module SIM800L ...................................................................................15
Hình 2.13: Các chân kết nối của module SIM800L .................................................15
Hình 2.14: Module Hi-Link chuyển đổi nguồn AC-DC ..........................................16
Hình 2.15: LCD 16x02 .............................................................................................17
Hình 2.16: Module chuyển đổi I2C cho LCD 16x02 ...............................................18
Hình 2.17: Màn hình LCD TFT 2.4inch ..................................................................19
Hình 2.18: Module cảm biến khí gas MQ2 ..............................................................20
Hình 2.19: Relay 5V.................................................................................................21
Hình 2.20: Pin lipo 2000 mAh 3.7v .........................................................................22
Hình 2.21: Mạch sạc pin TP4056 .............................................................................22
Hình 2.22: Gói dữ liệu truyền của UART ................................................................23
Hình 2.23: Sóng truyền UART ................................................................................24
Hình 2.24: Quá trình truyền UART .........................................................................24
Hình 2.25: Quá trình nhận UART ............................................................................24
Hình 2.26: Truyền dữ liệu SPI .................................................................................26
Hình 2.27: Bus I2C và các thiết bị ngoại vi .............................................................26
Hình 2.28: Trình tự truyền bit trên đường truyền ....................................................27
Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống ...........................................................................28
Hình 3.2: BJT điều khiển Relay ...............................................................................30
Hình 3.3: Mạch Enable nguồn điện dùng Mosfet FDN340P ...................................31
Hình 3.4: Transistor BJT điều khiển Buzzer 5 VDC ...............................................31
Hình 3.5: Kết nối PZEM với ARM ..........................................................................32
Hình 3.6: Kết nối PZEM với Arduino......................................................................32
viii
Hình 3.7: Kết nối cảm biến khí Gas với Arduino Nano ...........................................33
Hình 3.8: Kết nối Module SIM800L với vi điều khiển ARM .................................33
Hình 3.9: Kết nối ESP8266 V12E với vi điều khiển ARM .....................................34
Hình 3.10: Kết nối LORA với ARM........................................................................34
Hình 3.11: Kết nối LORA với Arduino ...................................................................34
Hình 3.12: Khối điều khiển công suất ngõ ra của Board mạch chính......................35
Hình 3.13: Khối điều khiển công suất ngõ ra của Board mạch phụ ........................36
Hình 3.14: Kết nối LCD TFT với ARM ..................................................................36
Hình 3.15: Kết nối LCD 1602 với Arduino .............................................................36
Hình 3.16: Mạch chuyển nguồn ...............................................................................37
Hình 3.17: Khối nguồn và pin dự phòng ..................................................................38
Hình 3.18: Mạch điều khiển phụ (Slave) .................................................................40
Hình 4.1: Bố trí linh kiện mặt trên của Board mạch chính (Master) .......................42
Hình 4.2: Bố trí linh kiện mặt dưới của Board mạch chính (Master) ......................42
Hình 4.3: Bố trí linh kiện mặt trên cho Board mạch phụ (Slave) ............................43
Hình 4.4: Mặt phía dưới Board mạch phụ (Slave) ...................................................44
Hình 4.5: Hình ảnh thực tế Board mạch chính sau khi hàn linh kiện ......................44
Hình 4.6: Hình ảnh thực tế Board mạch phụ sau khi hàn linh kiện .........................45
Hình 4.7: Hình ảnh hộp bảo vệ các Board mạch......................................................45
Hình 4.8: Hình ảnh thực tế bên trong hộp Board mạch chính (Master) ..................46
Hình 4.9: Hình ảnh thực tế bên trong hộp Board mạch phụ (Slave)........................46
Hình 4.10: Hình ảnh thực tế các hộp nút nhấn điều khiển bằng tay ........................47
Hình 4.11: Hình ảnh hoàn chỉnh của bộ giám sát và điều khiển..............................47
Hình 4.12: Lưu đồ chương trình chính của Board mạch chính...............................48
Hình 4.13: Lưu đồ chương trình con khởi tạo hệ thống...........................................51
Hình 4.14: Lưu đồ chương trình con gửi và nhận dữ liệu với Slave .......................52
Hình 4.15: Lưu đồ chương trình con đọc cảm biến PZEM......................................52
Hình 4.16: Lưu đồ chương trình chính Arduino Nano ............................................53
Hình 4.17: Lưu đồ chương trình con kiểm tra nút nhấn ..........................................54
Hình 4.18: Lưu đồ chương trình con kiểm tra cảm biến khí gas .............................55
Hình 4.19: Chương trình con gửi dữ liệu qua Board mạch chính ...........................55
Hình 4.20: Chương trình con nhận dữ liệu từ Board mạch chính ............................56
Hình 4.21: Lưu đồ chương trình con ESP 8266 ......................................................57
Hình 4.22: Lưu đồ chương trình con tạo dữ liệu gửi lên Firebase ...........................58
Hình 4.23: Chương trình chính của ứng dụng điện thoại.........................................59
ix
Hình 4.24: Chương trình phòng khách .....................................................................60
Hình 4.25: Chương trình con cài đặt thông số tính tiền ...........................................61
Hình 4.26: Chương trình con tính tiền điện .............................................................62
Hình 4.27: Giao diện phần mềm STM32 CubeMx ..................................................63
Hình 4.28: Giao diện phần mềm Keil ARM ............................................................64
Hình 4.29: Giao diện phần mềm Arduino IDE ........................................................65
Hình 4.30: Giao diện phần mềm Android Studio ....................................................66
Hình 4.31: Giao diện phần lập trình giao diện .........................................................67
Hình 4.32: Giao diện phần lập trình Java .................................................................67
Hình 4.33: Màn hình giám sát ở board mạch chính .................................................69
Hình 4.34: Màn hình giám sát và điều khiển ở board mạch chính ..........................69
Hình 4.35: Màn hình đăng nhập trên ứng dụng .......................................................70
Hình 4.36: Màn hình giám sát các thiết bị điện .......................................................70
Hình 4.37: Màn hình điều khiển các thiết bị điện trên ứng dụng ............................71
Hình 4.38: Màn hình Menu cài đặt ..........................................................................71
Hình 5.1: Màn hình thông báo cấu hình kết nối wifi ...............................................74
Hình 5.2: Màn hình cấu hình kết nốí wifi điện thoại ...............................................75
Hình 5.3: Màn hình lúc hệ thống đã khởi động xong ..............................................75
Hình 5.4: Kết nối tín hiệu giữa phòng khách và phòng bếp ....................................76
Hình 5.5: Kết nối tín hiệu giữa phòng khách và phòng ngủ ....................................76
Hình 5.6: Màn hình đăng nhập .................................................................................77
Hình 5.7: Nhập tài khoản hoặc mật khẩu sai ...........................................................77
Hình 5.8: Màn hình giám sát điện năng của phòng khách .......................................78
Hình 5.9: Màn hình điều khiển thiết bị điện của phòng khách ................................78
Hình 5.10: Màn hình Menu cài đặt ..........................................................................79
Hình 5.11: Màn hình giám sát và điều khiển thiết bị điện của phòng ngủ ..............79
Hình 5.12: Chờ cập nhật dữ liệu khiển thiết bị ........................................................80
Hình 5.13: Thiết bị 2 đã được bật ............................................................................80
Hình 5.14: Thiết bị 2 ở phòng khách đã được bật ....................................................80
Hình 5.15: Bật 2 thiết bị ở board mạch phụ .............................................................81
Hình 5.16: Thiết bị 3 ở phòng bếp ...........................................................................82
Hình 5.17: Bật thiết bị 4 ở phòng ngủ ......................................................................82
Hình 5.18: Màn hình Menu cài đặt và các chức năng tương ứng ............................83
Hình 5.19: Màn hình cài đặt liên quan đến tiền điện ...............................................83
Hình 5.20: Điều khiển trực tiếp ở phòng khách .......................................................83
x
Hình 5.21: Điều khiển phòng ngủ tại bảng điều khiển của phòng khách ................84
Hình 5.22: Điều khiển trực tiếp ở phòng ngủ ..........................................................85
Hình 5.23: Thiết bị hoạt động khi chưa có khí gas ..................................................86
Hình 5.24: Cảnh báo có khí Gas trong không khí ....................................................86
Hình 5.25: Cuộc gọi báo động từ board mạch chính ...............................................87
Hình 5.26: Tin nhắn cảnh báo từ board mạch chính ................................................87
Hình 5.27: Hai board mạch đang hoạt động với nguồn từ pin dự phòng.................87
xi
LIỆT KÊ BẢNG
Bảng 2.1: Thông số kĩ thuật Arduino Nano ...............................................................8
Bảng 2.2: Các Mode hoạt động của Module LORA E32-TTL-100.........................13
Bảng 2.3: Các chân của LCD 16x02 ........................................................................17
Bảng 2.4: Địa chỉ của từng kí tự LCD 16x02...........................................................18
Bảng 3.1: Tính toán dòng điện các linh kiện sử dụng trong mạch Slave .................37
Bảng 3.2: Tính toán dòng điện các linh kiện sử dụng trong mạch Master...............38
Bảng 5.1: Số liệu thực nghiệm .................................................................................88
xii
TÓM TẮT
Nhu cầu quản lý, giám sát cũng như kiểm soát việc đo điện năng, các thông số:
điện áp, dòng điện, các chỉ tiêu chất lượng điện năng từ xa là rất cần thiết cho các nhà
quản lý, các công ty điện lực và cá nhân. Mặc dù đã đạt đến một mức độ thành công
nhất định, tuy nhiên các hệ thống quản lý và giám sát điện năng hiện nay chi phí rất
cao và hạn chế về việc truy cập từ xa. Ngoài ra, xu hướng hiện nay là sử dụng các
thiết bị thông minh: điện thoại smart phone, máy tính bảng… để truy cập và giám sát
từ xa. Trong xu thế mới này, hệ thống hỗ trợ việc quản lý, giám sát việc đo điện năng
và các thông số hệ thống điện từ xa bằng Internet là cần thiết để tìm ra hướng tiện
nghi và kinh tế phục vụ các nhà quản lý, các công ty điện lực.
Không những hỗ trợ được vấn đề giám sát từ xa, việc điều khiển các thiết bị từ
xa cũng đang là một xu thế rất phát triển hiện nay giúp con người tiết kiệm thời gian
và sử dụng thiết bị một cách tối ưu hơn. Với mong muốn kết hợp giám sát và điều
khiển thiết bị từ xa, chúng em đã bắt tay vào thực hiện đề tài “Thiết kế và thi công hệ
thống giám sát điện năng tiêu thụ kết hợp với điều khiển thiết bị điện từ xa thông qua
Internet và Lora”. Điểm nổi bật của đề tài này là chỉ cần một thiết bị chủ kết nối
Internet để tương tác trực tiếp với người dùng, còn các thiệt bị tớ sẽ được thiết bị chủ
điều khiển thông qua Lora nên chúng không cần Internet. Với tính năng này thì người
sử dụng có thể điều khiển và giám sát những khu vực không có Internet.
xiii
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1.
ĐẶT VẤN ĐỀ
Công nghệ Internet of Things (IOT) nói chung và công nghệ cảm biến không
dây (Wireless Sensor) nói riêng được tích hợp từ các kỹ thuật điện tử, tin học và viễn
thông tiên tiến vào trong mục đích nghiên cứu, giải trí, sản xuất, kinh doanh, v.v...,
phạm vi này ngày càng được mở rộng, để tạo ra các ứng dụng đáp ứng cho các nhu
cầu trên các lĩnh vực khác nhau. Hiện nay, mặc dù khái niệm IOT và công nghệ cảm
biến không dây đã trở nên khá quen thuộc và được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực
của đời sống con người, đặc biệt ở các nước phát triển có nền khoa học công nghệ
tiên tiến. Tuy nhiên, những công nghệ này chưa được áp dụng một cách rộng rãi ở
nước ta, do những điều kiện về kỹ thuật, kinh tế, nhu cầu sử dụng. Song nó vẫn hứa
hẹn là một đích đến tiêu biểu cho các nhà nghiên cứu, cho những mục đích phát triển
đầy tiềm năng.
Trên cơ sở tìm hiểu về IoT nhằm giám sát điện năng và các thông số khác của
hệ thống điện từ xa qua internet, đó cũng là một nhu cầu có thật và đang tăng cao
trong thời gian gần đây. Đặc biệt là sau những đợt giá điện tăng, nhiều nhà máy đã
tiết kiệm điện năng hiệu quả sau khi có kết quả theo dõi. Với thiết bi ̣quan sát điện
năng từ xa, chúng ta có thể nhìn thấy các thông số của hệ thống điện như điện áp,
dòng điện, tần số, công suất, hệ số công suất, của nhà máy hoặc các bộ phận bất cứ
lúc nào mà ta không cần phải có mặt tại nhà máy. Chúng ta chỉ cần thiết bị di động
smartphone là có thể quan sát được các thông số của hệ thống điện nhà máy của mình.
Hệ thống quản lý điện năng giúp nhà quản lý đánh giá sự tiêu thụ điện năng để thực
hiện tiết kiệm chi phí và năng lượng.
Từ những lí do trên, nhóm chúng em quyết định thực hiện đề tài “Thiết kế và thi
công hệ thống giám sát điện năng tiêu thụ kết hợp với điều khiển thiết bị điện từ xa
thông qua Internet và Lora”. Người dùng có thể giám sát cũng như điều khiển thiết
bị điện từ xa ở mọi nơi mọi lúc miễn là điện thoại phải có hệ điều hành Android và
được kết nối Internet.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.2.
MỤC TIÊU
Thiết kế và thi công được hệ thống giám sát điện năng tiêu thụ kết hợp với điều
khiển thiết bị điện từ xa thông qua Internet và Lora. Hệ thống này có khả năng giám
sát các thông số về điện năng như: điện áp, dòng điện, công suất, lượng điện năng
tiêu thụ trong hộ gia đình và có thể điều khiển từ xa qua Internet bằng ứng dụng trên
điện thoại Android các thiết bị điện như đèn, quạt, tivi,… cảnh báo rò rỉ khí gas, gọi
điện thông báo khẩn cấp cho người sử dụng ngay cả khi mất điện nhờ vào mạch
chuyển sang dùng nguồn từ pin dự phòng. Ngoài ra, hệ thống này hoạt động theo mô
hình Master-Slave dựa trên công nghệ RF Lora nên không bị hạn chế lắp đặt trong
một diện tích nhỏ.
Thiết kế được ứng dụng điều khiển thiết bị điện trên hệ điều hành Android.
1.3.
-
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Tìm hiểu và tham khảo các tài liệu, giáo trình, nghiên cứu các chủ đề, các nội
dung liên quan đến đề tài
-
Tìm hiểu về công nghệ Lora, IoT
-
Lựa chọn các thiết bị trong việc thiết kế mô hình giám sát và điều khiển
+ Vi điều khiển: ARM STM32F103, Arduino Nano
+ Các Module: Wifi ESP8266 v12, SIM800L, PZEM004T (đo các thông số
điện năng), I2C sang LCD 16x2, module chuyển đổi điện năng AC-DC
+ Màn hình hiển thị: TFT, LCD 16x2
+ Cảm biến: khí gas MQ-2
+ Các thành phần khác: relay tiếp điểm cơ khí, Pin sạc dự phòng và mạch sạc
-
Tìm hiểu các chuẩn truyền thông UART, I2C, SPI
-
Cấu hình thông số cho module truyền nhận Lora
-
Thiết kế và thi công hệ thống giám sát, điều khiển
-
Viết chương trình cho ARM STM32F103, Arduino Nano và MCU ESP8266
giao tiếp với nhau
-
Thiết kế ứng dụng giám sát và điều khiển cho điện thoại hệ điều hành Android
-
Chạy thử nghiệm hệ thống và chỉnh sửa lỗi xuất hiện
-
Đánh giá kết quả thực hiện
-
Viết báo cáo luận văn và báo cáo đề tài tốt nghiệp
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.4.
GIỚI HẠN
Đề tài “Thiết kế và thi công hệ thống giám sát điện năng tiêu thụ kết hợp với
điều khiển thiết bị điện từ xa thông qua Internet và Lora” có những giới hạn sau:
-
Hệ thống gồm 1 board mạch chính (Master) và 2 board mạch phụ (Slave) điều
khiển và giám sát thực hiện được cho 3 phòng, điều khiển tối đa 12 thiết bị điện.
-
Chỉ có thể đo được điện áp xoay chiều 1 pha trong khoảng 80VAC – 250VAC.
Dòng điện đo được trong giới hạn 0 – 100A. Công suất đo được trong giới hạn 0
– 22 kW. Điện năng tiêu thụ trong giới hạn 0 – 10000 kWh.
-
Mỗi board mạch được đặt trong hộp nhựa có kích thước 16x9x6cm.
-
Khoảng cách giữa board mạch chính và board mạch phụ tối đa là 500 m.
-
Điều khiển các thiệt bị quạt, đèn, … công suất tiêu thụ dưới 1000W. Không
dùng cho tải động cơ.
-
Hiển thị các thông số điện năng trên màn hình LCD TFT 2.4inch, LCD 16x2.
-
Khi mất điện, board mạch chính và board mạch phụ thứ nhất sẽ tự chuyển sang
dùng pin dự phòng, dung lượng 2000mAh có thể duy trì mạch hoạt động trong
khoảng 4h cho đến khi có điện trở lại.
-
Hệ thống cảnh báo rò rỉ khí gas qua tin nhắn SMS và cuộc gọi bằng module
SIM800L chỉ có ở board mạch phụ thứ nhất.
-
Sử dụng vi điều khiển ARM STM32F103C8T6, Arduino Nano và ESP8266
trong việc lập trình điều khiển.
-
Đo khí gas sử dụng cảm biến MQ-2.
-
Đo các thông số về điện năng sử dụng module chuyên dụng PZEM004T.
-
Gửi dữ liệu về điện năng và trạng thái các thiết bị lên Firebase của Google.
-
Hệ thống có thể điều khiển thủ công trực tiếp tại các board mạch bằng các nút
nhấn hoặc bằng ứng dụng được viết riêng cho điện thoại thông minh Android.
-
Hệ thống không thể đáp ứng ngay lập tức thao tác lệnh của người dùng do phụ
thuộc nhiều vào tốc độ mạng cũng như tốc độ xử lý của vi điều khiển và thời gian
truyền tín hiệu giữa các thiết bị trong hệ thống.
-
Để có thể hiểu rõ về công nghệ Lora, Wifi, mạng GSM cũng như các vi điều
khiển không phải là chuyện dễ, cần nhiều thời gian và hiểu biết. Cho nên trong
quá trình thực hiện đề tài nhóm chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu, biết cách sử dụng
các module này phục vụ cho các chức năng trong đề tài của nhóm.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.5.
BỐ CỤC
Chương 1. Tổng Quan
Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nôi dung ̣
nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án.
Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết.
Chương này trình bày các lý thuyết có liên quan đến các vấn đề mà đề tài sẽ
dùng để thực hiện thiết kế, thi công cho đề tài.
Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán
Chương này giới thiệu tổng quan về các yêu cầu của đề tài về thiết kế và các
tính toán liên quan đến đề tài.
Chương 4: Thi công hê ̣thống
Chương này có thể gồm kết quả thi công phần cứng và những kết quả hiển thị
trên màn hình hay giao diện điện thoại.
Chương 5: Kết quả_Nhận xét_Đánh giá
Chương này đưa ra nhận xét và đánh giá sản phẩm mô hình đã hoàn thành.
Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển
Chương này trình bày ngắn gọn những kết quả đã thu được dựa vào những
phương pháp, thuật toán đã kiến nghị ban đầu
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
4
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1.
TẦM QUAN TRỌNG CỦA VIỆC QUẢN LÝ ĐIỆN NĂNG
Quản lý và giám sát năng lượng là chìa khóa để tiết kiệm năng lượng trong các
tổ chức thương mại, công nghiệp và chính phủ trong những năm gần đây đang phải
chịu những áp lưc ̣to lớn về kinh tế và môi trường. Giám sát và quản lý năng lượng
giúp giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch đang ngày càng trở nên cạn kiệt.
Khi tiêu thụ nhiều điện năng, doanh nghiệp cũng như các hô ̣ gia đình sẽ phải
đối mặt với tình trạng thiếu nguồn cung cấp nghiêm trọng kèm theo nguy cơ tăng giá
điện dẫn đến ảnh hưởng tới lợi nhuận của tổ chức, bằng việc quản lý điện năng doanh
nghiệp và các hô ̣ gia đình có thể giảm nguy cơ này bằng cách kiểm soát nhu cầu điện
năng, tiết kiêm điện trên dây chuyền sản xuất từng bước tăng hiệu quả việc đầu tư
vào giá thành cho sản phẩm.
Lợi ích của việc giám sát điện năng:
-
Đối với hộ gia đình: giám sát được chi tiết điện năng từng khu vực mong muốn
liên tục 24/24. Từ đó đưa ra giải pháp sử dụng hợp lí, tiết kiệm điện.
-
Đối với công ty, nhà máy: Giảm chi phí nhân công nhập liệu hàng tháng, tránh
sai sót khi thu thập dữ liệu bằng tay.
2.2.
CÔNG NGHỆ IOT
Là mạng lưới vạn vật kết nối Internet viết tắt là IoT là nền tảng công nghê ̣mới
của thế giới, khi mà mỗi đồ vật, con người được cung cấp một định danh của riêng
mình, và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy
nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với
máy tính. IoT đã phát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ
điện tử và Internet. Nói đơn giản là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với
nhau, với Internet và với thế giới bên ngoài để thực hiện một công việc nào đó. Hay
hiểu một cách đơn giản IoT là tất cả các thiết bị có thể kết nối với nhau.
Việc kết nối thì có thể thực hiện qua Wi-Fi, mạng viễn thông băng rộng (3G,
4G), Bluetooth, ZigBee, hồng ngoại… Các thiết bị có thể là điện thoại thông minh,
máy pha cafe, máy giặt, tai nghe, bóng đèn, và nhiều thiết bị khác. Cisco, nhà cung
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
5
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
cấp giải pháp và thiết bị mạng hàng đầu hiện nay dự báo: đến năm 2020, sẽ có khoảng
50 tỷ đồ vật kết nối vào Internet, thậm chí con số này còn gia tăng nhiều hơn nữa.
IoT sẽ là mạng khổng lồ kết nối tất cả mọi thứ, bao gồm cả con người và sẽ tồn
tại các mối quan hệ giữa người và người, người và thiết bị, thiết bị và thiết bị. Một
mạng lưới IoT có thể chứa đến 50 đến 100 nghìn tỉ đối tượng được kết nối và mạng
lưới này có thể theo dõi sự di chuyển của từng đối tượng
2.3.
GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG
2.3.1. Vi điều khiển
STM32F103-Chip ARM Cortex-M3
Trong vài năm gần đây, một trong những xu hướng chủ yếu trong các thiết kế
với vi điều khiển là sử dụng các chip ARM7 và ARM9 như một vi điều khiển đa
dụng. Ngày nay các nhà sản xuất IC đưa ra thị trường hơn 240 dòng vi điều khiển sử
dụng lõi ARM. Tập đoàn ST Microelectronic vừa ra cho ra mắt dòng STM32, vi điều
khiển đầu tiên dựa trên nền lõi ARM Cortex-M3 thế hệ mới do hang ARM thiết kế,
lõi ARM Cortex-M3 là sự cải tiến của lõi ARM7 truyền thống. [11]
Dòng ARM Cortex là một bộ xử lí thế hệ mới đưa ra một kiến trúc chuẩn cho
nhu cầu đa dạng về công nghệ. Không giống như các chip ARM khác, dòng Cortex
là một lõi xử lí hoàn thiện, đưa ra một chuẩn CPU và kiến trúc hệ thống chung.
Board STM32F103C8T6 Bluebill
Hình 2.1: Board STM32F103C8T6 BlueBill
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
6
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
- 1 cổng Mini USB dùng để cấp nguồn và giao tiếp USB.
- Chân cấp nguồn ngoài riêng cho MCU nếu không sử dụng nguồn từ USB.
- Thạch anh chính 8Mhz.
- Thạch anh 32.768khz cho các ứng dụng Real Time.
- Chân nạp dùng cho chế độ nạp boot loader.
- Kit ra chân cho vi điều khiển đầy đủ.
- Nút Reset ngoài, 1 led hiển thị trên chân PC13 và 1 led báo nguồn.
- Kit có IC ổn áp 3.3V cấp cho vi điều khiển.
Hình 2.2: Board STM32F103C8T6 BlueBill với các GPIO
Ưu điểm
-
Giá thành chip rẻ so với các dòng chip khác với cùng số tài nguyên như ARM.
Tốc độ xử lý cao, ổn định.
-
Tiết kiệm năng lượng Số lượng tài nguyên lớn, phù hợp với nhiều ứng dụng
khác nhau.
Nhược điểm
-
Nhiều thanh ghi, câu lệnh khá dài, gây khó nhớ cho người dùng, dễ nhầm lẫn.
-
Thị trường ARM ở Việt Nam chưa rộng, gây khó trong việc tìm kiếm tài liệu
và khó khăn trong việc đặt mua chip, do vậy việc nghiên cứu chưa được sâu.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
7
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Board Arduino Nano
Hình 2.3: Board Arduino Nano
Hình 2.4. Arduino Nano GPIO
Arduino có nhiều loại được sử dụng nhiều: Uno, Nano, Mega, ... Trong đó,
Arduino Uno được sử dụng phổ biến nhất vì giá thành rẻ so với Arduino Mega. Còn
Arduino Nano thì chức năng tương tự như Uno nhưng có ưu điểm là kích thước nhỏ,
giá thành rẻ nhất nên phù hợp sử dụng trong những thiết bị nhỏ, gọn.
Bảng 2.1: Thông số kĩ thuật Arduino Nano
Vi điều khiển
ATmega328P (SMD)
Điện áp hoạt động
5V
Điện áp vào khuyên dùng
7-12V
Điện áp giới hạn
6-20V
Digital I/O Pin
14
PWM I/O Pin
6
Analog Input Pin
8
Dòng điện trên mỗi I/O Pin
40 mA
Dòng điện trên mỗi 5V Pin
500 mA
Dòng điện trên mỗi 3,3V Pin
50 mA
Flash Memory
(2KB được sử dụng bởi bootloader)
32KB (ATmega328P)
SRAM
2KB (ATmega328P)
EEPROM
1KB (ATmega328P)
Tần số
16 MHz
Chiều dài
4.3 cm
Chiều rộng
1.85 cm
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
8
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Arduino Nano có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng miniUSB hoặc cấp
nguồn ngoài vào chân Vin với điện áp khuyên dùng là 7 – 12 VDC và giới hạn là 6 20V. Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên sẽ làm hỏng Arduino Nano.
-
GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino Nano. Khi dùng các
thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối
với nhau.
-
5V: cấp điện áp 5V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500 mA.
-
3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50 mA.
-
Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino Nano, nối cực dương
của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND.
-
AREF: có thể đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog.
-
RESET: Để reset vi điều khiển, chân RESET được nối với GND qua 1 điện
trở 10 KΩ
-
I /O: Arduino Nano có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu. Chúng
chỉ có 2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào /ra tối đa trên mỗi chân là 40 mA.
Trong đó có 6 chân hỗ trợ xuất xung PWM (3, 5, 6, 9, 10, 11). Và 8 chân Analog
(A0 đến A7) với độ phân giải 10 bit.
-
Hỗ trợ giao tiếp: giao tiếp Serial (D0_Rx, D1_Tx), giao tiếp SPI (D10_SS,
D11_MOSI, D12_MISO, D13_SCK), giao tiếp I2C (SDA, SCL).
2.3.2. Module WiFi ESP 8266
Chip ESP 8266
Chip ESP8266 được phát triển bởi Espressif để cung cấp giải pháp giao tiếp
WiFi cho các thiết bị IoT. Điểm đặc biệt của dòng ESP8266 là nó được tích hợp các
mạch RF như balun, antenna switches, TX power amplifier và RX filter ngay bên
trong chip với kích thước rất nhỏ chỉ 5x5mm nên các board sử dụng ESP8266 không
cần kích thước board lớn cũng như không cần nhiều linh kiện xung quanh. Ngoài ra,
giá thành của ESP8266 cũng rất thấp đủ để hấp dẫn các nhà phát triển sản phẩm IoT.
Hiện tại có khá nhiều module khác nhau cho ESP8266 được sản xuất bởi công
ty AI-Thinker. Đặc điểm khác nhau giữa các module này bao gồm:
-
Loại anten sử dụng (PCB anten, chip anten hoặc gắn anten ngoài)
-
Dung lượng của chip Flash SPI trên board
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
9
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
-
Kích thước board của module
-
Có gắn khung nhôm chống nhiễu hay không
-
Số lượng pin GPIO đưa ra chân kết nối
Hiện tại AI-Thinker sản xuất 14 loại module cho ESP từ module ESP-01 đến
ESP-14. Ở thị trường Việt Nam thì các module là ESP-01, ESP-07 và ESP-12, ESP
NodeMCU khá phổ biến [12].6
ESP – 12E
Hình 2.5: ESP – 12
-
Sử dụng PCB anten on-board.
-
Đưa ra 11 chân GPIO, 2 chân TX/RX cho UART, các chân cho SPI, chân RST
để reset chip, 1 chân ADC.
-
Dung lượng SPI Flash là 4Mbyte
-
Có thể hàn jumper để căm dây vào các board khác hoặc hàn trực tiếp lên board
ứng dụng
Thông số kỹ thuật:
-
IC chính: ESP8266-12E Wifi SoC.
-
Cấp nguồn: 5VDC MicroUSB hoặc Vin.
-
GIPO giao tiếp mức 3.3 VDC.
-
Tích hợp Led báo trạng thái, Flash.
-
Tương thích hoàn toàn với trình biên dịch Arduino.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
10
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.3.3. Module Lora E32 – TTL – 100
Hình 2.6: Module Lora E32 – TTL – 100
Chức năng:
Module thu phát RF UART Lora SX1278 433Mhz 3000m (E32-TTL-100) sử
dụng chip SX1278 của nhà sản xuất SEMTECH chuẩn giao tiếp LORA (Long
Range), chuẩn LORA mang đến hai yếu tố quan trọng là tiết kiệm năng lượng và
khoảng cách phát siêu xa (Ultimate long range wireless solution), ngoài ra nó còn có
khả năng cấu hình để tạo thành mạng nên hiện tại được phát triển và sử dụng rất nhiều
trong các nghiên cứu về IoT.
Module được tích hợp phần chuyển đổi giao tiếp SPI của SX1278 sang UART
giúp việc giao tiếp và sử dụng rất dễ dàng, chỉ cần kết nối với Software của hãng để
cấu hình địa chỉ, tốc độ và công suất truyền là có thể sử dụng.
Thông số kỹ thuật:
-
Model: E32-TTL-100 RF
-
Nhà sản xuất EBYTE
-
IC chính: SX1278 từ SEMTECH.
-
Điện áp hoạt đông: 2.3 - 5.5 VDC
-
Điện áp giao tiếp: TTL-3.3V
-
Giao tiếp UART Data bits 8, Stop bits 1, Parity none, tốc độ từ 1200 - 115200.
baud
-
Tần số: 410 - 441Mhz
-
Công suất: 20dbm (100mW)
-
Khoảng cách truyền tối đa trong điều kiện lý tưởng: 3000m
-
Tốc độ truyền: 0.3 - 19.2 Kbps (mặc định 2.4 Kbps)
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
11
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
-
512 bytes bộ đệm.
-
Hỗ trợ 65536 địa chỉ cấu hình.
-
Kích thước: 21x36mm.
Giao tiếp với vi điều khiển:
Hình 2.7: Mạch nguyên lý nối dây với vi điều khiển
Hình 2.8: Dạng sóng khi module truyền dữ liệu qua vi điều khiển
Hình 2.9: Dạng sóng khi module nhận dữ liệu không dây
Khi 2 chân M0 và M1 được cấu hình ở các mức logic khác nhau sẽ quyết định
các Mode hoạt động khác nhau cho module
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
12
