luận văn thiết kế và thi công hệ thống giám sát điện năng

TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
----o0o----

Tp. HCM, ngày 10 tháng 9 năm 2019

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên:

Trương Khánh Oanh

MSSV: 14141224

Nguyễn Chí Khang

MSSV: 14141147

Chuyên ngành:

Điện Tử Công Nghiệp

Mã ngành:

141

Hệ đào tạo:

Đại học chính quy

Mã hệ:

1

Khóa:

2014

Lớp:

14141DT2

I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG
TIÊU THỤ
II. NHIỆM VỤ
1. Các số liệu ban đầu:
 Tiến hành tìm kiếm tài liệu, thông số kỹ thuật liên quan tới các giá trị điện.
 Tham khảo các mô hình trong thực tế, từ các đề tài nghiên cứu trước.
 Tìm hiểu và chọn ra các module, ngoại vi thích hợp cho hệ thống.
2. Nội dung thực hiện:
 Nội dung 1: Nghiên cứu các mô hình thực tế, tìm giải pháp phù hợp với yêu
cầy đặt ra và tính toán các thông số cho hệ thống giám sát điện.
 Nội dung 2: Nghiên cứu các phương pháp điều khiển, giám sát, bảo vệ điện,
tính toán, chọn lựa các linh kiện phù hợp với yêu cầu đặt ra.
 Nội dung 3: Thiết kế sơ đồ hệ thống, sơ đồ nguyên lý, thiết kế mô hình.
 Nội dung 4: Viết chương trình điều khiển hệ thống để đạt được các yêu cầu
đặt ra.
 Nội dung 5: Lắp ráp mô hình, chạy thử nghiệm sản phẩm.

 Nội dung 6: Viết báo cáo các nội dung đã thực hiện.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

26/08/2019

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/12/2019
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

ThS. Nguyễn Đình Phú

BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH


TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
----o0o----

Tp. HCM, ngày 10 tháng 9 năm 2019

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT
NGHIỆP
Họ tên sinh viên 1: Trương Khánh Oanh Lớp: 14141DT2C

MSSV: 14141224

Họ tên sinh viên 2: Nguyễn Chí Khang Lớp: 14141DT2B

MSSV: 14141147

Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG
TIÊU THỤ
Nội dung

Tuần/ngày
-

thực hiện chọn đề tài, thống nhất tên

1
(2/9 – 8/9)

2
(9/9 – 15/9)

Gặp GVHD để phổ biến quy định:
đề tài, thời gian làm việc.

-

Tìm hiểu đề tài

-

Duyệt đề tài.

-

Viết đề cương chi tiết.

-

Tìm hiểu các kiến thức liên quan tới
thực hiện đề tài.

-

Tìm hiểu các hệ thống giám sát điện
năng trong thực tế.

3
(16/9 – 22/9)

-

Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của
các module đo điện năng

-

Tìm hiểu cách lập trình ứng dụng
trên điện thoại, máy tính, cách thiết
kế web server.

-

Thiết kế sơ đồ khối cho sản phầm,
giải thích vai trò và chức năng của

4
(23/9 – 29/9)

các khối.
-

Tính toán, lựa chọn linh kiện cho
từng khối.

Xác nhận
GVHD


5
(30/9 – 6/10)

Thiết kế sơ đồ nguyên lý, cách bố trí
linh kiện và giải thích hoạt động của
mạch.

-

Thiết kế, bố trí STM32F407, module
PZEM004T, màn hình LCD, module

6
(7/10 – 13/10)

wifi ESP8266 ESP-01S.
-

Thi công mạch, xây dụng mô hình
sản phẩm.

-

Viết báo cáo.

-

Thi công mạch, xây dụng mô hình
sản phẩm.

7
(14/10 – 20/10)

-

Viết chương trình điều khiển.

-

Lập trình và thiết kế web server

-

Viết và chỉnh sửa báo cáo.

-

Thi công mạch, xây dụng mô hình
sản phẩm.

8
(21/10 – 27/10)

-

Viết chương trình diều khiển.

-

Viết chương trình, thiết kế web
server.

-

Viết và chỉnh sửa báo cáo.

-

Thi công mạch, xây dụng mô hình
sản phẩm.

9
(28/10 – 3/11)

-

Viết chương trình điều khiển.

-

Viết chương trình, thiết kế web
server.

10
(4/11 – 10/11)

11
(11/11 – 17/11)

-

Viết và chỉnh sửa báo cáo.

-

Lắp ghép mô hình.

-

Tiến hành chạy thử nghiệm, sửa lỗi
chương trình điều khiển.

-

Viết và chỉnh sửa báo cáo.

-

Hoàn thiện, kiểm tra và theo dõi hoạt
động mô hình sản phẩm.


12
(18/11 – 24/11)
13
(25/11 – 1/12)
14
(2/12 – 8/12)

-

Sửa lỗi chương trình điều khiển.

-

Viết và chỉnh sửa báo cáo.

-

Hoàn thiện, kiểm tra và theo dõi hoạt
động mô hình sản phẩm.

-

Viết và chỉnh sửa báo cáo.

-

Hoàn thiện sản phẩm.

-

Viết và chỉnh sửa báo cáo.

-

Chỉnh sửa báo cáo lần cuối trước
khi gửi cho GVHD.

15
(9/12 – 15/12)
16
(16/12 – 22/12)

Hoàn thiện báo cáo, gửi GVHD
xem xét, góp ý.

-

In báo cáo.

-

Nộp báo cáo hoàn thiện.

GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)


LỜI CAM ĐOAN
Đề tài này là công trình do bản thân nhóm tự thực hiện dựa vào một số tài liệu
trước đó và dưới sự hướng dẫn của ThS.Nguyễn Đình Phú. Các số liệu trong đề tài
được nhóm thu thập và không sao chép từ tài liệu hay công trình nào khác.
Người thực hiện đề tài:
Trương Khánh Oanh

Nguyễn Chí Khang


LỜI CẢM ƠN
Sau hơn một thời gian

thực hiện, nhóm đã may mắn hoàn thành được đề tài

“THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG H Ệ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ”,
để có thể đạt được thành quả trê n ngoài sự cố gắng của từng thành viên trong nhóm
còn có sự giúp đỡ của gia đình, b ạn bè, các thầy cô trong khoa Điện – Điện Tử.
Nhóm thực hiện xin chân thành gửi lời cảm ơn đến:
Thầy Nguyễn Đình Phú là n gười trực tiếp hướng dẫn nhóm trong suốt quá
trình thực hiện. Cảm ơn Thầy đã giàn h thời gian quý báu để hướng dẫn nhóm, hỗ trợ
các thiết bị và góp ý đưa ra hướng giả i quyết mỗi khi nhóm gặp khó khăn.
Bên

c

ạnh đó, nhóm cũng cảm ơn những kiến thức mà thầy cô đã truyền đạt trong suốt
những năm học tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM để từ đó nhóm có
cơ sở để vận dụng hoàn thiện nên đồ án tốt ngh iệp này.
Cảm ơn gia đình, người thân đã luôn độn g viên và luôn bên cạnh trong những
lúc khó khăn nhất.
Xin gửi lời c ảm ơn đến những người bạn sinh viên khoa Điện-Điện tử đã cùng
đồng hành trong quá trình học tập, đã cùng cố gắng, cùng nhau tạo động lực để nhóm
để có thể hoàn thành tốt đề tài này.
Xin trân trọng cảm ơ n!
Những người thực hiện:
Trương Khánh Oanh

Nguyễn Chí Khang


MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGH IỆP ....................................................................... i
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP .......................................... ii
LỜI CAM ĐOAN .....................................................................................................v
LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................... vi
MỤC LỤC .............................................................................................................. vii
LIỆT KÊ HÌNH VẼ ..................................................................................................x
LIỆT KÊ BẢNG .................................................................................................... xiii
TÓM TẮT ............................................................................................................. xiv
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 HAṆ .................................................................................................2

1.5

BỐ CUC̣.....................................................................................................3

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT.........................................................................4
2.1

MODULE PZEM004T v3.0 .....................................................................4

2.1.1

Giới Thiệu..................................................................................................4

2.1.2

Cấu Trúc Các Lệnh ..................................................................................5

2.1.3

Sơ Đồ Khối Chức Năng Và Kết Nối Dây ................................................7

2.2

KIT STM 32F407VE ................................................................................7

2.2.1

Giới Thiệu..................................................................................................7

2.2.2

Hardware and Layout ...........................................................................10

2.3

LCD 2004 ................................................................................................12

2.4

NODEMCU ESP8266 .............................................................................13

2.4.1

Giới Thiệu ...............................................................................................13

2.4.2

ESP8266-12 .............................................................................................14

2.4.4

Sơ Đồ Mạch Nguyên Lý Của NodeMCU ESP8266 .............................16

2.5

CÁC LINH KIỆN KHÁC .....................................................................17

2.5.1

Module 4 Channel Logic Level Converter 3.3-5V ...............................17

2.5.2

Relay .......................................................................................................18

2.6

CHUẨN GIAO TIẾP UART .................................................................19


2.6.1

Giới Thiệu Uart.......................................................................................19

2.6.2

Các Thông Số Uart .................................................................................21

2.7

GIAO THỨC Modbus RTU ..................................................................22

2.7.1

Giới Thiệu Modbus RTU .......................................................................22

2.7.2

Cấu trúc bản tin Modbus RTU .............................................................22

2.8

TRUYỀN DỮ LIỆU SONG SONG .......................................................23

2.9

GIAO THỨC KẾT NỐI.........................................................................24

2.10

GIAO THỨC TRUYỂN TẢI DỮ LIỆU...............................................25

2.9

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐIỆN BA PHA ............................................26

2.9.1

Điện ba pha là gì? ...................................................................................26

2.9.2

Những ưu điểm khi sử dụng điện 3 pha ...............................................26

2.9.3

Lý thuyết cơ bản về mạch điện xoay chiều 3 pha ................................27

2.9.4

Hiện tượng mất pha................................................................................31

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ..................................34
3.1

GIỚI THIỆU ..........................................................................................34

3.2

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG .........................................34

3.2.1

Sơ đồ kết nối toàn mạch .........................................................................34

3.2.2

Thiết kế sơ đồ khối hệ thống..................................................................35

CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG ................................................................42
4.1

GIỚI THIỆU ..........................................................................................42

4.2

THI CÔNG HỆ THỐNG .......................................................................42

4.2.1

Thi công bo mạch....................................................................................42

4.2.1.1

Danh sách các linh kiện ..........................................................................42

4.2.1.2

Sơ đồ bố trí các linh kiện .......................................................................43

4.2.1.3

Sơ đồ thi công mạch in PCB ..................................................................43

4.2.2

Lắp ráp và kiểm tra ................................................................................44

4.3

ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH..............................................44

4.3.1

Đóng gói bộ điều khiển ...........................................................................44

4.3.2

Thi công mô hình ...................................................................................46

4.4

LẬP TRÌNH HỆ THỐNG .....................................................................49

4.4.1

Lưu đồ giải thuật ...................................................................................49

4.4.2

Phần mềm lập trình cho vi điều khiển ..................................................52


4.4.3

Code chương trình cho lưu đồ giải thuật. ............................................66

4.5

VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN VÀ THAO TÁC ..............................70

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ, NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ ...........................................72
5.1

KẾT QUẢ ................................................................................................72

5.2

KẾT QUẢ MÔ HÌNH HỆ THỐNG .....................................................72

5.3

KẾT QUẢ WEB .....................................................................................74

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .....................................77
6.1

KẾT LUẬN .............................................................................................77

6.2

HƯỚNG PHÁT TRIỂN .........................................................................77

TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................79
PHỤ LỤC .................................................................................................................80


LIỆT KÊ HÌNH VẼ
Hình…………………………………………………………………………...Trang

Hình 2.1: Module đo điện năng PZEM004T v3.0 ......................................................4
Hình 2.2: Sơ đồ khối chức năng của PZEM004T V3.0 ..............................................7
Hình 2.3: Sơ đồ kết nối dây thực tế PZEM004T với máy tính ...................................7
Hình 2.4: Hình ảnh thực tế STM32F407VET6...........................................................8
Hình 2.5: Sơ đồ các khối trong STM32F4DISCOVERY .........................................10
Hình 2.6: Cấu tạo và kích thước ...............................................................................11
Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý ........................................................................................12
Hình 2.8: LCD 2004 ..................................................................................................13
Hình 2.9: ESP8266 và sơ đồ chân .............................................................................14
Hình 2.10: Module NODEMCU ESP8266 v12 ........................................................15
Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý của NodeMCU ESP8266 v12 ......................................16
Hình 2.12: Module 4 Channel Logic Level Converter 3.3-5V .................................17
Hình 2.13: Relay 5V DC ...........................................................................................18
Hình 2.14: Kết nối UART giữa hai vi điều khiển .....................................................20
Hình 2.15: Khung truyền dữ liệu của chuẩn giao tiếp UART ..................................21
Hình 2.16: Cấu trúc bản tin Modbus RT ...................................................................22
Hình 2.17: Cơ chế truyền dữ liệu song song .............................................................24
Hình 2.18: Giao thức truyền của MQTT...................................................................25
Hình 2.19: Sơ đồ cấu tạo máy phát điện xoay chiều 3 pha .......................................28
Hình 2.20: Đồ thị biểu diễn các pha trong dòng điện xoay chiều 3 pha ...................28
Hình 2.21: Mạch 3 pha gồm 3 mạch điện 1 pha riêng lẻ ..........................................29
Hình 2.22: Sơ đồ mạch điện hình sao .......................................................................29
Hình 2.23: Sơ đồ mạch điện hình tam giác ...............................................................30
Hình 3.1: Sơ đồ kết nối của toàn hệ thống ................................................................34
Hình 3.2: Sơ đồ các khối chức năng .........................................................................36
Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý kết nối các nút nhấn với STM32F407 ...........................38
Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý kết nối LCD với STM32F407........................................38
Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý kết nối PZEM004T với STM32F407 ............................39
Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý kết nối STM32F407 .......................................................39
Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch. ......................................................................41

Hình 4.1: Sơ đồ bố trí các linh kiện ..........................................................................43
Hình 4.2: Sơ đồ mạch in PCB ...................................................................................43
Hình 4.3: Đóng gói mạch điều khiển mặt dưới bên trong hộp .................................45
Hình 4.4: Đóng gói các module khác vào bên trong hộp..........................................45
Hình 4.5: Mặt bên trái và bên phải của tủ .................................................................46
Hình 4.6: Mặt trước của tủ điện. ...............................................................................46
Hình 4.7: Tủ điện theo hướng nhìn chéo. .................................................................47
Hình 4. 8: Tủ điện hướng nhìn phía sau....................................................................47
Hình 4. 9: Mô hình tải. ..............................................................................................48
Hình 4. 10: Mô hình tải hoàn chỉnh ..........................................................................48
Hình 4. 11: Lưu đồ giải thuật chính của hệ thống.....................................................49
Hình 4. 12: Lưu đồ giải thuật khối cảnh báo ............................................................50
Hình 4. 13: Lưu đồ giải thuật khối gửi dữ liệu lên Cayenne ....................................51
Hình 4. 14: Hướng dẫn cài đặt CubeMx ...................................................................52
Hình 4. 15: Hướng dẫn cài đặt CubeMx ...................................................................53
Hình 4. 16: Hướng dẫn cài đặt CubeMx ...................................................................53
Hình 4.17: Hướng dẫn cài đặt CubeMx ....................................................................54
Hình 4. 18: Giao diện bắt đầu CubeMX ...................................................................54
Hình 4.19: Tìm kiếm dòng Chip muốn sử dụng để lập trình ....................................55
Hình 4. 20: Cấu hình các chân IO sử dụng ...............................................................56
Hình 4. 21: Tạo project mới. .....................................................................................56
Hình 4. 22: Hướng dẫn cài đặt KeilC v5 ..................................................................57
Hình 4. 23: Hướng dẫn cài đặt KeilC v5 ..................................................................58
Hình 4. 24: Hướng dẫn cài đặt KeilC v5 ..................................................................59
Hình 4. 25: Hướng dẫn cài đặt KeilC v5 ..................................................................59
Hình 4.26: Hướng dẫn cài đặt KeilC v5 ...................................................................60
Hình 4. 27: Tạo project mới ......................................................................................60
Hình 4. 28: Chọn dòng Arm muốn sử dụng ..............................................................61

Hình 4. 29: Kiểm tra Chip đã chọn ...........................................................................61
Hình 4. 30: Cài đặt các thông số ...............................................................................62
Hình 4. 31: Tạo tài khoản trên Cayenne ...................................................................64


Hình 4. 32: Thiết lập ứng dụng trên Cayenne ...........................................................64
Hình 4. 33: Cấu hình Cayenne cho dữ liệu cần giám sát ..........................................65
Hình 4. 34: Thiết lập các giá tri ̣ cho kênh giám sát .................................................65
Hình 5. 1: Các thông số giá trị pha 1 ........................................................................73
Hình 5. 2: Các thông số giá trị pha 2 ........................................................................73
Hình 5. 3: Các thông số giá trị pha 3 ........................................................................73
Hình 5. 4: Cảnh báo pha 1 vượt ngưỡng giá trị I ......................................................74
Hình 5. 5: Kết quả giám sát điện năng ba thiết bi đ̣ iện qua internet .........................74
Hình 5. 6: Kết quả giám sát theo biểu đồ điện áp .....................................................75
Hình 5. 7: Kết quả giám sát theo biểu đồ dòng điện .................................................75
Hình 5. 8: Kết quả giám sát theo bảng tính ...............................................................76


LIỆT KÊ BẢNG
Bảng .................................................................................................................... Trang
Bảng 2.1: Địa chỉ thanh ghi lưu kết quả đo ................................................................6
Bảng 2.2: Cấu trúc khung dữ liệu ...............................................................................6
Bảng 2.3: Thông số cấu hình của NODEMCU ESP8266 .........................................15
Bảng 2.4: Kết nối chân giữa module chuyển đổi tín hiệu 4 kênh .............................18
Bảng 2.5: Thông số kỹ thuật của Relay 5VDC .........................................................18
Bảng 3.1: Các thông số nguồn sử dụng ....................................................................37
Bảng 4.1: Danh sách linh kiện sử dụng trong hệ thống ............................................42


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.
Với mong muốn giải quyết đươc phần nào những khó khăn và tìm ra môt
hướng đi mới cho ngành điện Viêt Nam, nhóm em đã bắt tay vào nghiên cứu và thưc
hiện đề tài “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG
TIÊU THỤ”. 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, qua viêc ̣ truy cập vào trang web, người
dùng có thể giám sát từ xa ở mọi nơi mọi lúc. Điểm nổi bât của đề tài này là có thể
giám sát điện năng đồng thời hai hay nhiều thiết bi ̣điên thông qua ̣internet, và kiểm
soát thông qua viêc đo, lưu trữ các thông số điện liên tục tại các thời điểm trong ngày.


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.
Được sự định hướng và chỉ dẫn của Thạc sĩ Nguyễn Đình Phú, nhóm em đã
chọn đề tài luận án “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN
NĂNG TIÊU THỤ”. 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 có thể dùng máy
vi tính hoặc thiết bị di động có hỗ trợ duyệt web 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. Luận án
đã khảo sát các phương pháp giám sát điện năng điển hình trước đây thông qua
internet như dùng module sim kết hơp RS232 qua cổng truyền thông RS485 theo
phương thức truyền thông Modbus RTU, tuy nhiên thực tế mạng GSM sẽ gặp phải
những khó khăn như việc bị trễ tin nhắn do nghẽn mạng, kẹt mạng hay những nơi có
sóng GSM yếu và chỉ giám sát đươc trên máy tính. Những phương pháp khác như
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

1


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

dùng phần mềm Acuview giám sát điện năng thông qua đồng hồ đo điện năng đa
năng Mutimeter ACUVIM hoặc giám sát điện năng sử dụng PLC S7-400 thông qua
giao diện WINCC đều có giá thành cao rất tốn kém.
Để khắc phục các nhược điểm trên, đề tài: “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ
THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ” nghiên cứu việc giao tiếp với các
thiết bi ̣điện qua Internet dùng công nghê ̣IoT, góp phần hỗ trợ cho công tác giám sát
và quản lý điện năng từ xa, sử dụng bộ vi điều khiển kết hợp với việc truyền dữ liệu
qua WIFI, giúp đo ghi dữ liệu từ xa, mà không bi ̣hạn chế khoảng cách truyền dữ liệu.

1.2

MỤC TIÊU
Kết quả cuối cùng của đề tài là xây dưng một hệ thống giám sát điện năng từ

xa đo các thông số về điện năng của nguồn xoay chiều của mạch điện như dòng điện,
điện áp, tần số, công suất và năng lượng tiêu thụ của hai hay nhiều thiết bi ̣điện, bằng
cách truy cập vào trang web, người dùng có thể giám sát từ xa ở mọi nơi mọi lúc.

1.3

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Quá trình thực hiện đồ án thông qua 9 nội dung nghiên cứu sau:
- Nội dung 1: ̣ Tìm hiểu và tham khảo các tài liệu, giáo trình, nghiên cứu các chủ đề,
các nội dung liên quan đến đề tài.
- Nội dung 2: ̣ Lập trình giao tiếp với module PZEM004T để đo các thông số điện
năng.
- Nội dung 3: ̣ Viết chương trình cho ESP8266 gửi dữ liệu lên Web. ̣
- Nội dung 4: ̣ Kết nối mạch phần cứng giữa PZEM004T, ESP8266, LCD.
- Nội dung 5: ̣ Thiết kế và thi công mô hình thiết bi ̣hoàn thiện.

- Nội dung 6: ̣ Xây dưng giao diện web giám sát thiết bị.
- Nội dung 7: ̣ Chạy thử nghiệm và cân chỉnh hệ thống.
- Nội dung 8: ̣ Viết báo cáo đồ án tốt nghiệp.
- Nội dung 9: ̣ Báo cáo đồ án tốt nghiệp.

1.4

GIỚI HAṆ

Với đề tài giám sát điện năng qua internet thì các giới hạn bao gồm:
 Mô hình thi công có kích thước: 24x15cm.
 Số lương thiết bị có thể giám sát: đồng thời ba thiết bị.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
 Thời gian ổn định của thiết bị: sau vài phút hoat động thiết bi ̣sẽ đo chính xác
hơn.

1.5

BỐ CUC̣

Với đề tài giám sát điện năng qua internet thì bố cục đồ án như sau:
 Chương 1: Tổng Quan
Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội
dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án.
 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết.

Chương này trình bày quy tình hoạt động, giới thiệu phần cứng
STM32F407VET6, LCD 2004, module PZEM004T v3.0, giới thiệu thư viện chính
sử dụng cho đề tài, giới thiệu chuẩn giao tiếp, các ngôn ngữ lập trình web như HTML,
PHP.
 Chương 3: Tính Toán và Thiết Kế Hệ Thống
Chương này thiết kế sơ đồ khối hệ thống, giải thích chức năng các khối, lựa
chọn linh kiện, tính toán và thiết kế mạch điều khiển, khối nguồn, khối hiển thị, thiết
kế website, sơ đồ kết nối và sơ đồ nguyên lý toàn mạch.
 Chương 4: Thi Công Hệ Thống
Chương này trình bày cách cài đặt hệ điều hành, cài đặt thư viện, các phương
pháp điều khiển và hiển thị, lưu đồ giải thuật chính, lưu đồ giải thuật con và giải thích,
thi công mạch, sơ đồ mạch layout, lắp ráp, kiểm tra đóng gói sản phẩm, thi công mô
hình, lập trình code hệ thống.
 Chương 5: Kết quả, Nhận xét, Đánh giá
Chương này trình bày kết quả mô hình, giao diện điều khiển website từ đó đưa
ra đánh giá, nhận xét.
 Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển
Chương này nêu lên kết luận chung về những gì đã thực hiện đồng thời đúc
kết lại ưu khuyết điểm để đưa ra hướng phát triển cho đề tài.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

3


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Các thiết bị và chuẩn giao tiếp sử dụng trong sản phầm gồm:
 Thiết bị đầu vào: Module PZEM004T v3.0, nút nhấn.

 Thiết bị đầu ra: LCD 2004, đèn báo, chuông cảnh báo.
 Thiết bị xử lý trung tâm: STM32F407VET6, NodeMCU ESP8266
 Chuẩn truyền dữ liệu: UART, I2C, one-wire, Internet.
 Thiết bị giao diện điều khiển: máy tính.

2.1

MODULE PZEM004T v3.0

2.1.1 Giới Thiệu
Module đo điện AC đa năng giao tiếp UART PZEM004T được sử dụng để
đo và theo dõi gần như hoàn toàn các thông số về điện năng AC của mạch điện như
điện áp hoạt động, dòng tiêu thụ, công suất và năng lượng tiêu thụ. Giao tiếp UART
dễ dàng kết nối truyền dữ liệu tới Vi điều kiển hoặc máy tính.
Module đo điện giao tiếp UART PZEM004T nhỏ gọn, dễ lắp đặt, sử dụng cách
đo dòng cách ly an toàn và khả năng đo dòng lên đến 100A, mạch có chất lượng gia
công và linh kiện tốt, độ bền cao.

Hình 2.1: Module đo điện năng PZEM004T v3.0

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

4


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
THÔNG SỐ MODULE ĐO ĐIỆN AC ĐA NĂNG
 Điện áp đo và hoạt động: 80 ~ 260VAC / 50 – 60Hz, sai số 0.01
 Dòng điện đo và hoạt động: 0 ~ 100A, sai số 0.01
 Công suất đo và hoạt động: 0 ~ 26000W

 Năng lượng đo và hoạt động: 0~9999kWh.
 Giao tiếp UART mức logic TTL 5VDC baudrate mặc định 9600, 8 data bits,
1 stop bit, no parity.
 Có opto cách ly an toàn giữa mạch đo và mạch nhận tín hiệu UART.
 Lưu giữ thông số năng lượng tiêu thụ trong bộ nhớ.
 Có nút Reset, nhấn giữ 5 giây để xóa các thông số về 0.
 Kích thước: 30 x 75 mm

2.1.2 Cấu Trúc Các Lệnh
Định dạng lệnh của thiết bị chủ đọc kết quả đo là (8 bytes):
Slave Address + 0x04 + Register Address High Byte + Register Address
Low Byte + Number of Registers High Byte + Number of Registers Low Byte +
CRC Check High Byte + CRC Check Low Byte.
Định dạng lệnh trả lời từ thiết bị tớ (PZEM004T) được chia thành hai loại:
Trả lời đúng:
Slave Address + 0x04 + Number of Bytes + Register 1 Data High Byte + Register
1 Data Low Byte + ... + CRC Check High Byte + CRC Check Low Byte
Trả lời sai (lỗi):
Slave address + 0x84 + Abnormal code + CRC check high byte + CRC check low
byte
Mã Abnormal được phân tích như sau:
 0x01, Illegal function
 0x02, Illegal address
 0x03, Illegal data
 0x04, Slave error
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

5

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Mã Check CRC sử dụng định dạng 16 bits, chiếm hai byte, đa thức trình tạo mã
là X16+X15+X2+1, giá trị đa thức được sử dụng để tính toán là 0xA001.
Giá trị của mã kiểm tra CRC là dữ liệu khung chia tất cả các kết quả kiểm tra tất
cả các byte ngoại trừ bit giá trị kiểm tra CRC
Địa chỉ thanh ghi lưu trữ kết quả đo (the register of the measurement results) được
sắp xếp theo bảng sau:
Bảng 2.1: Địa chỉ thanh ghi lưu kết quả đo
Register address
0x0000
0x0001
0x0002
0x0003
0x0004
0x0005
0x0006
0x0007
0x0008
0x0009

Description
Voltage value
Current value low 16 bits
Current value high 16 bits
Power value low 16 bits
Power value high 16 bits
Energy value low 16 bits
Energy value high 16 bits
Frequency value
Power factor value

Alarm status

Resolution
1LSB correspond to 0.1V
1LSB correspond to 0.001A
1LSB correspond to 0.1W
1LSB correspond to 1Wh
1LSB correspond to 0.1Hz
1LSB correspond to 0.01
0xFFFF is alarm，
0x0000is not alarm

Cấu trúc khung dữ liệu:
Giá trị đo được thiết bị tớ trả về dưới dạng mảng 25 phần tử, giá trí các thông
số đo điện áp được quy định trước trong vị trí trong mảng trả về. Dưới dây là cấu trúc
khung dữ liệu.
Bảng 2.2: Cấu trúc khung dữ liệu
Vị trí trong mảng
0
1
2
3-4
5-6-7-8
9-10-11-12
13-14-15-16
17-18
19-20
21-22
23-24

Description
Địa chỉ tớ.
Thông số mặc định 0x04
số lượng byte trả về
Byte dữ liệu điện áp
Byte dữ liệu dòng điện
Byte dữ liệu công suất
Byte dữ liệu điện năng tiêu
thụ
Byte dữ liệu tần số
Byte thông số nguồn
Byte cảnh báo
Byte kiểm tra lỗi truyển

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

Các byte sử dụng
0
1
2
3-4
5-6-7-8
9-10-11-12
13-14-15-16
17-18
19-20
21-22

6

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1.3 Sơ Đồ Khối Chức Năng Và Kết Nối Dây

Hình 2.2: Sơ đồ khối chức năng của PZEM004T V3.0

Hình 2.3: Sơ đồ kết nối dây thực tế PZEM004T với máy tính

2.2

KIT STM32F407VE

2.2.1 Giới Thiệu
Kit STM32F407VET hiện là loại kit được sử dụng ở rất nhiều trường đại học
hiện nay trong giảng dạy vi điều khiển ARM, nếu so sánh về ngoại vi và sức mạnh
của STM32 so với các dòng ARM của các hãng khác thì ở cùng 1 tầm giá, ARM của
ST vượt trội về cấu hình và ngoại vi hơn rất nhiều.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

7


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Kit STM32F407VE hỗ trợ khả năng của vi điều khiển hiệu suất cao
STM32F407.
Kit bao gồm một bộ công cụ gỡ lỗi nhúng ST-LINK, các module tích hợp,
đèn LED, nút bấm và cổng micro-AB USB OTG.
Có thể mở rộng chức năng của bộ STM32F407VE với kết nối ethernet, màn
hình LCD và hơn thế nữa

Hình 2.4: Hình ảnh thực tế STM32F407VET6
Các đặc điểm tính năng chính
Kit hỗ trợ:


Cổng MiniUSB,



NRF24L01,



Chuẩn nạp JTAG/SWD



Cổng ISP



Nạp Bootload TTL



Nguồn 3.3 VDC

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

8


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT


Thẻ nhở MicroSD



Giao tiếp RTC



Giao tiếp TFT



Flash W25Q16



Nút Reset

Giới thiệu IC STM32F407VET6


Kernel: Cortex-M4 32-bit RISC



Features: single-cycle DSP instructions



Operating frequency: 168Mhz 210DMIPS / 1.25 DMIPS / MHZ



Operating voltage: 1.8-3.6V



Package: LQFP100



Storage resources: 512kB Flash



192 + 4kB SRAM



Resources: 3 X SPI, 3 X USART



2 x UART



2 x I2S, 3 x I2C



1 x FSMC, 1 x SDIO, 2 x CAN



1 x USB 2.0FS / HS controller (with dedicated DMA)



1 x USB HS ULPII (for external USB HS PHY)



1 x 10/100 Ethernet MAC



1 x 8 to 12-bit parallel camera interface



3 x AD (12 bit, 1us, sharing 24), 2 x DA (12-bit)

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

9


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.2.2 Hardware and Layout
KIT STM32F407VET được thiết kế nằm xung quanh bộ vi điều khiển
STM32F407 trong 100-pin LQFP

Hình 2.5: Sơ đồ các khối trong STM32F4DISCOVERY

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

10


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.6: Cấu tạo và kích thước

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

11