Nghiên cứu, thi công hệ thống thu thập dữ liệu và giám sát điện năng

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:

NGHIÊN CỨU, THI CÔNG HỆ THỐNG
THU THẬP DỮ LIỆU VÀ GIÁM SÁT
ĐIỆN NĂNG
GVHD: GVC.Ths Trương Ngọc Anh
SVTH:
1- Nguyễn Trung Nghĩa

– 16141207

2- Nguyễn Vũ Hồng Anh Phi

– 16141226

Tp. Hồ Chí Minh - 07/2020
I


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

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
----o0o---Tp. HCM, ngày 13 tháng 6 năm 2020

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

I. TÊN ĐỀ TÀI:

Nguyễn Trung Nghĩa
Nguyễn Vũ Hoàng Anh Phi
Kỹ Thuật Điện Tử Truyền Thơng
Đại học chính quy
2015

MSSV: 16141207
MSSV: 16141226
Mã ngành: 141
Mã hệ : 14
Lớp : 16141DT

NGHIÊN CỨU – THI CÔNG HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU VÀ
GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG

II. NHIỆM VỤ:
1. Các số liệu ban đầu:

- Tài liệu nghiên cứu module ESP8266 NodeMCU v1.0 và ngơn ngữ lập trình.
- Tài liệu nghiên cứu module đo điện năng AC PZEM-004T v30.
- Tài liệu nghiên cứu Amazon Web Services.
- Tài liệu nghiên cứu ngơn ngữ lập trình thiết kế giao diện web HTML, CSS,
JavaScript, PHP và phần mềm mô phỏng website – XAMPP
2. Nội dung thực hiện:
- Kết nối phần cứng, kiểm tra hoạt động.
- Lập trình cho module ESP8266 NodeMCU v1.0 đo điện năng.
- Lập trình thiết kế giao diện web.
- Thiết lập, cài đặt Cloud Server để phân vùng lưu trữ dữ liệu trang web.
- Thi công mạch.
- Thiêt kế và thi cơng mơ hình.

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

23/03/2020
10/07/2020
GVC.Ths Trương Ngọc Anh

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

i


TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
----o0o---Tp. HCM, ngày 13 tháng 6 năm 2020

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên: Nguyễn Trung Nghĩa
Lớp: 16141DT2

MSSV: 16141207

Họ tên sinh viên: Nguyễn Vũ Hoàng Anh Phi
Lớp: 16141DT2

MSSV: 16141226

Tên đề tài: Nghiên cứu, thi công hệ thống thu thập dữ liệu và giám sát điện năng.
Tuần/ngày

Nội dung chính cần thực hiện

Tuần 1

Gặp GV bộ mơn để nghe phổ biến yêu cầu làm
đồ án, nhận giấy giới thiệu làm đồ án. Gặp
GVHD để chọn đề tài

(8/3 – 14/3)
Tuần 2

GVHD tiến hành xét duyệt đề tài và viết đề

(15/3 – 21/3)

cương nộp lại

Tuần 3
(22/3 – 28/3)

- Phác thảo đồ án
- Phân chia cơng việc

Tuần 4
(29/3 – 4/4)

- Tìm hiểu module đo điện năng PZEM004T

Tuần 5
(5/4 – 11/4)

Tuần 6
(12/4 – 18/4)

Xác nhận GVHD

- Tìm hiểu cách thức giao tiếp của module
ESP8266
- Tìm hiểu phương thức gửi dữ liệu từ module
wifi ESP8266 lên sever

- Tìm hiểu chức năng Realtime của module
ESP8266
- Xây dựng sơ đồ khối, giải thích chức năng cho
từng khối.
- Tính tốn chọn lựa chọn linh kiện cho từng
khối.

Tuần 7
(19/4 – 25/4)

- Vẽ sơ đồ nguyên lý, giải thích hoạt động của
mạch.
ii


- Thiết kế sơ đồ sắp xếp linh kiện, module.

Tuần 8
(26/4 – 2/5)
Tuần 9
(3/5 – 9/5)
Tuần 10
(10/5 – 16/5)
Tuần 11
(17/5 – 23/5)
Tuần 12
(24/5 – 30/5)

- Thiết kế phần cứng.
- Lập trình cho module ESP8266 thu nhận dữ

liệu từ module đo điện năng.
- Chạy mơ phỏng.
- Nghiên cứu, tìm hiểu các bước đưa dữ liệu từ
ESP8266 lên hệ quản trị cơ sở dữ liệu
- Tìm hiểu cách thức tạo nên website
- Tìm hiểu về các phần tử tạo nên website
- Báo cáo tiến độ
- Lên ý tưởng, thiết kế website.
- Tìm hiểu Php và MySQL.
- Tìm hiểu về Javascript.
- Khởi tạo cơ sở dữ liệu.
- Đưa dữ liệu từ ESP8266 lên hệ quản trị cơ sở
dữ liệu

Tuần 13
(31/5 – 6/6)
Tuần 14
(7/6 –13/6)
Tuần 15
(14/6 – 20/6)

- Hoàn thành website.
- Hoàn thành đưa dữ liệu phần cứng lên website
- Tiến hành làm mô hình hệ thống
- Thi cơng phần cứng, hồn thiện mơ hình.
- Chạy thử nghiệm, kiểm tra hoạt động và cân
chỉnh hệ thống
- Viết báo cáo.

Tuần 16

Hoàn thiện quyển ĐATN và gởi cho GVHD để

(21/6 – 27/6)

xem xét góp ý lần cuối trước khi in và báo cáo.

Tuần 17
(28/6 – 4/7)

-Nộp quyển ĐATN vào ngày 03/07/2020
-Làm slide
-Chuẩn bị cho ngày bảo vệ
-In các giấy tờ, phiếu điểm để bảo vệ
iii


Tuần 18
(5/7– 11/7)

Bảo vệ ĐATN. Khoa dự kiến từ ngày 10 đến
ngày 20/07/2020
GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)

iv


LỜI CAM ĐOAN
Đề tài này là do nhóm chúng tơi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và

khơng sao chép từ tài liệu hay cơng trình đã có trước đó.

Người thực hiện đề tài
Nguyễn Trung Nghĩa
Nguyễn Vũ Hoàng Anh Phi

v


LỜI CẢM ƠN
Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Trương Ngọc Anh _ Giảng viên bộ môn Vi Xử
Lý, người Thầy đã đồng cùng nhóm trong suốt quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp. Thầy
ln nhiệt tình, giúp đỡ nhóm trong những lúc khó khăn nhất, nhờ đó chúng tơi đã học hỏi
được nhiều điều, có được nhiều kinh nghiệm để vững bước tiến tới những công việc trong
tương lại. Chúng tôi xin gửi lời chúc sức khỏe và may mắn đến Thầy Trương Ngọc Anh,
mong thầy giữ gìn sức khỏe và ln giữ vững tinh thần yêu nghề của mình.
Xin chân thành cảm ơn đến các tác giả của các tài liệu hướng dẫn, tài liệu tham khảo,
các video trên internet đã đóng góp, chia sẻ cho chúng tôi những kiến thức quý báu để
chúng tôi học hỏi trong quá trình làm đồ án.
Xin gửi lời chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Điện-Điện Tử, các giảng viên
của trường DHSPKT Tp.HCM đã dạy cho sinh viên chúng tơi những kiến thức nền tảng, lấy
đó làm cơ sở để làm đồ án tốt nghiệp.
Xin gửi lời cảm ơn thân thiết đến các người bạn hữu, các sinh viên của trường
DHSPKT Tp.HCM đã cùng đồng hành, cùng chia sẻ các kiến thức quý báu, đã hỗ trợ lẫn
nhau trong suốt quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp.
Đặc biệt xin gửi lời biết ơn đến cha mẹ, các bậc phụ huynh sinh viên đã đỡ đần, ni
nấng, hỗ trợ chúng tơi về các khoản kinh phí, cũng như cái ăn, cái ở, là người đã cho chúng
tôi cơ hội, sức khỏe, luôn luôn tạo điều kiện cho chúng tôi được đi học để trưởng thành, và
nhờ đó chúng tơi mới có cơ hội để thực hiện và hoàn thành đồ án tốt nghiệp.
Xin chân thành cảm ơn!

Người thực hiện đề tài
Nguyễn Trung Nghĩa
Nguyễn Vũ Hoàng Anh Phi

vi


MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP .................................................................................................. 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 ........................................................................................................................... ix
LIỆT KÊ BẢNG ................................................................................................................................ xi
TĨM TẮT .......................................................................................................................................... xii
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 ............................................................................................................................... 2
1.5. BỐ CỤC .................................................................................................................................. 3
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...................................................................................................... 4
2.1 GIỚI THIỆU MODULE ESP8266 NODEMCU V1.0 ........................................................... 4
2.1.1

Sơ đồ chân. ....................................................................................................................... 4

2.1.2

Thông số phần cứng ......................................................................................................... 6

2.1.3

Chuẩn giao tiếp SPI .......................................................................................................... 6

2.1.4

Một số loại ESP8266 được bán trên thị trường ............................................................... 7

2.2 Giới thiệu module PZEM-004T .............................................................................................. 7
2.3

MODULE hiển thị ................................................................................................................. 9

2.3.1

Module LCD 20x4 ............................................................................................................ 9

2.3.2

Module chuyển đổi giao tiếp I2C ................................................................................... 10

2.4 Khái quát về mạng không dây ............................................................................................... 11
2.4.1

Giới thiệu ........................................................................................................................ 11

2.4.2

Nguyên tắc hoạt động ..................................................................................................... 12

2.4.3

Một số chuẩn WiFi ......................................................................................................... 12

2.5 Webserver và cơ sở dữ liệu ................................................................................................... 14
2.5.1

Phần mêm mô phỏng trang web XAMPP ...................................................................... 14

2.5.2

Tổng quan về webserver và ngôn ngữ lập trình trang web ............................................ 14

2.5.3

Tổng quan về hệ quản trị cơ sở dữ liệu MySQL ............................................................ 17

2.5.4

Amazon Web Services ................................................................................................... 19

Chương 3. TÍNH TỐN THIẾT KẾ .............................................................................................. 22
vii


3.1 Giới thiệu ............................................................................................................................... 22
3.2 Tính tốn thiết kế ................................................................................................................. 22

3.2.1

Sơ đồ khối hệ thống ...................................................................................................... 22

3.2.2 Sơ đồ nguyên lý tồn mạch ............................................................................................ 29
3.2.3

Thiết kế mơ hình thiết bị ............................................................................................... 31

Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG .............................................................................................. 33
4.1 Giới thiệu ............................................................................................................................... 33
4.2 Thi công hệ thống.................................................................................................................. 33
4.2.1 Thi công board mạch ...................................................................................................... 33
4.2.2

Sắp xếp linh kiện cho tủ điện ........................................................................................ 34

4.2.3 Lắp ráp kiểm tra ............................................................................................................. 35
4.3 Đóng gói thi cơng mơ hình ................................................................................................... 37
4.3.1

Đóng gói bộ điều khiển ................................................................................................. 37

4.3.2 Thi cơng mơ hình ........................................................................................................... 38
4.4 Lập trình hệ thống ................................................................................................................. 40
4.4.1 Lưu đồ giải thuật ............................................................................................................ 40
4.4.2 Phần mềm lập trình ........................................................................................................ 41
4.4.3 Cài đặt Amazon EC2 ...................................................................................................... 48
4.4.4 Tạo tên miền. .................................................................................................................. 57
4.4.5 Thiết lập Cloud Server. .................................................................................................. 61

4.4.6 Đưa dữ liệu lên Cloud Server ......................................................................................... 67
4.5 Hướng dẫn sử dụng. .............................................................................................................. 69
Chương 5. KẾT QUẢ, NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ.......................................................................... 71
5.1 Kết quả đạt được ................................................................................................................... 71
5.1.1 Kết quả phần cứng .......................................................................................................... 72
5.1.2 Kết quả phần mềm .......................................................................................................... 76
5.2 Nhận xét và đánh giá. ............................................................................................................ 81
5.2.1 Về phần cứng. ................................................................................................................. 81
5.2.2 Về phần mềm.................................................................................................................. 81
Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................................................... 82
6.1 KẾT LUẬN ........................................................................................................................... 82
6.4 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ........................................................................................................ 82
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................................ 83
PHỤ LỤC .......................................................................................................................................... 85

viii


LIỆT KÊ HÌNH VẼ
Hình

Trang

Hình 2.1 Sơ đồ chân module NodeMCU ESP8266..............................................................5
Hình 2.2 Sơ đồ khối minh họa chuẩn truyền SPI..................................................................6
Hình 2.3 Module đo điện năng AC PZEM-004T..................................................................8
Hình 2.4 Sơ đồ nối dây PZEM và thiết bị.............................................................................9
Hình 2.5 Hình ảnh của LCD 20x4........................................................................................9
Hình 2.6 Module chuyển đổi giao tiếp I2C......................................................................... 11
Hình 2.7 Sơ đồ mô tả nguyên tắc hoạt động của WiFi........................................................ 12

Hình 2.8 Bảng điều khiển XAMPP..................................................................................... 14
Hình 2.9 Sơ đồ tương tác của hệ quản trị CSDL với người dùng........................................ 18
Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống............................................................................................. 22
Hình 3.2 Sơ đồ nối dây khối cảm biến dòng và khối đo điện năng, vi điều khiển..............25
Hình 3.3 Sơ đồ nối dây khối hiển thị.................................................................................. 28
Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý tồn mạch................................................................................. 30
Hình 3.5 Tủ điện................................................................................................................ 31
Hình 3.6 Mặt trước tủ điện................................................................................................. 32
Hình 4.1 Sơ đồ mạch in...................................................................................................... 33
Hình 4.2 Sắp xếp, bố trí linh kiện...................................................................................... 35
Hình 4.3 Cố định linh kiện................................................................................................. 36
Hình 4.4 Mặt sau nắp tủ điện............................................................................................. 37
Hình 4.5 Đóng gói bộ điều khiển....................................................................................... 38
Hình 4.6 Mặt trước mơ hình thiết bị................................................................................... 39
Hình 4.7 Mặt đáy mơ hình thiết bị..................................................................................... 39
Hình 4. 8 Lưu đồ giải thuật cho ESP8266.......................................................................... 40
Hình 4.9 Lưu đồ giải thuật xử lý trang web....................................................................... 41
Hình 4.10 Chọn tải về Arduino IDE.................................................................................. 42
Hình 4.11 Chọn tải về phần mềm....................................................................................... 42
Hình 4.12 Giao diện khởi động.......................................................................................... 43
Hình 4.13 Thêm đường dẫn cài đặt board ESP8266........................................................... 44
Hình 4.14 Cài đặt board ESP8266 cho phần mềm............................................................. 44
Hình 4.15 Cài drive kết nối với board ESP8266................................................................. 45
Hình 4.16 Tự động cập nhật drive...................................................................................... 46
Hình 4.17 Cách thêm thư viện trong Arduino IDE............................................................. 47
Hình 4.18 Chọn thư mục chứa thư viện đã tải về............................................................... 47
Hình 4.19 Chọn board lập trình.......................................................................................... 48
Hình 4.20 Trang Amazon web services.............................................................................. 49
Hình 4.21 Tạo tài khoản AWS............................................................................................ 49
Hình 4.22 Tạo tài khoản AWS............................................................................................ 50

Hình 4.23 Nhập thẻ visa..................................................................................................... 50
Hình 4.24 Đăng nhập vào bảng điều khiển........................................................................ 51
Hình 4.25 Chọn phương thức đăng nhập............................................................................ 51
Hình 4.26 Nhập mật khẩu đăng nhập................................................................................. 52
Hình 4.27 Bảng điều khiển.................................................................................................. 52
Hình 4.28 Chọn dịch vụ EC2............................................................................................. 53
ix


Hình 4.29 Tạo mới Instances............................................................................................. 53
Hình 4.30 Chọn Instance.................................................................................................... 54
Hình 4.31 Chọn loại Instance.............................................................................................. 54
Hình 4.32 Cấu hình cho phép truy cập............................................................................... 55
Hình 4.33 Thêm các quyền truy cập................................................................................... 55
Hình 4.34 Khởi tạo Instance.............................................................................................. 56
Hình 4.35 Tạo file đăng nhập máy ảo – key pair................................................................. 56
Hình 4.36 Tải về key pair................................................................................................... 57
Hình 4.37 Instance sau khi khởi tạo................................................................................... 57
Hình 4.38 Đăng kí tên miền............................................................................................... 58
Hình 4.39 Kiểm tra tên miền.............................................................................................. 58
Hình 4.40 Chọn đi tên miền muốn đăng kí..................................................................... 59
Hình 4.41 Bắt đầu thanh tốn............................................................................................. 59
Hình 4.42 Chọn miễn phí 12 tháng.................................................................................... 59
Hình 4.43 Bắt đầu thiết lập DNS cho tên miền.................................................................. 60
Hình 4.44 Nhập DNS......................................................................................................... 60
Hình 4.45 Hồn tất đăng kí................................................................................................ 60
Hình 4.46 Giao diện khởi động Proderosa......................................................................... 61
Hình 4.47 Cấu hình đăng nhập vào máy ảo........................................................................ 62
Hình 4.48 Giao diện máy ảo.............................................................................................. 62
Hình 4.49 Chuyển người dùng........................................................................................... 63

Hình 4.50 Cài đặt Apache.................................................................................................. 63
Hình 4.51 Cài đặt telnet..................................................................................................... 64
Hình 4.52 Chạy Apache trên web....................................................................................... 64
Hình 4.53 Cấu hình kết nối cơ sở dữ liệu........................................................................... 67
Hình 4.54 Giao diện quản lý database của Navicat............................................................ 67
Hình 4.55 Đăng nhập vào WinSCP.................................................................................... 68
Hình 4.56 Quản lý thư mục bằng WinSCP......................................................................... 69
Hình 4.57 Kết quả hiển thị trên Website............................................................................ 69
Hình 5.1 Thử nghiệm mơ hình............................................................................................ 72
Hình 5.2 Hiển thị trên LCD................................................................................................. 73
Hình 5.3 Bên trong thiết bị.................................................................................................. 73
Hình 5.4 Quạt điện dùng như tải kiểm tra........................................................................... 74
Hình 5.5 Kết quả thử nghiệm giá trị điện áp....................................................................... 74
Hình 5.6 Kết quả đo giá trị dịng điện................................................................................. 75
HÌnh 5.7 Kết quả đo giá trị cơng suất.................................................................................. 75
Hình 5.8 Giao diện giám sát tổng quát khi chưa có báo động............................................. 77
Hình 5.9 Giao diện giám sát tổng qt khi có báo động...................................................... 77
Hình 5.10 Email báo động người dùng............................................................................... 78
Hình 5.11 Giao diện giám sát chi tiết, biểu đồ.................................................................... 78
Hình 5.12 Giao diện cài đặt................................................................................................. 79
Hình 5.13 Giao diện hiển thị trên điện thoại....................................................................... 80
Hình 5.14 Menu ở dạng thu nhỏ.......................................................................................... 80

x


LIỆT KÊ BẢNG
Bảng

Trang

Bảng 2.1 Thông số các chân của LCD 20x4....................................................................... 10
Bảng 2.2 Một số chuẩn WiFi............................................................................................... 13
Bảng 3.1 Giao tiếp ngoại giữa NodeMCU và PZEM-004T................................................ 24
Bảng 3.2 So sánh ESP8266 ( ESP-12E ) và ESP32............................................................ 25
Bảng 3.3 Giao tiếp ngoại vi giữa NodeMCU và LCD 20x4 I2C......................................... 27
Bảng 3.4 Các thông số của nguồn cung cấp cho thiết bị..................................................... 28
Bảng 4.1 Danh sách linh kiện............................................................................................. 34
Bảng 5.1 Kết quả đo các thơng số của mơ hình.................................................................. 76

xi


TĨM TẮT
Đề tài “Nghiên cứu – thi cơng hệ thống thu thập dữ liệu và giám sát điện năng” cho
phép người dùng kiểm sốt được các thơng số cơ bản của điện năng như điện áp, dịng điện,
cơng suất và công suất tiêu thụ. Hệ thống cho phép người theo dõi các thông số này và cài
đặt chúng thông qua các thiết bị như điện thoại di động, hay máy tính. Hệ thống có thể báo
động người dùng thơng qua cơ chế gửi mail tự động nếu như có thiết bị nào đó đang hoạt
động bất thường.
Nội dung đồ án của nhóm sẽ đi sâu vơ tìm hiểu cách trao đổi dữ liệu của vi điều khiển
trên module ESP8266 với module đo điện năng PZEM-004T và module I2C. Cách sử dụng
thư viện PZEM-004T. Cách lập trình để tạo nên một hệ thống trang web và cách sử dụng
công nghệ điện toán đám mây Amazon Web Services.

xii


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Chương 1. TỔNG QUAN
1.1.

ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngày nay công nghệ truyền thông không dây đang được nghiên cứu và phát

triển rất mạnh mẽ để ứng dụng vào công nghiệp cũng như trong cuộc sống hàng
ngày từ các lĩnh vực dân dụng, giao thông cho đến công nghiệp, nông nghiệp, y tế…
Vì những cơng nghệ này có những ưu điểm như tần số làm việc thấp, công suất
truyền lớn, hiệu suất truyền cao, giá thành rẻ và an toàn với con người. Trên hết hiện
nay có khá nhiều loại chuẩn truyền khác nhau từ IR, RF, Bluetooth, 3G, LoRa…[5].
Từ đó cho thấy cơng nghệ truyền thơng khơng dây đem lại sự tiện lợi và sẽ thay đổi
cuộc sống con người theo hướng hiện đại hóa trong tương lại gần.
Truyền dẫn qua mạng Wifi cũng là một công nghệ truyền khơng dây được sử
dụng phổ biến, cơng nghệ này có những ưu điểm như truyền được khoảng cách xa
qua mạng Wifi tiết kiệm năng lượng khi truyền dể dàng áp dụng cho cho bất cứ đâu
trong vùng phủ sóng Wifi. Để hiểu rõ hơn về vấn đề này nhóm chúng tôi đã chọn đề
tài “Nghiên cứu, thi công hệ thống thu thập dữ liệu và giám sát điện năng” dưới sự
định hướng và chỉ dẫn của giáo viên hướng dẫn của Thạc sĩ Trương Ngọc Anh. Trên
cở sở tìm hiểu và nghiên cứu 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, với thiết bi ̣quan sát điện năng từ
xa. Chúng ta có thể nhìn thấy các thơng số của hệ thống điện như cơng suất, dịng
điện, điện áp… Chúng ta có thể dùng máy vi tính hoặc thiết bị di động có hổ trợ
trình duyệt web là có thể giám sát mức tiêu thụ điện năng của phịng học, phịng
thực tập… Qua đó giúp chúng ta quản lý đánh giá sự tiêu thụ điện năng để thực hiện
các biện pháp tiết kiệm chi phí và năng lượng.
Dựa trên cơ sở các đề tài trước đây làm về giám sát điện năng trước đây như
dùng module sim kết hợp RS232 qua cổng truyền thông RS485 theo phương thức
truyền thông Modbus RTU [1], giám sát điện năng sử dụng PLC S7-400 thơng qua

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH

1


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
giao diện WINCC [2], dùng phần mềm Acuview giám sát điện năng thông qua đồng
hồ đo điện năng đa năng Mutimeter ACUVIM [3]. Thì chúng tơi nhận thấy một số
hạn chế như giá thành cao, khả năng giám sát không đạt được hiệu quả cao. Để khắc
phục các nhược điểm trên nhóm đã nghiên cứu việc giao tiếp với các thiết bị điện
qua Internet dùng công nghệ IoT, góp phần hỗ trợ cho cơng 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
hiển thị giao diện trên Web.

1.2.

MỤC TIÊU
Xây dựng một hệ thống thu thập dữ liệu và giám sát năng lượng điện năng

tiêu thụ, đo đạc được các thông số, cho phép hiển thị chúng trên website để cho
người dùng tiện trong việc giám sát mức tiêu thụ năng lượng của các thiết bị, có
chức năng cảnh báo người dùng khi có thiết bị điện đang tiêu thụ quá mức, từ đó
đưa ra giải pháp phịng ngừa, tiết kiệm năng lượng điện.

1.3.

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
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: Kết nối mạch phần cứng giữa module PZEM004T, ESP8266.
NỘI DUNG 3: Lập trình giao tiếp với module PZEM004T để đo các thơng số
điện năng.
NỘI DUNG 4: Lập trình cho module wifi ESP8266 trên Arduino IDE
NỘI DUNG 5: Thiết kế và thi cơng mơ hình thiết bi h ̣ ồn thiện.
NỘI DUNG 6: Xây dựng giao diện web, giám sát, hiển thị.
NỘI DUNG 7: Chạy thử nghiệm và cân chỉnh hệ thống.
NỘI DUNG 8: Viết báo cáo thực hiện.
NỘI DUNG 9: Bảo vệ luận văn.

1.4.

GIỚI HẠN
Với đề tài “Nghiên cứu – thi công hệ thống thu thập dữ liệu và giám sát điện

năng” thì sẽ có những giới hạn như sau:

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
Tổng dòng giám sát tối đa là 20A.
Hai mơ hình tương đương với việc giám sát hai phịng thực tập.
Website chỉ có chức năng giám sát và báo động, khơng có chức năng điều khiển.

1.5.

BỐ CỤC

Chương 1: Tổng Quan
Chương này đặt vấn đề dẫn nhập đến lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung
nghiên cứu, các giới hạn, thông số và bố cục của đồ án.
Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết.
Chương này trình bày chi tiết về những lý thuyết cơ bản liên quan đến các vấn
đề mà đề tài sử dụng để thiết kế và thi cơng.
Chương 3: Thiết Kế và Tính Tốn.
Chương này trình bày các bước thiết kế, tính tốn về phần cứng như lựa chọn
các linh kiện, module thích hợp, cũng như thiết kế phần mềm để phù hợp với yêu
cầu của đề tài.
Chương 4: Thi cơng hệ thống.
Chương này trình bày chi tiết q trình thi cơng về phần cứng cũng như phần
mềm, mơ phỏng và kiểm tra q trình hoạt động của hệ thống.
Chương 5: Kết quả, nhận xét, đánh giá.
Chương này trình bày kết quả đạt được sau khi hoàn thành hệ thống so với
mục tiêu ban đầu đề ra, đưa ra nhận xét ,đánh giá về kết quả đạt được.
Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển
Chương này trình bày kết luận tổng thể về hệ thống từ phần cứng cũng như
phần mềm từ đó đưa ra hướng phát triển cải thiện hệ thống.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

3


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1

GIỚI THIỆU MODULE ESP8266 NODEMCU V1.0
Module nodeMCU ESP8266 là dòng vi điều khiển có tích hợp WiFi 2.4Ghz

có thể lập trình được phát triển bởi cơng ty Espressif Systems, là nhà sản xuất tại
Trung Quốc có trụ sở tại Thượng Hải. Với sự tích hợp này cùng với giá thành rẻ,
module nodeMCU ESP8266 cho phép lập trình viên có thể sử dụng nó để tiếp cận
đến các cơng việc liên quan đến internet hóa mọi thứ một cách dễ dàng.
Chip ESP8266 được phát triển bởi Espressif để cung cấp giải pháp giao tiếp
wifi cho các thiết bị IoT. Điểm đặc biệt của dịng 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
khơng cần kích thước board lớn cũng như không cần nhiều linh kiện xung quanh.
ESP8266 có một cộng đồng các nhà phát triển trên thế giới rất lớn trên thế
giới, cung cấp nhiều Module lập trình mã nguồn mở giúp nhiều người có thể tiếp
cận và xây dựng ứng dụng rất nhanh[13].
2.1.1 Sơ đồ chân.
Sơ đồ chân của module nodeMCU ESP8266 sẽ được hiển thị chi tiết thơng
qua hình ảnh sau:

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

4


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.1 Sơ đồ chân module nodeMCU ESP8266
ESP8266 NodeMCU có tổng cộng 13 chân GPIO, các chân GPIO đều có
điện trở kéo lên nguồn bên trong, ngoại trừ chân GPIO16 có điện trở kéo xuống,

chức năng của các chân cụ thể như sau[14]:
-

GPIO1 và GPIO3: hai chân này được kết nối với TX, RX của bộ giao tiếp
UART0, bộ UART0 này có chức năng nhận code ta sẽ tránh sử dụng hai chân
này.

-

GPIO0, GPIO2, GPIO15: các chân này có nhiệm vụ cấu hình mode cho
ESP8266 điều khiển quá trình nạp code nên bên trong NodeMCU có các trở
kéo để định sẵn mức logic cho chúng như sau: GPIO0: HIGH, GPIO2:
HIGH, GPIO15: LOW. Vì vậy khi sử dụng các chân này ở vai trò GPIO cần
phải thiết kế một nguyên lý riêng để tránh xung đột đến quá trình nạp code.

-

GPIO9, GPIO10: được dùng để giao tiếp với External Flash của ESP8266, vì
vậy hai chân này khơng thể dùng được.

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH

5


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

-

Các chân GPIO còn lại, GPIO4, GPIO5, GPIO12, GPIO13, GPIO14,

GPIO16 khơng có chức năng đặc biệt nên có thể sử dụng bình thường.

2.1.2 Thơng số phần cứng
Chip: ESP8266EX – vi điều khiển 32 bit công suất thấp.
Wifi: 2.4 GHz hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n.
Hỗ trợ bảo mật WPA/WPA2.
Tích hợp giao thức TCP/IP.
Điện áp hoạt động: 3.3V.
Điện áp vào: 5V thông qua cổng USB.
Số chân I/O: 13.
Bộ nhớ Flash: 4MB.
Hỗ trợ SDIO 2.0, UART, SPI, PWM, I2S với DMA.
Một bộ chuyển đổi ADC có độ chính xác cao 10 – bit.
Dải nhiệt độ hoạt động rộng: -40C ~ 125C.
Có thể dùng tập lệnh AT.
Hỗ trợ phát triển trên cả hai môi trường hệ điều hành Windows và Linux.
2.1.3 Chuẩn giao tiếp SPI
Chuẩn giao tiếp SPI (Serial Peripheral Interface) được phát triển bởi
Motorola, là một chuẩn đồng bộ nối tiếp để truyền dữ liệu ở chế độ song cơng tồn
phần (full – duplex) tức trong cùng một thời điểm có thể xảy ra đồng thời q trình
truyền và nhận. Đơi khi SPI cịn được gọi là chuẩn giao tiếp 4 dây (Four-wire)
SPI là giao diện đồng bộ, bất cứ quá trình truyền nào cũng được đồng bộ hóa
với tín hiệu clock chung. Tín hiệu này sinh ra bởi master[15].

Hình 2.2 Sơ đồ khối minh họa chuẩn truyền SPI
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

6

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Trong giao diện SPI có bốn tín hiệu số:
MOSI hay SI – cổng ra của bên Master, cổng vào bên Slave. Đây là chân
dành cho việc truyền tín hiệu từ thiết bị chủ động đến thiết bị bị động.

MISO hay SO – cổng ra bên Slave, cổng vào bên Master. Đây là chân dành
cho việc truyền dữ liệu từ thiết bị bị động sang thiết bị chủ động.
SCLK hay SCK là tín hiệu clock đồng bộ (Serial Clock). Xung nhịp được tạo
ra bởi Master.
SS hay CS là tín hiệu chọn vi mạch (Slave Select hay Chip Select). SS sẽ ở
mức cao khi không làm việc. Nếu SS được kéo xuống mức thấp thì sẽ xảy ra
q trình giao tiếp. Chỉ có một đường SS trên mỗi slave nhưng có thể có
nhiều đường điều khiển SS trên master, tùy thuộc vào thiết kế của người
dùng.
2.1.4

Một số loại ESP8266 được bán trên thị trường

Hiện nay trên thị trường đã có rất nhiều phiên bản của ESP8266 phù hợp với
từng người dùng với nhiều mục đích sử dụng khác nhau như: ESP-01, ESP-02,
ESP-03, ESP-07, ESP-12F,… các module của ESP8266 được sử dụng rộng rãi như
NodeMCU, Wemos. Với giá thành rẻ, cịn có thể được lập trình bởi ứng dụng
Arduino IDE, việc sử dụng và phát triển các dự án sẽ trở nên dễ dang và tiện lợi hơn
đối với người lập trình.

2.2

GIỚI THIỆU MODULE PZEM-004T
Module đo điện AC đa năng giao tiếp SPI PZEM-004T được sử dụng để đo

và theo dõi gần như hồn tồn các thơng số về điện năng AC của mạch điện như
điện áp hoạt động, dịng tiêu thụ, cơng suất và năng lượng tiêu thụ. Giao tiếp SPI dễ
dàng kết nối truyền dữ liệu tới vi điều khiển hoặc máy tính.

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

7


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.3 Module đo điện năng AC PZEM-004T
Module được thiết kế với kích thước nhỏ gọn, dễ lắp đặt, sử dụng cách đo
dòng cách ly an tồn và khả năng đo dịng lên đến 100A, mạch có chất lượng linh
kiện và được gia cơng tốt, độ bền cao.
Thông số kĩ thuật:
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, 1.
Có opto cách ly an toàn giữa mạch đo và mạch nhận tín hiệu UART.
Lưu trữ thơng số năng lượng tiêu thụ trong bộ nhớ.
Kích thước: 30 x 75 mm.

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

8

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.4 Sơ đồ nối dây PZEM và thiết bị

2.3

MODULE HIỂN THỊ
Khối hiển thị là một khối không kém phần quan trọng. Khối này giúp hiển thị
các thơng tin quan trọng để người dùng có thể quan sát và đánh giá hoạt động của
mạch, mặc khác cịn giúp người lập trình làm việc dễ dàng hơn trong công việc.

2.3.1 Module LCD 20x4
Khác với led 7 đoạn, LCD giúp chúng ta hiển thị được các thông số rõ ràng
hơn, chi tiết hơn, cùng với giá thành rẻ và lập trình đơn giản nên LCD được ưa
chuộng hơn các loại màn hình khác như HMI hay OLED…
Hiện nay trên thị trường có bán hai loại LCD với kích thước màn hình rất
phổ biến là LCD 16x2 và LCD 20x4. Để hiển thị được các thông số rõ ràng, chi
tiết thì LCD 20x4 với kích thước rộng rãi hơn sẽ là lựa chọn thích hợp.

Hình 2.5 Hình ảnh của LCD 20x4
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

9


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Thông tin các chân của LCD sẽ được hiển thị chi tiết ở bảng 2.1
Bảng 2.1 Thông số các chân của LCD 20x4

Chân số

Tên chân

Input/Output

1

Vss

Power

GND

2

Vdd

Power

Điện áp vào từ +3V đến +5V

3

Vo

Analog

Điều khiển độ tương phản của màn
hình

4

RS

Input

Thanh ghi lựa chọn tín hiệu
H: data signal, L: instruction signal

Input

Đọc/Ghi dữ liệu. H: read mode, L:
write mode

5

R/W

Chức năng tín hiệu

6

E

Input

7

DB0

I/O

Dữ liệu (LSB)

8

DB1

I/O

Dữ liệu

9

DB2

I/O

Dữ liệu

10

DB3

I/O

Dữ liệu

11

DB4

I/O

Dữ liệu

12

DB5

I/O

Dữ liệu

13

DB6

I/O

Dữ liệu

14

DB7

I/O

Dữ liệu (MSB)

15

A/Vee

Input

4,2V cho đầu ra điện áp LED/tiêu cực

16

K

Input

Nguồn cho B/L (0V)

Tín hiệu cho phép H → L

2.3.2 Module chuyển đổi giao tiếp I2C

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

10


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

I2C (Inter – Integrated Circuit) là giao thức giao tiếp được phát triển bởi
Philips Semiconductors để truyền dữ liệu giữa một bộ xử lý trung tâm với nhiều IC

trên cùng một board mạch chỉ sử dụng hai đường truyền tín hiệu.
Do tính đơn giản mà chuẩn giao tiếp này được sử dụng rộng rãi cho giao tiếp
giữa các vi điều khiển và mảng cảm biến, các thiết bị, thiết bị IoT, EEPROMs,…
Việc kết nối module LCD với ESP8266 sẽ tốn kém nhất nhiều chân mà
ESP8266 không thể đáp ứng hết tất cả số chân của LCD. Chính vì vậy mà module
I2C đóng vai trị quan trọng có chức năng kết nối module LCD và ESP8266.

Hình 2.6 Module chuyển đổi giao tiếp I2C
Thông số kỹ thuật:
Điện áp hoạt động: 2.5 – 6V DC.
Hỗ trợ màn hình: LCD1602, 1604, 2004 (driver HD44780).
Giao tiếp: I2C.
Địa chỉ mặc định: 0x27 (có thể điều chỉnh bằng cách ngắn mạch
chân A0/A1/A2).
Kích thước: 41.5mm(L) x 19mm(W) x 15.3mm(H).
Tích hợp biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD.

2.4

KHÁI QUÁT VỀ MẠNG KHÔNG DÂY

2.4.1 Giới thiệu

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

11


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Mạng khơng dây (hay cịn gọi là mạng Wi-Fi, mạng Wireless, 802.11) là
mạng kết nối các thiết bị có khả năng thu phát sóng (như máy vi tính có gắn Adapter
khơng dây, PDA,…) lại với nhau khơng sử dụng dây dẫn mà sử dụng sóng vô tuyến
được truyền dẫn trong không gian thông qua các trạm thu/phát sóng.
2.4.2 Nguyên tắc hoạt động
Để có thể có được sóng wifi thì chúng ta cần phải có các bộ phát wifi (như
modem, router wifi…). Các thiết bị này được gắn với đầu vào của internet được
cung cấp bởi các đơn vị viễn thông. Khi đã kết nối các thiết bị Modem và router sẽ
lấy tín hiệu mạng qua đường dâu kết nối, sau đó chuyển thành sóng wifi để các thiết
bị có hỗ trợ kết nối wifi bắt và sử dụng mạng internet.
Quá trình ngược lại cũng được truyền như sau: các thiết bị sử dụng wifi sẽ
gửi lại dữ liệu qua sóng wifi đến bộ giải mã là router và modem sẽ giải mã và gửi
lên mạng của một chuẩn kết nối Ethernet có dây.

Hình 2.7 Sơ đồ mô tả nguyên tắc hoạt động của WiFi
2.4.3 Một số chuẩn WiFi
Chuẩn WiFi là được một tổ chức công nghệ IEEE ( Institute of Electrical and
Electronics Engineers ) thành lập nên. Qua đó, chuẩn wifi dùng để thống nhất một
chuẩn chung cho nhiều giao thức kỹ thuật khác nhau và dùng để phân loại chung.
Hiện nay có một số chuẩn WiFi thông dụng được thể hiện thông qua bảng 2.2.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

12