Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển và giám sát điện năng tiêu thụ cho tải thông qua mạng internet

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM
SÁT ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ CHO TẢI
THÔNG QUA MẠNG INTERNET
GVHD: HÀ A THỒI
SVTH: TRẦN ANH KHOA
MSSV: 15141185
SVTH: NGUYỄN VĂN HẠNH
MSSV: 15141151

SKL 0 0 7 3 7 4

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 08/2020


TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH
CỘNG HỊA 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 07 năm 2020

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên:

Trần Anh Khoa

MSSV: 15141185

Nguyễn Văn Hạnh

MSSV: 15141151

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 ĐIỀU KHIỂN VÀ
GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ CHO TẢI THÔNG QUA
MẠNG INTERNET
II. NHIỆM VỤ
1. Các số liệu ban đầu:
-

Các loại vi điều khiển: Arduino Mega 2560 Pro, Arduino Nano, Esp 8266 V12

-

Các loại Module: Lora – E32 TTL 100, Đo dòng ACS712, ULN2003

-

Màn hình hiển thị: LCD 20x4

-

Điều khiển thiết bị điện: relay, transistor, diode

-

Nguồn: module hạ áp AC – DC

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 cơng 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

-

Báo cáo đề tài tốt nghiệp


III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

18/03/2020

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

10/08/2020

V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: KS. Hà A Thồi
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

i


TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH
CỘNG HỊA 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 07 năm 2020

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên 1: Trần Anh Khoa

Lớp:

15141DT1D

MSSV:15141185

Họ tên sinh viên 2: Nguyễn Văn Hạnh
Lớp:

15141DT1A

MSSV:15141151

Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM
SÁT ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ CHO TẢI THÔNG QUA MẠNG
INTERNET
Xác nhận

Tuần/ngày

Nội dung

Tuần 1,2

Gặp GVHD để lựa chọn đề tài tốt nghiệp và

GVHD

18/03-01/04

viết đề cương chi tiết

Tuần 3,4,5

Tìm hiểu các linh kiện sử dụng trong mạch.

02/03-25/04

Thiết kế sơ đồ nguyên lí

Tuần 6,7,8,9

Lập trình vi điều khiển điều khiển và giao tiếp

27/04-25/05

với các module trong mạch

Tuần 10,11

Thiết kế App Android, truyền nhận dữ liệu

26/05-09/06

giữa Firebase với App và với Esp8266

Tuần 12
10/06-17/06
Tuần 13,14,15
18/06-11/07

Đóng hộp mơ 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)

ii


LỜI CAM ĐOAN
Nhóm sinh viên – Nguyễn Văn Hạnh và Trần Anh Khoa xin cam đoan đây là
đồ án do nhóm tự thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy Hà A Thồi. Nhóm chỉ tham
khảo các tài liệu trước đó và các nghiên cứu trên mạng online. Kết quả cơng bố trong
khóa luận tốt nghiệp là trung thực khơng sao chép từ tài liệu hay cơng trình đã có trước
đó.
Người thực hiện đề tài
Trần Anh Khoa
Nguyễn Văn Hạnh

iii


LỜI CẢM ƠN
Nhóm thực hiện đồ án xin được gửi lời cảm ơn đặc biệt đến giảng viên hướng dẫn
thầy Hà A Thồi vì đã giúp đỡ nhóm trong q trình thực hiện đồ án, người đã đưa ra hướng
nghiên cứu, giải đáp thắc mắc, cũng như tận tình quan sát nhóm làm việc. Trong q
trình thực hiện nhóm đã tiếp thu được những kiến thức thực tế và cách làm việc nghiêm
túc, hiệu quả từ thầy.

Nhóm em xin gửi lời tri ân thành nhất đến các quý thầy cô trong khoa Điện - điện
tử đã hỗ trợ chúng em về những kiến thức nền tảng vững vàng, tạo điều kiện tốt nhất cho
sinh viên trong quá trình học tập và nghiên cứu.
Sự hỗ trợ thầm lặng và vô cùng quan trọng từ gia đình và bạn bè ln là động lực
để nhóm có thể làm việc hết khả năng và hoàn thành đồ án một cách tốt nhất.
Một lần nữa nhóm vơ cùng hân hạnh khi được làm sinh viên tại trường ĐH Sư
Phạm Kỹ Thuật TPHCM, là học trò của những giảng viên đầy tâm huyết, lời cảm ơn này
cũng là sự ghi nhận sâu sắc mà nhóm muốn gửi đến thầy cơ, gia đình và bạn bè.
Người thực hiện đề tài
Trần Anh Khoa
Nguyễn Văn Hạnh

iv


MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ..................................................................... i
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP............................................ ii
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. iii
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................... iv
TÓM TẮT ........................................................................................................ xv
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ................................................................................ 1

1.1

ĐẶT VẤ N ĐỀ ................................................................... 1

1.2

MỤC TI ÊU Đ Ề T ÀI .......................................................... 2

1.3

NỘI DUN G TH Ự C HIỆN .................................................. 2

1.5.

BỐ CỤC ĐỒ Á N ............................................................... 4

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..................................................................... 5

2.1

TẦM QUA N TRỌNG CỦA V IỆ C QUẢN LÝ ĐI Ệ N NĂNG .... 5

2.2

CÔN G NG H Ệ IOT ............................................................. 5

2.3

GIỚI TH IỆU V Ề PHẦN CỨ NG ......................................... 6

2.3.1

Giới thiệu module ESP8266 ....................................................................6

2.3.2 Vi Điều Khiển.............................................................................................. 10
2.3.3 Module LCD 2004-20X4 .............................................................................15
2.3.4 Module Lora E32 - TTl – 100 ......................................................................16

2.3.5 Cảm biến dòng điện Hall ACS712 20A .......................................................19
2.3.6 IC đệm dòng ULN 2003 ...............................................................................21
2.3.7 Module chuyển đổi nguồn điện AC - DC....................................................22
2.3.8 Relay tiếp điểm cơ khí .................................................................................23
2.4 CHU ẨN GI AO TI ẾP U ART ................................................ 25
2.7 CÁC LOẠI M ODULE TTHU P HÁT SÓ NG RF .................... 28
2.8 NGU ỒN CU N G C ẤP .......................................................... 29
2.8.1 Bộ Chuyển Đổi Nguồn AC-DC....................................................................29
2.8.2 Bộ Chuyển Đổi Nguồn DC-DC....................................................................31
CHƯƠNG 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ ....................................................... 33

3.1 GIỚI THI ỆU .................................................................... 33
v


3.2 TÍN H TỐ N VÀ THI ẾT KẾ H Ệ TH ỐNG ........................... 33
3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống .......................................................................33
3.2.2 Tính tốn mạch điện .....................................................................................34
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG.............................................................. 50

4.1 GIỚI THI ỆU .................................................................... 50
4.2 THI CƠNG H Ệ THỐN G .................................................... 50
4.2.1 Thi cơng board mạch ...................................................................................50
4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra ......................................................................................53
4.2.3 Thi công lắp ráp mơ hình.............................................................................55
4.3 LẬP TRÌN H H Ệ THỐ NG .................................................. 58
4.3.1 Lưu đồ giải thuật .........................................................................................58
4.4 GIỚI THIỆ U VỀ PH ẦN M ỀM LẬ P TRÌNH .......................... 70
4.4.1 Giới thiệu về Arduino IDE......................................................................70
4.4.2 Giới thiệu App Blynk ...............................................................................76

CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ ........................................... 79

5.1.

GIỚI TH IỆU .................................................................. 79

5.2.

KẾT QU Ả ĐẠT Đ ƯỢC ................................................... 79

5.3. KẾT QUẢ T HỰC NG HIỆM .............................................. 80
5.3.1. Cấp nguồn và kết nối Master với Slave.......................................................80
5.3.2. Đăng nhập ứng dụng trên điện thoại và điều khiển – giám sát các thiết bị.83
5.4 NHẬ N XÉT – ĐÁNH G IÁ .................................................. 87
5.4.1.

Nhận xét ................................................................................................ 87

5.4.2.

Đánh giá ................................................................................................ 88

CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN...................................... 89

6.1.

KẾT LU ẬN .................................................................... 89

6.2.

HƯỚNG PHÁT T RI ỂN ................................................... 89

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 90
PHỤ LỤC ......................................................................................................... 91

vi


DANH SÁCH HÌNH ẢNH
Chương 2
Hình 2.1: Sơ đồ chân của ESP8266MOD ............................................................... 7
Hình 2.2: Sơ đồ chân của Board ESP-12E Node MCUS ......................................... 9
Hình 2.3: Board Arduino Mega 2560 Pro ............................................................ 10
Hình 2.4: Board Arduino Mega 2560 Pro với các GPIO ....................................... 11
Hình 2.5: Board Arduino Nano ........................................................................... 12
Hình 2.6: Arduino Nano GPIO ............................................................................ 13
Hình 2.7: Hình ảnh mặt trước của LCD 20x4 ....................................................... 14
Hình 2.8: Module Lora E32 – TTL – 100 ............................................................ 15
Hình 2.9: Mạch nguyên lý nối dây với vi điều khiển ............................................ 15
Hình 2.10: Dạng sóng khi module truyền dữ liệu qua vi điều khiển ...................... 16
Hình 2.11: Dạng sóng khi module nhận dữ liệu khơng dây ................................... 17
Hình 2.12: Cảm biến dịng điện Hall ACS712 20A .............................................. 18
Hình 2.13: Sơ đồ nối dây để sử dụng ACS712 ..................................................... 19
Hình 2.14: IC đệm dịng UNL 2003 .................................................................... 20
Hình 2.15: Các chân kết nối của ic uln 2003 ........................................................ 20
Hình 2.16: Mạch chuyển đổi nguồn AC – DC ...................................................... 21
Hình 2.17: Relay 5v ........................................................................................... 22
Hình 2.20: Gói dữ liệu truyền của UART ............................................................ 22
Hình 2.21: Sóng truyền UART ............................................................................ 23
Hình 2.22: Quá trình truyền UART ..................................................................... 24

Hình 2.23: Quá trình nhận UART ....................................................................... 25
Hình 2.26: Sơ đồ mạch RF đơn giản ................................................................... 27
Hình 2.27: Sơ đồ mạch thu song RF đơn giản ...................................................... 28
Hình 2.28: Mạch thu phát 6 kênh 2.4 GHZ L24YK-RX4 ...................................... 31

viii


Hình 2.29: Mạch thu phát sóng RF NRF24L01+ .................................................. 32
Hình 2.30: Mạch thu phát RF UART LC12S 2.4Ghz ............................................ 33
Hình 2.31: Adapter 12v – 1,5A ........................................................................... 33
Hình 2.32: Nguồn tổ ong 12V-10A ..................................................................... 34
Hình 2.33: Sơ đồ hoạt động của mạch tăng áp ..................................................... 34
Hình 2.34: Mạch tăng áp XL6009 4A .................................................................. 35
Hình 2.35: Sơ đồ hoạt động của mạch hạ áp ........................................................ 35
Hình 2.36: Mạch hạ áp DC-DC LM2596 ............................................................. 35

Chương 3
Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống ...................................................................... 45
Hình 3.2: Sơ đồ chân của ESP8266-12E Node MCU ............................................ 47
Hình 3.3: Sơ đồ chân của Arduimo Mega 2650 Pro .............................................. 48
Hình 3.4: Sơ đồ kết nối Arduino Mega với nút nhấn ............................................ 49
Hình 3.5: Sơ đồ kết nối Arduino Mega với LCD .................................................. 50
Hình 3.6: Sơ đồ kết nối Arduino Mega với Lora .................................................. 51
Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý Master ....................................................................... 52
Hình 3.8: BJT điều khiển Buzzer ........................................................................ 53
Hình 3.9: IC đệm dịng ULN 2003 ...................................................................... 54
Hình 3.10: Sơ đồ cấu tạo của IC ULN 2003 ......................................................... 55
Hình 3.11: Kết nối ACS với Arduino Nano ......................................................... 55
Hình 3.12: Kết nối relay với UNL2003 ............................................................... 56

Hình 3.13: Kết nối khối giám sát và điều khiển relay với Arduino Nano ............... 57
Hình 3.14: Kết nối mạch điều khiển buzzer với Arduino ...................................... 57
Hình 3.15: Kết nối Lora với Arduino nano .......................................................... 58
Hình 3.16: Kết nối phím nhấn với Arduino Nano ................................................. 58
Hình 3.17: Sơ đồ nguyên lý mạch Slave .............................................................. 59

ix


Hình 3.18: Khối nguồn ....................................................................................... 61

Chương 4
Hình 4.1: Bố trí linh kiện mặt trên của mạch chính (Master) ................................ 62
Hình 4.2: Bố trí linh kiện mặt sau của mạch chính (Master) ................................. 63
Hình 4.3: Bố trí linh kiện mặt trước của mạch chính (Slave) ................................ 64
Hình 4.4: Bố trí linh kiện mặt sau của mạch chính (Slave) ................................... 65
Hình 4.5: Hình ảnh của mạch chính sau khi hàn linh kiện .................................... 66
Hình 4.6: Hình ảnh của mạch phụ sau khi hàn linh kiện ....................................... 66
Hình 4.7: Hình ảnh của tấm mica ........................................................................ 67
Hình 4.8: Hình ảnh thực tế bên trong hộp mạch chính(Master) ............................. 67
Hình 4.9: Hình ảnh thực tế bên trên hộp mạch chính(Master) ............................... 68
Hình 4.10: Hình ảnh thực tế bên trong hộp mạch phụ(Slave) ................................ 68
Hình 4.11: Hình ảnh thực tế bên trên hộp mạch phụ(Slave) .................................. 69
Hình 4.12: Hình ảnh thực tế bên trên hộp của hai mạch........................................ 70
Hình 4.13: Lưu đồ chương trình chính Arduino Mega2560 pro ............................. 71
Hình 4.14: Lưu đồ khởi tạo hệ thống ................................................................... 73
Hình 4.15: Lưu đồ gửi và nhận giữ liệu từ Slave.................................................. 74
Hình 4.16: Lưu đồ điều khiển nút nhấn Master .................................................... 75
Hình 4.17: Lưu đồ chương trình phát và gửi cảnh báo .......................................... 76
Hình 4.18: Lưu đồ chương trình điều khiển Slave ................................................ 77

Hình 4.19: Lưu đồ chương trình con đọc cảm biến ACS 712 ................................ 78
Hình 4.20: Lưu đồ điều khiển các nút nhấn trên Slave ......................................... 79
Hình 4.21: Lưu đồ kết nối ESP với Blynk Sever .................................................. 80
Hình 4.22: Lưu đồ chương trình con tạo dữ liệu gửi lên Blynk Sever ................... 81
Hình 4.23: Lưu đồ sử dụng App .......................................................................... 82
Hình 4.24: Quy trình làm việc của arduino .......................................................... 83

x


Hình 4.25: Giao diện lập trình arduino ................................................................ 83
Hình 4.26: Giao diện menu arduino IDE ............................................................. 84
Hình 4.27: Giao diện file menu arduino IDE ....................................................... 84
Hình 4.28: Giao diện Examples menu ................................................................. 85
Hình 4.29: Giao diện Sketch Menu Arduino IDE ................................................. 86
Hình 4.30: Giao diện edit menu arduino IDE ....................................................... 86
Hình 4.31: Giao diện Tool Menu Arduino IDE .................................................... 87
Hình 4.32: Board ESP8266 sử dụng .................................................................... 87
Hình 4.33: Arduino Toolbar ............................................................................... 88
Hình 4.34: Chương trình nạp thành cơng ............................................................. 88
Hình 4.35: Thêm thư viện Blynk vào Arduino IDE .............................................. 89
Hình 4.36: Giao diện khởi tạo blynk ................................................................... 90

Chương 5
Hình 5.1: Khi cấp nguồn cho Slave thì Master sẽ gửi tín hiệu yêu cầu kết nố i .............. 93
Hình 5.2: Slave kết nối và bắt đầu gửi giữ liệu cho Master ................................... 93
Hình 5.3: Master hiển thị trạng thái thiết bị của Slave khi điều khiển bằng tay với tải
là một bóng đèn ................................................................................................. 94
Hình 5.4: Trạng thái báo Warning khi dòng điện gửi về Master lớn hơn hoặc bằng
ngưỡng .............................................................................................................. 95

Hình 5.5: Trạng thái báo Internet được kết nối .................................................... 95
Hình 5.6: App Blynk .......................................................................................... 96
Hình 5.7: Đăng nhập ứng dụng Blynk ................................................................. 96
Hình 5.8: Điều khiển thiết bị từ xa thơng qua App Blynk ..................................... 97
Hình 5.9: Master nhận lệnh điều khiển từ App rồi gửi qua Slave để điều khiển thiết
bị ...................................................................................................................... 97
Hình 5.10: Trạng thái báo Warning cho cả 3 thiết bị ............................................ 98

xi


Hình 5.11: Sử dụng App Blynk đổi địa chỉ wifi ................................................... 98
Hình 5.12: Đổi địa chỉ wifi thành cơng ............................................................... 99

xii


DANH SÁCH BẢNG VẼ
Chương 2
Bảng 2.1: Bảng so sánh thông số ESP-01, ESP-12E Node MCU, Wemos D1 Mini ... 8
Bảng 2.2: Thông số các chân của Board ESP-12E Node MCU .............................. 10
Bảng 2.3: Thông số kĩ thuật Arduino Nano .......................................................... 12
Bảng 2.4: Thông số các chân của LCD 20x4 ........................................................ 14
Bảng 2.5: Các Mode hoạt động của Module LORA E32 -TTL-100 ......................... 19
Bảng 2.6: Phân loại tần số song vô tuyến ............................................................. 30

Chương 3
Bảng 3.1: Tính tốn dịng điện các linh kiện sử dụng trong mạch Master ............... 59
Bảng 3.2: Tính tốn dịng điện các linh kiện sử dụng trong mạch Slave ................. 60

xiv


TÓM TẮT
Cùng với sự phát triển của nền kinh tế đất nước, nhu cầu về tiêu thụ điện năng
ngày càng cao trong khi khả năng cung cấp điện còn rất nhiều khó khăn, từ đó vấn đề
sử dụng điện tiết kiệm, hiệu quả trở thành vấn đề cấp bách. Việc ý thức tiết kiệm điện
của người dân chưa được nâng cao, các biện pháp đề ra để tiết kiệm điện cịn khá ít và
việc áp dụng nó vào thực tiễn còn nhiều bất cập. Để tiết kiệm điện phụ thuộc ở 2 yếu
tố: thiết bị điện và thói quen sử dụng của con người. Người dùng thường bận rộn với
công việc nên ít có thời gian giám sát được việc sử dụng các thiết bị trong gia đình hay
cơ quan, dẫn đến nhiều thiết bị hoạt động không cần thiết, gây lãng phí năng lượng điện
và tăng chi phí điện cho gia đình, cơ quan.
Để giải quyết vấn đề quản lý và giảm sát được việc sử dụng điện năng trong nhà,
nhóm đã nảy sinh ra ý tưởng thiết kế một hệ thống có thể giúp người dùng tiết kiệm
điện năng qua việc giám sát lượng điện và có thể định ngưỡng tiêu thụ điện trong mỗi
ngày hoặc mỗi tháng. Khi lượng điện vượt mức giới hạn thì thơng báo cho người dùng
biết mà đưa ra việc điều khiển thiết bị điện phù hợp. Ngồi ra, người dùng có thể theo
dõi các thiết bị của ngôi nhà từ xa qua điện thoại hoặc internet.

xv


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1

Hiện nay, việc quản lý và giám sát điện năng tiêu thụ trong các nhà máy, khu
cơng nghiệp, hộ gia đình, trường học là chìa khóa để tiết kiệm năng lượng cho chính
phủ trong những năm gần đây đang chịu những áp lực về kinh tế và môi trường. Quản
lý và giám sát điện năng giúp giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch đang ngày trở
nên cạn kiệt.
Điện năng đóng vai trò lớn trong cuộc sống hiện nay, trong đời sống nó được sử
dụng để thắp sáng, dùng để chạy máy điều hịa, quạt điện, tivi…Đối với sản xuất khơng
thể thiếu điện năng, như vậy điện năng là nguồn năng lượng có vai trị cốt yếu trong đời
sống sinh hoạt cũng như sản xuất. Phần lớn điện năng được tạo ra từ nước, than, dầu
khí… đều là những nguồn năng lượng của thiên nhiên do vậy, nếu sử dụng lãng phí thì
nguồn tài ngun sẽ nhanh chóng cạn kiệt. Từ đó thấy rằng tầm quan trọng của việc
giám sát và quản lý điện năng tiêu thụ là rất cần thiết.
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 thơng 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 khơng 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.

1
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
Từ những khảo sát trên và những địi hỏi ngày càng cao của phát triển cơng
nghiệp cơng nghệ cao, cộng với sự phát triển mạnh của khoa học công nghệ, đặc biệt là

công nghệ thông tin, kỹ thuật điện-điện tử nhóm chúng em quyết định thực hiện đề tài
có tên là “Thiết kế và thi cơng hệ thống điều khiển và giám sát điện năng tiêu thụ
cho tải thơng qua mạng Internet”. Người dùng có thể giám sát cũng như điều khiển
thiết bị điện từ xa ở mọi nơi thông qua ứng dụng điện thoại khi được kết nối internet.

MỤC TIÊU ĐỀ TÀI

1.2

Hệ thống này có khả năng giám sát các thông số điện năng và điều khiển bật tắt
thiết bị từ xa qua Internet bằng ứng dụng trên điện thoại Android hoặc IOS cho các thiết
bị điện như đèn, quạt, tivi,…có thể thiết lập ngưỡng dịng điện yêu cầu kết hợp cảnh báo
khi đạt đến ngưỡng đo được. Ngoài ra, hệ thống này hoạt động theo mơ hình MasterSlave sử dụng cơng nghệ RF Lora với độ phủ sóng cao nên khơng bị hạn chế lắp đặt
trong một diện tích nhỏ.

1.3

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

-

Lựa chọn các thiết bị, linh kiện điện tử
+ Vi điều khiển: Arduino Mega 2560 pro, Arduino Nano
+ Các Module: Wifi ESP8266 NodeMCU Lua CP2102, Lora E32-TTL-100,
module chuyển mức logic TTL, module chuyển đổi điện năng AC-DC

+ Màn hình hiển thị: LCD 20x4
+ Cảm biến: ACS 712 (đo giá trị dòng điện)
+ Các thành phần khác: relay tiếp điểm cơ khí, cầu chì, buzzer, led, điện trở,
transistor

-

Tìm hiểu các chuẩn truyền thơng UART, I2C

-

Cấu hình thông số cho module truyền nhận Lora

-

Thiết kế và thi cơng hệ thống giám sát, điều khiển
2

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
-

Lập trình cho Arduino Mega 2560 pro, Arduino Nano và NodeMCU Lua CP2102

giao tiếp với nhau
-

Thiết kế ứng dụng giám sát và điều khiển cho điện thoại hệ điều hành Android

và IOS

-

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

GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI

1.4

Đề tài “Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển và giám sát điện năng tiêu thụ cho
tải thơng qua mạng Internet” có những giới hạn sau:
-

Hệ thống gồm 1 board mạch chính (Master) và 1 board mạch phụ (Slave) điều

khiển và giám sát cho tối đa 4 thiết bị điện.
-

Chỉ đo được dòng điện xoay chiều 1 pha trong mức điện áp 80VAC – 250VAC.

Dòng điện đo được trong giới hạn 0 – 20A. Công suất đo được trong giới hạn 0 –

4kW. Thiết lập ngưỡng cảnh báo trong mức giới hạn 0 – 20A.
-

Khoảng cách giữa board mạch chính và board mạch phụ tối đa là 1km.

-

Điều khiển các thiết bị quạt, đèn, … công suất tiêu thụ dưới 1000W.

-

Hiển thị các thông số dịng điện, cơng st trên màn hình LCD 20x4.

-

Hệ thống cảnh báo quá dòng khi đạt đến ngưỡng cài đặt, phát cảnh báo cho 2

board và ứng dụng điện thoại.
-

Sử dụng vi điều khiển Arduino Mega 2560 pro, Arduino Nano và ESP8266

NodeMCU Lua CP2102 trong việc lập trình.
-

Đo giá trị dòng điện sử dụng cảm biến ACS 712.

-

Gửi dữ liệu và trạng thái các thiết bị lên Firebase của Google.

-

Hệ thống có thể điều khiển trực tiếp tại các board mạch bằng các nút nhấn hoặc

điều khiển gián tiếp bằng ứng dụng được viết riêng cho điện thoại Android và IOS.
-

Tốc độ, thời gian hoạt động của hệ thống phụ thuộc vào đường truyền internet và

môi trường tiếp xúc.

3
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
-

Do việc tìm tịi, nghiên cứu có giới hạn nên trong quá trình thực hiện đề tài nhóm

chỉ dừng lại ở việc xây dựng ý tưởng gần gũi, biết cách sử dụng các module áp dụng
trong đề tài của nhóm.

1.5.

BỐ CỤC ĐỒ ÁN
Trong bài báo cáo này nhóm nghiên cứu đã cố gắng trình bày một cách thật

logic để người đọc có thể dễ dàng nắm rõ được kiến thức, phương thức cũng như

cách thức hoạt động của hệ thống. Bố cục của bài báo cáo được nhóm chia làm 6
chương như sau:
Chương 1. Tởng 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 Tốn
Chương này giới thiệu tổng quan về các yêu cầu của đề tài về thiết kế và các tính
tốn liên quan đến đề tài.
Chương 4: Thi cơng 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 mơ hình đã hồn 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 tốn đã kiến nghị ban đầu

4
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH


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 lực 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 năng lượng, doanh nghiệp cũng như các hộ g̣ ia đình sẽphải đối măt với tình trạng
thiếu nguồn cung cấp nghiêm trọng kèm theo nguy cơ tăng giá năng lượng dẫn đến ảnh
hưởng tới lợi nhuận của tổ chức, bằng việc quản lý năng lượng doanh nghiệp và các
hộ g̣ ia đình có thể giảm nguy cơ này bằng cách kiểm sốt nhu cầu năng lượng, tiết kiệm
điện trên dây chuyền sản xuất từng bước tăng hiệu quả việc đầu tư vào giá thành cho
sản phẩm.
Lợi ích đem lại khi sử dụng hệ ̣thống giám sát và quản lý năng lượng:
- Giảm thời gian chi phí nhân cơng để ghi lại dữ liệu từ các đồng hồ đo, nhập vào
file excell báo cáo mỗi tháng.
- Giảm được sai sót trong q trình thu thập dữ liệu bằng tay.
- Giám sát được điện năng từng khu vực mong muốn 24/24.

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 khơng dây, cơng 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 ngồi để thực hiện một cơng việc nào đó. Hay hiểu một cách đơn giản
IoT là tất cả các thiết bị có thể kết nối với nhau.
5
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
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 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 VỀ PHẦN CỨNG

2.3.1 Giới thiệu module ESP8266
ESP8266 là dịng chip tích hợp Wi-Fi 2.4Ghz có thể lập trình được, giá thành rẻ
và được sản xuất bởi một công ty bán dẫn Trung Quốc: Espressif Systems. Phiên bản
đầu tiên được phát hành vào tháng 8 năm 2014, đóng gói đưa ra thị trường dạng Module
ESP 01 do bên thứ 3 là AI-Thinker sản xuất ra. Module này có khả năng kết nối Internet
qua mạng Wi-Fi một cách nhanh chóng và sử dụng rất ít linh kiện đi kèm. Với giá cả
phù hợp cũng như các tính năng vượt trội ESP8266 ngày càng được dùng nhiều trong
cuộc sống đặc biệt là các dự án học tập nghiên cứu của sinh viên.
ESP8266 có một cộng đồng các nhà phát triển trên thế giới rất lớn, cung cấp
nhiều Module lập trình mã mở giúp nhiều người có thể tiếp cận và xây dựng ứng dụng
rất nhanh. Hiện nay, tất cả các dòng chip ESP8266 trên thị trường đều mang nhãn
ESP8266EX, là phiên bản nâng cấp của ESP8266.
❖ Sơ đồ chân của ESP8266
Sơ đồ chi tiết các chân của ESP8266 được làm rõ trong hình 2.1

6
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.1: Sơ đồ chân của ESP8266MOD
 Thông số phần cứng


Bộ xử lý lõi ESP8266 tích hợp MCU micro 32-bit cơng suất thấp Tensilica
Xtensa LX106 chạy với tốc độ 80 MHz và 160Mhz.



Bộ nhớ Flash ngoài từ 512KB đến 4MB.



Chuẩn Wi-fi IEEE 802.11 b/g/n, Wi-Fi 2.4 GHz. Tích hợp giao thức TCP/IP.



Có 16 chân GPIO.



Tốc độ truyền UART lên đến 4Mbps.



Hỗ trợ SDIO 2.0, UART, SPI, I2C, 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.
7

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
 Các loại Module ESP8266 trên thị trường:
Để đơn giản cho người sử dụng ở mọi lứa tuổi, ngành nghề, dự án trên thị trường
xuất hiện rất nhiều Module và Board mạch phát triển toàn diện phù hợp với các yêu cầu
trên. Một số Module ESP8266 điển hình như: ESP-01, ESP-02, ESP-03, ESP-07, ESP12F, … và một số Board mạch phát triển như: NodeMCU, Wemos, … Trong đó, có ba
loại được sử dụng nhiều và cũng khá là tốt như ESP-01, ESP-12E Node MCU và Wemos
D1 Mini. Với giá thành hợp lý, có thể đáp ứng nhu cầu các dự án tiên tiến và một điều
đặc biệt là các Module và Board mạch trên còn tương thích với Arduino IDE rất tiện lợi
cho việc lập trình để phát triển.
Bảng 2.1: Bảng so sánh thơng số ESP-01, ESP-12E Node MCU, Wemos D1 Mini

Thông số

Số chân GPIO
Số chân ADC
Bộ nhớ Plash

ESP-01

ESP-12E Node
MCU

4
(bao gồm TX và RX)
1
1MB
(phiên bản nâng cấp)

Wemos D1 Mini

11

11

1

1

4MB

4MB

Chú thích các chân

Khơng

Có

Có

USB chuyển đổi

Khơng

Có

Có

24,75 x 14.5mm

48,55 x 25,6mm

34,2 x 25,6mm

Kích thước

Sau khi tìm hiểu một số loại Module và Board mạch phát triển nhóm chúng lựa
chọn Module ESP8266 được tích hợp trên Board ESP-12E Node MCU. Với các đặc
điểm đó là nhiều chân I/O, giá cả hợp lý, rất dễ tìm và mua ngồi thị trường, nạp chương
trình điều khiển cho Board dễ dàng thơng qua Arduino IDE và cổng COM của máy tính.

Tồng quan về Board ESP-12E Node MCU:


Dịng điện hoạt động: 10uA~170mA.
8

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT


Bộ nhớ Flash: 16MB.



Tích hợp giao thức TCP/IP.



Bộ xử lý: Tensilica L106 32-bit.



Tốc độ bộ xử lý: 80~160MHz.



Cấp nguồn: 5VDC MicroUSB hoặc V-in.



GPIO giao tiếp mức 3.3VDC.



Tích hợp Led báo trạng thái, nút Reset, nút Flash.



Tương thích hồn tồn với trình biên dịch Arduino IDE.

Dưới đây là sơ đồ chân của Board ESP-12E Node MCU:

Hình 2.2: Sơ đồ chân của Board ESP-12E Node MCU
Đối với những yêu cầu của đề tài “Hệ thống thu thập thông tin và gọi hỗ trợ sản
xuất trong xưởng may dùng cơng nghệ khơng dây” nhóm chỉ sử dụng chức năng của
chân ADC, chân SCL, SDA và các chân GPIO của Board ESP-12E Node MCU.
Chức năng chi tiết từng chân của Board ESP-12E Node MCU được làm rõ trong
bảng 2-2:

9
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Bảng 2.2: Thông số các chân của Board ESP-12E Node MCU
Nhãn

GPIO

Input

Output

D0

GPIO16

Không ngắt

D1

GPIO5

Tốt

Tốt

D2

GPIO4

Tốt

Tốt

Không hỗ trợ
PWM hoặc I2C

Chú thích
Chế

độ

Deep-sleep

wakeup
Thường được sử dụng như
SCL (I2C)
Thường được sử dụng như
SDA (I2C)
Kết nối với nút Flash, khởi

D3

GPIO0

Kéo mức cao

Tốt

động thất bại nếu ở mức
thấp
Kết nối với Led trên

D4

GPIO2

Kéo mức cao

Tốt

Board, khởi động thất bại
nếu ở mức thấp

D5

GPIO14

Tốt

Tốt

SCLK (SPI)

D6

GPIO12

Tốt

Tốt

MISO (SPI)

D7

GPIO13

Tốt

Tốt

MOSI (SPI)

D8

GPIO15 Kéo mức thấp

RX

GPIO3

Tốt

Chân RX

Mức cao khi khởi động

TX

GPIO1

Chân TX

Tốt

Mức cao khi khởi động

A0

ADC0

Ngõ ra
Analog

Tốt

CS (SPI). Khởi động thất
bại nếu kéo mức cao

Khơng

2.3.2 Vi Điều Khiển
10
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH