Thiết kế thi công thiết bị giám sát hệ thống điện của tòa nhà từ xa

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN THIẾT BỊ ĐIỆN
---------------o0o---------------

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ THI CÔNG THIẾT BỊ GIÁM SÁT
HỆ THỐNG ĐIỆN CỦA TÒA NHÀ TỪ XA

GVHD

:

TS. MAI BÁ LỘC

NHĨM SVTH :
VÕ ĐÌNH THỊNH

41203640

NGUYỄN HỮU KHA

41201561

TP.HỒ CHÍ MINH THÁNG 12/2016
i


NHĨM TÁC GIẢ

Được phát triển từ Đồ án mơn học 2, Luận văn tốt nghiệp “Thiết kế thi công thiết bị giám
sát hệ thống điện của tòa nhà từ xa” là kết quả của q trình cùng nhau mày mị, nghiên
cứu những kiến thức mới của nhóm tác giả. Trong đó:
-Tác giả Nguyễn Hữu Kha chịu trách nhiệm về phần đo lường để thu thập thơng tin về dịng
điện, thiết kế mạch phần cứng.
-Tác giả Võ Đình Thịnh chịu trách nhiệm về phần thiết kế hệ thống, truyền tải dữ liệu, điều
khiển thiết bị và thiết kế phần mềm.
Vì kiến thức và khả năng có hạn, luận văn khơng thể tránh khỏi một số sai sót. Mong các thầy
cơ, các bạn sinh viên có thể đóng góp ý kiến để luận văn hồn chỉnh hơn và có khả năng hiện
thực hóa trong cuộc sống.
Xin chân thành cảm ơn.

ii


LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, nhóm tác giả luận văn “Thiết kế thi công thiết bị giám sát hệ thống điện của
tòa nhà từ xa” xin gửi lời cám ơn chân thành đến thầy Mai Bá Lộc, cán bộ hướng dẫn đề tài.
Thầy đã hướng dẫn, đưa ra những lời khuyên thiết thực về hướng đi cũng như hỗ trợ xun suốt
đề tài trong q trình thực hiện.
Nhóm thực hiện cũng đồng gửi lời cám ơn đến thầy Trịnh Hoàng Hơn, cán bộ phản biện đề tài.
Thầy đã có những phản biện sâu sắc và hữu ích giúp nhóm nhận ra các thiếu sót cần cải thiện
và hồn thiện đề tài một cách tốt hơn.
Cảm ơn các thầy cô Đại học Bách Khoa nói chung và khoa Điện - Điện tử, Bộ mơn Thiết bị
điện nói riêng đã tận tình giảng dạy, trang bị những kiến thức giúp nhóm có thể thực hiện thành
cơng đề tài này.
Ngồi ra nhóm thực hiện chân thành gửi lời cám ơn sâu sắc đến phịng thí nghiệm Năng lượng
xanh bởi những sự hỗ trợ về cơ sở vật chất cần thiết và không gian làm việc thuận lợi trong suốt
thời gian thực hiện đề tài.

Đặc biệt nhóm xin cảm ơn gia đình, người thân và bạn bè đã luôn hỗ trợ và động viên nhóm
trong thời gian thực hiện đề tài.

Tp. Hồ Chí Minh, Tháng 12 năm 2016
Nhóm sinh viên thực hiện
Võ Đình Thịnh – Nguyễn Hữu Kha

iii


TÓM TẮT LUẬN VĂN

Ngày nay, sự gia tăng về chi phí điện cũng như mối quan tâm về ấm lên toàn cầu đã đặt ra nhu
cầu phát triển các sản phẩm, ứng dụng với mục tiêu cắt giảm điện năng tiêu thụ. Vì lý do này,
nhiều giải pháp đã được đưa ra, trong đó, có một hướng tập trung vào nhu cầu giám sát, kiểm
tra, phân tích năng lượng tiêu thụ của từng thiết bị trong gia đình, giúp người dùng sử dụng
chúng một cách hiệu quả hơn.
Cùng với đó, dữ liệu về năng lượng tiêu thụ cũng trở rất có giá trị trong việc phân tích nhu cầu,
thói quen của người dùng, giúp các công ty, tổ chức xác định được nhu cầu năng lượng hay
thậm chí là tình hình phát triển kinh tế xã hội của một địa bàn.
Nắm bắt nhu cầu trên, nhóm quyết định triển khai đề tài Thiết kế thi công thiết bị giám sát hệ
thống điện của tòa nhà từ xa. Mục tiêu của đề tài là tạo ra một giải pháp giúp người dùng có thể
theo dõi từ xa các thơng số sử dụng điện và điều khiển từ xa các thiết bị điện trong gia đình
thơng qua Internet.

iv


MỤC LỤC

Trang

LỜI CẢM ƠN............................................................................................................................iii
TÓM TẮT LUẬN VĂN ............................................................................................................ iv
MỤC LỤC

............................................................................................................................. v

DANH SÁCH HÌNH VẼ.........................................................................................................viii
DANH SÁCH BẢNG BIỂU ..................................................................................................... xi
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI .......................................................................................... 1
1.1.

Xu hướng vạn vật kết nối ............................................................................................. 1

1.2.

Xu hướng phân tích dữ liệu lớn ................................................................................... 3

1.3.

Vấn đề hiện tại ............................................................................................................. 4

1.4.

Mục tiêu đề tài và phạm vi ứng dụng .......................................................................... 5

1.5.

Tóm tắt nội dung các chương ...................................................................................... 6

1.6.

Sơ lược về cách thức hoạt động ................................................................................... 7

1.7.

Tiêu chí của thiết bị ..................................................................................................... 7

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN ...................................................................................................... 8
2.1.

Điện kế (Cơng tơ điện) ................................................................................................ 8

2.2.

Đo lường dịng điện ..................................................................................................... 9

2.2.1.

Điện trở shunt ....................................................................................................... 9

2.2.2.

Cảm biến Hall ....................................................................................................... 9

2.2.3.

Biến dịng............................................................................................................ 10

2.3.

Đo lường điện áp........................................................................................................ 11

2.4.

Đo lường cơng suất .................................................................................................... 12

2.5.

IC đo lường năng lượng (EMIC) ............................................................................... 12

2.6.

Truyền tải dữ liệu khơng dây .................................................................................... 12

2.7.

Giải pháp hiện có trên thị trường ............................................................................... 14

v


2.7.1.

Kill A Watt ......................................................................................................... 14

2.7.2.

TED 5000 ........................................................................................................... 15

2.7.3.

Wireless Power Meter ........................................................................................ 15

2.8.

Kết luận ...................................................................................................................... 16

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG..................................................................................... 17
3.1.

Giới thiệu về các phần chính trong hệ thống ............................................................. 17

3.2.

Bố trí các thiết bị trong ngơi nhà ............................................................................... 18

3.3.

Tổ chức giao tiếp giữa thiết bị trung tâm và các thiết bị vệ tinh ............................... 18

3.4.

Tương tác giữa thiết bị trung tâm và nền tảng IoT .................................................... 19

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG ................................................................................. 21
4.1.

Thiết kế phần cứng cho thiết bị trung tâm ................................................................. 21

4.1.1.

Vi điều khiển Arduino Mega 2560 ..................................................................... 21

4.1.2.

Module thu phát sóng RF 2.4GHz nRF24l01+ .................................................. 24

4.1.3.

Module truyền thông GPRS Sim 900A .............................................................. 28

4.1.4.

Module hiển thị LED 16x2 ................................................................................. 30

4.1.5.

Nguồn cấp điện ................................................................................................... 32

4.1.6.

Sơ đồ mạch hoàn chỉnh ...................................................................................... 32

4.2.

Thiết kế phần cứng cho thiết bị vệ tinh...................................................................... 33

4.2.1.

Vi điều khiển Arduino Nano .............................................................................. 33

4.2.2.

Khối nguồn ......................................................................................................... 35

4.2.3.

EMIC ADE 7753 ................................................................................................ 35

4.2.4.

Thiết kế khối chuyển đổi điện áp ....................................................................... 46

4.2.5.

Thiết kế chuyển đổi dòng điện ........................................................................... 47

4.2.6.

Module relay đóng cắt thiết bị ............................................................................ 48

4.2.7.

Sơ đồ mạch thiết bị vệ tinh hoàn chỉnh .............................................................. 49

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ PHẦN MỀM ................................................................................... 51
5.1.

Hiệu chỉnh phép đo các thông số dòng điện .............................................................. 51
vi


5.1.1.

Hiệu chỉnh điện áp ..................................................................................................... 52

5.1.2.

Hiệu chỉnh dòng điện ................................................................................................. 53

5.1.3.

Hiệu chỉnh công suất tác dụng ................................................................................... 53

5.1.4.

Hiệu chỉnh năng lượng tiêu thụ.................................................................................. 54

5.2.

Phần mềm cho thiết bị trung tâm ............................................................................... 55

5.3.

Phần mềm cho thiết bị vệ tinh ................................................................................... 56

5.4.

Phần mềm cho nền tảng IoT ...................................................................................... 57

CHƯƠNG 6 THI CÔNG MẠCH PHẦN CỨNG .................................................................... 59
6.1

Thiết kế và thi công mạch in ...................................................................................... 59

6.1.1

Thiết kế mạch in ................................................................................................. 59

6.1.2

Thi công mạch in ................................................................................................ 62

6.2

Thiết kế và thi công vỏ hộp ....................................................................................... 64

6.3

Thiết kế mạch phần cứng hoàn chỉnh ........................................................................ 66

CHƯƠNG 7 KẾT QUẢ VÀ PHÂN TÍCH ............................................................................. 69
7.1

Kết quả đạt được ........................................................................................................ 69

7.2

Đo lường thực nghiệm ............................................................................................... 71

7.2.1

Kiểm tra tín hiệu đầu vào ................................................................................... 71

7.2.2

Đo lường dòng điện ............................................................................................ 71

7.2.3

Đo lường điện áp ................................................................................................ 72

7.2.4

Đo lường công suất ............................................................................................. 73

7.2.5

Đo lường năng lượng .......................................................................................... 75

7.2.6

Hình ảnh tiến hành đo ......................................................................................... 75

7.3

Vận hành theo dõi và điều khiển thiết bị ................................................................... 77

CHƯƠNG 8: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................................ 80
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................ 81

vii


DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1 Thế giới vạn vật kết nối IoT ....................................................................................... 2
Hình 2.1 Cơng tơ cơ (trái) và cơng tơ điện tử (phải) .................................................................. 8
Hình 2.2 Điện trở Shunt và cách đấu nối trong mạch ................................................................ 9
Hình 2.3 Nguyên lý của một cảm biến Hall ............................................................................. 10
Hình 2.4 Ngun lý hoạt động của biến dịng .......................................................................... 10
Hình 2.5 Nguyên lý mạch chia áp ............................................................................................ 11
Hình 2.6 Hình ảnh của cơng cụ Kill A Watt ............................................................................ 15
Hình 2.7 Hình ảnh của TED 5000 ............................................................................................ 15
Hình 2.8 Hình ảnh của Wireless Power Meter ......................................................................... 16
Hình 3.1 Tương tác giữa các phần chính trong hệ thống ......................................................... 17
Hình 3.2 Phân bổ thiết bị vệ tinh và thiết bị trung tâm trong căn hộ ....................................... 18
Hình 3.3 Mơ phỏng cách giao tiếp giữa các thiết bị trong căn nhà .......................................... 19
Hình 3.4 Tương tác giữa thiết bị trung tâm và nền tảng IoT .................................................... 20
Hình 4.1 Sơ đồ kết nối chi tiết các linh kiện trong thiết bị trung tâm ...................................... 21
Hình 4.2: Hình ảnh vi điều khiểu Arduino 2560 ...................................................................... 22
Hình 4.3: Mơ phỏng q trình truyền dữ liệu giao thức SPI .................................................... 24
Hình 4.4 Module giao tiếp Wi-Fi nRF24l01 ............................................................................ 25
Hình 4.5 Sơ đồ khối của chip truyền phát nRF24l01+ ............................................................. 26
Hình 4.6 Sơ đồ chân của module truyền phát nRF24l01+ ....................................................... 27
Hình 4.7 Sơ đồ kết nối chân giữa MCU và module nRF24l01+ .............................................. 27
Hình 4.8 Cấu trúc của một gói tin truyền phát nRF24l01+ ...................................................... 28
Hình 4.8 Module Sim 900A của SimCom và thứ tự chân ........................................................ 29
Hình 4.9 LCD 16x2 .................................................................................................................. 30

Hình 4.10 Sơ đồ chân của LCD ............................................................................................... 30
Hình 4.11 Sơ đồ nguyên lý thiết bị trung tâm hồn chỉnh........................................................ 32
Hình 4.12 Sơ đồ kết nối chi tiết các linh kiện trong thiết bị vệ tinh ......................................... 33
Hình 4.13 Vi điều khiển Arduino Nano và sơ đồ chân ............................................................ 34
Hình 4.14 Mạch nguồn 220V AC/5V DC ................................................................................ 35
Hình 4.15 EMIC ADE7753 ...................................................................................................... 36
Hình 4.16 Sơ đồ khối chức năng trong IC ADE7753............................................................... 39
Hình 4.17 Thanh ghi GAIN trong IC ADE7753 ...................................................................... 39
Hình 4.18 Hoạt động của bộ ΣΔADC ...................................................................................... 40
viii


Hình 4.19 Sơ đồ tính tốn dịng điện hiệu dụng ....................................................................... 40
Hình 4.20 ADC và q trình xử lý tín hiệu tại kênh 2 ............................................................. 41
Hình 4.21 Sơ đồ tính tốn điện áp hiệu dụng .......................................................................... 41
Hình 4.22 Sơ đồ tính cơng suất tác dụng .................................................................................. 43
Hình 4.23 Sơ đồ đo năng lượng tác dụng ................................................................................. 43
Hình 4.24 Chế độ tích lũy năng lượng theo định kỳ ................................................................ 44
Hình 4.25 Quá trình ghi của ADE 7753 ................................................................................... 45
Hình 4.26 Quá trình đọc của ADE 7753 .................................................................................. 46
Hình 4.27 Sơ đồ kênh áp đưa vào ADE 7753 .......................................................................... 47
Hình 4.28 Sơ đồ kênh dịng đưa vào ADE 7753 ...................................................................... 48
Hình 4.29 Rơle 1 kênh 220V/10A ............................................................................................ 49
Hình 4.30 Sơ đồ nguyên lý thiết bị vệ tinh hồn chỉnh ............................................................ 50
Hình 5.1 Bố trí thí nghiệm hiệu chỉnh thơng số ....................................................................... 52
Hình 6.1 Thiết kế mạch in thiết bị trung tâm ........................................................................... 60
Hình 6.2 Thiết kế mạch in 1 thiết bị vệ tinh (nguồn 220V AC) ............................................... 61
Hình 6.3 Thiết kế mạch in 2 thiết bị vệ tinh (nguồn 5V DC) ................................................... 61
Hình 6.4 Thiết bị trung tâm sau khi thi cơng ............................................................................ 62
Hình 6.5 Hình ảnh mạch in 1 sau khi thi cơng ......................................................................... 63

Hình 6.6 Hình ảnh mạch in 2 sau khi thi cơng ......................................................................... 63
Hình 6.7 Thiết bị vỏ hộp thiết bị .............................................................................................. 64
Hình 6.8 Vỏ hộp thiết bị trung tâm.......................................................................................... 65
Hình 6.9 Vỏ hộp thiết bị vệ tinh .............................................................................................. 65
Hình 6.10 Hình trực diện thiết bị trung tâm ............................................................................ 66
Hình 6.11 Hình mặt cắt ngang theo chiều rộng thiết bị trung tâm .......................................... 66
Hình 6.12 Hình mặt cắt ngang theo chiều dài thiết bị trung tâm ............................................. 67
Hình 6.13 Hình trực diện phía trên thiết bị vệ tinh.................................................................. 67
Hình 6.14 Hình trực diện phía dưới thiết bị vệ tinh ................................................................ 68
Hình 6.15 Hình trực mặt cắt ngang thiết bị vệ tinh ................................................................. 68
Hình 7.1 Thiết bị trung tâm ...................................................................................................... 70
Hình 7.2 Thiết bị vệ tinh........................................................................................................... 70
Hình 7.3 Tín hiệu dịng và áp đầu vào ...................................................................................... 71
Hình 7.4 Bàn thử nghiệm thiết bị ............................................................................................. 76
Hình 7.5 Hình ảnh đo kết quả dịng điện, điện áp, cơng suất và năng lượng ........................... 76
ix


Hình 7.6 Giao diện người dùng trên nền tảng IoT ThingSpeak ............................................... 77
Hình 7.7 Đồ thị điện áp trong thời gian khảo sát...................................................................... 78
Hình 7.8 Đồ thị dịng điện trong thời gian khảo sát ................................................................. 78
Hình 7.9 Đồ thị cơng suất trong thời gian khảo sát .................................................................. 79

x


DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Bảng so sánh các đặc điểm kỹ thuật của các module kết nối không dây .................. 13
Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật của vi điều khiển Arduino Mega 2560 ........................................ 22

Bảng 4.2 Một vài lệnh AT cơ bản trong ứng dụng kết nối Internet ......................................... 29
Bảng 4.3 : Chức năng các chân của LCD ................................................................................. 30
Bảng 4.4 Thông số kỹ thuật của vi điều khiển Arduino Nano ................................................. 34
Bảng 4.5 Sơ đồ và chức năng các chân của EMIC ADE7753 ................................................. 37
Bảng 7.1 Thông số kỹ thuật thiết bị ......................................................................................... 69
Bảng 7.2: Bảng kết quả đo dòng điện ....................................................................................... 72
Bảng 7.3: Bảng kết quả đo điện áp ........................................................................................... 73
Bảng 7.4: Bảng kết quả đo công suất ở hệ số công suất = 1 (cosφ =1) .................................... 73
Bảng 7.5: Bảng kết quả đo công suất ở hệ số công suất ≠ 1 (cosφ ≠ 1) ................................... 74
Bảng 7.6: Bảng kết quả đo năng lượng .................................................................................... 75

xi


Chương 1: Giới thiệu đề tài
__________________________________________________________________________

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Ngày nay, do hệ quả của biến đổi khí hậu và ấm lên toàn cầu cùng với nhu cầu tiết kiệm chị phí
điện, con người ngày càng quan tâm đến việc sử dụng năng lượng xanh và sử dung năng lượng
tiết kiệm hơn. Theo nghiên cứu, việc phân tích năng lượng tiêu thụ của từng thiết bị điện trong
gia đình có thể giúp người dùng sử dụng thiết bị hợp lý hơn hay phát hiện những thiết bị đã lão
hóa, có hiệu suất thấp cần thay thế. Từ đó, người dùng có thể tiết kiệm từ 10 đến 15% năng
lượng điện tiêu thụ hằng tháng.
Hiện nay, các hệ thống nhà thông minh ở Việt Nam cũng như trên thế giới hầu như tập trung
vào điều khiển mà ít tập trung vào phân tích năng lượng tiêu thụ. Với xu hướng phân tích hoạt
động của từng thiết bị độc lập vì những lợi ích của nó, khả năng tích hợp thiết bị giám sát hệ
thống điện vào các hệ thống nhà thông minh hiện nay là rất khả thi.
1.1. Xu hướng vạn vật kết nối

Với sự phát triển nhanh chóng của Internet, điện thoại thông minh, đặc biệt là các thiết bị cảm
biến và các giải pháp kết nối thế giới thực vào mạng không gian ảo. Mạng lưới vạn vật kết nối
Internet (Internet of things - IoT) đang trở thành xu hướng mới của thế giới. Các cảm biến nhỏ
hơn, rẻ hơn và thông minh hơn đang được lắp đặt trong nhà, quần áo, phụ kiện, các thành phố,
mạng lưới giao thơng và năng lượng cũng như các quy trình sản xuất.
IoT là một viễn cảnh tương lai 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, qua mạng Internet
mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy tính. IoT là
cấu thành công nghệ không dây, công nghệ vi mạch 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.

1


Chương 1: Giới thiệu đề tài
__________________________________________________________________________

Hình 1.1 Thế giới vạn vật kết nối IoT
Việc kết nối giữa các thiết bị có thể thực hiện qua Wi-Fi, mạng viễn thơng băng rộng (3G, 4G),
Bluetooth, ZigBee, hồng ngoại. Các thiết bị có thể là điện thoại thông minh, công tơ điện 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 cịn 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. Một
con người sống trong thành thị có thể bị bao bọc xung quanh bởi 1000 đến 5000 đối tượng có
khả năng theo dõi.
Người ta dự báo vào khoảng giữa thập kỷ thứ 3 của thế kỷ này, 10% dân số sẽ mặc quần áo kết

nối với Internet, 10% mắt kính kết nối với Internet, chiếc điện thoại di động cấy ghép vào người
đầu tiên được thương mại hóa, 30% việc kiểm tốn ở cơng ty được thực hiện bằng trí tuệ nhân
tạo.
IoT có ứng dụng rộng vơ cùng, có thể kể ra một số thư như sau:


Quản lí chất thải



Quản lí và lập kế hoạch quản lí đơ thị



Quản lí mơi trường



Phản hồi trong các tinh huống khẩn cấp
2


Chương 1: Giới thiệu đề tài
__________________________________________________________________________



Mua sắm thơng minh



Quản lí các thiết bị cá nhân



Đồng hồ đo thông minh



Tự động hóa ngơi nhà

Mặc dù nước ta đang ở trình độ của nước đang phát triển với mức thu nhập trung bình, nhưng
theo thống kê chưa đầy đủ, đã có 55% dân số sử dụng điện thoại thông minh và 54% nối mạng
Internet, đứng thư 5 ở châu Á-Thái Bình Dương. Ở mức độ nhất định, chúng ta đã bước đầu
được thụ hưởng những thành tựu khoa học-công nghệ hiện đại từ IoT và ứng dụng vào một số
giải pháp vào trong cuộc sống.
Hòa theo xu hướng IoT, đồng thời nhận thấy những rào cản trong việc kiểm soát và quản lý
năng lượng hiện tại. Rất nhiều giải pháp và ứng dụng liên quan đến nhà thông minh, quản lý
năng lượng và điều khiển thiết bị đang được đầu tư, phát triển theo hướng này trên toàn thế giới
cũng như tại Việt Nam. Sự ra đời của các giải pháp này đã giúp cho việc kiểm soát và quản lý
năng lượng đạt được hiệu quả và tối ưu hơn.
1.2. Xu hướng phân tích dữ liệu lớn
Ngày nay, các cơng ty năng lượng đang phải xem xét chuyển mình nhanh chóng nhằm bắt kịp
với một viễn cảnh năng lượng mới. Nơi đặt ra yêu cầu rất cao về việc phối hợp sử dụng các loại
năng lượng xanh như năng lượng gió và năng lượng mặt trời, nâng cao ý thức về bối cảnh mới
trên tồn hệ thống cơng ty cũng như có sự gắn kết sâu sắc hơn trong mối quan hệ với khách
hàng. Trong khi đó, các cơng ty vẫn phải đảm bảo cung cấp một nguồn năng lượng ổn định, an
toàn với giá cả hợp lý cho tất cả mọi người. Vì vậy, các cơng ty cần phải áp dụng phân tích dữ
liệu nhằm tăng tính linh hoạt, đáp ứng kịp thời, cắt giảm chi phí vận hành và nâng cao giá trị
tài sản của mình.

Cơng ty nghiên cứu và phân tích GTM dự đốn chi phí phân tích dữ liệu của các công ty năng
lượng bỏ ra trong các ngành bao gồm khí đốt, điện năng và nước sẽ tăng từ 700 triệu $ trong
năm 2012 lên đến 3.8 tỉ $ trong năm 2020.
Xu hướng phân tích dữ liệu lớn (Big Data) trở thành một thành phần thiết yếu và là chìa khóa
để tăng lợi nhuận của các cơng ty. Nó có thể chuyển đổi các thơng tin được cập nhật từ các
công tơ hay mạng điện thông minh thành những thơng tin hữu ích từ đó thấu hiểu hành vi của
khách hàng.
3


Chương 1: Giới thiệu đề tài
__________________________________________________________________________

Lượng thông tin lên tới hàng trăm terabyte mỗi năm với nhiều cấu trúc dữ liệu khác nhau sẽ
được thu thập từ các công tơ và mạng lới điện thông minh. Các nhân tố như sự chính xác, khối
lượng và tính đa dạng của dữ liệu sẽ trở thành lợi thế cạnh tranh cốt lõi của từng cơng ty. Để có
thể hịa nhập và phát huy tốt trong một môi trường kinh doanh mới với cơng nghệ ngày càng
thay đổi thì việc áp dụng phân tích dữ liệu được xem như là một việc tất yếu phải thực hiện.
Sau khi phân tích dữ liệu, các cơng ty năng lượng có thể gắn kết sâu hơn đối với khách hàng,
nâng cao sự hài lòng của họ thơng qua việc các nhân hóa trong phục vụ khách hàng. Việc này
cịn giúp giảm chi phí vận hành thơng qua dự báo việc bảo trì thiết bị, tối ưu hóa chất lượng
điện năng, đáp ứng nhu cầu phân tích của khách hàng cũng như cải tiến các sản phẩm và dịch
vụ tốt hơn.
Thơng qua việc phân tích dữ liệu lớn, các doanh nghiệp năng lượng có một góc nhìn tồn diện
về quy trình của họ như lịch sử hoạt động, công tác bảo dưỡng và điều kiện vận hành thiết bị.
Các thơng tin này có thể tích hợp bằng nhiều cách khác nhau nhằm thấu hiểu hành vi của khách
hàng, và nâng cao tiện ích. Ví dụ, sự cải tiến này sẽ đêm lại rất nhiều thuận lợi, các thiết bị thay
vì được bảo trì theo định kỳ với chi phí tốn kèm thì nay với việc phân tích dữ liệu, các thiết bị
chỉ sẽ được bảo trì khi cần thiết.
Để đáp ứng việc phân tích dữ liệu lớn, hệ thống phải được tích hợp với nhiều bộ phận khác

nhau bao gồm từ việc thu thập, lưu trữ, so sánh, xử lý và cuối cùng đưa ra quyết định, hành
động. Hệ thống quản lý phân phối sẽ sử dụng các thiết bị đo từ xa thu thập thông tin tại các
nguồn cung cấp năng lượng. Thông tin từ hệ thống này sẽ được kết hợp so sánh với thông tin
thu được từ người dùng thông qua các đồng hồ và mạng điện thơng minh sau đó đưa vào phân
tích rồi đưa ra các quyết định phân phối. Việc triển khai các công nghệ dự báo thời tiết được sẽ
cung cấp các dự báo chính xác về cơng suất của các nguồn năng lượng xanh như năng lượng
gió, năng lượng mặt trời. Việc này sẽ gia tăng sự phối hợp giữa các nguồn năng lượng xanh và
năng lượng hóa thạch nhằm nâng cao tỉ lệ sử dụng năng lượng xanh hơn. Và nâng cao tính bền
vững trong việc sử dụng và khai thác năng lượng, đáp ứng mong đợi của khách hàng.
1.3. Vấn đề hiện tại
Đa số các công tơ thơng thường trong các hộ gia đình hiện nay chỉ hiển thị tổng số năng lượng
sử dụng tính bằng kWh. Chưa có cách nào để xem điện áp, dịng điện, công suất và năng lượng
tiêu thụ theo thời gian thực, ngày, tuần hay tháng. Các công tơ thường được đặt tại một vị trí
khơng thuận tiện cho việc theo dõi. Hơn nữa, cơng tơ cũng khơng có khả năng giám sát, điều
4


Chương 1: Giới thiệu đề tài
__________________________________________________________________________

khiển các thiết bị một cách độc lập, do đó người dùng khơng thể nào theo dõi tình trạng hoạt
động và đóng ngắt từ xa các thiết bị này.
1.4. Mục tiêu đề tài và phạm vi ứng dụng
Mục tiêu của đề tài là thiết kế và thi công Thiết bị giám sát hệ thống điện của tòa nhà từ xa với
những chức năng sau:


Giúp người dùng theo dõi các thơng số điện năng như: dịng điện, điện áp, công suất tác
dụng, năng lượng tiêu thụ của từng thiết bị điện trong gia đình một cách độc lập thông
qua Internet.



Giúp người dùng điều khiển thiết bị điện từ xa thơng qua Internet.

Thiết bị có những ứng dụng thực tế như sau:


Giúp người dùng biết được thiết bị nào sử dụng nhiều năng lượng? Trong thời điểm
nào? Có hợp lý hay khơng? Từ đó đưa ra những điều chỉnh thích hợp.



Giúp người dùng phát hiện những thiết bị có cơng suất thay đổi bất thường, từ đó có
giải pháp sửa chữa, thay thế.



Giúp người dùng kiểm sốt thiết bị nào còn hoạt động khi chủ nhà đã đi khỏi, có thể tắt
các thiết bị đó từ xa.



Giúp người dùng điều khiển từ xa thiết bị theo ý muốn (ví dụ bật máy lạnh, máy nước
nóng trước khi về nhà…).



Dữ liệu thu thập được góp phần giúp các công ty điện lực xác định được nhu cầu phụ
tải tại mỗi thời điểm, từ đó có kế hoạch điều phối phù hợp.



Dữ liệu thu thập được cũng giúp các cơng ty nghiên cứu thị trường xác định được tình
hình kinh tế của một gia đình (thơng qua năng lượng tiêu thụ, số lượng thiết bị trong gia
đình…)

Hệ thống được thiết lập theo mơ hình sau: trong một hộ gia đình, mỗi thiết bị vệ tinh chịu trách
nhiệm quản lý một thiết bị điện. Các thiết bị vệ tinh này gửi dữ liệu điện về một thiết bị trung
trâm duy nhất trong nhà bằng qua sóng RF (radio frequency). Thiết bị trung tâm sẽ truyền tải
dữ liệu điện lên một nền tảng IoT thông qua GPRS đồng thời hiển thị dữ liệu trên một màn hình
LED tại chỗ.

5


Chương 1: Giới thiệu đề tài
__________________________________________________________________________

Ở chiều ngược lại, người dùng có thể đóng cắt các thiết bị từ xa một cách dễ dàng thông qua
giao diện người dùng ở nền tảng IoT.
Thiết bị giám sát hệ thống điện của tịa nhà từ xa sẽ được coi là thành cơng nếu đạt được các
tiêu chí sau:
• Truyền tải dữ liệu thành công giữa thiết bị trung tâm và giao diện Web thơng qua GPRS.
• Đo lường chính xác điện áp, dịng điện, cơng suất, điện năng tại thiết bị vệ tinh.
• Có một giao diện hiển thị trên màn hình LED tại thiết bị trung tâm.
• Có một giao diện người dùng trên web cho phép người dùng theo dõi và điều khiển thiết bị.
• Giao tiếp khơng dây giữa thiết bị trung tâm và thiết bị vệ tinh qua sóng RF.
• Có thể đóng cắt thiết bị từ xa.
• Xây dựng vỏ an toàn và chắc chắn cho thiết bị trung tâm và thiết bị vệ tinh.

Nếu thời gian cho phép, các tính năng bổ sung sau đây có thể được thêm vào để cải thiện dự
án:
• Xây dựng ứng dụng quản lý năng lượng và điều khiển cho điện thoại thơng minh.
Những khó khăn gặp phải trong q trình thực hiện đề tài:
• Ngân sách hạn chế nên nhóm đề tài phải lựa chọn những thiết bị tối ưu nhất, chi phí thấp
nhất nhưng vẫn đáp ứng yêu cầu.
• Một số linh kiện cần thiết khơng có tại Việt Nam.
• Về độ chính xác của phép đo, nhóm gặp khó khăn trong việc tìm nguồn chuẩn và thiết bị đo
chuẩn để hiệu chỉnh kênh đo của thiết bị vệ tinh.
1.5. Tóm tắt nội dung các chương
Chương 1 giới thiệu các vấn đề và giải pháp đề xuất. Chương 2 sơ lược về các kiến thức sử
dụng trong đề tài. Chương 3 mô tả việc thiết kế hệ thống. Chương 4 mô tả cách lựa chọn và
thiết kế phần cứng. Chương 5 mơ tả việc lập trình. Chương 6 mô tả các công đoạn thiết kế

6


Chương 1: Giới thiệu đề tài
__________________________________________________________________________

mạch. Chương 7 là kết quả thực tế và phân tích. Chương 8 tổng kết những gì nhóm đã làm được
và chưa làm được cũng như hướng phát triển của đề tài.
1.6. Sơ lược về cách thức hoạt động
Hộ thống gồm nhiều thiết bị vệ tinh và một thiết bị trung tâm. Mỗi thiết bị vệ tinh được nối
giữa ổ cắm và thiết bị điện, phụ trách theo dõi và điều khiển thiết bị điện đó. Thiết bị trung tâm
đặt ở trung tâm ngơi nhà, đảm bảo giao tiếp được với tất cả các thiết bị vệ tinh, có chức năng là
cầu nối giữa thiết bị vệ tinh và nền tảng IoT.
Dữ liệu điện được truyền từ thiết bị điện tới thiết bị vệ tinh tới thiết bị trung tâm rồi tới nền tảng
IoT. Tín hiệu điều khiển được truyền theo chiều ngược lại.
Người sử dụng có thể dễ dàng quan sát biểu đồ năng lượng tiêu thụ, cơng suất, dịng điện, điện

áp theo thời gian thực. Từ đó người dùng có thể phân tích khi nào thiết bị hoạt động không hiệu
quả hoặc sử dụng khung thời gian khác nhằm tiết kiệm chi phí.
1.7. Tiêu chí của thiết bị
Để thiết bị có thể đưa vào ứng dụng trong đời sống, nhóm đặt biệt chú trọng đến những tiêu chí
của thiết bị, trong đó tiêu chí hàng đầu được quan tâm là độ đảm bảo an tồn và chính xác của
hệ thống. Để sản phẩm đến được với số đông người dùng, sản phẩm phải rẻ, bền và dễ sử dụng
của sản phẩm. Ngoài ra, để sản phẩm có thể ứng dụng vào các hệ thống văn phịng, nhà ở thì
chúng phải làm hài lịng khách hàng về mặt thẩm mĩ. Vì vậy, mục tiêu của nhóm là làm ra một
sản phẩm vừa an tồn, tiện dụng đồng thời đẹp, bền và rẻ.
Với những tiêu chí đã nêu phía trên, nhóm kỳ vọng một ngày nào đó hệ thống sẽ được thương
mại hóa và trở nên phổ biến trong cuộc sống hằng ngày, một phần nào đó, có thể giúp cuộc
sống của con người thuận tiện và dễ dàng hơn.

7


Chương 2: Tổng quan
__________________________________________________________________________

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
Phần này nhằm ôn lại các kiến thức cần thiết cho đề tài, từ đó phân tích các hệ thống tương tự
khác trong lĩnh vực giám sát năng lượng trong tòa nhà nhằm đạt được một góc nhìn sâu sắc hơn
về đề tài này và các giải pháp có thể khác.
2.1. Điện kế (Cơng tơ điện)
Một công tơ điện là một thiết bị giám sát điện năng tiêu thụ điện trong nhà. Hầu hết các hộ gia
đình đều có một cơng tơ điện cơ đo tổng điện năng tiêu thụ với đơn vị KWh, bằng cách này
cơng ty điện lực có thể tính phí theo lượng điện sử dụng. Hiện đại hơn công tơ cơ là các công
tơ điện tử với khả năng đo lường chính xác cao hơn. Tại Việt Nam, Ngày 8-11-2012, Thủ tướng
Chính phủ đã ra Quyết định số 1670/QĐ-TTg về việc "Phê duyệt đề án phát triển lưới điện
thông minh tại Việt Nam". Theo đó, đến năm 2022 sẽ đầu tư hệ thống đo đếm từ xa hoàn chỉnh

tới tất cả các khách hàng sử dụng điện, nhằm khuyến khích người dân sử dụng năng lượng tiết
kiệm và hiệu quả, tạo điều kiện nâng cao năng suất lao động, giảm nhu cầu đầu tư vào phát
triển nguồn và lưới điện. Đồng thời, tăng cường khai thác hợp lý các nguồn tài nguyên năng
lượng, bảo đảm an ninh năng lượng quốc gia, góp phần bảo vệ mơi trường và phát triển kinh tế
- xã hội bền vững. Để triển khai hệ thống đo đếm từ xa thì việc lắp đặt cơng tơ điện tử là xu thế
tất yếu.

Hình 2.1 Cơng tơ cơ (trái) và công tơ điện tử (phải)

8


Chương 2: Tổng quan
__________________________________________________________________________

Số liệu của Ban kinh doanh thuộc EVN cũng cho biết tính đến ngày 31/12/2014, EVN đã kinh
doanh và bán điện cho 22,411 triệu khách hàng, trong đó có 2,72 triệu khách hàng đã được lắp
đặt cơng tơ điện tử.
Ngày nay, cùng với xu hướng IoT nói chung và nhà thơng minh, lưới điện thơng minh nói riêng,
các cơng tơ điện tử có khả năng phân tích năng lượng tiêu thụ, tính tốn chi phí, đăng tải dữ
liệu điện năng trực tuyến. Các công tơ như vậy gọi là công tơ thông minh. Nhiều nghiên cứu đã
được cơng bố cho rằng cơng tơ thơng minh có thể giúp tiết kiệm năng lượng, từ đó cơng tơ điện
thơng minh ngày càng trở nên phổ biến hơn.
2.2. Đo lường dịng điện
2.2.1. Điện trở shunt
Có nhiều cách khác nhau để đo lường dòng điện. Cách đơn giản nhất là đo điện áp qua một điện
trở shunt. Điện trở shunt là một điện trở có giá trị rất nhỏ (khoảng một vài milliohm) và cho
dòng điện lớn đi qua. Do vậy điện áp rơi trên điện trở rất nhỏ và tổn thất điện năng rất ít. Nhược
điểm của phương pháp này là mạch đo không được cách ly với mạch động lực.

Hình 2.2 Điện trở Shunt và cách đấu nối trong mạch
2.2.2. Cảm biến Hall
Một phương pháp khác để đo dòng điện là sử dụng cảm biến Hall. Cảm biến Hall được xây
dựng dựa trên lý thuyết Hall: khi áp dụng một từ trường vng góc lên một bản làm bằng kim
loại, chất bán dẫn hay chất dẫn điện nói chung (thanh Hall) đang có dịng điện chạy qua, ta nhận
9


Chương 2: Tổng quan
__________________________________________________________________________

được hiệu điện thế (hiệu thế Hall) sinh ra tại hai mặt đối diện của thanh Hall. Ưu điểm của cảm
biến Hall là cách ly mạch đo với mạch động lực. Tuy nhiên, nhược điểm là dễ bị ảnh hưởng bởi
từ trường xung quanh làm sai lệch kết quả phép đo.

Hình 2.3 Nguyên lý của một cảm biến Hall
2.2.3. Biến dòng
Một phương pháp đo dòng khá phổ biến là sử dụng biến dòng. Cũng như cảm biến Hall, biến
dòng sử dụng từ trường tạo ra bởi dòng điện trong dây dẫn. Dòng điện trong dây dẫn gây ra từ
thơng chạy trong lõi, từ đó gây ra dịng điện trong cuộn dây thứ cấp.

Hình 2.4 Nguyên lý hoạt động của biến dòng

10


Chương 2: Tổng quan
__________________________________________________________________________

Ưu điểm của biến dòng là cách ly mạch đo với mạch động lực. Nhược điểm là có thể gây ra

hiện tượng dịch pha dịng điện từ 0.10 đến 0.30, dẫn đến sai số trong các phép đo công suất. Tuy
nhiên sai số này không đáng kể.
Từ các tìm hiểu trên, nhóm nghiên cứu quyết định sử biến dịng vì có thể cách ly mạch đo, dễ
tìm mua và thiết kế đơn giản. Cảm biến Hall không đáng tin cậy vì dễ bị ảnh hưởng bởi từ tính
xung quanh và cảm biến Hall khơng an tồn vì không thể cách ly mạch đo.
2.3. Đo lường điện áp
Để đo điện áp, có hai phương pháp khác nhau để xem xét: Phương pháp đầu tiên là sử dụng
mạch chia áp. Một chuỗi các điện trở được mắc nối tiếp với nguồn điện. Điện áp ra trên điện
trở ra tại điểm chia áp tỉ lệ với giá trị điện trở ra trên tổng trở.

Hình 2.5 Nguyên lý mạch chia áp
Phương pháp mạch chia áp có ưu điểm là giá thành rẻ, thiết kế đơn giản nhưng nhược điểm là
không đảm bảo tính cách ly cho mạch đo lường. Để đảm bảo cách lý, ta có thể sử dụng thêm
một máy biến áp phía trước mạch chia áp. Tuy nhiên, máy biến áp có thể gây ra sự biến dạng
và dịch pha điện áp, có thể làm giảm sự chính xác của phép đo.
Phương pháp thứ hai để đo lường điện áp là đo dòng điện xuyên qua một điện trở với giá trị
biết trước. Tuy nhiên phương pháp này khó thực hiện.

11


Chương 2: Tổng quan
__________________________________________________________________________

Như vậy, để đo lường điện áp, nhóm quyết định chọn thiết kế một máy biến áp phía trước mạch
chia áp.
2.4. Đo lường cơng suất
Cơng suất được đo lường bởi công được thực hiện trong một đơn vị thời gian
P =V x

𝑄
𝑡

=VxI

(2.1)

Trong đó P là cơng suất, Q là điện lượng, V là điện áp, t là thời gian và I là dòng điện. Sử dụng
định luật Ohm, chúng ta có thể viết lại trên phương trình là:
P = I2 x R =

𝑉2
𝑅

(2.2)

Tuy nhiên khi làm việc với dịng điện xoay chiều, chúng ta có cơng suất thực và phản kháng.
Đối với cơng suất thực thì phương trình đầu tiên cần phải được thay đổi như sau:
Prms = Vrms x Irms x cos θ

(2.3)

Trong đó Vrms và Irms là điện áp và dòng hiệu dụng và θ là độ lệch pha giữa điện áp và dòng
điện.
2.5. IC đo lường năng lượng (EMIC)
IC đo lường năng lượng là một bộ vi xử lý nhỏ có thể làm tất cả các tính tốn cần thiết cho việc
đo lường điện. EMIC nhận tín hiệu dịng điện và điện áp đi vào sau đó tính tốn tất cả các thơng
số như dịng điện, điện áp, cơng suất tác dụng, cơng suất phản kháng, năng lượng… Công việc
của người dùng chỉ là đọc thông số trong các thanh ghi của EMIC, sau đó hiệu chỉnh để đưa ra
giá trị thực. Các phương pháp chuyển đổi điện áp và dòng điện như đã đề cập trong phần 2.2

và 2.3.
2.6. Truyền tải dữ liệu không dây
Truyền thông không dây là sự chuyển thông tin giữa hai thiết bị không được kết nối vật lý. Có
rất nhiều loại truyền thơng khơng dây khác nhau.

12


Chương 2: Tổng quan
__________________________________________________________________________

Bluetooth là một tiêu chuẩn truyền thông khơng dây sử dụng sóng radio truyền trong dải tần số
từ 2400-2480 MHz. Bluetooth được sử dụng rất rộng rãi trong các ứng dụng như điện thoại di
động, tai nghe, máy in và nhiều thiết bị khác. Bluetooth có hạn chế là khoảng cách kết nối ngắn.
Một công nghệ truyền thông không dây khác là Wi-Fi. Wi-Fi hoạt động tương tự như Bluetooth
ở cùng tần số 2.4 GHz. Wi-Fi là công nghệ phổ biến cho các thiết bị kết nối với internet. Phạm
vi kết nối có thể lên đến 1000 m.
Trong các ứng dụng nhà thông minh, ngày nay nổi lên công nghê truyền không dây Zigbee.
Zigbee là tập hợp các giao thức giao tiếp của mạng không dây với khoảng cách tương đối, tiết
kiệm năng lượng và có tốc độ truyền dữ liệu đáp ứng được các ứng dụng điều khiển và giám
sát trong nhà thông minh. Điểm mạnh nhất của Zigbee là hỗ trợ kết nối theo kiểu mạng lưới. 3
dãy tần số của công nghệ Zigbee là 868 MHz, 915 MHz và 2.4 GHz. Tuy nhiên có nhiều điểm
mạnh nhưng Zigbee là một công nghệ mới, giá thành cịn rất đắt (khoảng 350.000 – 500.000 /
module).
Một hình thức giao tiếp khơng dây khá phổ biến nữa đó là truyền phát RF với tiêu biểu là
module nRF24l01+. Module này có rất nhiều ưu điểm như giá thành rẻ, giao tiếp đơn giản, có
sẵn ăng ten thu phát.
Bảng 2.1 Bảng so sánh các đặc điểm kỹ thuật của các module kết nối không dây
Thông số

Modules

So sánh giữa Bluetooth

3.0 Wi-Fi module

Zigbee

RF module

các module

module

Phạm vi

1-100 m

35-2000 m

0-75 m

20-200 m

Chi phí

Cao

Thấp

Rất cao

Rất thấp

Công suất

Cao

Cao

Thấp

Thấp

Tốc độ

25 Mb/s

54 Mb/s

250 kb/s

250 kb/s – 2 Mb/s

nRF24l01+

13


Chương 2: Tổng quan

__________________________________________________________________________

Một hình thức quan trọng tiếp theo của truyền thông không dây là GPRS. GPRS được sử dụng
chủ yếu trong điện thoại di động, dịch vụ dữ liệu trên mạng thông tin di động 2G và 3G của hệ
thống truyền thông GSM. Đại diện của kiểu truyền thông GPRS là module Sim 900A. Kiểu
truyền thông này yêu cầu phải có một thẻ sim đã được đăng kí dịch vụ GPRS. Ứng dụng phổ
biến của GPRS là giám sát từ xa, tự động hóa trong nhà thơng minh. Ưu điểm của GPRS là tính
tiện lợi, linh hoạt bởi khơng phải phụ thuộc vào kết nối Wi-Fi.
Từ các tìm hiểu trên, nhóm đề tài quyết định chọn module giao tiếp không dây nRF24l01+ cho
việc giao tiếp giữa thiết bị vệ tinh và thiết bị trung tâm, module GPRS Sim 900A cho việc giao
tiếp giữa thiết bị trung tâm và nền tảng IoT.
2.7. Giải pháp hiện có trên thị trường
Hiện nay có một số cơng tơ điện thơng minh trên thị trường quốc tế, sau đây là những thiết bị
nổi bật nhất.
2.7.1. Kill A Watt
Kill A Watt là một công cụ giám sát cơng suất được bố trí như là cầu nối giữa ổ cắm và thiết bị
trong gia đình. Chức năng chính là đo lường cơng suất, điện áp, dịng điện, tần số, phân tích và
dự báo chi phí sử dụng điện. Tất cả các thông số được hiển thị trên một màn hình LCD lớn dễ
đọc. Kill A Watt có giá khá phải chăng khoảng 20$. Tuy nhiên nó có một số hạn chế. Thứ nhất
nó chỉ sử dụng ổ cắm NEMA 5-15 và định mức ở 125 V AC nên hạn chế việc sử dụng toàn
cầu. Thứ hai, nó khơng cho phép người dùng theo dõi từ xa thiết bị của mình.

14