BÁO cáo TIỂU LUẬN môn học máy TÍNH NHÚNG và ỨNG DỤNG đề tài THIẾT kế CÔNG tơ đo LƯỜNG CÔNG SUẤT TIÊU THỤ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VÀ TRUYỀN THÔNG

BÁO CÁO TIỂU LUẬN MƠN HỌC

MÁY TÍNH NHÚNG VÀ ỨNG DỤNG
Đề tài

THIẾT KẾ CƠNG TƠ ĐO LƯỜNG CƠNG SUẤT TIÊU THỤ
Nhóm Sinh viên thực hiện: Trần Xn Hảo
Trần Đức Cường
Nguyễn Văn Tình
Nguyễn Cơng Tuấn
Đỗ Hải Long
Lớp

: VB2.K18I.KTMT.NĐ

Giáo viên Giảng dạy: ThS. NGUYỄN THANH TÙNG

Thái Nguyên, tháng 6 năm 2021
MỤC LỤC


MỤC LỤC ................................................................................................................................. 1
DANH MỤC HÌNH ẢNH ....................................................................................................... 4
LỜI MỞ ĐẦU ........................................................................................................................... 6
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI .................................................................................... 7
1.1 Đặt vấn đề ............................................................................................................................ 7
1.2 Tầm quan trọng của quản lí và giám sát năng lượng ....................................................... 8
1.3 Giới thiệu một số hệ thống giám sát, quản lí năng lượng từ xa trong thực tế ............... 9

1.3.1 Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa qua sóng vô tuyến RF .................. 9
1.3.2 Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa qua bộ truyền tải tín hiệu
thơng
qua đường dây điện. ........................................................................................................... 10
1.4 Mục tiêu, nhiệm vụ ........................................................................................................... 12
1.4.1 Mục Tiêu .................................................................................................................... 12
1.4.2 Nhiệm vụ ................................................................................................................... 12
1.4 Giới hạn .............................................................................................................................. 12
1.5 Bố cục báo cáo .................................................................................................................. 13
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT..................................................................................... 14
2.1 Công nghệ IOT .................................................................................................................. 14
2.3.1 Giao thức kết nối ....................................................................................................... 14
2.3.2 Giao thức truyền tải dữ liệu ...................................................................................... 15
2.3.3 Firebase ...................................................................................................................... 18
2.2 Các chuẩn truyền dữ liệu .................................................................................................. 21
2.2.1 Giao tiếp I2C ............................................................................................................. 21
2.2.2 Giao tiếp UART ........................................................................................................ 26
2.3 Giới thiệu phân cứng ........................................................................................................ 28
2.3.1 Module NodeMCU ESP8266 wifi v1.0 .................................................................. 28
2.3.2 Module PZEM004T .................................................................................................. 32
2.3.3 Màn hình LCD 20x4 ................................................................................................. 35
2.3.4 Module chuyển đổi giao tiếp I2C ............................................................................. 36


2


2.4 Giới thiệu phần mềm......................................................................................... 38
2.4.1 Phần mềm lập trình Arduino IDE................................................................... 38
2.4.2 Phần mềm lập trình Android Studio................................................................ 41

2.4.3 Phần mềm giám sát điện năng trên app Blynk................................................ 43
CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG..................45
3.1 Giới thiệu........................................................................................................... 45
3.2 Thiết kế hệ thống............................................................................................... 45
3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống........................................................................... 45
3.2.2 Sơ đồ kết nối toàn mạch................................................................................. 49
3.2.3 Nguyên lý hoạt động....................................................................................... 50
3.2.4 Lưu đồ giải thuật............................................................................................. 50
3.3 Thi cơng hệ thống.............................................................................................. 51
3.3.1 Mơ hình thiết bi ............................................................................................. 51
3.3.2 Danh sách các linh kiện.................................................................................. 52
3.3.3 Lắp ráp và kiểm tra......................................................................................... 52
3.4 Lập trình phần cứng và phần mềm.................................................................... 55
3.4.1 Chương trình hê thống phần cứng Arduino IDE............................................. 55
Hình ảnh phía dưới là một số đoạn chương trình chính của sản phẩm:...................55
3.4.2 Chương trình app Android Studio................................................................... 56
3.4.3 Tạo giao diện để xem các thông số điện năng trên app Blynk........................58
3.5 Kết quả, nhận xét............................................................................................... 59
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN............................................................... 60

3
DANH MỤC HÌNH ẢNH


Hình 2.1 Giao thức truyền của MQTT .................................................................................. 16
Hình 2.2 Mơ hình sử dụng giao thức CoAP và HTTP ........................................................ 17
Hình 2.3 ví dụ về XMPP ........................................................................................................ 18
Hình 2.4 Bus I2C và các thiết bị ngoại vi. ............................................................................ 21
Hình 2.5 Kết nối thiết bị vào bus I2C ở chế độ chuẩn (Standard mode) và chế độ nhanh

(Fast mode)............................................................................................................................... 22
Hình 2.6 Quá trình truyền nhận giữa thiết bi cḥủ (master) và tớ (slave)............................ 23
Hình 2.7 Trình tự truyền bit trên đường truyền .................................................................... 24
Hình 2.8 Điểu kiện để giao tiếp I2C ...................................................................................... 25
Hình 2.9 Quá trình truyền dữ liệu I2C................................................................................... 26
Hình 2.10 Kết nối UART giữa hai vi điều khiển ................................................................. 27
Hình 2.11 Quá trình truyền dữ liệu UART ........................................................................... 27
Hình 2.12 Ảnh ESP8266-12 thực tế và sơ đồ chân.............................................................. 29
Hình 2.13 Module Node MCU ESP8266 và sơ đồ chân .................................................... 30
Hình 2.14 Mạch nguyên lý của NodeMCU ESP8266 ......................................................... 31
Hình 2.15 Hình ảnh thực tế module PZEM004T ................................................................. 32
Hình 2.16 Sơ đồ kết nối dây của module PZEM004T ........................................................ 33
Hình 2.17 Sơ đồ chân LCD 20x4 .......................................................................................... 36
Hình 2.18 Hình ảnh thực tế module chủn đởi I2C ........................................................... 37
Hình 2.19 Mạch nguyên lý module chuyển đổi giao tiếp I2C ............................................ 38
Hình 2.20 Màn hình làm việc của arduino IDE ................................................................... 39
Hình 2.21 Thiết lập đường dẫn cho IDE ............................................................................... 39
Hình 2.22 Trình quản lí các thiết bị giao tiếp với IDE......................................................... 40
Hình 2.23 Tiến hành tải boad ESP8266 về IDE ................................................................... 40
Hình 2.24 Chọn boad để nạp code ......................................................................................... 41
Hình 2.25 Màn hình làm việc với file .Java .......................................................................... 42
Hình 2.26 Màn hình làm việc với file .Xml .......................................................................... 42
Hình 2.27 Mơ hình hoạt động của Blynk .............................................................................. 43
4


Hình 2.28 Giao diện chính app Blynk..................................................................... 44
Hình 3.1 Sơ đồ khối tồn hê thống.......................................................................... 45
Hình 3.2 Hình ảnh thực tế module PZEM004T....................................................... 46
Hình 3.3 Một số thiết bị ngõ vào............................................................................. 47

Hình 3.4 Khối xử lí trung tâm................................................................................. 47
Hình 3.5 Khối hiển thị............................................................................................. 47
Hình 3.6 Khối nguồn............................................................................................... 48
Hình 3.7 Khối Sever của firebase............................................................................ 48
Hình 3.8 Mobile app hiển thị dữ liệu theo thời gian thực........................................ 49
Hình 3.9 Sơ đồ kết nối tồn mạch............................................................................ 49
Hình 3.10 Lưu đồ tồn hệ thống.............................................................................. 50
Hình 3.11 Mơ hình thiết bị...................................................................................... 52
Hình 3.12 Mặt sau sản phẩm bên trong hộp............................................................ 53
Hình 3.13 Mặt trước sản phẩm................................................................................ 53
Hình 3.14 Vị trí giắc nguồn 5v và nút bấm reset..................................................... 54
Hình 3.15 Vị trí giắc cắm nguồn 220v..................................................................... 54
Hình 3.17 Chương trình hiển thị dữ liệu lên LCD................................................... 55
Hình 3.18 Gửi dữ liệu lên Blynk............................................................................. 55
Hình 3.19 Gửi dữ liệu lên Firebase.......................................................................... 56
Hình 3.20 Code nhận dữ liệu từ firebbase trong java.............................................. 56
Hình 3.21 Code nhận dữ liệu từ firebbase trong java.............................................. 57
Hình 3.22 Chương trình giao diện XML................................................................. 57
Hình 3.23 Kết quả sau khi chạy app trên máy ảo..................................................... 58
Hình 3.24 Các cơng cụ và giao diện khi hồn thành................................................ 58
Hình 3.25 Sản phẩm hồn thiện............................................................................... 59
Hình 3.26 Giao diện theo dõi điện năng qua app blynk và android.........................59

5


LỜI MỞ ĐẦU

Nhu cầu quản lý, giám sát cũng như kiểm sốt việc đo điện năng, các thơng số:
điện áp, dòng điện, các chỉ tiêu chất lượng điện năng từ xa là rất cần thiết cho các

nhà quản lý, các công ty điện lực và cá nhân. Mặc dù đã đạt đến một mức độ thành
công nhất định, tuy nhiên các hệ thống quản lý và giám sát điện năng hiện nay chi
phí rất cao và hạn chế về việc truy cập từ xa. Ngoài ra, xu hướng hiện nay là sử
dụng các thiết bị thông minh: điện thoại smart phone, máy tính bảng …để truy cập
và giám sát từ xa. Trong xu thế mới này, hệ thống hỗ trợ việc quản lý, giám sát việc
đo điện năng và các thông số hệ thống điện từ xa bằng Internet là cần thiết để tìm ra
hướng tiện nghi và kinh tế phục vụ các nhà quản lý, các công ty điện lực.
Với mong muốn giải quyết được phần nào những khó khăn và tìm ra một hương
đi mới cho ngành điện Việt Nam, nhóm tác giả đã bắt tay vào nghiên cứu và thực
hiện đề tài “Thiết kế công tơ đo lường cơng suất điện tiêu thụ”. Trên cơ sở tìm hiểu
về IoT nhằm giám sát điện năng và các thông số khác của hệ thống điện từ xa qua
mạng không dây, qua việc truy cập vào trang app, người dùng có thể giám sát từ xa
ở

mọi nơi mọi lúc. Điểm nởi bật của đề tài này là có thể giám sát điện năng đồng thời
hai hay nhiều thiết bi điện thơng qua mạng khơng dây, và kiểm sốt thơng qua việc
đo, lưu trữ các thông số điện liên tục tại các thời điểm trong ngày.


6


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
1.1 Đặt vấn đề
Công nghệ Internet of Things (IOT) nói chung và cơng nghệ cảm biến khơng
dây (Wireless Sensor) nói riêng được tích hợp từ các kỹ thuật điện tử, tin học và
viễn thông tiên tiến vào trong mục đích nghiên cứu, giải trí, sản xuất, kinh doanh,
v.v..., phạm vi này ngày càng được mở rộng, để tạo ra các ứng dụng đáp ứng cho các
nhu cầu trên các lĩnh vực khác nhau. Hiện nay, mặc dù khái niệm IOT và công nghệ
cảm biến không dây đã trở nên khá quen thuộc và được ứng dụng nhiều trong các

lĩnh vực của đời sống con người, đặc biệt ở các nước phát triển có nền khoa học
công nghệ tiên tiến. Tuy nhiên, những công nghệ này chưa được áp dụng một cách
rộng rãi ở nước ta, do những điều kiện về kỹ thuật, kinh tế, nhu cầu sử dụng. Song
nó vẫn hứa hẹn là một đích đến tiêu biểu cho các nhà nghiên cứu, cho những mục
đích phát triển đầy tiềm năng.
Được sự định hướng và chỉ dẫn của Thạc sĩ Đoàn Ngọc Phương em đã chọn đề
tài luận án “Giám sát điện năng qua mạng khơng dây”. 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 quaṇ sát điện năng từ xa, chúng ta có thể nhìn thấy
các thông số của hệ thống điện như điện áp, dịng điện, tần số, cơng suất, hệ số cơng
suất, của nhà máy hoặc các bộ phận bất cứ lúc nào mà ta khơng cần phải có mặt tại
nhà máy. Chúng ta có thể dùng máy vi tính hoặc thiết bị di động có hỗ trợ duyệt
web là có thể quan sát được các thông số của hệ thống điện nhà máy của mình. Hệ
thống quản lý điện năng giúp nhà quản lý đánh giá sự tiêu thụ điện năng để thực
hiện tiết kiệm chi phí và năng lượng.
Đề tài đã khảo sát các phương pháp giám sát điện năng điển hình trước đây
thơng qua internet như dùng module sim kết hợp RS232 qua cổng truyền thông
RS485 theo phương thức truyền thông Modbus RTU [2], tuy nhiên thực tế mạng
GSM sẽ gặp phải những khó khăn như việc bị trễ tin nhắn do nghẽn mạng, kẹt mạng
7


hay những nơi có sóng GSM yếu và chỉ giám sát được trên máy tính. Những
phương pháp khác như dùng phần mềm Acuview giám sát điện năng thông qua
đồng hồ đo điện năng đa năng Mutimeter ACUVIM [3] hoặc giám sát điện năng sử
dụng PLC S7-400 thông qua giao diện WINCC [4] đều có giá thành cao rất tốn
kém. Để khắc phục các nhược điểm trên, đề tài: “Giám sát điện năng qua mạng
không dây” nghiên cứu việc giao tiếp với các thiết bi điện quaInternet dùng cơng

nghê IoT, góp phần hỗ trợ cho công tác giám sát và quản lý điện năng từ xa, sử dụng
bộ vi điều khiển kết hợp với việc truyền dữ liệu qua WIFI, giúp đo ghi dữ liệu từ xa,
mà không bi ḥạn chế khoảng cách truyền dữ liệu.
1.2 Tầm quan trọng của quản lí và giám sát năng lượng
Quản lý và giám sát năng lượng là chìa khóa để tiết kiêm năng lượng trong các
tở chức thương mại, cơng nghiệp và chính phủ trong những năm gần đây đang phải
chiụ những áp lực to lớn về kinh tế và môi trường. Giám sát và quản lý năng lượng
giúp giảm sự phu thuộc vào nhiên liệu hóa thạch đang ngày càng trở nên cạn kiệt.
Khi tiêu thụ nhiều năng lượng, doanh nghiệp cũng như các hơ gia đình sẽ phải đối
mặt 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 viêc quản lý năng
lượng doanh nghiệp và các hơ gia đình có thể giảm nguy cơ này bằng cách kiểm
soát 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 hê 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 xót trong q trình thu thập dữ liệu bằng tay.
- Kiểm soát dữ liệu điện năng liên tục 24 giờ tại bất kì trạm làm viêc nào.

-

Giảm thời gian xử lý sự cố do dữ liêu được thu thập đầy đủ, có ghi lại dạng sóng
của nguồn điên khi sự cố xảy ra.
Đây là một trong những đề tài đang được tìm hiểu, nghiên cứu rất nhiều để đưa
ra giải pháp giúp ngành điện Việt Nam giải quyết đưuọc những khó khăn nêu trên.

8

1.3 Giới thiệu một số hệ thống giám sát, quản lí năng lượng từ xa trong thực tế
1.3.1 Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa qua sóng vơ tuyến RF
Hệ thống đọc chỉ số cơng tơ từ xa bằng sóng vơ tuyến RF bao gồm các khối
chức năng sau:
-

Cơng tơ điện tử có tích hợp tính năng thu phát tín hiệu vơ tuyến RF lắp tại các hộ
khách hàng sử dụng điện, có chức năng đo đếm, lưu trữ năng lượng vào bộ nhớ
không dây và truyền về bộ thu thập tín hiệu di động khi nhận được lệnh.
- Bộ thu thập tín hiệu di động (Handheld Unit) bao gồm: máy tính cầm tay
(Handheld Unit) được tích hợp module thu phát tín hiệu vơ tuyến RF bên trong, với
chương trình thu thập số liệu do Cơng ty tự phát triển. Trên máy tính cầm tay sẽ
giúp người ghi ra lệnh đọc chỉ số công tơ trong phạm vi phủ sóng dựa vào danh sách
và số liệu khách hàng sử dụng điện được tao ra từ cơ sở dữ liệu kinh doanh điện
năng. Toàn bộ dữ liệu ghi được sẽ được ghép nối vào cơ sở dữ liệu kinh doanh điện
năng một cách tự động mà không cần phải tốn nhiều thao tác thủ công như trước
đây.
Giải pháp này có các ưu điểm:

-

Khơng phụ thuộc vào khoảng cách, khơng phụ thuộc vào vị trí điểm đầu, điểm cuối
khi có sự thay đởi về vị trí lắp đặt cơng tơ, hay vị trí trung tâm thì khơng bị thay đổi
về thiết bị.
- Thiết bị modem gọn nhẹ, thông dụng, dễ dàng lắp kèm với cơng tơ.

-

Cước phí tính theo lưu lượng (KB) thấp, rất phù hợp với hệ thống không yêu cầu
truyền theo thời gian thực.
Nhược điểm:
Do sử dụng đường truyền không dây, truyền qua mạng di động, nên tín hiệu có
thể bị ảnh hưởng khi thời tiết xấu, do đó cần cân nhắc chọn dịch vụ của nhà cung
cấp mạng có mật độ phủ sóng rộng, chất lượng tín hiệu tốt.


9


1.3.2 Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa qua bộ truyền tải tín hiệu
thơng qua đường dây điện.
Hệ thống đo đếm công tơ từ xa truyền qua đường dây điện CollectricTM là hệ
thống đo lượng điện năng tiêu thu theọ thời gian thực. Với hệ thống này, không cần
cử nhân viên đi ghi chỉ số công tơ tại các hộ gia đình.
Hệ thống Collectric gồm 5 thiết bị cơ bản sau:
 RTU: là thiết bị đầu cuối một chiều được lắp đặt bên trong hoặc bên ngồi các

cơng tơ ở vị trí thuận tiện. RTU sẽ đếm vịng quay của đĩa, biến thành tín hiệu điện,
điều chế tín hiệu, truyền số liệu đã thu được và các thông tin khác về thiết bị tâp
trung.
 TRPU: là thiết bị đầu cuối hai chiều, nó vừa có tính năng của một RTU vừa có chức

năng thơng tin hai chiều bao gồm lệnh quản lý bảng thời gian sử dụng để
tính các mức giá khác nhau tại thiết bị tâp trung, TRPU cịn có thể truyền thơng tin
sắp xếp theo bảng chữ cái hay chữ số nhận được từ thiết bị tâp trung tới khách hàng,
nó cịn có thể lặp tín hiệu như một bộ lặp, nếu có lắp đặt thêm bộ điều khiển tải nó
có thể tự động đóng cắt tải theo lệnh từ trung tâm.
 CONCENTRATOR: là thiết bị tâp trung lắp đặt trên lưới điện hạ thế ứng với một

trạm. Thiết bị này có thể thu thập và xử lý dữ liệu cho 1250 công tơ. Dữ
liệu từ các thiết bị đầu cuối được tập trung tại bộ trung tâm và được truyền về máy
tính trung tâm qua các cách khác nhau. Thiết bị tập trung cũng có thể truyền lệnh
quản lý và các chỉ thị khác tới các thiết bị đầu cuối hai chiều.
 MICROTERMINAL: là thiết bị thu thập dữ liệu cầm tay là cầu nối giữa thiết bị

tập trung với máy tính trung tâm, nó nhận dữ liệu từ bộ trung tâm và truyền về máy
tính trung tâm. Nó cịn được dùng để lập trình cho các thiết bị tâp trung ,
RTU, TRPU, và đọc các số liệu từ các thiết bị này để đưa vào máy tính.
 MAIN COMPUTER: chứa các phần mềm cần thiết cho quá trình vận hành hệ

thống Colletric. Nó thu nhận dữ liệu từ các bộ trung tâm để sử dụng cho các mục
đích của ngành điện.
Kĩ thuật truyền thông: sử dụng công nghệ PLC truyền thông tin thông qua lưới
điện hạ thế (từ trạm biến áp đến các hộ gia đình). Tại các trạm biến áp (vốn có


10


nhiệm vụ chuyển các dòng điện cao thế thành hạ thế và đưa đến hộ tiêu dùng), một
modem tốc độ cao HE (HeadEnd) sẽ nối giữa đường hạ thế và hệ thống cáp quang
truyền thông backbone. Nhiệm vụ của modem HE là điều chế các tín hiệu truyền
thơng của cáp quang thành tín hiệu thơng tin có tần số 1,6 - 80 Mhz ( Tùy vào từng
hãng mà sử dụng những dãy tần số khác nhau) để truyền vào lưới điện hạ thế và
ngược lại. Các tín hiệu thơng tin sau khi điều chế sẽ được truyền đi song song với
tín hiệu điện trên lưới điện hạ thế đến các toà nhà. Tại đây, một modem PLC (CPE
lắp đặt tại gia đình) sẽ nhận các tín hiệu thơng tin, giải điều chế, tái tạo lại tín hiệu
thơng tin ban đầu để có thể sử dụng Internet hoặc dùng điện thoại, fax... Moderm

PLC cũng có thể đảo ngược q trình này để gửi các tín hiệu thơng tin đã điều chế
đến modem HE.
Ưu điểm:
- Mạng lưới điện có mặt ở hầu khắp mọi nơi.
-

Mạng điện hạ thế có thể được dùng để thiết lập một cơ sở hạ tầng mạng sẵn có cho
hàng triệu khách hàng, doanh nghiệp riêng biệt trên tồn thế giới, có đường dẫn tới
tận các ở cắm điện phục vụ cho cả thiết bị gia đình và thiết bị điện cơng nghiệp.

-

PLC có thể cung cấp khả năng truy cập tốc độ cao, tốc độ truyền thông đã đạt tới
hành trăm Mb/s.

-

Mạng lưới đường dây điện đã được xây dựng nên có lợi thế về chi phí đầu tư cơ
bản, cơ sở hạ tầng đường dây điện đã có sẵn, nên nó có thể cho phép cạnh tranh với
giá rẻ hơn các kỹ thuật truy cập viễn thông nội vùng khác (thường yêu cầu vốn
đầu tư cơ bản lớn).
Nhược điểm:
Đường dây truyền tải điện không phải được thiết kế để dành cho truyền dữ liệu,
do đó có rất nhiều vấn đề cần được khắc phục. Công suất nhiễu trên đường dây điện
lực là tập hợp tất cả các nguồn nhiễu khác nhau thâm nhập vào đường dây và vào
máy thu. Các tải được kết nối vào mạng như ti vi, máy tính, máy hút bụi... phát
nhiễu và lan truyền qua đường dây điện; các hệ thống truyền thơng khác cũng có thể
đưa thêm nhiễu vào máy thu. Đường dây điện được ra đời phục vụ cho việc truyền

11

năng lượng điện chứ khơng nhằm mục đích truyền thơng tin. Khi đưa thơng tin
truyền trên đó, ta sẽ gặp phải rất nhiều yếu tố gây nhiễu cho tín hiệu.
Tuy nhiên, chúng ta đang sống trong thời đại của kỹ thuật số, sự phổ biến của
internet và các thiết bị di động thông minh đã tạo nên khái niệm mới là IoT (Internet
of Things - Internet vạn vật), do đó vấn đề ứng dụng các thành tựu này vào việc
giám sát và điều khiển mọi thứ một cách dễ dàng đã được áp dụng vào thực tế trong
cuộc sống.
1.4 Mục tiêu, nhiệm vụ
1.4.1 Mục Tiêu
Kết quả cuối cùng của đề tài là xây dựng một hệ thống giám sát điện năng từ xa
đo các thông số về điện năng của nguồn xoay chiều của mạch điện như dòng điện,
điện áp, tần số, công suất và năng lượng tiêu thụ của hai hay nhiều thiết bi điện,
bằng cách truy cập vào trang web, app blynk và app android người dùng có thể giám
sát từ xa ở mọi nơi mọi lúc.
1.4.2 Nhiệm vụ
Quá trình thực hiện đồ án gồm các nhiệm vụ nghiên cứu sau:
- Tìm hiểu và tham khảo các tài liệu, giáo trình, nghiên cứu các chủ đề, các nội
dung liên quan đến đề tài.
- Lập trình giao tiếp với module PZEM004T để đo các thông số điện năng.
- Viết chương trình cho ESP8266 gửi dữ liệu lên Sever.
- Kết nối mạch phần cứng giữa PZEM004T, ESP8266, LCD.
- Thiết kế và thi cơng mơ hình thiết bi hồṇ thiện.
- Xây dựng giao diện app blynk và app android giám sát thiết bị.
- Chạy thử nghiệm và cân chỉnh hệ thống.
- Viết quyển báo cáo đồ án tốt nghiệp.
- Báo cáo đồ án tốt nghiệp.

1.4 Giới hạn

Với đề tài giám sát điện năng qua mạng không dây thì các giới hạn bao gồm:
 Mơ hình thi cơng có kích thước: 14x14cm.
 Số lượng thiết bi gịám sát : 1 thiết bi.

12


 Thời gian ổn định của thiết bị: sau vài phút hoạt động thiết bi ṣẽ đo và tính tốn

chính xác hơn.
1.5 Bố cục báo cáo



Với đề tài giám sát điện năng qua mạng khơng dây thì bố cục đồ án như sau:
Chương 1: Tởng quan đề tài

Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, giới thiệu một số
hệ thông giám sát và quản lí năng lượng, mục tiêu, nhiệm vụ, nội dung nghiêṇ 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: Khảo sát và phân tích hệ thống

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 công hê tḥống

Chương này có thể gồm kết quả thi cơng phần cứng và những kết quả hình ảnh
trên màn hình hay mơ phỏng tín hiệu, kết quả thống kê. Kết quả, nhận xét và đánh
giá sản phẩm mơ hình đã hồn thành.


13


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Công nghệ IOT
Là mạng lưới vạn vật kết nối Internet viết tắt là IoT là nền tảng công nghê mới
của thế giới, khi mà mỗi đồ vật, con người được cung cấp một định danh của riêng
mình, và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy
nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với
máy tính. IoT đã phát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, 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. Việc kết nối
thì 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 thơng 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. 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.
Việc lựa chọn chuẩn giao thức kết nối sao cho hợp lý là rất quan trong, tùy
thuộc vào các ứng dụng và các yếu tố như phạm vi giao tiếp, khối lượng dữ liệu
truyền, yêu cầu tính bảo mật, năng lượng cho hệ thống pin,... sẽ quyết định lựa chọn
một hoặc nhiều phương thức truyền thông phù hợp.
Sau đây là một số giao thức IoT cho các kỹ sư phát triển tìm hiểu và lựa chọn.
2.3.1 Giao thức kết nối
Wifi là giao thức chính được ứng dụng trong nội dung đề tài này.
Wifi (là viết tắt từ Wireless Fidelity hay mạng 802.11) là hệ thống mạng khơng
dây sử dụng sóng vơ tuyến, cũng giống như điện thoại di động, truyền hình và
14


radio. Kết nối Wifi thường là sự lựa chọn hàng đầu của rất nhiều kỹ sư bởi tính
thơng dụng và kinh tế của hệ thống wifi và mạng LAN với mơ hình kết nối trong
một phạm vi địa lý có giới hạn.
Các sóng vơ tuyến sử dụng cho WiFi gần giống với các sóng vơ tuyến sử dụng
cho thiết bị cầm tay, điện thoại di động và các thiết bị khác. Nó có thể chủn và
nhận sóng vơ tuyến, chủn đởi các mã nhị phân 1 và 0 sang sóng vơ tuyến và
ngược lại. Tuy nhiên, sóng WiFi có một số khác biệt so với các sóng vơ tuyến khác
ở chỗ: chúng truyền và phát tín hiệu ở tần số 2.4 GHz hoặc 5 GHz. Tần số này cao

hơn so với các tần số sử dụng cho điện thoại di động, các thiết bị cầm tay và truyền
hình. Tần số cao hơn cho phép tín hiệu mang theo nhiều dữ liệu hơn.
 Chuẩn: 802.11n.
 Dãy tần số hoạt động: 2.4GHz and 5GHz bands.
 Khoảng cách: 50m.

 Tốc độxử lý tối đa: 600 Mbps.

Ngồi ra cịn có các giao thức khác như Bluetooth, Zigbee, NFC, Sigfox, Neul,
Thread, 6LoWPAN, Z-Wave, Cellular, được sử dụng trong một số ứng dụng của
Internet Of Things (IOT).
2.3.2 Giao thức truyền tải dữ liệu
Có 5 giao thức truyền tải dữ liệu phở biến có thể được sử dụng trong các mơ
hình là : MQTT, CoAP, AMQP và DDS.
MQTT là một giao thức kết nối máy với máy, một giao thức mã nguồn mở để
truyền các messages giữa nhiều Client (Publisher và Subscriber) thông qua một
Broker trung gian, được thiết kế để đơn giản và dễ dàng triển khai. Giao thức này
nhẹ đến mức nó có thể được hỗ trợ bởi một số thiết bị đo lường và giám sát nhỏ
nhất và nó có thể truyền dữ liệu qua các mạng có khả năng tiếp cận, đơi khi liên tục.
Kiến trúc MQTT dựa trên Broker trung gian và sử dụng kết nối TCP long-lived từ
các Client đến Broker. Trong một hệ thống sử dụng giao thức MQTT, nhiều node
trạm (gọi là mqtt client - gọi tắt là client) kết nối tới một MQTT server (gọi là
broker). Mỗi client sẽ đăng ký một vài kênh (topic), ví dụ như "/client1/channel1",
"/client1/channel2". Quá trình đăng ký này gọi là "subscribe". Mỗi client sẽ nhận
15


được dữ liệu khi bất kỳ trạm nào khác gửi dữ liệu và kênh đã đăng ký. Khi một
client gửi dữ liệu tới kênh đó, gọi là "publish".

Hình 2.1 Giao thức truyền của MQTT
MQTT thì nhẹ nhàng hơn và nhanh. Nó mất rất ít bytes cho việc kết nối với
server và q trình kết nối có thể giữ trạng thái xuyên suốt. Ưu điểm là giao tiếp sẽ
mất ít dữ liệu và thời gian hơn HTTP protocol, nên có thể được sử dụng cho truyền
thông 2 chiều thông qua các mạng có độ trễ cao và độ tin cậy thấp, nó cũng tương
thích với các thiết bị tiêu thụ điện năng thấp.

Vì vậy MQTT phù hợp để chọn làm giao thức truyền thơng chính trong đề tài
"Giám sát điên năng tiêu thụ qua mạng không dây ".
CoAP (Constrained Applications Protocol)
CoAP là một giao thức truyền tải tài liệu theo mô hình client/server dự trên
internet tương tự như giao thức HTTP nhưng được thiết kế cho các thiết bị ràng
buộc. Giao thức này hỗ trợ một giao thức one-to-one để chuyển đổi trạng thái thông
tin giữa client và server.
CoAP sử dụng UDP (User Datagram Protocol), khơng hỗ trợ TCP, ngồi ra cịn
hỗ trợ địa chỉ broadcast và multicast, truyền thơng CoAP thơng qua các datagram
phi kết nối (connectionless) có thể được sử dụng trên các giao thức truyền thông
dựa trên các gói.
UDP có thể dễ dàng triển khai trên các vi điều khiển hơn TCP nhưng các công
cụ bảo mật như SSL/TSL khơng có sẵn, tuy nhiên ta có thể sử dụng Datagram
Transport Layer Security (DTLS) để thay thế.
16


Hình 2.2 Mơ hình sử dụng giao thức CoAP và
HTTP AMQP (Advanced Message Queue Protocol)
AMQP (Advanced Message Queue Protocol) là một giao thức làm trung gian
cho các gói tin trên lớp ứng dụng với mục đích thay thế các hệ thống truyền tin độc
quyền và khơng tương thích. Các tính năng chính của AMQP là định hướng
message, hàng đợi, định tuyến (bao gồm point-to-point và publish-subscribe) có độ
tin cậy và bảo mật cao. Các hoạt động sẽ được thực hiện thơng qua broker, nó cung
cấp khả năng điều khiển luồng (Flow Control).
Một trong các Message Broker phổ biến là RabbitMQ, được lập trình bằng ngơn
ngữ Erlang, RabbitMQ cung cấp cho lập trình viên một phương tiện trung gian để
giao tiếp giữa nhiều thành phần trong một hệ thống lớn.
Không giống như các giao thức khác, AMQP là một giao thức có dây (wireprotocol), có khả năng diễn tả các message phù hợp với định dạng dữ liệu, có thể
triển khai với rất nhiều loại ngơn ngữ lập trình.

DDS (Data Distribution Service)
DDS là một ngôn ngữ trung gian dựa vào dữ liệu tập trung được sử dụng để cho
phép khả năng mở rộng, thời gian thực, độ tin cậy cao và trao đổi dữ liệu tương tác.
Đây là một giao thức phi tập trung (broker-less) với truyền thông ngang hàng
trực tiếp theo kiểu peer-to-peer giữa các publishers và subscribers và được thiết kế
để trở thành một ngôn ngữ và hệ điều hành độc lập. DDS gửi và nhận dữ liệu, sự
kiện, và thơng tin lệnh trên UDP nhưng cũng có thể chạy trên các giao thức truyền


17


tải khác như IP Multicast, TCP / IP, bộ nhớ chia sẻ … DDS hỗ trợ các kết nối được
quản lý many-to-many theo thời gian thực và ngồi ra cịn hỗ trợ dị tìm tự động
(automatic discovery). Các ứng dụng sử dụng DDS cho truyền thông được tách
riêng và không yêu cầu sự can thiệp từ các ứng dụng của người dùng, có thể đơn
giản hóa việc lập trình mạng phức tạp. Các tham số QoS được sử dụng để xác định
các cơ chế tự dị tìm của nó được thiết lập một lần.
XMPP (Extensible Messaging và Presence Protocol)
XMPP (trước đây gọi là “Jabber”) là giao thức truyền thông dùng cho định
hướng tin nhắn trung gian dựa trên ngôn ngữ XML.
XMPP là mơ hình phân quyền client-server phi tập trung, được sử dụng cho các
ứng dụng nhắn tin văn bản. Có thể nói XMPP gần như là thời gian thực và có thể
mở rộng đến hàng trăm hàng nghìn nút. Dữ liệu nhị phân phải được mã hóa base64
trước khi nó được truyền đi trong băng tần. XMPP tương tự như MQTT, có thể chạy
trên nền tảng TCP.

Hình 2.3 ví dụ về XMPP
2.3.3 Firebase