Ứng dụng công nghệ IoT trong việc thiết kế và thi công bộ giám sát đồng hồ đo đa năng dùng chuẩn Modbus

Đồ án IoT giám sát đồng hồ đo đa năng chuẩn Modbus tại Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

• Tác giả: Đoàn Ngọc Tường
• Người hướng dẫn: GVC. Trương Ngọc Anh
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông
• Đề tài: Ứng dụng công nghệ IoT trong việc thiết kế và thi công bộ giám sát đồng hồ đo đa năng dùng chuẩn Modbus
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan bộ giám sát đồng hồ đo đa năng qua Modbus và IoT

Nhu cầu quản trị năng lượng thông minh đang gia tăng nhanh chóng trong công nghiệp và tòa nhà hiện đại. Nghiên cứu tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM phát triển thiết bị giám sát điện năng tích hợp công nghệ IoT. Hệ thống sử dụng vi điều khiển ESP32 làm trung tâm xử lý dữ liệu. Giao thức Modbus RTU trên nền tảng vật lý RS485 đảm bảo khả năng truyền tín hiệu chính xác. Thiết bị đo lường bám tải CHINT DDSU666 cung cấp các chỉ số điện áp, dòng điện, công suất và tần số lưới. Ngoài ra, cảm biến chuyên dụng ghi nhận nhiệt độ cùng độ ẩm môi trường vận hành. Dữ liệu đo đạc được đóng gói và gửi tức thời qua mạng Wi-Fi về máy chủ Blynk. Người vận hành theo dõi biểu đồ phụ tải trực tiếp trên điện thoại thông minh hoặc trình duyệt web. Cấu trúc này giảm thiểu chi phí đầu tư ban đầu so với các bộ SCADA truyền thống. Thiết bị vận hành ổn định trong môi trường nhiễu điện từ cao. Mô hình mở ra hướng tiếp cận linh hoạt cho các nhà máy vừa và nhỏ.

1.1. Mục tiêu và phạm vi triển khai đề tài

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là xây dựng hoàn chỉnh tủ điện giám sát công suất tiêu thụ điện năng 1 pha. Đề tài tập trung giải quyết bài toán tự động hóa khâu thu thập thông số tại nguồn. Mô hình bao gồm một tủ điện điều khiển trung tâm và trạm cảm biến phụ trợ. Hệ thống đo lường chính xác các thông số vật lý gồm điện áp, cường độ dòng điện, tần số, hệ số công suất cos phi. Đồng thời, các yếu tố môi trường như nhiệt độ và độ ẩm được theo dõi liên tục. Mọi dữ liệu phân tích đều hỗ trợ quản trị viên phát hiện sớm rủi ro quá tải hoặc suy giảm chất lượng điện.

1.2. Xu hướng ứng dụng IoT trong đo lường công nghiệp

Cách mạng công nghiệp đặt ra yêu cầu kết nối vạn vật trong mọi phân xưởng sản xuất. Việc chuyển đổi từ đồng hồ cơ khí sang thiết bị đo kỹ thuật số là bước đi tất yếu. Mạng truyền thông không dây giúp xóa bỏ rào cản địa lý trong công tác quản lý năng lượng. Dữ liệu phụ tải không còn nằm phân tán trên từng công tơ riêng lẻ. Thông tin được số hóa tập trung về máy chủ điện toán đám mây theo thời gian thực. Xu hướng này mang lại khả năng phân tích biểu đồ tiêu thụ điện chi tiết theo từng ca làm việc, giúp tối ưu chi phí vận hành doanh nghiệp.

II. Phân tích hạn chế phương pháp đo truyền thống và môi trường

Phương thức quản lý năng lượng thủ công bộc lộ nhiều điểm nghẽn nghiêm trọng. Nhân viên bảo trì phải đến tận tủ điện để ghi chép chỉ số công tơ định kỳ. Cách làm này tốn nhiều nhân lực và tiềm ẩn nguy cơ sai lệch số liệu do mắt đọc. Độ trễ thông tin lớn khiến cấp quản lý không thể nắm bắt sự cố mất pha hoặc quá dòng kịp thời. Ngoài ra, môi trường công nghiệp luôn tồn tại mức độ nhiễu điện từ rất khắc nghiệt từ động cơ và biến tần. Các tín hiệu analog truyền thông thường rất dễ bị suy hao hoặc biến dạng trên đường dây dài. Nhiệt độ và độ ẩm bên trong tủ phân phối điện cũng thường xuyên biến động ngoài tầm kiểm soát. Nếu tủ điện quá nóng hoặc quá ẩm, nguy cơ cháy nổ thiết bị đóng cắt sẽ gia tăng đột biến. Thiếu hệ thống cảnh báo sớm dẫn tới thời gian dừng máy kéo dài, gây thiệt hại lớn về kinh tế.

2.1. Nhược điểm của quy trình ghi chỉ số thủ công

Quy trình ghi số điện bằng mắt thường tạo ra nhiều rủi ro cố hữu trong vận hành. Tần suất thu thập dữ liệu thường chỉ diễn ra một lần mỗi ngày hoặc mỗi tháng. Khoảng trống dữ liệu này che giấu những biến động phụ tải bất thường trong giờ cao điểm. Sai sót do thao tác nhập liệu thủ công gây ảnh hưởng xấu tới báo cáo kiểm toán năng lượng. Hơn nữa, việc tiếp cận tủ điện cao thế tiềm ẩn nguy hiểm về an toàn lao động cho nhân sự. Chi phí nhân công định kỳ cũng tạo thêm gánh nặng tài chính không nhỏ cho ban điều hành phân xưởng.

2.2. Tác động của nhiễu tín hiệu và môi trường tủ điện

Đường dây truyền thông đặt cạnh dây nguồn động lực thường xuyên hứng chịu xung nhiễu điện áp cao. Nhiễu dẫn đến hiện tượng sai lệch bit dữ liệu hoặc ngắt quãng kết nối giữa các trạm đo. Đồng thời, nhiệt độ quá cao trong không gian kín thúc đẩy quá trình lão hóa linh kiện điện tử. Độ ẩm cao là nguyên nhân trực tiếp dẫn tới hiện tượng phóng điện bề mặt và ăn mòn tiếp điểm tiếp xúc. Do đó, hệ thống đo lường bắt buộc phải có cơ chế cách ly tín hiệu cùng khả năng giám sát điều kiện môi trường liên tục.

III. Giải pháp thiết kế hệ thống Modbus IoT tại ĐH SPKT TP

Để khắc phục triệt để các tồn tại trên, nhóm nghiên cứu tại ĐH SPKT TP.HCM đã hiện thực hóa giải pháp phần cứng kết hợp phần mềm tối ưu. Hệ sinh thái bao gồm bộ điều khiển ESP32, vi mạch chuyển đổi RS485 và đồng hồ bám tải CHINT DDSU666. Giao thức Modbus RTU chuẩn công nghiệp hoạt động theo cơ chế Master-Slave tin cậy. ESP32 đóng vai trò thiết bị Master, định kỳ gửi các khung truyền thăm dò đến thiết bị đo và cảm biến. Đồng hồ DDSU666 hồi đáp gói tin chứa các giá trị đo lường dưới dạng số thực 32-bit float chuẩn big-endian. Mạch phần cứng được bổ sung cảm biến nhiệt độ, độ ẩm giúp theo dõi môi trường vi khí hậu trong tủ điện. Mọi số liệu sau xử lý được ESP32 đẩy thẳng lên đám mây thông qua giao thức truyền thông Wi-Fi tích hợp. Giao diện Blynk đóng vai trò trung tâm điều khiển, cập nhật liên tục biểu đồ và gửi thông báo khẩn cấp khi xuất hiện ngưỡng vượt giới hạn an toàn.

3.1. Cấu hình giao tiếp Modbus RTU qua mạng RS485

Chuẩn truyền thông RS485 sử dụng đường truyền vi sai hai dây nhằm triệt tiêu tối đa xung nhiễu đồng pha. Tốc độ truyền baud rate được thiết lập đồng bộ giữa ESP32 và đồng hồ DDSU666. Mỗi thiết bị ngoại vi trên tuyến bus sở hữu một địa chỉ định danh ID phần cứng duy nhất. Cấu trúc khung truyền Modbus RTU bao gồm mã chức năng đọc thanh ghi và mã kiểm tra lỗi CRC16. Nhờ thuật toán CRC16, vi xử lý dễ dàng phát hiện và loại bỏ các gói tin bị hỏng trong quá trình truyền dẫn. Khoảng cách truyền tín hiệu mở rộng an toàn lên tới 1200 mét.

3.2. Tích hợp ESP32 và nền tảng đám mây Blynk

ESP32 đảm nhận vai trò cầu nối thông minh giữa mạng cảm biến trường và không gian mạng Internet. Module Wi-Fi tích hợp sẵn trên chip giúp đơn giản hóa mạch in và tiết kiệm không gian lắp đặt tủ điện. Thư viện phần mềm Blynk kết nối an toàn với máy chủ qua giao thức TCP/IP mã hóa. Các tham số điện năng như V, I, P, cos phi được ánh xạ chính xác vào các chân ảo Virtual Pin. Giao diện ứng dụng trên điện thoại di động tự động hiển thị đồng hồ kim ảo và biểu đồ đường thời gian thực cho người dùng.

IV. Đánh giá ứng dụng thực tế của bộ giám sát năng lượng IoT

Kết quả thử nghiệm thực tế tại phòng thí nghiệm trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM khẳng định tính hiệu quả vượt trội của thiết bị. Hệ thống vận hành liên tục, truyền dữ liệu ổn định với độ trễ thấp dưới 2 giây. Các thông số điện áp và dòng điện đo được khớp chính xác với giá trị kiểm chứng trên phần mềm Modbus Poll. Tủ điện trung tâm kiểm soát tốt nhiệt độ và độ ẩm, tự động kích hoạt relay quạt làm mát khi nhiệt độ tăng cao. Mô hình chứng minh tính khả thi xuất sắc trong việc triển khai tại các tòa nhà văn phòng và xưởng cơ khí nhỏ. Chi phí lắp đặt phần cứng thấp giúp doanh nghiệp rút ngắn đáng kể thời gian thu hồi vốn đầu tư. Công trình này không chỉ hoàn thành xuất sắc mục tiêu đồ án tốt nghiệp mà còn đóng góp giải pháp thực tiễn cho bài toán chuyển đổi số năng lượng.

4.1. Hiệu quả vận hành và độ chính xác đo lường

Thử nghiệm tải thực tế chứng minh sai số đo đạc của đồng hồ CHINT DDSU666 qua vi xử lý ESP32 luôn nằm trong ngưỡng tiêu chuẩn kỹ thuật cho phép. Thời gian đáp ứng của toàn bộ chuỗi thu thập và hiển thị dữ liệu đạt mức gần thời gian thực. Cảm biến môi trường phản hồi nhạy bén trước các thay đổi độ ẩm và nguồn nhiệt nhân tạo. Tỷ lệ suy hao gói tin trên tuyến cáp truyền thông RS485 được khống chế ở mức tiệm cận 0%. Khả năng tự động tái kết nối Wi-Fi khi mất mạng duy trì tính liên tục cho toàn bộ hệ thống.

4.2. Khả năng mở rộng cho nhà máy thông minh

Kiến trúc phần cứng mở của hệ thống cho phép đấu nối thêm nhiều đồng hồ điện và cảm biến phụ trợ mà không cần thiết kế lại mạch nguồn. Tuyến bus RS485 hỗ trợ ghép nối tới 32 thiết bị đo đa năng trên cùng một đường dây vật lý. Thuật toán điều khiển trên ESP32 hoàn toàn tương thích với các giao thức công nghiệp cấp cao như MQTT hoặc OPC-UA. Trong tương lai, mô hình có thể kết nối trực tiếp với hệ thống quản lý năng lượng EMS hoặc nền tảng dữ liệu lớn để dự báo nhu cầu phụ tải bằng trí tuệ nhân tạo.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong hệ thống cung cấp và phân phối điện năng, tủ điện đóng vai trò là trung tâm phân phối, điều khiển và bảo vệ toàn bộ mạng lưới thiết bị điện. Do đó, việc duy trì môi trường vận hành ổn định bên trong tủ điện là yếu tố có tính quyết định nhằm ngăn ngừa nguy cơ hư hỏng thiết bị, giảm thiểu sự cố chập cháy và kéo dài tuổi thọ của linh kiện. Thực tiễn vận hành tại Việt Nam cho thấy, điều kiện khí hậu nhiệt đới nóng ẩm đặc trưng kết hợp với xu hướng gia tăng phụ tải liên tục tại các đô thị lớn như Thành phố Hồ Chí Minh và Hà Nội đặt ra áp lực lớn đối với công tác giám sát an toàn điện và tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ. Việc ứng dụng công nghệ Internet vạn vật (Internet of Things - IoT) kết hợp với các mạng cảm biến cho phép chuyển dịch từ phương thức kiểm tra thủ công định kỳ sang giám sát tự động theo thời gian thực và điều khiển từ xa các thiết bị phụ trợ (như quạt làm mát hay đèn cảnh báo).

Đề tài đồ án tốt nghiệp "Ứng dụng công nghệ IoT trong việc thiết kế và thi công bộ giám sát đồng hồ đo đa năng dùng chuẩn Modbus" do sinh viên Đoàn Ngọc Tường thực hiện dưới sự hướng dẫn của GVC. Trương Ngọc Anh (ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh) hướng đến mục đích thiết kế và thi công hoàn chỉnh một bộ thiết bị giám sát đồng hồ đo đa năng 1 pha xoay chiều (AC), kết hợp đo lường nhiệt độ, độ ẩm bên trong tủ điện và truyền dữ liệu lên nền tảng ứng dụng di động cũng như giao diện website.

Để hiện thực hóa mục đích trên, các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được tác giả xác định và thực hiện tuần tự như sau:

1. Nghiên cứu chuẩn truyền thông công nghiệp Modbus RS485.
2. Nghiên cứu lập trình giao tiếp theo tiêu chuẩn Modbus giữa vi điều khiển ESP32 với đồng hồ đo đa năng 1 pha AC chuẩn Modbus CHINT DDSU666, cảm biến nhiệt độ và độ ẩm, cùng module 2 relay.
3. Thiết kế giao diện hiển thị, lập trình cho vi điều khiển ESP32 giao tiếp và đồng bộ với nền tảng phần mềm Blynk.
4. Thiết kế mô hình phần cứng gồm một tủ điện trung tâm và một trạm cảm biến con độc lập.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là các thông số điện năng xoay chiều (điện áp, dòng điện, công suất tác dụng, công suất phản kháng, hệ số công suất, tần số lưới điện) và các thông số vi khí hậu môi trường (nhiệt độ, độ ẩm không khí), cùng cơ chế điều khiển đóng ngắt tải điện qua relay. Phạm vi nghiên cứu về mặt không gian được giới hạn trong việc xây dựng mô hình thực nghiệm gồm hai trạm vật lý riêng biệt: một tủ điện hoàn chỉnh (tích hợp đồng hồ đo đa năng, cảm biến nhiệt độ - độ ẩm, module 2 relay) và một trạm rời đóng vai trò trạm con (trang bị cảm biến nhiệt độ - độ ẩm và module 2 relay). Phạm vi thời gian thực hiện đồ án diễn ra từ ngày 09/09/2024 đến ngày 30/12/2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Về cơ sở lý thuyết, đề tài dựa trên các nền tảng kỹ thuật truyền thông công nghiệp và mạng kết nối không dây:

• Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN): Mô hình kiến trúc gồm các nút cảm biến thu thập thông tin, trạm gốc trung gian và trung tâm điều khiển/xử lý phân tích dữ liệu.
• Chuẩn giao tiếp RS485 (Recommended Standard 485): Tiêu chuẩn truyền thông nối tiếp vi sai cân bằng do Hiệp hội Công nghiệp Điện tử (EIA) ban hành, cho phép truyền tín hiệu ổn định cự ly tối đa 1200 m, khả năng kết nối tối đa 32 thiết bị trên cùng một bus và hạn chế ảnh hưởng của nhiễu điện từ. Hệ thống sử dụng cấu hình bán song công (half-duplex) 2 dây.
• Giao thức Modbus: Mô hình giao tiếp Chủ - Tớ (Master - Slave) chuẩn hóa trong tự động hóa công nghiệp. Đồ án tập trung vào biến thể Modbus RTU truyền dữ liệu dưới dạng nhị phân với cơ chế kiểm tra lỗi CRC 16-bit, đồng thời đối chiếu với các biến thể Modbus ASCII và Modbus TCP/IP.

Bảng tổng hợp các mã chức năng Modbus phổ biến được trình bày trong cơ sở lý thuyết của đồ án:

Mã chức năng (Hex)	Tên chức năng Modbus	Mô tả tác vụ
01H	Read output coil	Đọc trạng thái ngõ ra coil (ON/OFF)
02H	Read input coil	Đọc trạng thái ngõ vào số discrete
03H	Read holding register	Đọc giá trị thanh ghi lưu trữ (Holding Register)
04H	Read output register	Đọc giá trị thanh ghi ngõ ra
05H	Write single coil	Ghi trạng thái một coil đơn
06H	Write single register	Ghi giá trị một thanh ghi đơn
0FH	Write multi-coil	Ghi trạng thái cho nhiều coil liên tiếp
10H	Write multiple registers	Ghi dữ liệu vào nhiều thanh ghi liên tiếp

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được tác giả triển khai qua các bước:

• Phương pháp khảo sát và chọn vị trí: Xác định điểm lắp đặt tủ điện và trạm rời đảm bảo đại diện cho các điều kiện vận hành thực tế cần giám sát.
• Phương pháp thiết kế kỹ thuật: Xây dựng sơ đồ khối, tính toán nguồn nuôi, lựa chọn linh kiện vi xử lý (so sánh giữa ESP8266 và ESP32), thiết kế mạch nguyên lý cho từng khối chức năng.
• Phương pháp kiểm thử và mô phỏng giao thức: Sử dụng máy tính cá nhân kết hợp mạch chuyển đổi USB sang RS485 và phần mềm Modbus Poll để gửi lệnh đọc/ghi kiểm tra các thanh ghi dữ liệu của đồng hồ DDSU666, cảm biến XY-MD03 và module relay trước khi tích hợp vào hệ thống vi điều khiển.
• Phương pháp đối soát thực nghiệm: Đọc dữ liệu thực tế từ hệ thống phần cứng, so sánh kết quả hiển thị trên màn hình LCD cục bộ, màn hình đồng hồ đo với dữ liệu hiển thị trên Web Dashboard và ứng dụng Blynk di động.

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu hoàn toàn bắt nguồn từ số liệu thu thập thời gian thực từ cảm biến nhiệt độ - độ ẩm XY-MD03 và các thanh ghi nội vi của đồng hồ đo đa năng CHINT DDSU666 được lắp đặt trên đường dây tải điện 1 pha 220VAC.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc phân tán gồm hai trạm độc lập giao tiếp qua mạng Wi-Fi và truyền thông có dây Modbus RTU RS485:

• Khối xử lý trung tâm: Sử dụng bo mạch NodeMCU ESP32 (38 chân) tích hợp vi xử lý Wi-Fi/Bluetooth, chip nạp UART CP2102, điện áp hoạt động 5VDC (qua chân Micro USB hoặc Vin), mức logic 3.3V, dòng tiêu thụ dao động 80–240 mA. ESP32 đóng vai trò là Modbus Master, phát chu kỳ yêu cầu đọc dữ liệu đến các thiết bị tớ (Slave) trên đường truyền RS485.
• Khối chuyển tiếp tín hiệu: Module UART TTL sang RS485 sử dụng IC chuyển đổi XL485 và IC đệm 74HC04D, điện áp hoạt động 3.3–5VDC, kích thước 43x15x3 mm, nhiệt độ làm việc từ -40°C đến +85°C, có LED chỉ thị trạng thái thu/phát TXD/RXD.
• Khối đo lường điện năng: Đồng hồ đo đa năng 1 pha CHINT DDSU666 hỗ trợ Modbus RTU, dải điện áp làm việc 220VAC, tần số 50/60Hz, công suất tiêu thụ dưới 2W, cấp bảo vệ nhiệt độ từ -25°C đến +55°C, kích thước 98x65x72 mm, màn hình LCD 7 đoạn kích thước 5.3x2.8 mm, khối lượng 0.4 kg.
• Khối đo lường môi trường: Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm XY-MD03 sử dụng giao thức Modbus RTU qua cổng RS485, dải đo nhiệt độ -30°C đến +80°C, dải đo độ ẩm 0–100% RH, chu kỳ làm mới dữ liệu 0.5 giây, chuẩn kháng nước/bụi đạt tiêu chuẩn từ IP65 trở lên, khoảng cách truyền tải lên tới 800 m.
• Khối chấp hành: Module 2 relay RS485 Modbus RTU tích hợp vi điều khiển 8-bit và chip MAX485, cấp nguồn 5–24VDC, tốc độ truyền mặc định 9600 bps, ngõ ra 2 relay dạng NO/NC/COM hỗ trợ tải công suất cho các thiết bị như quạt làm mát hay đèn báo.
• Khối hiển thị tại chỗ và giám sát từ xa: Màn hình LCD được tích hợp tại trạm để quan sát cục bộ; nền tảng đám mây Blynk được cấu hình qua Template, Datastream, các chân ảo (Virtual Pin) và mã chứng thực AUTH_TOKEN để cung cấp giao diện Web Dashboard và ứng dụng trên điện thoại thông minh.

Bảng tra cứu địa chỉ thanh ghi Modbus trên đồng hồ đo CHINT DDSU666 phục vụ lập trình đọc dữ liệu:

Địa chỉ thanh ghi (Hex)	Ký hiệu thông số	Thông số đo lường	Định dạng dữ liệu
2000H	U	Điện áp lưới (Voltage)	32-bit float, big-endian
2002H	I	Dòng điện phụ tải (Current)	32-bit float, big-endian
2004H	P	Công suất tác dụng (Active Power)	32-bit float, big-endian
2006H	Q	Công suất phản kháng (Reactive Power)	32-bit float, big-endian
200AH	Ft	Hệ số công suất (Power Factor)	32-bit float, big-endian
200EH	Freq	Tần số lưới điện (Frequency)	32-bit float, big-endian

Quy trình triển khai phần mềm được thực hiện qua môi trường Arduino IDE bằng ngôn ngữ C/C++. Quá trình đọc cảm biến XY-MD03 được thiết lập với mã chức năng 03H (Read Holding Register), địa chỉ bắt đầu là 0000H, đọc liên tiếp 2 thanh ghi; giá trị nhiệt độ thô nhận về (dạng thập lục phân, ví dụ 0x0131 = 305) được chia cho hệ số 10 để ra giá trị nhiệt độ thực tế 30.5°C. Các lệnh điều khiển module 2 relay được cấu hình theo khung truyền Modbus chuẩn (ví dụ lệnh điều khiển đóng relay 1 là chuỗi byte FF 05 00 00 FF 00 kèm mã kiểm tra lỗi CRC).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: TỔNG QUAN

Chương 1 thiết lập nền tảng nghiên cứu thông qua việc phân tích bối cảnh tiêu thụ năng lượng điện tại Việt Nam, đặc biệt là sự biến động phụ tải tại các khu vực tập trung dân cư và công nghiệp như Thành phố Hồ Chí Minh và Hà Nội. Tác giả chỉ ra vai trò trọng yếu của tủ điện trong hệ thống và những rủi ro kỹ thuật khi nhiệt độ và độ ẩm bên trong tủ vượt ngưỡng quy định. Từ đó, chương này xác định rõ mục đích của đề tài, chi tiết hóa 4 nhiệm vụ kỹ thuật cần giải quyết, vạch rõ giới hạn nghiên cứu (mô hình 2 trạm gồm 1 tủ điện chính và 1 trạm phụ đo lường vi khí hậu, giám sát qua nền tảng Blynk) và phác thảo phương pháp nghiên cứu hệ thống.

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2 trình bày có hệ thống các lý thuyết kỹ thuật liên quan trực tiếp đến đề tài. Về mạng truyền thông, chương phân tích mô hình mạng cảm biến không dây (WSN), so sánh sự khác nhau về phạm vi và ứng dụng giữa Wi-Fi (bán kính 30–50 m) và mạng di động viễn thông, làm rõ đặc tính vật lý của chuẩn truyền thông RS485 2 dây bán song công. Về giao thức, chương phân tích cấu trúc gói tin ADU và PDU của Modbus, đối chiếu chi tiết ba biến thể Modbus RTU, Modbus ASCII và Modbus TCP/IP, đồng thời lập bảng mã chức năng Modbus chuẩn. Về phần cứng, chương cung cấp thông số kỹ thuật chi tiết của đồng hồ DDSU666 CHINT (kèm bảng phân bổ thanh ghi từ 2000H đến 200EH), kit NodeMCU ESP32 38 chân (kèm sơ đồ chân và phân tích so sánh với ESP8266), module UART TTL-RS485, cảm biến XY-MD03 và module 2 relay RS485. Về phần mềm, chương giới thiệu cách thức thiết lập công cụ lập trình Arduino IDE, cấu hình dự án trên Blynk (tạo Template, khai báo Datastream, cấp phát Virtual Pin, tạo Web Dashboard) và cách ứng dụng phần mềm Modbus Poll để kiểm tra định dạng khung truyền dữ liệu 32-bit float big-endian.

Chương 3: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG

Nội dung chương 3 tập trung vào việc mô hình hóa hệ thống từ yêu cầu kỹ thuật thực tế. Tác giả xây dựng sơ đồ khối tổng thể cho cả trạm cảm biến và tủ điện chính, trong đó khối xử lý trung tâm ESP32 đóng vai trò điều phối trao đổi tín hiệu giữa khối chuyển đổi RS485 TTL, khối cảm biến, khối relay 2 kênh, khối đồng hồ đo (chỉ có ở tủ điện) và khối hiển thị LCD. Chương này cũng trình bày các bước tính toán thiết kế phần cứng: so sánh lựa chọn vi điều khiển ESP32 nhờ ưu thế về tài nguyên GPIO và tốc độ xử lý vượt trội so với ESP8266, tính toán cân bằng công suất cho khối nguồn nuôi toàn hệ thống, và hoàn thiện các bản vẽ sơ đồ nguyên lý chi tiết cho từng mạch thành phần cũng như sơ đồ nguyên lý tổng thể của Trạm cảm biến và Tủ điện.

Chương 4: THI CÔNG HỆ THỐNG

Chương 4 mô tả toàn bộ quy trình chế tạo và thi công mô hình vật lý. Quá trình lắp ráp trạm cảm biến rời được thực hiện trên bảng táp lô nhựa, bố trí gọn gàng mạch ESP32, bộ chuyển đổi RS485, module relay và cảm biến XY-MD03. Quá trình thi công tủ điện được triển khai bên trong vỏ tủ nhựa công nghiệp chuyên dụng, sắp xếp các ray nhôm, máng đi dây, đồng hồ đo DDSU666, màn hình LCD hiển thị và các đèn/còi báo hiệu. Song song với phần cứng, tác giả xây dựng chi tiết lưu đồ thuật toán điều khiển cho cả hai thiết bị: lưu đồ giải thuật cho Trạm cảm biến (khởi tạo, đọc cảm biến XY-MD03, xuất LCD, đồng bộ Blynk) và lưu đồ giải thuật cho Tủ điện (đọc tuần tự dữ liệu đo từ DDSU666 và XY-MD03 qua bus RS485, phân tích byte dữ liệu, tính toán thông số, điều khiển relay bảo vệ/làm mát và đẩy dữ liệu lên Internet).

Chương 5: KẾT QUẢ, NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ

Chương 5 công bố các kết quả thực nghiệm sau khi hoàn thiện chế tạo và chạy thử nghiệm hệ thống. Tác giả ghi nhận các kết quả hiển thị thông số điện áp, dòng điện, công suất tác dụng, hệ số công suất và tần số trực tiếp trên màn hình LCD của đồng hồ DDSU666 cũng như LCD ngoài của tủ điện và trạm rời. Đồng thời, chương trình bày hình ảnh kiểm thử thực tế giao diện Web Dashboard và ứng dụng Blynk trên điện thoại, chứng minh khả năng cập nhật dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm và thông số điện năng ổn định. Tác giả cũng biên soạn tài liệu hướng dẫn vận hành chi tiết và đưa ra nhận xét, đánh giá toàn diện về mức độ đáp ứng của hệ thống so với mục tiêu đề ra ban đầu.

Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Chương 6 tổng kết toàn bộ các nội dung và sản phẩm đã chế tạo được trong đồ án. Tác giả đánh giá hệ thống đã giải quyết thành công bài toán giám sát thông số điện năng và vi khí hậu tủ điện từ xa thông qua chuẩn truyền thông Modbus RTU và giao tiếp Wi-Fi IoT. Đồng thời, chương thẳng thắn chỉ ra các giới hạn còn tồn tại về mặt phần cứng và hạ tầng truyền dẫn, từ đó đề xuất các hướng nghiên cứu nâng cấp hệ thống trong các giai đoạn tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Về kết quả kỹ thuật, đồ án đã chế tạo thành công hai sản phẩm vật lý hoàn chỉnh có khả năng hoạt động ổn định: một mô hình Tủ điện công nghiệp thu nhỏ và một Trạm cảm biến môi trường rời. Kết quả vận hành thực tế ghi nhận hệ thống đo đạc và phản ánh chính xác các thông số kỹ thuật được chỉ định:

• Thu thập và giải mã chính xác các thông số điện lưới 1 pha xoay chiều từ đồng hồ CHINT DDSU666 qua địa chỉ thanh ghi Modbus (2000H cho điện áp U, 2002H cho dòng điện I, 2004H cho công suất P, 2006H cho công suất phản kháng Q, 200AH cho hệ số công suất Ft, 200EH cho tần số Freq) dưới định dạng số thực dấu phẩy động 32-bit float, big-endian.
• Đo lường liên tục nhiệt độ (dải đo từ -30°C đến +80°C) và độ ẩm (0–100% RH) từ cảm biến XY-MD03 với chu kỳ cập nhật 0.5 giây, xử lý dữ liệu hex sang số thực chính xác với sai số nằm trong giới hạn cho phép của nhà sản xuất.
• Thực thi lệnh điều khiển đóng/ngắt các tiếp điểm NO/NC của module 2 relay qua lệnh Modbus RTU để điều khiển tải ngoại vi (quạt làm mát, chuông báo) cả bằng thuật toán tự động lẫn điều khiển bằng tay từ xa qua giao diện Blynk.
• Hiển thị song song: cục bộ trên màn hình LCD ký tự và đồng hồ đo; trực tuyến thông qua giao diện Web Dashboard và ứng dụng Blynk trên thiết bị di động kết nối qua mạng Internet.

Về giải pháp và đóng góp, đồ án đã xây dựng một giải pháp kỹ thuật tích hợp hoàn chỉnh kết hợp giữa chuẩn truyền thông nối tiếp công nghiệp truyền thống (Modbus RS485) với nền tảng IoT hiện đại dựa trên dòng chip vi điều khiển giá thành thấp ESP32. Việc giải mã thành công các thanh ghi Modbus của thiết bị đo lường công nghiệp tiêu chuẩn như DDSU666 trên vi điều khiển nhúng giúp chứng minh tính khả thi của việc nâng cấp các hệ thống tủ điện hiện hữu thành hệ thống giám sát thông minh mà không cần thay thế toàn bộ thiết bị đo lường sẵn có.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên phạm vi và nội dung được tác giả trình bày tại Chương 6 của tài liệu, hệ thống còn tồn tại các hạn chế kỹ thuật sau:

• Giới hạn pha điện: Hệ thống mới chỉ áp dụng thiết kế và thử nghiệm cho lưới điện xoay chiều 1 pha thông qua đồng hồ DDSU666, chưa mở rộng cho các hệ thống điện 3 pha công nghiệp công suất lớn.
• Phụ thuộc hạ tầng Wi-Fi: Khả năng giám sát từ xa của ESP32 phụ thuộc hoàn toàn vào sóng Wi-Fi tại vị trí lắp đặt tủ điện (bán kính phát sóng hữu hiệu thường trong khoảng 30–50 m từ router). Nếu xảy ra sự cố mất tín hiệu Wi-Fi, dữ liệu không thể đẩy lên nền tảng đám mây Blynk.
• Quy mô hệ thống: Mô hình mới dừng lại ở quy mô thử nghiệm gồm một tủ điện và một trạm con rời; chưa kiểm thử khả năng mở rộng với số lượng lớn các trạm cảm biến phân tán trên diện rộng.
• Phụ thuộc nền tảng đám mây bên thứ ba: Việc lưu trữ dữ liệu lịch sử và giao diện giám sát phụ thuộc vào máy chủ Blynk, tiềm ẩn hạn chế về dung lượng lưu trữ dài hạn và quyền tùy biến cơ sở dữ liệu chuyên sâu.

Hướng phát triển tiếp theo được tác giả định hướng:

• Mở rộng phạm vi đo lường cho hệ thống điện 3 pha công nghiệp bằng cách tích hợp các dòng đồng hồ đo điện đa năng 3 pha chuẩn Modbus (như dòng DTSU).
• Tích hợp thêm các module truyền thông dự phòng như mạng di động 4G/LTE/GSM hoặc công nghệ mạng diện rộng công suất thấp (LPWAN) để đảm bảo truyền dữ liệu liên tục ngay cả khi mất kết nối Wi-Fi.
• Xây dựng hệ thống máy chủ và cơ sở dữ liệu cục bộ hoặc máy chủ đám mây độc lập (như MySQL/InfluxDB kết hợp Grafana/Node-RED) để lưu trữ dữ liệu lịch sử dài hạn và phục vụ phân tích thuật toán cảnh báo sớm.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho:

• Sinh viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Điện hoặc Công nghệ Thông tin đang thực hiện các đề tài nghiên cứu về hệ thống nhúng, thiết bị IoT và tự động hóa tòa nhà/nhà máy.
• Kỹ sư và kỹ thuật viên bảo trì hệ thống điện công nghiệp quan tâm đến giải pháp nâng cấp, bổ sung tính năng giám sát thông minh cho tủ điện hiện hữu bằng các thiết bị chi phí hợp lý.
• Những nội dung đáng tham khảo chuyên sâu trong văn bản gồm:
  • Phương pháp cấu hình và bản đồ thanh ghi chi tiết của đồng hồ đo năng lượng CHINT DDSU666 (thanh ghi từ 2000H đến 200EH).
  • Quy trình kiểm thử truyền thông nối tiếp Modbus RTU sử dụng phần mềm Modbus Poll.
  • Sơ đồ nguyên lý ghép nối phần cứng giữa ESP32 với module UART-RS485, cảm biến XY-MD03 và module 2 relay.
  • Cấu trúc dữ liệu và cách thiết lập luồng dữ liệu (Datastream/Virtual Pin) trên nền tảng IoT Blynk.

Câu hỏi thường gặp

1. Đồng hồ đo đa năng CHINT DDSU666 giao tiếp với vi điều khiển ESP32 thông qua chuẩn vật lý và giao thức truyền thông nào?
Đồng hồ CHINT DDSU666 giao tiếp với ESP32 thông qua chuẩn vật lý nối tiếp RS485 2 dây (bán song công) sử dụng giao thức Modbus RTU. Tín hiệu UART logic (TTL) từ chân GPIO của ESP32 được chuyển đổi mức tín hiệu sang RS485 thông qua module chuyển tiếp UART TTL-RS485 (dùng IC XL485 và 74HC04D).

2. Để đọc các giá trị điện áp, dòng điện và công suất từ đồng hồ DDSU666, hệ thống truy xuất các thanh ghi Modbus nào và định dạng dữ liệu là gì?
Theo tài liệu của đồ án, địa chỉ thanh ghi để đọc điện áp (U) là 2000H, dòng điện (I) là 2002H, công suất tác dụng (P) là 2004H, công suất phản kháng (Q) là 2006H, hệ số công suất (Ft) là 200AH và tần số (Freq) là 200EH. Kiểu dữ liệu nhận về được mã hóa dưới dạng số thực 32-bit (32-bit float, định dạng big-endian).

3. Cảm biến XY-MD03 đo lường những thông số nào, dải đo ra sao và làm thế nào để chuyển đổi giá trị nhiệt độ nhận được thành độ Celsius thực tế?
Cảm biến XY-MD03 đo nhiệt độ trong dải từ -30°C đến +80°C và độ ẩm trong dải từ 0% đến 100% RH với chu kỳ làm mới dữ liệu là 0.5 giây. Dữ liệu nhiệt độ nhận về từ thanh ghi Modbus được định dạng dưới dạng số nguyên thập lục phân, giá trị thực tế bằng giá trị đọc được chia cho 10 (ví dụ giá trị đọc về là 0x0131 tương ứng 305 thì nhiệt độ thực tế là 305 / 10 = 30.5°C).

4. Mô hình phần cứng của đồ án được phân chia thành những trạm nào và chức năng của từng trạm là gì?
Mô hình thực nghiệm gồm hai trạm vật lý riêng biệt:

• Trạm tủ điện chính: Trang bị vi điều khiển ESP32, đồng hồ đo đa năng 1 pha CHINT DDSU666, cảm biến nhiệt độ - độ ẩm XY-MD03, module 2 relay và màn hình hiển thị LCD; thực hiện đo lường đầy đủ cả thông số điện năng lẫn môi trường tủ điện.
• Trạm cảm biến rời (trạm con): Lắp đặt trên táp lô nhựa gồm vi điều khiển ESP32, cảm biến nhiệt độ - độ ẩm XY-MD03, module 2 relay và màn hình LCD; chuyên trách việc giám sát vi khí hậu tại vị trí môi trường độc lập.

5. Nền tảng nào được lựa chọn để giám sát và điều khiển thiết bị từ xa qua Internet trong đồ án?
Tác giả lựa chọn nền tảng đám mây IoT Blynk. Vi điều khiển ESP32 kết nối Wi-Fi và đẩy dữ liệu lên máy chủ Blynk thông qua các cổng chân ảo (Virtual Pin) và mã chứng thực (Auth Token) được cấp bởi Template dự án, giúp hiển thị trực quan thông số trên Web Dashboard và ứng dụng di động Blynk.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Đoàn Ngọc Tường đã hoàn thành trọn vẹn việc thiết kế và thi công mô hình phần cứng giám sát năng lượng điện và vi khí hậu tủ điện dựa trên công nghệ IoT và chuẩn giao tiếp công nghiệp Modbus RS485. Hệ thống tích hợp thành công vi điều khiển ESP32 với đồng hồ đo CHINT DDSU666, cảm biến nhiệt độ - độ ẩm XY-MD03 và module relay, cho phép thu thập chính xác các thông số kỹ thuật và đồng bộ dữ liệu lên nền tảng Blynk. Kết quả nghiên cứu có tính ứng dụng thực tiễn cao đối với các mô hình quản lý năng lượng quy mô vừa và nhỏ, đồng thời cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về kỹ thuật lập trình giao tiếp Modbus trong các hệ thống nhúng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan năng. Lựa chọn phần mềm Blynk làm nền tảng giám sát từ xa, xác định giao thức Modbus cho truyền thông giữa các thiết bị. - Lắp đặt cảm biến XY-MD03 để đo nhiệt độ và độ ẩm trong tủ điện và trạm rời. Kết nối module 2 relay để điều khiển các thiết bị ngoại vi và đồng hồ đo đa năng.

Đảm bảo tất cả thiết bị được lắp đặt đúng cách và có thể truyền dữ liệu một cách ổn định. - Đánh giá độ chính xác và độ tin cậy của dữ liệu thu được bằng cách so sánh với các dữ liệu từ các thiết bị đo truyền thông. - Tạo báo cáo chi tiết về kết quả thu được và phân tích dữ liệu.5 Tóm tắt đề tài Với các yêu cầu và nhiệm vụ và mục tiêu đề ra, báo cáo được xây dựng gồm các chương như sau: Chương 1: Tổng quan: Tìm hiểu về tình hình và nghiên cứu trong và ngoài nước hiện này về giám sát điện năng. Từ đó đưa ra được việc lựa chọn đề tài, xác định mục tiêu, giới hạn và nội dung của đề tài.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết: Trình bày cơ sở lý thuyết về các chuẩn truyền thông thông dùng trong công nghiệp đặc biết là chuẩn Modbus trong việc truyền dữ liệu nhằm mục đích phục vụ cho việc thiết kế. Chương 3: Thiết kế và xây dựng hệ thống : Tính toán và thiết kế sơ đồ khối nhằm đưa ra lựa chọn về phương án hay linh kiện sử dụng trong đề tài nhằm tối ưu đề tài. Khái quát về các thành phần và chức năng của các loại phần cứng được sử dụng trong hệ thống. 4 Chương 1: Tổng quan Chương 4: Thiết kế hệ thống: Trình bày quá trình và kết quả sau khi thi công, xây dựng lưu đồ giải thuật cho vi điều khiển, cũng như thực nghiệm của hệ thống.

Chương 5: Kết quả, Nhận xét và Đánh giá : Đưa ra kết quả đạt được, số liệu, hình ảnh hệ thống sau khi thi công được đưa ra nhận xét và đánh giá về hệ thống. Chương 6: Kết luận và hướng phát triển : Đưa ra một tổng quan về những thành công và thiếu sót của đề tài dựa trên kết quả thu được của từng chương. Từ đó, đưa ra hướng phát triển cải thiện hệ thống trong tương lai. 5 Chương 3: Thiết kế và xây dựng hệ thống Chương 2: CỞ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây (WSN – Wireless Sensor Network) là một hệ thống phức hợp bao gồm nhiều nút cảm biến được bố trí trong một khu vực nhất định để thu thập và truyền tải dữ liệu.

Mỗi nút cảm biến trong mạng này không chỉ được tích hợp bộ thu phát sóng vô tuyến mà còn được trang bị các loại cảm biến khác nhau nhằm đo lường các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, hay thậm chí là chuyển động. Các nút mạng này hoạt động một cách tự động và không phụ thuộc lẫn nhau. Chúng gửi dữ liệu thu thập được về trạm gốc thông qua các kết nối không dây như sóng vô tuyến, hồng ngoại, hoặc tín hiệu quang học. Cấu trúc của hệ thống WSN thường gồm ba thành phần chính: các nút cảm biến, trạm gốc và trung tâm điều khiển.

Các nút cảm biến chịu trách nhiệm thu thập dữ liệu từ môi trường xung quanh và truyền về trạm gốc. Trạm gốc có vai trò trung gian, giúp kết nối và chuyển tiếp dữ liệu từ các nút mạng đến trung tâm điều khiển. Trung tâm điều khiển chính là nơi dữ liệu được xử lý và phân tích để tạo ra các báo cáo hoặc đưa ra các quyết định.