Tài liệu Kỹ thuật: Đề tài nckh thiết bị điều khiển giám sát điện gia đình

Tài liệu nghiên cứu Đề tài nckh thiết bị điều khiển giám sát điện gia đình phát hiện và cảnh báo cháy nổ, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về kỹ

• Tác giả: Uông Trần Trung Độ
• Người hướng dẫn: PGS.TS Trương Ngọc Sơn
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Máy Tính
• Đề tài: Thiết Bị Điều Khiển, Giám Sát Điện Gia Đình, Phát Hiện Và Cảnh Báo Cháy Nổ
• Loại tài liệu: Báo Cáo Tổng Kết Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Đề Tài Nghiên Cứu Thiết Bị Điều Khiển Giám Sát Điện Gia Đình

Đề tài nghiên cứu khoa học thiết bị điều khiển giám sát điện gia đình được thực hiện bởi nhóm sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Máy tính tại Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Dự án này tập trung vào việc thiết kế hệ thống giám sát điện năng tiêu thụ trong các hộ gia đình, kết hợp công nghệ IoT hiện đại để cung cấp giải pháp quản lý điện thông minh. Mục tiêu chính của đề tài là tạo ra một thiết bị điều khiển thông minh cho phép người dùng theo dõi và quản lý lượng điện tiêu thụ ở mọi nơi có kết nối internet. Hệ thống không chỉ đơn thuần là một công cụ đo lường mà còn có khả năng phát hiện và cảnh báo cháy nổ, đóng vai trò quan trọng trong bảo vệ an toàn cho gia đình.

1.1. Lý Do Chọn Đề Tài Và Ý Nghĩa

Nhu cầu quản lý điện năng hiệu quả trong gia đình ngày càng trở nên cấp thiết. Đề tài được chọn vì nó giải quyết vấn đề tiêu thụ điện lãng phí phổ biến ở các hộ gia đình Việt Nam. Ứng dụng công nghệ IoT và điều khiển từ xa giúp người dùng có cái nhìn toàn diện về mức tiêu thụ điện, từ đó đưa ra các quyết định quản lý hợp lý hơn.

1.2. Đối Tượng Và Phạm Vi Nghiên Cứu

Đề tài hướng tới hộ gia đình, chung cư đô thị và các không gian sống cần giám sát điện thông minh. Phạm vi nghiên cứu bao gồm thiết kế phần cứng (cảm biến, vi điều khiển), phát triển ứng dụng di động, và xây dựng hệ thống cảnh báo an toàn. Hệ thống được giới hạn trong các tiêu chí đo lường dòng điện, điện áp, công suất, tần số và năng lượng tiêu thụ.

II. Các Thành Phần Kỹ Thuật Và Phần Cứng Chính

Hệ thống thiết bị điều khiển giám sát được xây dựng từ các thành phần phần cứng hiện đại và đáng tin cậy. Mạch cảm biến PZEM004T đóng vai trò quan trọng trong việc đo lường các thông số điện, bao gồm dòng điện, điện áp và công suất. Vi điều khiển STM32F407VET6 được sử dụng làm bộ xử lý trung tâm, có khả năng xử lý dữ liệu nhanh chóng và đáng tin cậy. Màn hình cảm ứng TFT ILI9341 cung cấp giao diện người dùng thân thiện, cho phép hiển thị các thông tin giám sát theo thời gian thực. Raspberry Pi Zero được tích hợp để kết nối IoT và ứng dụng di động. Hệ thống còn được trang bị mô-đun relay để điều khiển bật tắt thiết bị, và cấu phần cảnh báo buzzer phát hiện sự cố.

2.1. Cảm Biến Và Module Đo Lường

Mạch PZEM004T là thành phần chính cho phép đo lường chính xác các thông số điện. Nó có khả năng đo dòng điện từ 0-100A, điện áp từ 80-260V, và công suất thực. Module này giao tiếp với vi điều khiển qua UART, cung cấp dữ liệu cần thiết cho hệ thống giám sát tập trung. Độ chính xác cao của cảm biến đảm bảo quản lý điện năng hiệu quả.

2.2. Vi Điều Khiển Và Hệ Thống Xử Lý

Vi điều khiển STM32F407VET6 là trái tim của hệ thống, xử lý toàn bộ dữ liệu từ cảm biến, điều khiển các relay, và giao tiếp với ứng dụng di động. Nó hỗ trợ giao tiếp đa kênh thông qua UART, SPI và I2C. Raspberry Pi Zero bổ sung chức năng kết nối Internet và xử lý logic phức tạp cho phép điều khiển từ xa và ghi nhật ký dữ liệu dài hạn.

III. Ứng Dụng Công Nghệ IoT Và Điều Khiển Từ Xa

Tính mới và sáng tạo của đề tài nằm ở ứng dụng công nghệ IoT cho phép điều khiển thời gian thực thông qua ứng dụng di động. Người dùng có thể bật tắt thiết bị điện từ bất kỳ nơi nào có kết nối Internet, nâng cao tính tiện lợi và linh hoạt trong quản lý năng lượng. Hệ thống tự động tắt khi công suất vượt mức đặt trước, giúp bảo vệ thiết bị điện khỏi quá tải và tiết kiệm điện năng. Giám sát dữ liệu theo thời gian thực cho phép người dùng nhận thức rõ ràng về mức tiêu thụ điện của gia đình, từ đó có thể đưa ra quyết định tiết kiệm hợp lý hơn.

3.1. Ứng Dụng Điện Thoại Thông Minh

Ứng dụng Android được phát triển bằng Android Studio, cung cấp giao diện trực quan và dễ sử dụng. Người dùng có thể xem biểu đồ tiêu thụ điện, điều khiển bật tắt thiết bị, và nhận cảnh báo bất thường trực tiếp trên điện thoại. Kết nối cloud cho phép lưu trữ dữ liệu lâu dài và phân tích xu hướng tiêu thụ.

3.2. Hệ Thống Cảnh Báo Và Bảo Vệ An Toàn

Đề tài tích hợp chức năng phát hiện và cảnh báo cháy nổ, sử dụng cảm biến nhiệt độ và giám sát công suất bất thường. Khi phát hiện quá tải hoặc tình trạng nguy hiểm, hệ thống tự động kích hoạt relay cắt điện và phát cảnh báo qua buzzer. Thông báo giải cứu được gửi đến ứng dụng điện thoại của người dùng.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu Và Giá Trị Ứng Dụng Thực Tế

Nhóm đã thành công trong thiết kế và thi công sản phẩm hoàn chỉnh, đạt được tất cả yêu cầu kỹ thuật đề ra. Hệ thống có khả năng đo lường chính xác dòng điện, điện áp, công suất, tần số và năng lượng tiêu thụ. Mô hình sản phẩm được xây dựng với thẩm mỹ cao và dễ sử dụng, phù hợp cho các gia đình, chung cư đô thị. Giá trị giáo dục của đề tài nằm ở việc ứng dụng kiến thức kỹ thuật vào giải quyết vấn đề thực tiễn. Từ góc độ kinh tế-xã hội, hệ thống giúp giảm lượng điện tiêu thụ không cần thiết, hạ chi phí điện năng cho gia đình, và bảo vệ môi trường. Khả năng mở rộng của đề tài cho phép áp dụng trong các dự án quản lý năng lượng lớn hơn.

4.1. Thành Tựu Kỹ Thuật Và Chất Lượng Sản Phẩm

Mô hình hoàn chỉnh được thi công với độ chính xác cao trong các phép đo lường. Giao diện người dùng được tối ưu hóa để dễ hiểu và điều hành. Độ tin cậy của hệ thống được xác minh qua kiểm thử thực nghiệm kỹ lưỡng. Tất cả các chức năng chính như giám sát, điều khiển và cảnh báo đều hoạt động ổn định.

4.2. Tác Động Xã Hội Và Tính Khả Thi

Đề tài mang giá trị thực tiễn cao cho các hộ gia đình, chung cư hiện đại, và các cơ sở công cộng. Tiết kiệm điện năng giúp giảm chi phí hộ gia đình và bảo vệ môi trường. Khả năng phát hiện cháy nổ nâng cao an toàn cho gia đình. Sản phẩm có tiềm năng thương mại và khả năng mở rộng cho các ứng dụng khác.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT. QUY TRÌNH THỰC HIỆN THIẾT BỊ Thiết bị giám sát điện năng tiêu thụ trong hộ gia đình được đo từ cảm biến dòng, áp được xử lí thông qua bộ vi điều khiển STM32F407VET6, đảm nhận điều khiển các cảm biến và các thiết bị khác của hệ thống như các relay điều khiển các thiết bị điện được kết nối với hệ thống, màn hình hiển thị TFT ILI9341 hiện thị các giá trị đo được và Raspberry pi zero để giúp hệ thống kết nối với Internet đưa dữ liệu và điều khiển hệ thống qua ứng dụng điện thoại. Mô tả quy trình đo điện năng Quy trình đo điện năng sẽ được cảm biến đo dòng điện và áp đo đạc cho ra 2 thông số điện áp và cường độ dòng điện của tất cả thiết bị điện. Từ 2 thông số này có thể tính toán được công suất tức thời và điện năng tiêu thụ từ vi xử lí, sau đó vi xử lí truyền dữ liệu sang Raspberry pi zero để đưa lên hiển thị trên app và màn hình hiển thị của hệ thống.

Mô tả quy trình giám sát và cảnh báo Những dữ liệu thông tin về điện năng tiêu thụ được giám sát được hệ thống liên tục cập nhật trên cơ sở dữ liệu và hiển thị trên ứng dụng của điện thoại. Nếu có sự cố hoặc công suất vượt quá ngưỡng đã được thiết lập trước thì hệ thống sẽ cảnh báo cho người sử dụng về vấn đề và người dùng có thể xử lí trực tiếp trên ứng dụng di động. GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG Hệ thống được thiết kế sử dụng các module, thiết bị sau: thiết bị đo dòng điện, điện áp AC làm đầu vào và có thể giao tiếp bằng chuẩn giao tiếp UART. Còi cảnh bảo, đèn led biểu diễn trạng thái, màn hình hiển thị TFT ILI9341 là đầu ra của hệ thống.

Khối xử lí trung tâm là bộ vi điều khiển STM32F407VET6, thiết bị hỗ trợ hệ thống truyền không dây Raspberry pi zero, module đo thời gian thực DS3231. Khối nguồn cung cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống và Smart phone để sử dụng ứng dụng giám sát và điều khiển hệ thống. Thiết bị đo điện áp, dòng điện PZEM004T Đây là mạch đo điện AC đa năng giao tiếp UART PZEM004T được sử dụng để đo và theo dõi các thông số về điện năng của điện AC có thể giao tiếp với vi điều khiển bằng UART 1 nhỏ gọn, dễ sử dụng, lắp đặt. Nhận dòng điện từ nguồn có điện áp từ 80 - 260VAC và được đưa qua cảm biến dòng để đo dược dòng điện, điện áp, công suất, năng lượng.

1: Mạch đo dòng điện, điện áp PZEM004T Thông số kỹ thuật: Điện áp đo và hoạt động 80 – 260V AC / 50 - 60Hz (sai số 0.01) Dòng điện đo và hoạt động 0 – 10A (sai số 0.01) Công suất đo và hoạt động 0 – 2300W Năng lượng đo và hoạt động 0 – 9999kWh Kích thước 30 x 75 mm Baudrate UART 9600 bps, 8bit Bảng 1. 1: Bảng thông số kỹ thuật của PZEM004T 2 1. Vi điều khiển STM32F407VET6 Hình 1. 2: Vi điều khiển STM32F407VET6 STM32F407 là họ vi điều khiển 32 bit dòng ARM có kiến trúc RISC, có lõi Cortex- M4 tần số hoạt động lên đến 168MHz, hỗ trợ xử lí tính toán số floating point ,cho phép tiêu hao năng lượng thấp, phù hợp để ứng dụng vào các hệ thống nhúng.

Họ vi điều khiển này được tích hợp các bộ nhớ có tốc độ cao (bộ nhớ Flash lên đến 1Mbyte, SRAM 192Kbyte), SRAM dự phòng 4Kbyte, một loại các I/O và các thiết bị ngoại vi được kết nối với hệ thống bus APB và AHB. Được cung cấp 3 bộ ADC 12 bit,2 bộ DAC, RTC công suất thấp, 12 bộ định thời trong đó có 2 bộ dùng để sử dụng trong PWM và 2 bộ định thời 32 bit. Thông số kỹ thuật: Vi điều khiển STM32F407VET6 Lõi ARM Cortex M4 Độ rộng bus dữ liệu 32 bit Bộ nhớ chương trình (Flash) 512 kB Nguồn cung cấp 1.6V Tần số hoạt động tối đa 168MHz Điện áp hoạt động 1.6V Chuẩn truyền thông 3 SPI, 2 UART, 4 USART, 3 I2C, 2 I2S, 1FSMC, 2 SDIO, 2 CAN Độ phân giải ADC - DAC 12 bit 3 Số kênh ADC 16 kênh Số I/O 82 Nhiệt độ làm việc -40OC – 85OC Bảng 1. 2: Bảng thông số kỹ thuật của STM32F407VET6 1.

Module TFT ILI9341 Hình 1. 3: Màn hình TFT ILI9341 TFT ILI9341 là một dạng màn hình LCD màu cảm ứng điện trở giao tiếp bằng chuẩn giao tiếp SPI có chức năng hiển thị các giá trị đo được của hệ thống và điều khiển thông qua chức năng cảm ứng của màn hình. Module 1 giao tiếp SPI để nhận tín hiệu điều khiển từ vi điều khiển để hiển thị và 1 giao tiếp SPI để vi điều khiển sử dụng chức năng cảm ứng của module để điều khiển hệ thống. Chuẩn giao tiếp SPI: Hình 1.

4: Sơ đồ xung của hoạt động ghi trong SPI 4 CSX là chip select, được cho phép khi tín hiệu CSX mức thấp. DCX tín hiệu điều khiển cho biết dữ liệu hoặc lệnh. DCX ở mức thấp - lệnh được ghi, DCX ở mức cao – dữ liệu được ghi. SCL là xung clock, 1 bit được ghi với mỗi xung cạnh lên.

SDA là đường dữ liệu được truyền bằng SPI, độ rộng 8 bit. Thông số kỹ thuật: Điện áp cung cấp 3.3 – 5V DC Chuẩn giao tiếp hiển thị ILI 9341 SPI Chuẩn giao tiếp cảm ứng XPT2046 SPI Kích cỡ màn hình 2.8 inch Độ phân giải 240 x 320 pixel Nhiệt độ làm việc -20OC – 60OC Bảng 1. 3: Thông số kĩ thuật của TFT ILI9341 Hình 1. 5: Tên các chân của TFT TFT ILI9341 có tất cả 14 chân: Chân Chức năng VCC 5V/ 3.3V GND Ground LED điều khiển thay đổi đèn nền RST tín hiệu reset màn hình DC/RS tín hiệu chọn thanh ghi hoặc dữ liệu, mức 1 là thanh ghi, mức 0 là dữ liệu 5 CS Chip select GND Ground SCK tín hiệu xung CLK của chuẩn giao tiếp SPI MISO Đường dữ liệu vào của chuẩn SPI MOSI Đường ngõ ra của chuẩn SPI T_CLK Xung CLK của chuẩn giao tiếp SPI trong chức năng cảm ứng T_Din Đường dữ liệu vào của chuẩn giao tiếp SPI trong chức năng cảm ứng T_Do Đường dữ liệu ra của chuẩn SPI trong chức năng cảm ứng T_IRQ Tín hiệu ngắt khi người dùng chạm vào màn hình cảm ứng.

4: Bảng chức năng các chân của TFT Ngoài ra, TFT còn có 4 chân SD_CLK, SD_CS, SD_MISO, SD_MOSI hỗ trợ vi điều khiển giao tiếp với thẻ nhớ SD của TFT. Raspberry pi zero W Hình 1. 6: Hình Raspberry pi zero Raspberry pi zero W là một dạng máy tính on board phổ phiến, có tích hợp module wifi, do đó có thể kết nối đến Internet để thực hiện một số tác vụ như lưu trữ, truy cập dữ liệu đến cơ sở dữ liệu có tốc độ cao do có vi xử lí BCM 2835 SOC tốc độ 1GHz, cho phép các thiết bị khác kết nối, giao tiếp và điều khiển. Với những khả năng ưu việt, ứng dụng cao, tốc độ xử lí nhanh, Raspberry pi zero được nhóm sử dụng để truyền nhận dữ liệu cho ứng dụng điện thoại thông qua cơ sở dữ liệu Firebase.

Sử dụng chuẩn giao tiếp không dây 802.4GHz và Bluetooth 4. 7: Sơ đồ chân của Raspberry Pi Zero [5] Thông số kĩ thuật: Bộ nhớ Micro-SD Nguồn cấp 5V từ micro-B USB cho nguồn Bộ xử lí BCM 2835 SoC tốc độ 1GHz RAM 512MB Cổng màn hình và âm thanh mini-HDMI GPIO 40 chân WiFi On-broad Wireless – 2.11b/g/n Bluetooth On-broad Bluetooth 4.1 + HS Low-energy USB micro-B USB cho dữ liệu Bảng 1. 5: Bảng thông số kĩ thuật của Raspberry Pi Zero 1. Đồng hồ thời gian thực DS3231.

IC DS3231 là chip đồng hồ thời gian thực (RTC) năng lượng thấp, cực kì chính xác với bộ dao động thạch anh nội.Pin và IC EEPROM AT24C32 để duy trì thời gian hiện tại chính xác ngay cả khi nguồn cung cấp thiết bị không còn. RTC duy trì thông tin giây, phút, 8 giờ, ngày, tháng và năm, Những ngày ở cuối tháng được tự động điều chỉnh những tháng nhỏ hơn 30 ngày, bao gồm sửa cho các năm nhuận. Địa chỉ và dữ liệu được giao tiếp với vi xử lý thông qua chuẩn giao tiếp I2C. 8: Mặt trước của DS3231 Hình 1.

9: Mặt sau của DS3231 Thông số kỹ thuật: Kích thước 38 x 22 x 14 mm Trọng lượng 8g Điện áp làm việc 3.5A Nhiệt độ làm việc Làm việc ổn định ở khoảng 0 – 40OC Giao tiếp I2C Tốc độ truyền tối đa 400kHz Bộ nhớ AT24C32 (dung lượng lưu trữ 32K) Bảng 1. 6: Thông số kỹ thuật của DS3231 9 Hình 1. 10: Sơ đồ chân của DS3231 Chân Chức năng 32K Đầu ra tín hiệu dao động 32K, xuất ra xung clock ổn định và chính xác SQW Tạo ra sóng vuông có các tần số 1 Hz, 4KHz, 8KHz hoặc 32KHz, lập trình được SCL Cung cấp xung Clock trong giao tiếp I2C SDA Đường dữ liệu trong giao tiếp I2C VCC Nguồn cung cấp từ 3.5V GND Nối đất Bảng 1. 7: Bảng chức năng các chân của DS3231 1.

Relay Hiện nay Relay được ứng dụng phổ biến trong hệ thống tự động hóa, thường được sử dụng làm các ngõ ra điều khiển thiết bị khác thực hiện một tác vụ nào đó bởi một tín hiệu có điện áp nhỏ ví dụ như tín hiệu từ vi điều khiển, PLC để kích hoạt một thiết bị có điện áp yêu cầu cao hơn. Relay là một công tắc điện từ hoặc thiết bị trung gian được vận hành bởi một dòng điện nhỏ có thể bật tắt một thiết bị có điện áp, dòng điện tương đối lớn, nói cách khác nó có thể khuếch đại tín hiệu có dòng điện nhỏ sang dòng điện lớn hơn để điều khiển thiết bị cần dòng điện lớn hơn. Bản chất của relay là một nam châm điện được tạo bởi cuộn dây quấn 10 quanh lõi sắt từ, bộ phận này có phần tĩnh còn gọi là ách từ, còn phần động của relay là phần cứng sẽ được kết nối với một tiếp điểm động. Cuộn dây có tác hút thanh tiếp điểm lại để tạo trạng thái NO và NC.

Nhiệm vụ của mạch tiếp điểm là đóng cắt các thiết bị với dòng điện nhỏ và được cách ly bởi 1 cuộn hút. Khi ngắt nguồn ở (1) , một lò xo đã được lắp trước đẩy tiếp điểm trở lại vị trí ban đầu, tắt mạch ở điểm (2) ra khỏi nguồn điện Hình 1. 11: Hình ảnh mô tả nguyên lý hoạt động của relay 1. Coi báo động buzzer Hình 1.