Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu thi công hệ thống thu thập dữ liệu và giám sát điện năng

Toàn văn đồ án tốt nghiệp hệ thống giám sát điện năng và thu thập dữ liệu, trình bày chi tiết từ lý thuyết, thiết kế đến thi công thực tế.

• Tác giả: Nguyễn Trung Nghĩa
• Người hướng dẫn: GVC.Ths Trương Ngọc Anh
• Trường học: Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật điện tử
• Đề tài: Đồ án: Hệ thống giám sát điện năng và thu thập dữ liệu
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Hệ thống Giám sát Điện năng và Thu thập Dữ liệu

Hệ thống giám sát điện năng là một giải pháp công nghệ hiện đại để quản lý và theo dõi tiêu thụ điện trong các tòa nhà, nhà máy và các cơ sở công nghiệp. Đồ án này tập trung vào nghiên cứu, thiết kế và thi công hệ thống thu thập dữ liệu điện năng với khả năng giám sát thời gian thực. Hệ thống kết hợp các module phần cứng tiên tiến như ESP8266 NodeMCU và PZEM-004T để đo lường các thông số điện như điện áp, dòng điện, công suất và năng lượng tiêu thụ. Dữ liệu được thu thập sẽ được lưu trữ trên Cloud Server thông qua Amazon Web Services (AWS), cho phép người dùng truy cập và phân tích thông tin từ bất kỳ nơi đâu. Đây là một ứng dụng thực tế của Internet of Things (IoT) trong lĩnh vực quản lý năng lượng điện.

1.1. Mục đích và Ý nghĩa của Dự án

Mục đích chính của đồ án hệ thống giám sát điện năng là phát triển một giải pháp tiết kiệm năng lượng hiệu quả. Dự án giúp người dùng nhận thức rõ hơn về nhu cầu tiêu thụ điện của mình, từ đó có thể điều chỉnh thói quen sử dụng để giảm chi phí điện hàng tháng. Ý nghĩa thực tiễn bao gồm: tối ưu hóa quản lý điện lực, phát hiện sớm các sự cố kỹ thuật, và hỗ trợ các doanh nghiệp trong quản lý năng lượng bền vững.

1.2. Ứng dụng Thực tế trong Công nghiệp

Trong môi trường công nghiệp hiện đại, hệ thống giám sát điện năng được ứng dụng rộng rãi để kiểm soát chi phí vận hành. Các nhà máy, xí nghiệp sử dụng công nghệ này để theo dõi tiêu thụ điện theo từng khu vực, từng máy móc, giúp phát hiện những điểm tiêu thụ quá mức. Ngoài ra, trong các tòa nhà thông minh (smart building), hệ thống này tích hợp với các thiết bị điều khiển tự động để tối ưu hóa sử dụng năng lượng một cách thông minh và bền vững.

II. Các Thành phần Chính của Hệ thống

Hệ thống giám sát điện năng bao gồm nhiều thành phần phần cứng và phần mềm hoạt động phối hợp. Module ESP8266 NodeMCU V1.2 là bộ vi xử lý chính, có khả năng kết nối WiFi và xử lý dữ liệu. Cảm biến PZEM-004T là thiết bị đo lường chuyên dụng, có thể đo điện áp AC, dòng điện, công suất tức thời và năng lượng tiêu thụ với độ chính xác cao. Màn hình LCD 20x4 giúp hiển thị thông tin theo thời gian thực, còn module chuyển đổi I2C tối ưu hóa việc giao tiếp giữa các thành phần. Toàn bộ hệ thống được tích hợp vào một tủ điện compact, dễ lắp ráp và bảo trì. Dữ liệu từ hệ thống được đẩy lên Cloud Server sử dụng Amazon Web Services (AWS) để lưu trữ và phân tích.

2.1. Module Vi điều khiển và Cảm biến

ESP8266 NodeMCU là vi điều khiển có tích hợp WiFi, cho phép kết nối trực tiếp với mạng Internet. Module này được chọn vì có giá rẻ, tiêu thụ điện ít, và có hỗ trợ lập trình mở. Cảm biến PZEM-004T đo lường điện áp từ 80V-260V, dòng điện lên tới 100A với sai số dưới 1%. Cả hai thành phần này liên kết qua chuẩn giao tiếp SPI, đảm bảo truyền dữ liệu nhanh và ổn định.

2.2. Hệ thống Lưu trữ Dữ liệu trên Cloud

Amazon Web Services (AWS) cung cấp nền tảng Cloud an toàn và đáng tin cậy để lưu trữ dữ liệu. Hệ thống sử dụng AWS EC2 để triển khai máy chủ web, RDS cho cơ sở dữ liệu MySQL, và các dịch vụ khác. Dữ liệu điện năng được gửi từ ESP8266 đến Cloud Server thông qua HTTP API, cho phép truy cập dữ liệu bất kỳ lúc nào từ bất kỳ thiết bị nào.

III. Quá trình Thiết kế và Thi công

Quá trình phát triển hệ thống giám sát điện năng được chia thành nhiều giai đoạn. Đầu tiên, nhóm thực hiện tính toán thiết kế chi tiết, bao gồm lựa chọn linh kiện, thiết kế sơ đồ nguyên lý và sơ đồ khối. Tiếp theo là thi công board mạch, lắp ráp các linh kiện lên bảng mạch in (PCB), và kiểm tra hoạt động. Các linh kiện được sắp xếp hợp lý trong tủ điện để dễ bảo trì và nâng cấp. Mô hình thiết bị được thiết kế với vỏ ngoài chắc chắn, có các đầu nối tiêu chuẩn. Giai đoạn cuối là lập trình hệ thống, viết code cho ESP8266, xây dựng webserver, và cấu hình Cloud Server trên AWS để hệ thống hoạt động trọn vẹn.

3.1. Thiết kế Mạch Điện và Sơ đồ Nguyên lý

Sơ đồ nguyên lý toàn mạch chi tiết hóa cách các thành phần được nối kết. PZEM-004T kết nối với mạch điện cần đo thông qua bộ lọc RC để loại bỏ nhiễu. ESP8266 nhận dữ liệu từ cảm biến, xử lý và gửi lên Cloud. Màn hình LCD được điều khiển qua I2C adapter, tiết kiệm chân GPIO. Toàn bộ mạch được cấp nguồn 5V ổn định từ nguồn tuyến tính.

3.2. Thi công và Lắp ráp Hệ thống

Giai đoạn thi công bắt đầu với thi công board mạch, sau đó sắp xếp linh kiện trong tủ điện theo bố trí chuẩn công nghiệp. Tất cả các linh kiện được cố định chắc chắn để chống rung lắc. Các đầu dây được gắn nhãn rõ ràng để dễ theo dõi và bảo trì. Kiểm tra kỹ lưỡng từng bước để đảm bảo không có lỗi kết nối trước khi vận hành.

IV. Lập trình và Triển khai Ứng dụng Web

Phần mềm của hệ thống được chia thành hai phần: firmware cho ESP8266 và ứng dụng web trên Cloud Server. Firmware ESP8266 được lập trình bằng Arduino IDE, xử lý việc đọc dữ liệu từ PZEM, gửi dữ liệu lên Cloud, và hiển thị trên LCD. Ứng dụng web được xây dựng bằng PHP và MySQL, cung cấp giao diện người dùng trực quan để xem biểu đồ tiêu thụ điện, lịch sử dữ liệu, và các báo cáo phân tích. Toàn bộ ứng dụng được triển khai trên Amazon EC2, cho phép truy cập từ nhiều thiết bị khác nhau. Hệ thống sử dụng XAMPP trong quá trình phát triển để mô phỏng môi trường máy chủ trước khi triển khai lên AWS.

4.1. Lập trình Firmware cho Vi điều khiển

Firmware ESP8266 sử dụng Arduino framework, cung cấp các thư viện mã nguồn mở. Code xử lý giao tiếp SPI với PZEM-004T, kết nối WiFi với router, và gửi HTTP request tới Cloud Server. Lưu đồ giải thuật chi tiết hóa luồng hoạt động: khởi động, kết nối WiFi, đọc dữ liệu, xử lý và gửi. Hệ thống được tối ưu hóa để giảm độ trễ và đảm bảo ổn định dài hạn.

4.2. Xây dựng Ứng dụng Web và Cloud Server

Ứng dụng web được phát triển bằng HTML, CSS, JavaScript cho giao diện, PHP cho logic xử lý, và MySQL cho lưu trữ dữ liệu. Amazon AWS cung cấp EC2 (máy chủ ảo), RDS (cơ sở dữ liệu), và Route 53 (quản lý tên miền). Tên miền được tạo để dễ nhớ và chuyên nghiệp. Hệ thống được bảo mật bằng HTTPS, xác thực người dùng, và mã hóa dữ liệu quan trọng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

đặt vấn đề dẫn nhập đến lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn, thông số và bố cục của đồ án.  Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết. Chương này trình bày chi tiết về những lý thuyết cơ bản liên quan đến các vấn đề mà đề tài sử dụng để thiết kế và thi công.  Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán.

Chương này trình bày các bước thiết kế, tính toán về phần cứng như lựa chọn các linh kiện, module thích hợp, cũng như thiết kế phần mềm để phù hợp với yêu cầu của đề tài.  Chương 4: Thi công hệ thống. Chương này trình bày chi tiết quá trình thi công về phần cứng cũng như phần mềm, mô phỏng và kiểm tra quá trình hoạt động của hệ thống.  Chương 5: Kết quả, nhận xét, đánh giá.

Chương này trình bày kết quả đạt được sau khi hoàn thành hệ thống so với mục tiêu ban đầu đề ra, đưa ra nhận xét ,đánh giá về kết quả đạt được.  Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển Chương này trình bày kết luận tổng thể về hệ thống từ phần cứng cũng như phần mềm từ đó đưa ra hướng phát triển cải thiện hệ thống. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2.1 GIỚI THIỆU MODULE ESP8266 NODEMCU V1.0 Module nodeMCU ESP8266 là dòng vi điều khiển có tích hợp WiFi 2.4Ghz có thể lập trình được phát triển bởi công ty Espressif Systems, là nhà sản xuất tại Trung Quốc có trụ sở tại Thượng Hải.

Với sự tích hợp này cùng với giá thành rẻ, module nodeMCU ESP8266 cho phép lập trình viên có thể sử dụng nó để tiếp cận đến các công việc liên quan đến internet hóa mọi thứ một cách dễ dàng. Chip ESP8266 được phát triển bởi Espressif để cung cấp giải pháp giao tiếp wifi cho các thiết bị IoT. Điểm đặc biệt của dòng ESP8266 là nó được tích hợp các mạch RF như balun, antenna switches, TX power amplifier và RX filter ngay bên trong chip với kích thước rất nhỏ chỉ 5x5mm nên các board sử dụng ESP8266 không cần kích thước board lớn cũng như không cần nhiều linh kiện xung quanh. ESP8266 có một cộng đồng các nhà phát triển trên thế giới rất lớn trên thế giới, cung cấp nhiều Module lập trình mã nguồn mở giúp nhiều người có thể tiếp cận và xây dựng ứng dụng rất nhanh[13].

Sơ đồ chân của module nodeMCU ESP8266 sẽ được hiển thị chi tiết thông qua hình ảnh sau: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.1 Sơ đồ chân module nodeMCU ESP8266 ESP8266 NodeMCU có tổng cộng 13 chân GPIO, các chân GPIO đều có điện trở kéo lên nguồn bên trong, ngoại trừ chân GPIO16 có điện trở kéo xuống, chức năng của các chân cụ thể như sau[14]: - GPIO1 và GPIO3: hai chân này được kết nối với TX, RX của bộ giao tiếp UART0, bộ UART0 này có chức năng nhận code ta sẽ tránh sử dụng hai chân này. - GPIO0, GPIO2, GPIO15: các chân này có nhiệm vụ cấu hình mode cho ESP8266 điều khiển quá trình nạp code nên bên trong NodeMCU có các trở kéo để định sẵn mức logic cho chúng như sau: GPIO0: HIGH, GPIO2: HIGH, GPIO15: LOW. Vì vậy khi sử dụng các chân này ở vai trò GPIO cần phải thiết kế một nguyên lý riêng để tránh xung đột đến quá trình nạp code.

- GPIO9, GPIO10: được dùng để giao tiếp với External Flash của ESP8266, vì vậy hai chân này không thể dùng được. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT - Các chân GPIO còn lại, GPIO4, GPIO5, GPIO12, GPIO13, GPIO14, GPIO16 không có chức năng đặc biệt nên có thể sử dụng bình thường.2 Thông số phần cứng  Chip: ESP8266EX – vi điều khiển 32 bit công suất thấp.4 GHz hỗ trợ chuẩn 802.  Hỗ trợ bảo mật WPA/WPA2.

 Tích hợp giao thức TCP/IP.  Điện áp hoạt động: 3.  Điện áp vào: 5V thông qua cổng USB.  Bộ nhớ Flash: 4MB.

 Hỗ trợ SDIO 2.0, UART, SPI, PWM, I2S với DMA.  Một bộ chuyển đổi ADC có độ chính xác cao 10 – bit.  Dải nhiệt độ hoạt động rộng: -40C ~ 125C.  Có thể dùng tập lệnh AT.

 Hỗ trợ phát triển trên cả hai môi trường hệ điều hành Windows và Linux.3 Chuẩn giao tiếp SPI Chuẩn giao tiếp SPI (Serial Peripheral Interface) được phát triển bởi Motorola, là một chuẩn đồng bộ nối tiếp để truyền dữ liệu ở chế độ song công toàn phần (full – duplex) tức trong cùng một thời điểm có thể xảy ra đồng thời quá trình truyền và nhận. Đôi khi SPI còn được gọi là chuẩn giao tiếp 4 dây (Four-wire) SPI là giao diện đồng bộ, bất cứ quá trình truyền nào cũng được đồng bộ hóa với tín hiệu clock chung. Tín hiệu này sinh ra bởi master[15].2 Sơ đồ khối minh họa chuẩn truyền SPI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trong giao diện SPI có bốn tín hiệu số:  MOSI hay SI – cổng ra của bên Master, cổng vào bên Slave.

Đây là chân dành cho việc truyền tín hiệu từ thiết bị chủ động đến thiết bị bị động.  MISO hay SO – cổng ra bên Slave, cổng vào bên Master. Đây là chân dành cho việc truyền dữ liệu từ thiết bị bị động sang thiết bị chủ động.  SCLK hay SCK là tín hiệu clock đồng bộ (Serial Clock).

Xung nhịp được tạo ra bởi Master.  SS hay CS là tín hiệu chọn vi mạch (Slave Select hay Chip Select). SS sẽ ở mức cao khi không làm việc. Nếu SS được kéo xuống mức thấp thì sẽ xảy ra quá trình giao tiếp.

Chỉ có một đường SS trên mỗi slave nhưng có thể có nhiều đường điều khiển SS trên master, tùy thuộc vào thiết kế của người dùng.4 Một số loại ESP8266 được bán trên thị trường Hiện nay trên thị trường đã có rất nhiều phiên bản của ESP8266 phù hợp với từng người dùng với nhiều mục đích sử dụng khác nhau như: ESP-01, ESP-02, ESP- 03, ESP-07, ESP-12F,… các module của ESP8266 được sử dụng rộng rãi như NodeMCU, Wemos. Với giá thành rẻ, còn có thể được lập trình bởi ứng dụng Arduino IDE, việc sử dụng và phát triển các dự án sẽ trở nên dễ dang và tiện lợi hơn đối với người lập trình.2 GIỚI THIỆU MODULE PZEM-004T Module đo điện AC đa năng giao tiếp SPI PZEM-004T được sử dụng để đo và theo dõi gần như hoàn toàn các thông số về điện năng AC của mạch điện như điện áp hoạt động, dòng tiêu thụ, công suất và năng lượng tiêu thụ. Giao tiếp SPI dễ dàng kết nối truyền dữ liệu tới vi điều khiển hoặc máy tính. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.3 Module đo điện năng AC PZEM-004T Module được thiết kế với kích thước nhỏ gọn, dễ lắp đặt, sử dụng cách đo dòng cách ly an toàn và khả năng đo dòng lên đến 100A, mạch có chất lượng linh kiện và được gia công tốt, độ bền cao. Thông số kĩ thuật:  Điện áp đo và hoạt động: 80 ~ 260VAC / 50 – 60Hz, sai số 0.  Dòng điện đo và hoạt động: 0 ~ 100A, sai số 0.  Công suất đo và hoạt động: 0 ~ 26000W.

 Năng lượng đo và hoạt động: 0 ~ 9999kWh.  Giao tiếp UART mức logic TTL 5VDC baudrate mặc định 9600, 8, 1.  Có opto cách ly an toàn giữa mạch đo và mạch nhận tín hiệu UART.  Lưu trữ thông số năng lượng tiêu thụ trong bộ nhớ.

 Kích thước: 30 x 75 mm. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.4 Sơ đồ nối dây PZEM và thiết bị 2.3 MODULE HIỂN THỊ Khối hiển thị là một khối không kém phần quan trọng. Khối này giúp hiển thị các thông tin quan trọng để người dùng có thể quan sát và đánh giá hoạt động của mạch, mặc khác còn giúp người lập trình làm việc dễ dàng hơn trong công việc.1 Module LCD 20x4 Khác với led 7 đoạn, LCD giúp chúng ta hiển thị được các thông số rõ ràng hơn, chi tiết hơn, cùng với giá thành rẻ và lập trình đơn giản nên LCD được ưa chuộng hơn các loại màn hình khác như HMI hay OLED… Hiện nay trên thị trường có bán hai loại LCD với kích thước màn hình rất phổ biến là LCD 16x2 và LCD 20x4.

Để hiển thị được các thông số rõ ràng, chi tiết thì LCD 20x4 với kích thước rộng rãi hơn sẽ là lựa chọn thích hợp.5 Hình ảnh của LCD 20x4 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 9 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Thông tin các chân của LCD sẽ được hiển thị chi tiết ở bảng 2.1 Thông số các chân của LCD 20x4 Chân số Tên chân Input/Output Chức năng tín hiệu 1 Vss Power GND 2 Vdd Power Điện áp vào từ +3V đến +5V Điều khiển độ tương phản của màn 3 Vo Analog hình Thanh ghi lựa chọn tín hiệu 4 RS Input H: data signal, L: instruction signal Đọc/Ghi dữ liệu. H: read mode, L: 5 R/W Input write mode 6 E Input Tín hiệu cho phép H → L 7 DB0 I/O Dữ liệu (LSB) 8 DB1 I/O Dữ liệu 9 DB2 I/O Dữ liệu 10 DB3 I/O Dữ liệu 11 DB4 I/O Dữ liệu 12 DB5 I/O Dữ liệu 13 DB6 I/O Dữ liệu 14 DB7 I/O Dữ liệu (MSB) 15 A/Vee Input 4,2V cho đầu ra điện áp LED/tiêu cực 16 K Input Nguồn cho B/L (0V) 2.2 Module chuyển đổi giao tiếp I2C BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 10 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT I2C (Inter – Integrated Circuit) là giao thức giao tiếp được phát triển bởi Philips Semiconductors để truyền dữ liệu giữa một bộ xử lý trung tâm với nhiều IC trên cùng một board mạch chỉ sử dụng hai đường truyền tín hiệu.

Do tính đơn giản mà chuẩn giao tiếp này được sử dụng rộng rãi cho giao tiếp giữa các vi điều khiển và mảng cảm biến, các thiết bị, thiết bị IoT, EEPROMs,… Việc kết nối module LCD với ESP8266 sẽ tốn kém nhất nhiều chân mà ESP8266 không thể đáp ứng hết tất cả số chân của LCD. Chính vì vậy mà module I2C đóng vai trò quan trọng có chức năng kết nối module LCD và ESP8266.6 Module chuyển đổi giao tiếp I2C Thông số kỹ thuật:  Điện áp hoạt động: 2.  Hỗ trợ màn hình: LCD1602, 1604, 2004 (driver HD44780).  Địa chỉ mặc định: 0x27 (có thể điều chỉnh bằng cách ngắn mạch chân A0/A1/A2).

 Kích thước: 41.  Tích hợp biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD.4 KHÁI QUÁT VỀ MẠNG KHÔNG DÂY 2.1 Giới thiệu BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 11 CHƯƠNG 2.