Đồ án: Thiết kế và thi công hệ thống kiểm soát thiết bị điện trong phòng (SPKT)

Tải đồ án tốt nghiệp thiết kế hệ thống kiểm soát thiết bị điện ứng dụng IoT. Tài liệu tham khảo chi tiết về mô hình, mạch và nguyên lý hoạt động.

• Tác giả: Lê Tấn Học
• Người hướng dẫn: GVC. Hoàng Ngọc Văn
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện Tử, Công nghệ IoT
• Đề tài: Đồ án IoT: Hệ thống kiểm soát thiết bị tiêu thụ điện
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hệ Thống Kiểm Soát Thiết Bị Tiêu Thụ Điện IoT

Hệ thống kiểm soát thiết bị tiêu thụ điện là một giải pháp hiện đại trong lĩnh vực tự động hóa nhà thông minh và quản lý năng lượng. Với sự phát triển của công nghệ IoT (Internet of Things), việc giám sát và điều khiển các thiết bị điện từ xa trở nên khả thi và hiệu quả hơn. Đồ án IoT này được thiết kế nhằm tạo ra một mô hình hệ thống có thể giám sát lượng điện tiêu thụ trong phòng, từ đó giúp người dùng quản lý năng lượng một cách thông minh. Hệ thống này kết hợp các công nghệ truyền thông không dây như WiFi và LoRa, cùng với các cảm biến dòng điện hiện đại. Ứng dụng thực tế của hệ thống này rất đa dạng, từ khách sạn, tòa nhà văn phòng cho đến các công trình công cộng. Mục tiêu chính là giúp tối ưu hóa tiêu thụ điện và giảm chi phí năng lượng.

1.1. Khái Niệm Và Ý Nghĩa Của Hệ Thống Kiểm Soát Điện

Kiểm soát thiết bị tiêu thụ điện là quá trình sử dụng các công nghệ hiện đại để theo dõi, đo lường và điều chỉnh lượng điện năng tiêu thụ của các thiết bị. Hệ thống này cho phép người dùng có cái nhìn toàn diện về mức tiêu thụ điện trong từng khoảng thời gian, từ đó đưa ra quyết định tối ưu hóa sử dụng năng lượng. Ý nghĩa kinh tế của hệ thống này không chỉ nằm ở việc giảm chi phí điện hàng tháng mà còn giúp bảo vệ môi trường bằng cách giảm tiêu thụ năng lượng.

1.2. Ứng Dụng Thực Tế Của Hệ Thống IoT Kiểm Soát Điện

Trong thực tế, hệ thống kiểm soát thiết bị tiêu thụ điện IoT được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như quản lý khách sạn, tòa nhà thông minh, và các công trình công cộng. Các khách sạn hiện đại sử dụng hệ thống này để theo dõi tiêu thụ điện ở mỗi phòng, giúp quản lí chi phí vận hành hiệu quả. Hệ thống cũng hỗ trợ việc phát hiện các thiết bị hỏng hóc hoặc tiêu thụ điện bất thường, từ đó nâng cao chất lượng dịch vụ và tiết kiệm năng lượng.

II. Các Thành Phần Chính Của Hệ Thống

Hệ thống kiểm soát thiết bị tiêu thụ điện bao gồm nhiều thành phần kỹ thuật quan trọng để hoạt động hiệu quả. Các thành phần này được lựa chọn kỹ lưỡng để đảm bảo tính ổn định, độ chính xác cao và khả năng mở rộng. Vi điều khiển PIC đóng vai trò là bộ não của hệ thống, xử lý các dữ liệu và điều khiển các thiết bị. Cảm biến dòng điện CT103U được sử dụng để đo lường chính xác lượng dòng điện chảy qua mạch. Module WiFi ESP8266 cho phép kết nối mạng không dây và truyền dữ liệu đến máy chủ. Mạch thu phát LoRa E32-TTL-500 cung cấp khả năng truyền thông từ xa với tầm hoạt động rộng. Bên cạnh đó, màn hình LCD 20x4 hiển thị các thông tin quan trọng, và mạch nguồn LM2576 cung cấp năng lượng ổn định cho toàn bộ hệ thống.

2.1. Vi Điều Khiển PIC Và Chức Năng Xử Lý Dữ Liệu

Vi điều khiển PIC là trung tâm điều khiển của hệ thống, chịu trách nhiệm xử lý tất cả các tín hiệu từ các cảm biến. Nó sử dụng ngôn ngữ lập trình C để thực hiện các thuật toán phức tạp như tính toán công suất, quản lý trạng thái thiết bị, và gửi thông báo cảnh báo. PIC có khả năng giao tiếp qua giao thức UART với các module khác như WiFi và LoRa, giúp truyền dữ liệu đến máy chủ.

2.2. Cảm Biến Dòng Điện Và Công Nghệ Đo Lường

Cảm biến dòng CT103U 5A/2 là thiết bị chuyên dụng để đo dòng điện xoay chiều với độ chính xác cao. Nó hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng từ, cho phép đo lường không xâm phạm mà vẫn đạt độ chính xác tốt. Cảm biến này cho phép hệ thống giám sát tiêu thụ điện thực tế và phát hiện các bất thường trong lượng dòng điện, hỗ trợ phát hiện thiết bị hỏng hóc hoặc sử dụng không an toàn.

III. Công Nghệ Truyền Thông Không Dây Trong Hệ Thống

Truyền thông không dây là yếu tố quan trọng giúp hệ thống kiểm soát thiết bị tiêu thụ điện hoạt động hiệu quả. Hệ thống sử dụng hai công nghệ truyền thông chính: WiFi và LoRa, mỗi công nghệ có những ưu điểm riêng. WiFi cung cấp tốc độ truyền dữ liệu cao, phù hợp cho khoảng cách ngắn và yêu cầu băng thông lớn. LoRa (Long Range) hỗ trợ truyền thông từ xa với tầm hoạt động tới vài kilômét, tiêu thụ điện năng thấp, rất thích hợp cho các ứng dụng đặt tại các vị trí xa hoặc khó tiếp cận. Module ESP8266 tích hợp WiFi, cho phép kết nối trực tiếp với mạng Internet. Giao thức UART được sử dụng để giao tiếp giữa các thành phần, đảm bảo tính kompatibility và tính ổn định của hệ thống.

3.1. Công Nghệ WiFi Và Module ESP8266

WiFi là công nghệ truyền thông không dây phổ biến, hoạt động trên tần số 2.4 GHz với tốc độ truyền lên tới 150 Mbps. Module ESP8266 là một vi điều khiển tích hợp WiFi, cho phép kết nối trực tiếp đến mạng Internet và lên server. Module này hỗ trợ giao thức TCP/IP, cho phép truyền dữ liệu đến các nền tảng cloud như Thingspeak. Ưu điểm chính là khoảng cách truyền vừa phải (50-100 mét) và dễ dàng cấu hình qua tập lệnh AT.

3.2. Công Nghệ LoRa Và Mạch Thu Phát E32 TTL 500

LoRa (Long Range) là công nghệ truyền thông từ xa tiên tiến, cho phép tầm hoạt động tới 10 kilômét ở vùng nông thôn. Mạch thu phát E32-TTL-500 sử dụng công nghệ LoRa, hỗ trợ truyền thông qua giao tiếp UART. Tính năng chính của LoRa là tiêu thụ điện năng rất thấp, phù hợp cho các thiết bị chạy bằng pin hoặc năng lượng tái tạo. Hệ thống LoRaWAN cho phép xây dựng mạng lưới các nút cảm biến, tập trung dữ liệu tại một gateway trung tâm.

IV. Máy Chủ Lập Trình Và Giao Diện Người Dùng

Hệ thống máy chủ (server) đóng vai trò lưu trữ dữ liệu và xử lý thông tin từ các thiết bị đo lường. Thingspeak là nền tảng cloud phổ biến được sử dụng trong đồ án này, cho phép lưu trữ và phân tích dữ liệu IoT. Ngôn ngữ lập trình được sử dụng bao gồm C (cho vi điều khiển), JAVA (cho xử lý backend), và XML (cho cấu hình dữ liệu). Giao diện người dùng được thiết kế thân thiện, cho phép người dùng xem dữ liệu tiêu thụ điện, điều khiển thiết bị từ xa, và nhận thông báo cảnh báo. Màn hình LCD 20x4 hiển thị thông tin trực tiếp trên thiết bị, trong khi ứng dụng di động hoặc web cung cấp cách tiếp cận từ xa. Dữ liệu được lưu trữ định kỳ, cho phép phân tích xu hướng tiêu thụ điện và tối ưu hóa sử dụng năng lượng.

4.1. Nền Tảng Thingspeak Và Lưu Trữ Dữ Liệu

Thingspeak là dịch vụ cloud miễn phí cho phép lưu trữ và trực quan hóa dữ liệu IoT. Hệ thống gửi dữ liệu tiêu thụ điện định kỳ đến Thingspeak API, nơi dữ liệu được lưu trữ và tạo biểu đồ theo thời gian. Người dùng có thể truy cập dữ liệu từ bất kỳ thiết bị nào có kết nối Internet. Thingspeak hỗ trợ MATLAB cho phân tích dữ liệu nâng cao, giúp phát hiện mẫu tiêu thụ điện và dự báo chi phí năng lượng tương lai.

4.2. Giao Diện Người Dùng Và Trải Nghiệm

Giao diện người dùng được thiết kế để đơn giản, trực quan và dễ sử dụng. Màn hình LCD cục bộ hiển thị dòng điện, công suất, và trạng thái thiết bị ngay lập tức. Ứng dụng web hoặc di động cung cấp giao diện đẹp, cho phép điều khiển thiết bị, xem lịch sử tiêu thụ, và nhận cảnh báo khi vượt ngưỡng đặt trước. Hệ thống hỗ trợ đồng bộ hóa dữ liệu trong thời gian thực, giúp người dùng nắm bắt kịp thời tình trạng tiêu thụ điện và đưa ra quyết định hợp lý.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan Chương 6. Kết luận và hướng phát triển: Đưa ra các kết luận về những vấn đề mà trong quá trình nghiên cứu đã đạt được và chưa đạt được. Đưa ra hướng phát triển đề tài trong tương lai. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TỔNG QUAN VỀ IOT 2.1 Khái niệm[1] Internet of Things (IoT) là một khái niệm rộng lớn và khó hình dung vì liên quan đến rất nhiều nguyên tắc, công nghệ và các lĩnh vực khác nhau.

Về cơ bản, IoT mô tả các hệ thống cảm biến nối mạng và các đối tượng thông minh làm việc cùng nhau để tạo ra một môi trường thông minh, hữu dụng và lập trình được. Công nghệ IoT bao gồm cảm biến, mạch, hệ thống nhúng truyền thông, giao diện thông minh, quản lý năng lượng, quản lý dữ liệu, truyền dữ liệu, quản lý tri thức, hệ thống thời gian thực, xử lý phân tán, thiết kế hệ thống và các phần mềm phức tạp. Các hệ thống IoT (như hình 2.1) bao gồm các cấu trúc nhỏ được trang bị vài bộ cảm biến và bộ xử lý được lắp đặt trong một khu vực giới hạn cung cấp dịch vụ ứng dụng cho một số ít người cho đến các hệ thống trải rộng ra liên quan đến hàng triệu cảm biến, xử lý thông tin phân tán phức tạp như hệ thống điều khiển một thành phố thông minh.1: Minh họa hệ thống IoT 2.2 Đặc tính cơ bản[2] Những vấn đề quan trọng nhất của hệ thống IoT bao gồm trí thông minh nhân tạo, kết nối, cảm biến và các thiết bị nhỏ nhưng mang tính cơ động cao, chúng được mô tả sơ lược như bên dưới: - AI (Artifical Intelligence - Trí tuệ nhân tạo): Hệ thống IoT về cơ bản được hiểu là làm cho mọi thiết bị trở nên thông minh, nghĩa là nó giúp nâng cao mọi khía cạnh của cuộc sống bằng những dữ liệu thu thập BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 Chương 2: Cơ sở lý thuyết được, thông qua các thuật toán tính toán nhân tạo và kết nối mạng. Một ví dụ đơn giản như hộp đựng gạo của bạn, khi biết rằng gạo sắp hết, hệ thống tự động đặt một đơn hàng mới cho nhà cung cấp.

- Connectivity (Kết nối): Là một đặc trưng cơ bản của IoT, hiện nay các mạng thiết bị đang trở nên phổ biến, nhiều mạng thiết bị ngày càng nhỏ hơn, rẻ hơn và được phát triển phù hợp với thực tế cũng như nhu cầu của người dùng. - Sensor (Cảm biến): IoT sẽ mất đi sự quan trọng của mình nếu không có các cảm biến. Các cảm biến hoạt động giống như một công cụ giúp IoT chuyển từ mạng lưới các thiết bị thụ động sang mạng lưới các thiết bị tích cực, đồng thời có thể tương tác với thế giới thực. - Active Engagement (Thực hiện tích cực): Ngày nay, phần lớn các tương tác của những công nghệ kết nối xảy ra 1 cách thụ động.

IoT được cho là sẽ đem đến những hệ thống mang tích tích cực về nội dung, sản phẩm cũng như các dịch vụ gắn kết. - Small Devices (Thiết bị thu nhỏ): Như đã được dự đoán từ trước, các thiết bị ngày càng được tối ưu với mục đích nâng cao độ chính xác, khả năng mở rộng cũng như tính linh hoạt. Nó được thiết kế ngày càng nhỏ hơn, rẻ hơn và mạnh mẽ hơn theo thời gian.3 Cấu phần của hệ thống IoT[3] Kiến trúc IoT (như hình 2.2) được đại diện cơ bản bởi bốn phần: Vạn vật (Things), trạm kết nối (Gateways), hạ tầng mạng và điện toán đám mây (Network and Cloud) và các lớp tạo và cung cấp dịch vụ (Services-creation and Solutions Layers). Vạn vật (Things): Ví dụ xe hơi, thiết bị cảm biến, thiết bị đeo và điện thoại di động đang được kết nối trực tiếp thông qua băng tần mạng không dây và truy cập vào Internet.

Giải pháp IoT giúp các thiết bị thông minh được sàng lọc, kết nối và quản lý dữ liệu một cách cục bộ, còn các thiết bị “chưa thông minh” thì có thể kết nối được thông qua các trạm kết nối. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 Chương 2: Cơ sở lý thuyết Trạm kết nối (Gateways): Các trạm kết nối sẽ đóng vai trò là một trung gian trực tiếp, cho phép các thiết bị có sẵn này kết nối với điện toán đám mây một cách bảo mật và dễ dàng quản lý. 2: Mô hình kiến trúc IoT Hạ tầng mạng và điện toán đám mây (Network and Cloud): Cơ sở hạ tầng kết nối Internet bao gồm thiết bị định tuyến, trạm kết nối, thiết bị tổng hợp, thiếp bị lặp và nhiều thiết bị khác có thể kiểm soát lưu lượng dữ liệu lưu thông và cũng được kết nối đến mạng lưới viễn thông và cáp được triển khai bởi các nhà cung cấp dịch vụ. Trung tâm dữ liệu/hạ tầng điện toán đám mây bao gồm một hệ thống lớn các máy chủ (Server), hệ thống lưu trữ và mạng ảo hóa được kết nối.

Các lớp tạo và cung cấp dịch vụ (Services-Creation and Solutions Layers): Intel đã kết hợp những phần mềm quản lý API hàng đầu (Application Progmraming Interface) là Mashery và Aepona để giúp đưa các sản phẩm và giải pháp IoT ra thị trường một cách chóng và tận dụng được hết giá trị của việc phân tích các dữ liệu từ hệ thống và tài sản đang có sẵn.4 Ứng dụng IoT có thể ứng dụng được trong bất kì lĩnh vực nào mà chúng ta muốn. Một số lĩnh vực nổi bật hiện nay được ứng dụng IoT nhiều nhất như: - Nhà thông minh; - Quản lý các thiết bị cá nhân: Thiết bị đeo tay để đo nhịp tim huyết áp, theo dõi sức khỏe; - Quản lý môi trường, thời tiết; - Xử lý trong các tình huống khẩn cấp; BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 Chương 2: Cơ sở lý thuyết - Quản lý giao thông; - Lĩnh vực mua sắm thông minh; - Đồ dùng sinh hoạt hằng ngày: Như máy pha cà phê, bình nước nóng lạnh, máy điều hòa; - Tự động hóa: Các công xưởng sản xuất xe hơi đã áp dụng công nghệ IoT để cắt giảm hầu hết các công nhân, thay vào đó là các bộ máy tích hợp trí thông minh nhân tạo cho năng suất tăng gấp nhiều lần và độ chính xác cao hơn.5 Lợi ích mang lại và thách thức Những lợi ích mà IoT đem lại được dàn trải hầu hết đến các tất cả các lĩnh vực trong đời sống, kinh doanh như cải thiện việc gắn kết với khách hàng, tối ưu hóa công nghệ, giảm sự hao phí, tăng cường việc thu thập dữ liệu. Mặc dù IoT mang lại khá nhiều lợi ích ấn tượng, nó cũng gặp phải những thách thức đáng kể về kiểm soát an ninh, bảo mật, tính phức tạp, lo ngại về tính linh hoạt cũng như việc phải tuân thủ các tiêu chuẩn.2 GIỚI THIỆU VỀ LORA[4] 2.1 Khái niệm Lora LoRa là viết tắt của Long Range Radio được nghiên cứu và phát triển bởi Cycleo và sau này được mua lại bởi công ty Semtech năm 2012. Với công nghệ này, chúng ta có thể truyền dữ liệu với khoảng cách lên hàng km mà không cần các mạch khuếch đại công suất; từ đó giúp tiết kiệm năng lượng tiêu thụ khi truyền/nhận dữ liệu.

Do đó, LoRa có thể được áp dụng rộng rãi trong các ứng dụng thu thập dữ liệu như sensor network trong đó các sensor node có thể gửi giá trị đo đạc về trung tâm cách xa hàng km và có thể hoạt động trong thời gian dài trước khi cần thay pin (như hình 2.2 Nguyên lý hoạt động của LoRa LoRa sử dụng kỹ thuật điều chế gọi là Chirp Spread Spectrum. Theo nguyên lý này thì dữ liệu sẽ được băm bằng các xung cao tần để tạo ra tín hiệu có dãy tần số cao hơn tần số của dữ liệu gốc (công việc này gọi là chipped); sau đó tín hiệu cao tần này tiếp tục được mã hoá theo các chuỗi chirp signal (là các BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 Chương 2: Cơ sở lý thuyết tín hiệu hình sin có tần số thay đổi theo thời gian; có 2 loại chirp signal là up - chirp có tần số tăng theo thời gian và down-chirp có tần số giảm theo thời gian; và việc mã hoá theo nguyên tắc bit 1 sẽ sử dụng up - chirp, và bit 0 sẽ sử dụng down - chirp) trước khi truyền ra anten để gửi đi. 3: Cấu trúc hệ thống Lora Theo Semtech công bố thì nguyên lý này giúp giảm độ phức tạp và độ chính xác cần thiết của mạch nhận để có thể giải mã và điều chế lại dữ liệu; hơn nữa LoRa không cần công suất phát lớn mà vẫn có thể truyền xa vì tín hiệu Lora có thể được nhận ở khoảng cách xa ngay cả độ mạnh tín hiệu thấp hơn cả nhiễu môi trường xung quanh. Băng tần làm việc của LoRa từ 430MHz đến 915MHz cho từng khu vực khác nhau trên thế giới: - 430MHz cho châu Á; - 780MHz cho Trung Quốc; - 433MHz hoặc 866MHz cho châu Âu; - 915MHz cho Hoa Kỳ.

Nhờ sử dụng chirp signal mà các tín hiệu LoRa với các tỉ lệ chirp khác nhau có thể hoạt động trong cùng 1 khu vực mà không gây nhiễu cho nhau. Điều này cho phép nhiều thiết bị LoRa có thể trao đổi dữ liệu trên nhiều kênh đồng thời (mỗi kênh cho 1 tỉ lệ chirp). LoraWan là gì? BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 9 Chương 2: Cơ sở lý thuyết LoRaWAN là giao thức mạng năng lượng thấp, diện rộng (LPWA) được phát triển bởi Liên minh LoRa, kết nối không dây hoạt động với internet trong các mạng khu vực, quốc gia hoặc toàn cầu, nhắm mục tiêu các yêu cầu chính của Internet of Things (IoT) như thiết bị thông tin liên lạc hai chiều, dịch vụ bảo mật đầu cuối, di động và nội địa hóa. LoRaWAN sử dụng phổ không được cấp phép trong các dải ISM để xác định giao thức truyền thông và kiến trúc hệ thống cho mạng trong khi lớp vật lý LoRa tạo ra các liên kết giao tiếp tầm xa giữa các cảm biến từ xa và các cổng kết hoặc riêng tư ở bất cứ đâu bằng phần cứng và phần mềm.

Các tính năng chính của hệ thống LoRaWAN - Tầm xa (>5 km ở khu vực đô thị, >10 km ở khu vực ngoại ô, >80 km ở đường ngầm); - Tuổi thọ pin lâu (>10 năm); - Chi phí thấp (<5 USD/module); - Tốc độ dữ liệu thấp (0,3 bps – 50 kbps, thường khoảng ~ 10 kB/ngày); - Hỗ trợ bản địa hóa; - Truyền hai chiều; - Đảm bảo ổn định; - Hoạt động không cần giấy phép. Sự khác biệt giữa LoRa và LoRaWAN là gì ?