Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự tăng trưởng kinh tế kéo theo nhu cầu tiêu thụ năng lượng điện gia tăng nhanh chóng, đặt ra thách thức lớn đối với hạ tầng cung cấp điện năng. Việc sử dụng điện tiết kiệm và hiệu quả trở thành đòi hỏi cấp bách, phụ thuộc chủ yếu vào hiệu suất của thiết bị điện và thói quen sử dụng của con người. Trong thực tế đời sống, người tiêu dùng thường không có công cụ thuận tiện để giám sát liên tục tình trạng tiêu thụ điện của từng thiết bị trong gia đình hoặc cơ quan, dẫn đến tình trạng thiết bị hoạt động lãng phí và làm gia tăng chi phí sinh hoạt. Đồng thời, các đơn vị quản lý lưới điện cũng có nhu cầu thu thập dữ liệu chỉ số điện năng từ xa một cách chính xác, minh bạch nhằm tối ưu hóa công tác điều hành và tính toán hóa đơn.

Nhằm giải quyết bài toán trên, đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử Truyền thông của nhóm tác giả Nguyễn Tấn Minh và Nguyễn Hữu Trí (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, năm 2019) đã tập trung nghiên cứu, thiết kế và thi công hệ thống: "Giám sát năng lượng điện tiêu thụ hộ gia đình". Hệ thống đóng vai trò như một đồng hồ đo điện tử thông minh, tích hợp công nghệ Internet of Things (IoT) để thu thập dữ liệu đo lường, hiển thị tại chỗ và truyền tải thông tin lên máy chủ web, kết hợp gửi tin nhắn thông báo cước định kỳ.

Nhiệm vụ nghiên cứu được văn bản xác định cụ thể gồm 4 phần:

  1. Nhiệm vụ 1: Tìm hiểu và lựa chọn cảm biến đo lường điện năng, vi điều khiển phù hợp.
  2. Nhiệm vụ 2: Thiết kế giao tiếp phần cứng và phần mềm giữa cảm biến, vi điều khiển và màn hình hiển thị.
  3. Nhiệm vụ 3: Thiết kế mạch in (PCB), thi công mô hình phần cứng hoàn chỉnh của hệ thống.
  4. Nhiệm vụ 4: Xây dựng hệ thống cơ sở dữ liệu, giao diện webserver để lưu trữ, cập nhật dữ liệu và lập trình tính năng gửi tin nhắn SMS cảnh báo chi phí điện đến điện thoại người dùng.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các đại lượng điện xoay chiều một pha trong hộ gia đình (điện áp, dòng điện, công suất tức thời và tổng năng lượng tiêu thụ tích lũy). Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở việc triển khai thử nghiệm hệ thống sử dụng 1 cảm biến đo điện, áp dụng trên các tải đơn lẻ (như bóng đèn, quạt điện) của một hộ gia đình; kiểm chứng độ chính xác thông qua so sánh với đồng hồ vạn năng (VOM); quản lý dữ liệu thông qua hệ thống máy chủ web dùng ngôn ngữ PHP và cơ sở dữ liệu MySQL trên hosting tự đăng ký.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài vận dụng các nền tảng lý thuyết và tiêu chuẩn kỹ thuật thuộc lĩnh vực kỹ thuật điện tử, viễn thông và công nghệ phần mềm mạng:

  • Nền tảng Internet of Things (IoT): Tiếp cận theo định nghĩa năm 2013 của Tổ chức Sáng kiến Tiêu chuẩn Toàn cầu về IoT (IoT-GSI), xem hệ thống là hạ tầng kết nối các thực thể vật lý có gắn cảm biến, cơ cấu xử lý và giao tiếp truyền thông vào không gian mạng để trao đổi dữ liệu mà không cần sự can thiệp trực tiếp của con người.
  • Các chuẩn giao tiếp dữ liệu số:
    • Chuẩn UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter): Giao tiếp nối tiếp không đồng bộ qua 2 đường tín hiệu RX và TX, cấu hình khung truyền tiêu chuẩn gồm 1 Start bit (mức logic 0), các bit dữ liệu (LSB truyền trước), Parity bit kiểm tra chẵn/lẻ và Stop bit (mức logic 1), hoạt động ở tốc độ baud mặc định 9600 bps.
    • Chuẩn I2C (Inter-Integrated Circuit): Giao tiếp đồng bộ 2 dây gồm đường dữ liệu Serial Data (SDA) và đường xung nhịp Serial Clock (SCL), hoạt động theo mô hình Master-Slave định địa chỉ thiết bị ngoại vi, tạo các điều kiện START (SDA chuyển từ High xuống Low khi SCL ở High) và STOP (SDA chuyển từ Low lên High khi SCL ở High).
    • Chuẩn kết nối không dây Wi-Fi: Giao thức mạng cục bộ không dây dựa trên bộ tiêu chuẩn IEEE 802.11 (b/g/n) hoạt động trên dải tần 2.4 GHz, hỗ trợ mã hóa bảo mật WEP, WPA/WPA2 và tích hợp ngăn xếp giao thức TCP/IP.
  • Nguyên lý đo lường điện năng chuyên dụng: Module PZEM-004T đóng vai trò là khối thu thập dữ liệu tương tự công tơ điện tử, hỗ trợ đọc các thông số thông qua giao thức truyền lệnh byte nhị phân kèm mã kiểm tra (checksum = tổng các byte trước đó).
  • Nền tảng cơ sở dữ liệu quan hệ (RDBMS): Mô hình dữ liệu quan hệ sử dụng MySQL, quản lý thông qua phpMyAdmin và cPanel, cho phép lưu trữ có cấu trúc các bản ghi dữ liệu đo lường theo thời gian thực (gồm khóa chính, cột dữ liệu điện áp, dòng điện, công suất, điện năng tích lũy và thời gian ghi nhận).

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu chuyên ngành về vi điều khiển, module truyền thông và mạch đo lường xoay chiều.
  • Phương pháp thiết kế kỹ thuật phần cứng: Tính toán cân bằng công suất nguồn nuôi, thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điện tử, vẽ mạch in hai lớp (PCB layout) và gia công đóng gói khối thiết bị.
  • Phương pháp lập trình hệ thống nhúng: Viết chương trình điều khiển cho vi xử lý trên môi trường Arduino IDE, tích hợp thuật toán nạp cấu hình mạng Wi-Fi SmartConfig và giao tiếp lệnh AT điều khiển module truyền thông di động.
  • Phương pháp thực nghiệm đối sánh: Đo kiểm song song hệ thống thi công với thiết bị đo chuẩn (đồng hồ vạn năng VOM) trên các tải tiêu thụ thực tế để đánh giá sai số và độ ổn định của mạch.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc khối chức năng khép kín, bao gồm khối nguồn nuôi, khối đo điện tử, khối điều khiển trung tâm, khối hiển thị tại chỗ và khối máy chủ dịch vụ web từ xa.

Khối chức năng Phần cứng / Linh kiện sử dụng Vai trò và thông số kỹ thuật chính
Khối đo điện năng Module PZEM-004T Dải điện áp: 80~260 VAC (sai số 0.01); Dòng điện: 0~100 A (sai số 0.01); Công suất: 0~26000 W; Năng lượng tích lũy: 0~99999 kWh. Giao tiếp UART TTL 5V.
Khối xử lý trung tâm 1 (Wi-Fi) Module ESP-12F (Chip ESP8266EX) Vi xử lý 32-bit Tensilica Xtensa LX106 (80 MHz), 4 MB SPI Flash, Wi-Fi 2.4 GHz IEEE 802.11 b/g/n. Đọc dữ liệu từ cảm biến và truyền lên webserver qua Wi-Fi.
Khối xử lý trung tâm 2 (GPRS/SMS) Kit Arduino Uno tích hợp SIM800A Vi điều khiển ATmega328P kết hợp module GSM/GPRS SIM800A, cổng anten SMA 3dBi, khe cắm Nano SIM. Dùng cho khu vực không có Wi-Fi và xử lý gửi SMS cuối tháng.
Khối hiển thị tại chỗ Màn hình OLED 0.96 inch Độ phân giải 128x64 pixel, driver SSD1306, điện áp hoạt động 3.3V~5V, công suất tiêu thụ 0.04W, giao tiếp chuẩn I2C.
Khối chuyển đổi nguồn Nguồn xung AC-DC 5V/3.5W & IC hạ áp ASM1117-3.3V Chuyển đổi trực tiếp từ 220 VAC sang 5 VDC (dòng cực đại 700 mA), sau đó qua IC ASM1117 hạ áp về 3.3 VDC (dòng cực đại 1 A) cấp cho vi điều khiển và màn hình.
Khối Webserver & Database Apache Host, PHP, MySQL Tiếp nhận các bản tin HTTP Request từ bộ điều khiển, lưu bản ghi vào bảng CSDL MySQL và trực quan hóa biểu đồ tiêu thụ điện theo ngày/tháng trên trình duyệt.

Cấu trúc khung truyền lệnh của module đo PZEM-004T được triển khai theo định dạng chuẩn:

  • Khung lệnh gửi từ MCU đến cảm biến (1 byte Header + 5 bytes Data + 1 byte Checksum):
    • Lệnh đọc Điện áp: B0 C0 A8 01 01 00 1A
    • Lệnh đọc Dòng điện: B1 C0 A8 01 01 00 1B
    • Lệnh đọc Công suất: B2 C0 A8 01 01 00 1C
    • Lệnh đọc Điện năng: B3 C0 A8 01 01 00 1D
  • Khung phản hồi từ cảm biến PZEM-004T: Bắt đầu bằng Header tương ứng (A0, A1, A2, A3), theo sau bởi 5 byte dữ liệu (chứa giá trị phần nguyên và phần thập phân) và kết thúc bằng 1 byte Checksum.

Tính toán dòng điện tiêu thụ toàn mạch phần cứng được tổng hợp trong thiết kế nguồn như sau:

STT Tên linh kiện / Module Điện áp hoạt động Dòng tiêu thụ làm việc
1 Module cảm biến PZEM-004T (phía TTL) 5 V 12 mA
2 IC giao tiếp chuyển đổi USB-UART CH340G 5 V 12 mA
3 Màn hình hiển thị OLED 0.96 inch 3.3 V 12 mA
4 Vi điều khiển Wi-Fi ESP8266 (ESP-12F) 3.3 V 300 mA
Tổng Toàn bộ hệ thống 5 V / 3.3 V 312 mA

Mức tiêu thụ dòng điện tổng cộng thực tế (khoảng 312 mA) hoàn toàn nằm trong ngưỡng giới hạn an toàn của module nguồn xung 5V/700mA và IC ổn áp ASM1117 3.3V/1A.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của việc kiểm soát năng lượng điện trong bối cảnh cung cấp điện năng gặp nhiều áp lực. Tác giả nêu rõ mục tiêu thiết kế thiết bị đo điện tử tích hợp hai phương thức truyền dữ liệu linh hoạt (Wi-Fi và GPRS di động), giải quyết bài toán giám sát tại chỗ và từ xa đối với lưới điện 1 pha hộ gia đình. Chương này cũng phân chia 10 nội dung công việc cụ thể từ nghiên cứu lý thuyết, thiết kế phần cứng, lập trình hệ thống đến thi công chạy thử nghiệm và xác lập các giới hạn kỹ thuật của đề tài.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 hệ thống hóa các kiến thức nền tảng phục vụ nghiên cứu, bao gồm:

  • Khái niệm, tính chất và mô hình kết nối của hệ thống IoT theo chuẩn IoT-GSI.
  • Cấu tạo chi tiết khung truyền dữ liệu của chuẩn truyền thông nối tiếp không đồng bộ UART (Baudrate, Start bit, Data bits, Parity bit, Stop bits) và bus giao tiếp nối tiếp đồng bộ I2C (cơ chế Master-Slave, đường truyền SDA/SCL, điều kiện START/STOP, xung ACK).
  • Các thế hệ chuẩn mạng không dây IEEE 802.11 (a/b/g/n/ac) hoạt động trên băng tần 2.4 GHz và 5 GHz.
  • Nguyên lý đo lường các đại lượng điện áp hiệu dụng, dòng điện hiệu dụng, công suất tác dụng và điện năng tiêu thụ tích lũy bằng module PZEM-004T, kèm theo cấu trúc chi tiết của các gói tin mã lục phân (Hexadecimal) gửi nhận.
  • Kiến trúc website 3 thành phần (Front-end, Back-end PHP, Database MySQL) cùng các khái niệm cốt lõi trong hệ quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ (Primary Key, Foreign Key, Referential Integrity).

Chương 3: Tính toán và thiết kế hệ thống

Chương 3 đi sâu vào phân tích thiết kế kỹ thuật của từng khối chức năng:

  • Thiết lập sơ đồ khối toàn hệ thống gồm Khối nguồn, Khối đo điện năng, Khối xử lý trung tâm, Khối hiển thị và Khối Webserver.
  • Đặc tả kỹ thuật module PZEM-004T, hướng dẫn nối dây và cách sử dụng phím nhấn cứng trên bo mạch để reset dữ liệu điện năng tích lũy (nhấn giữ 5 giây cho màn hình nhấp nháy, nhấn nhanh một lần nữa để xóa về 0).
  • Phân tích kiến trúc vi điều khiển ESP8266EX (lõi Tensilica Xtensa 32-bit LX106 80 MHz, cấu hình chân GPIO, các chế độ nạp bootloader qua UART, Flash SPI hoặc SDIO). So sánh 3 dòng module phổ biến (ESP-01, ESP-07, ESP-12F) và đưa ra quyết định lựa chọn ESP-12F nhờ có vỏ kim loại chống nhiễu (shield) và ăng-ten PCB tích hợp ổn định.
  • Thiết kế khối xử lý dự phòng sử dụng Kit tích hợp vi điều khiển ATmega328P với module SIM800A (kết nối UART phần mềm qua chân D10, D11, hỗ trợ nguồn dải rộng 9-40 VDC).
  • Tính toán công suất khối nguồn dựa trên bảng thông số tiêu thụ dòng tĩnh và dòng đỉnh của từng module, thiết lập sơ đồ nguyên lý toàn mạch trên nền tảng nguồn xung cách ly AC-DC 5V/3.5W kết hợp LDO ASM1117-3.3V.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả chi tiết toàn bộ quy trình chế tạo và hiện thực hóa hệ sinh thái phần cứng - phần mềm:

  • Thiết kế layout mạch in hai lớp (mặt Top và Bottom) cho bo mạch chính và bo mạch mở rộng Wi-Fi ESP-12F, thực hiện gia công ăn mòn, hàn gắn linh kiện dán/cắm, kiểm tra ngắn mạch và lắp ráp vào hộp mô hình bảo vệ.
  • Xây dựng lưu đồ giải thuật điều khiển: Lưu đồ chương trình cho module ESP-12F (khởi tạo ngoại vi, kết nối Wi-Fi, đọc PZEM-004T qua UART, xuất OLED qua I2C, đẩy dữ liệu lên máy chủ web bằng HTTP GET/POST); lưu đồ chương trình chính cho bo mạch ATmega328P - SIM800A (giao tiếp lệnh AT truyền GPRS và gửi tin nhắn SMS cảnh báo cước vào cuối tháng); lưu đồ chương trình con xử lý trên Webserver.
  • Hướng dẫn cài đặt cấu hình môi trường lập trình Arduino IDE, tích hợp bộ công cụ nạp NodeMCU, cấu hình SSID/Password mạng không dây qua ứng dụng di động ESP8266 SmartConfig.
  • Thiết lập không gian lưu trữ hosting qua cPanel: Tạo cơ sở dữ liệu MySQL, tạo tài khoản người dùng và gán quyền quản trị, cấu hình Remote MySQL cho phép kết nối cơ sở dữ liệu từ xa, lập trình các script xử lý Back-end bằng ngôn ngữ PHP để nhận tham số từ vi điều khiển và ghi vào bảng dữ liệu.

Chương 5: Kết quả – Nhận xét – Đánh giá

Chương 5 công bố các kết quả thực nghiệm thu được sau khi lắp ráp và chạy thử hệ thống:

  • Hình ảnh vận hành thực tế của phần cứng, hiển thị trực quan các thông số đo U, I, P, E và tổng số tiền điện tạm tính trên màn hình OLED 0.96 inch.
  • Đánh giá kết quả kiểm nghiệm song song giữa thiết bị tự chế và đồng hồ vạn năng VOM trên các tải xoay chiều thực tế, cho thấy mạch hoạt động ổn định, độ trễ truyền dữ liệu thấp và thông số đo đạc đạt độ tin cậy.
  • Trực quan hóa kết quả giao diện website: Trang đăng nhập hệ thống, trang giám sát chỉ số điện tức thời, biểu đồ cột thống kê sản lượng điện năng tiêu thụ theo từng ngày trong tháng và giao diện quản trị cơ sở dữ liệu trên phpMyAdmin.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết các hạng mục đã hoàn thành của đồ án so với mục tiêu đề ra ban đầu, xác định các tồn tại kỹ thuật và đề xuất các giải pháp nâng cấp trong tương lai nhằm thương mại hóa và mở rộng ứng dụng trên quy mô mạng điện phân phối diện rộng.

Kết quả và đóng góp

Hệ thống đã được chế tạo hoàn thiện ở dạng nguyên mẫu phần cứng hoạt động ổn định và triển khai thành công các mục tiêu kỹ thuật đặt ra:

  • Chế tạo hoàn chỉnh 2 phiên bản phần cứng:
    1. Phiên bản kết nối Wi-Fi: Sử dụng chip nhúng ESP8266 (ESP-12F) thiết kế trên bo mạch 2 lớp gọn gàng, tự động lấy cấu hình mạng qua SmartConfig, liên tục cập nhật dữ liệu dòng, áp, công suất lên máy chủ.
    2. Phiên bản kết nối GPRS/SMS: Sử dụng Kit vi điều khiển ATmega328P tích hợp module SIM800A, cho phép thiết bị vận hành độc lập tại các vị trí không có sóng Wi-Fi và thực hiện gửi tin nhắn SMS báo tiền điện tự động vào cuối tháng đến số điện thoại cá nhân đã cấu hình.
  • Đo lường và hiển thị chính xác các thông số: Đọc và giải mã dữ liệu chuẩn xác từ cảm biến PZEM-004T với dải đo điện áp 80~260 VAC, dòng điện 0~100 A, công suất tiêu thụ tức thời 0~26000 W và năng lượng tích lũy đến 99999 kWh. Thông tin hiển thị rõ ràng, trực quan tại chỗ qua màn hình OLED 0.96 inch (I2C) và từ xa qua trình duyệt web.
  • Xây dựng hệ thống phần mềm quản lý trực tuyến: Thiết lập trang web trên máy chủ PHP/MySQL có khả năng lưu trữ lịch sử tiêu thụ điện, hiển thị biểu đồ thống kê sản lượng điện theo từng ngày trong tháng, hỗ trợ tính toán hóa đơn tiền điện dựa trên dữ liệu tích lũy.

Đóng góp so với các đề tài trước đây được nhóm tác giả tự xác định bao gồm:

  • Tích hợp giải pháp kết nối mạng kép linh hoạt (Wi-Fi hoặc mạng di động GPRS), giúp người dùng dễ dàng lựa chọn phương án truyền thông phù hợp với điều kiện cơ sở hạ tầng mạng của từng hộ gia đình nhằm tối ưu chi phí đầu tư.
  • Nâng cao độ tin cậy và thẩm mỹ công nghiệp nhờ quy trình thiết kế mạch in PCB 2 lớp chuyên biệt, loại bỏ các kết nối dây rời rạc, tích hợp sẵn khối nguồn xung cách ly 220VAC sang DC trực tiếp trên một bo mạch duy nhất.
  • Cung cấp cơ chế cấu hình thông minh (SmartConfig) và khả năng thông báo hóa đơn tự động qua mạng viễn thông tế bào (SMS), gia tăng mức độ tự động hóa trong quản lý chi tiêu năng lượng gia đình.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên các giới hạn thực tế được văn bản đồ án ghi nhận:

  • Hạn chế tồn tại:
    • Hệ thống mới chỉ thử nghiệm với 1 module cảm biến PZEM-004T cho từng tải tiêu thụ riêng lẻ (như bóng đèn, quạt), chưa tiến hành đo đạc thực nghiệm toàn diện trên tổng thể hệ thống điện của một căn nhà lớn với nhiều nhánh phụ tải phức tạp.
    • Việc đánh giá độ chính xác của cảm biến mới chỉ dừng lại ở phép thử nghiệm đối chiếu trực tiếp với đồng hồ vạn năng VOM thông thường, chưa có chứng nhận hiệu chuẩn từ phòng thí nghiệm đo lường tiêu chuẩn.
    • Giao diện website sử dụng chung cho cả người tiêu dùng và cơ quan quản lý điện lực, chưa xây dựng cơ chế phân quyền tài khoản (Authorization) và quản trị viên đa cấp.
    • Mạch phần cứng chỉ hoạt động an toàn trong môi trường khô ráo, thoáng mát; chưa được thiết kế tiêu chuẩn kháng bụi, kháng nước hoặc chịu nhiệt độ cao.
  • Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp:
    • Xây dựng và hoàn thiện tính năng phân quyền người dùng và quản trị viên trên hệ thống webserver để bảo mật dữ liệu khách hàng.
    • Phát triển ứng dụng chuyên dụng trên thiết bị di động thông minh (nền tảng Android và iOS) để theo dõi dữ liệu thay cho việc truy cập qua trình duyệt web.
    • Mở rộng thiết kế phần cứng đo lường đa kênh để giám sát đồng thời nhiều thiết bị điện độc lập trong gia đình, hỗ trợ phân tích chuyên sâu hành vi tiêu thụ điện năng.
    • Nghiên cứu ứng dụng trên quy mô lưới điện phân phối nhiều hộ gia đình, phục vụ công tác số hóa hạ tầng của các công ty điện lực.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án là nguồn tư liệu thực nghiệm hữu ích dành cho:

  • Sinh viên và học viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử Truyền thông, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Công nghệ Thông tin đang thực hiện các đồ án môn học hoặc khóa luận tốt nghiệp về ứng dụng Internet of Things (IoT) và giám sát năng lượng.
  • Các kỹ sư thiết kế phần cứng nhúng quan tâm đến giải pháp tích hợp cảm biến đo điện xoay chiều công nghiệp PZEM-004T với các dòng vi điều khiển phổ thông như ESP8266 (ESP-12F), ATmega328P, module GSM/GPRS SIM800A và màn hình OLED SSD1306.
  • Các nhà phát triển hệ thống IoT mức cơ sở cần tham khảo mô hình truyền thông từ thiết bị nhúng lên máy chủ Web/Database tự dựng (sử dụng ngôn ngữ lập trình PHP, cơ sở dữ liệu MySQL thông qua bảng điều khiển cPanel và phpMyAdmin).
  • Những phần đáng tham khảo sâu trong đồ án gồm: Cấu trúc khung truyền lệnh UART của PZEM-004T (Chương 2), phương pháp tính toán công suất khối nguồn nuôi hạ áp (Chương 3), và các lưu đồ thuật toán nạp Wi-Fi/giao tiếp GPRS (Chương 4).

Câu hỏi thường gặp

1. Cảm biến PZEM-004T đo lường những đại lượng điện nào và giao tiếp với vi điều khiển bằng chuẩn gì?
Module cảm biến PZEM-004T đo được 4 thông số chính của dòng điện xoay chiều 1 pha: Điện áp hoạt động (80~260 VAC), dòng điện (0~100 A), công suất tức thời (0~26000 W) và năng lượng tích lũy (0~99999 kWh). Cảm biến giao tiếp với vi điều khiển qua cổng nối tiếp UART ở mức logic TTL 5VDC với tốc độ baudrate mặc định là 9600 bps (khung truyền: 8 bit dữ liệu, 1 stop bit, không bit parity).

2. Làm thế nào để xóa dữ liệu điện năng tiêu thụ đã lưu trên module PZEM-004T?
Người dùng sử dụng phím bấm cơ học tích hợp trên bảng điều khiển của module PZEM-004T: Nhấn và giữ phím trong khoảng 5 giây cho đến khi màn hình/đèn chỉ thị nhấp nháy thì nhả phím; sau đó nhấn nhanh lại phím một lần nữa, toàn bộ dữ liệu điện năng tích lũy sẽ được xóa về 0 và thoát khỏi trạng thái cài đặt.

3. Vì sao đồ án lại xây dựng song song hai giải pháp kết nối mạng Wi-Fi (ESP8266) và GPRS (SIM800A)?
Nhóm tác giả thiết kế hai phương án kết nối nhằm đáp ứng điều kiện thực tế đa dạng của các hộ gia đình. Đối với những hộ có lắp đặt sẵn bộ định tuyến (modem) Wi-Fi, việc sử dụng chip ESP-12F giúp tiết kiệm chi phí vận hành mạng. Đối với các hộ gia đình hoặc vị trí lắp đặt không có sóng Wi-Fi, hệ thống sử dụng Kit SIM800A kết nối mạng dữ liệu di động GPRS qua thẻ SIM để gửi dữ liệu lên máy chủ, đồng thời tận dụng mạng GSM để gửi tin nhắn SMS báo tiền điện trực tiếp về điện thoại vào cuối tháng.

4. Khối nguồn của hệ thống được tính toán và chuyển đổi điện áp như thế nào?
Hệ thống sử dụng một đầu vào nguồn duy nhất là điện xoay chiều 220 VAC. Nguồn này đi qua module nguồn xung cách ly AC-DC 5V/3.5W để tạo ra điện áp 5 VDC với dòng tải tối đa 700 mA cung cấp cho cảm biến PZEM-004T và chip nạp CH340G. Sau đó, điện áp 5 VDC tiếp tục đi qua IC ổn áp tuyến tính ASM1117-3.3V (dòng cấp tối đa 1 A) để hạ áp xuống mức 3.3 VDC cung cấp cho module ESP8266 (tiêu thụ khoảng 300 mA) và màn hình hiển thị OLED 0.96 inch (tiêu thụ 12 mA).

5. Cơ chế lưu trữ và quản lý dữ liệu trên máy chủ Webserver được triển khai ra sao?
Dữ liệu đo từ vi điều khiển được gửi lên máy chủ hosting thông qua các tập lệnh PHP. Máy chủ tiếp nhận các giá trị đo và lưu vào hệ quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ MySQL đã được cấu hình từ xa qua Remote MySQL trên cPanel. Người dùng truy cập vào trang web thông qua trình duyệt để đăng nhập, theo dõi các chỉ số điện năng thời gian thực và xem biểu đồ thống kê sản lượng điện tiêu thụ theo từng ngày trong tháng.

Kết luận

Đồ án "Giám sát năng lượng điện tiêu thụ hộ gia đình" của nhóm tác giả Nguyễn Tấn Minh và Nguyễn Hữu Trí đã hoàn thành đầy đủ mục tiêu thiết kế và chế tạo một thiết bị đo điện tử thông minh trên nền tảng IoT cho lưới điện một pha. Hệ thống tích hợp thành công cảm biến PZEM-004T, vi điều khiển ESP8266/ATmega328P, module truyền thông SIM800A và màn hình OLED để thực hiện đồng thời các chức năng đo đạc chính xác, hiển thị tại chỗ, cảnh báo cước qua tin nhắn SMS và lưu trữ dữ liệu trực quan trên nền tảng Web/MySQL. Mặc dù vẫn còn một số giới hạn về phạm vi đo kiểm thực tế trên toàn bộ hộ gia đình và tính năng phân quyền bảo mật của website, kết quả của đồ án đã cung cấp một mô hình kỹ thuật hoàn chỉnh, có giá trị ứng dụng cao cho công tác quản lý tiêu thụ năng lượng dân dụng.