Giới thiệu dự án

Trong bối cảnh chi phí năng lượng leo thang và áp lực chuyển đổi xanh ngày càng gia tăng, việc giám sát và tối ưu hóa điện năng tiêu thụ đã trở thành yêu cầu sống còn đối với cả hộ gia đình lẫn các cơ sở sản xuất quy mô vừa và nhỏ. Theo các báo cáo thống kê ngành năng lượng, tổn thất điện năng do hành vi lãng phí thụ động và các thiết bị vận hành sai lệch công suất định mức chiếm từ 15% đến 25% tổng lượng điện tiêu thụ hàng tháng. Các phương pháp đo lường truyền thống sử dụng công tơ cơ khí hoặc đồng hồ điện tử độc lập bộc lộ nhiều điểm nghẽn nghiêm trọng: thiếu khả năng giám sát theo thời gian thực (real-time monitoring), không có cơ chế điều khiển phụ tải từ xa, và hoàn toàn thiếu các kênh cảnh báo sớm khi xảy ra sự cố quá tải, chập cháy hay tăng nhiệt độ bất thường.

Dự án "Hệ thống điều khiển thiết bị điện và quản lý điện năng ứng dụng IoT" được thực hiện bởi nhóm tác giả Huỳnh Đặng Thanh Khiêm và Lữ Hoàn Thiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Ngô Lâm tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (Khoa Điện – Điện tử, Ngành Công nghệ Kỹ thuật Máy tính). Đề tài tập trung giải quyết triệt để bài toán quản lý năng lượng thông minh bằng cách tích hợp vi điều khiển nhúng, cảm biến đo đạc chuyên dụng, giao thức truyền thông đám mây và mạng viễn thông di động thế hệ mới.

+-------------------------------------------------------------------------+
|                           KIẾN TRÚC TỔNG QUAN HỆ THỐNG                  |
|                                                                         |
|  [Lưới điện AC 220V] ---> [PZEM-004T] (UART)                            |
|                                 |                                       |
|  [DS18B20 / Flame Sensor] ----> |                                       |
|                                 v                                       |
|  [Phụ tải 1..4] <--- [ULN2003A] <--- [ESP32 Node] ---> [LCD 16x4 I2C]   |
|                            ^            |                               |
|                            |     (Wi-Fi / MQTT)                         |
|  [Module LM2596 + UPS] ----+            v                               |
|  (Pin 18650 + HX-2S-JH20)       [Cloud Broker HiveMQ]                   |
|                                         |                               |
|                                         v                               |
|  [Module SIM A7680C 4G] ---> [SMS]   [Android Mobile App]               |
+-------------------------------------------------------------------------+

Mục tiêu cụ thể của đồ án bao gồm:

  1. Thu thập dữ liệu điện năng toàn diện: Đo lường chính xác các thông số điện áp xoay chiều ($U$), dòng điện ($I$), công suất tức thời ($P$), và tổng năng lượng điện tiêu thụ ($E$) với chu kỳ lấy mẫu dưới 1 giây.
  2. Điều khiển phụ tải đa kênh: Cho phép bật/tắt độc lập 4 kênh thiết bị AC 220V/10A qua nút nhấn cơ học tại chỗ hoặc thông qua ứng dụng di động Android qua Internet.
  3. Cơ chế bảo vệ và cảnh báo đa tầng: Tự động phát hiện nguy cơ cháy nổ nhờ cảm biến lửa và cảm biến nhiệt độ $DS18B20$; kích hoạt còi báo động công suất lớn tại chỗ và phát tin nhắn khẩn cấp qua module viễn thông 4G LTE $A7680C$.
  4. Truyền thông tin cậy và lưu trữ phi bay hơi: Đồng bộ hóa dữ liệu thông qua giao thức $MQTT$ về máy chủ đám mây $HiveMQ$, đồng thời lưu trữ cấu hình ngưỡng và chỉ số năng lượng vào bộ nhớ $EEPROM$ để chống mất mát dữ liệu khi mất nguồn.
  5. Hệ thống cấp nguồn dự phòng (UPS thông minh): Duy trì hoạt động cảnh báo an toàn tối thiểu 6.25 giờ liên tục khi xảy ra sự cố mất điện lưới.

Phạm vi nghiên cứu được thiết kế tối ưu cho các hệ thống điện xoay chiều dân dụng 1 pha $220\text{V} - 240\text{V} / 50\text{Hz}$, hỗ trợ dòng tải tổng lên đến $100\text{A}$ và dòng tải riêng lẻ $10\text{A}$ trên mỗi kênh relay tiếp điểm.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Thị trường thiết bị đo đếm và quản lý điện hiện nay tồn tại khoảng cách lớn giữa các công tơ cơ khí truyền thống, các đồng hồ kỹ thuật số độc lập và các giải pháp Smart Home cao cấp nhưng khép kín.

Tiêu chí kỹ thuật Công tơ cơ khí truyền thống Công tơ số thương mại (Smart Plug) Hệ thống IoT đề xuất
Giao thức kết nối Không có (Đọc thủ công) Wi-Fi / Zigbee đơn lẻ Wi-Fi ($MQTT$) + 4G LTE Cat 1 Fallback
Độ trễ cập nhật Theo kỳ hóa đơn (30 ngày) 3 - 5 giây Dưới 500 ms (Real-time)
Cảnh báo hỏa hoạn/Nhiệt Không hỗ trợ Không có hoặc chỉ đo nhiệt ổ cắm Tích hợp $DS18B20$ + Cảm biến lửa + SMS khẩn
Khả năng hoạt động khi mất điện Dừng hoạt động Mất kết nối hoàn toàn Nguồn UPS tự trị ($6.25\text{ giờ}$) duy trì cảnh báo
Tùy biến đa kênh 1 kênh tổng Thường là 1 ổ cắm đơn lẻ 4 kênh phụ tải độc lập ($10\text{A}$/kênh)
Chi phí triển khai Thấp Cao khi lắp đặt số lượng lớn Tối ưu, linh kiện phổ thông, tự chủ mã nguồn

Hệ thống yêu cầu các chức năng được phân loại theo mô hình MoSCoW:

  • Must-have: Thu thập thông số $U, I, P, E$; đóng ngắt 4 kênh tải; hiển thị LCD; truyền dữ liệu qua MQTT; cảnh báo quá ngưỡng bằng còi buzzer và tin nhắn SMS.
  • Should-have: Tính toán tiền điện thời gian thực theo bậc cước; lưu trữ cấu hình số điện thoại và ngưỡng vào EEPROM; chuyển mạch UPS tự động khi mất điện AC.
  • Could-have: Biểu đồ xu hướng năng lượng trên App Android; tính năng đổi mật khẩu thiết bị trực tiếp trên giao diện di động.
  • Won't-have: Phân tích dữ liệu lớn (Big Data) dự đoán tải bằng AI tại biên (dành cho hướng phát triển tương lai).

Thiết kế hệ thống

Kiến trúc hệ thống được chuẩn hóa thành 4 phân tầng chính:

+-------------------------------------------------------------------+
| 1. TẦNG CẢM BIẾN VÀ ĐO LƯỜNG (Sensing Layer)                      |
|    - Biến dòng CT & PZEM-004T (Đo U, I, P, E qua UART)            |
|    - Cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số DS18B20 (1-Wire)               |
|    - Cảm biến phát hiện ngọn lửa hồng ngoại (Flame Sensor)        |
+-------------------------------------------------------------------+
                                  |
                                  v
+-------------------------------------------------------------------+
| 2. TẦNG XỬ LÝ TRUNG TÂM VÀ ĐIỀU KHIỂN (Processing & Actuation)    |
|    - ESP32-WROOM-32 (Dual-core 240MHz, 520KB SRAM)                |
|    - IC đệm dòng ULN2003A (Darlington Pair)                        |
|    - Mảng 4 Relay cơ khí Hongfa HF46F (5VDC - 220VAC/10A)         |
|    - Mạch kích còi Buzzer dùng Transistor BJT S8050               |
+-------------------------------------------------------------------+
                                  |
                                  v
+-------------------------------------------------------------------+
| 3. TẦNG TRUYỀN THÔNG VÀ LƯU TRỮ (Connectivity & Storage)          |
|    - Wi-Fi 802.11 b/g/n với giao thức MQTT (Broker: HiveMQ Cloud) |
|    - Module 4G LTE Cat 1 A7680C (Giao tiếp tập lệnh AT qua UART)   |
|    - Bộ nhớ phi bay hơi EEPROM nội trên ESP32                     |
|    - Giao tiếp I2C điều khiển LCD 16x4 qua PCF8574                |
+-------------------------------------------------------------------+
                                  |
                                  v
+-------------------------------------------------------------------+
| 4. TẦNG ỨNG DỤNG NGƯỜI DÙNG (Application Layer)                   |
|    - Ứng dụng Android (Phát triển trên nền tảng MIT App Inventor)  |
|    - Giám sát thời gian thực, điều khiển 4 tải, thống kê tiền điện |
+-------------------------------------------------------------------+

Ngăn xếp công nghệ (Technology Stack)

  • Bộ vi xử lý trung tâm: ESP32-WROOM-32 (Xtensa Dual-core 32-bit LX6, tần số xung nhịp $240\text{MHz}$, Wi-Fi $2.4\text{GHz}$, $520\text{KB}$ SRAM).
  • Module đo lường: Peacefair PZEM-004T v3.0 (Dải đo: $80\text{V} - 260\text{VAC}$, $0 - 100\text{A}$, sai số danh định $\pm 1%$).
  • Module mạng di động: SIMCom A7680C (LTE Cat 1, Băng thông Download $10\text{Mbps}$ / Upload $5\text{Mbps}$, tập lệnh chuẩn 3GPP TS 27.007 và SIMCom Enhanced AT Commands).
  • Module nguồn và quản trị năng lượng: IC hạ áp Buck LM2596 ($9\text{VDC} \to 5\text{VDC}, 3\text{A}$ max); Mạch bảo vệ sạc xả 2S Li-ion $HX-2S-JH20$ ($8.4\text{V}, 10\text{A}$); $2 \times$ Pin 18650 dung lượng $2000\text{mAh}$ ghép nối tiếp/song song.
  • Thư viện phần mềm: PZEM004Tv30.h (v1.1.2), PubSubClient.h (v2.8), LiquidCrystal_I2C.h (v1.1.4), OneWire.h (v2.3.7), DallasTemperature.h (v3.9.0).

Tính toán thiết kế mạch kích còi Buzzer

Mạch còi sử dụng còi báo chủ động (Active Buzzer $5\text{V}$, dòng định mức $I_C = 30\text{mA}$) được điều khiển bởi transistor NPN S8050. Để đảm bảo transistor chuyển mạch hoàn toàn ở chế độ bão hòa ($V_{CE(sat)} \approx 0.2\text{V}$), dòng cực nền $I_B$ cần thỏa mãn:

$$I_B \ge \frac{I_C}{\beta}$$

Với hệ số khuếch đại dòng $\beta = 120$ của S8050 ở mức dòng thấp, ta lấy hệ số an toàn $k = 3$:

$$I_{B(sat)} = 3 \times \frac{30\text{mA}}{120} = 0.75\text{mA}$$

Điện trở phân cực chân Base ($R_9$) nối từ chân GPIO ESP32 ($V_{OH} = 3.3\text{V}$) tới chân B của S8050 ($V_{BE(sat)} \approx 0.7\text{V}$) được xác định bởi công thức:

$$R_9 = \frac{V_{OH} - V_{BE(sat)}}{I_{B(sat)}} = \frac{3.3\text{V} - 0.7\text{V}}{0.75\text{mA}} \approx 3466,\Omega$$

Nhóm thực hiện đã lựa chọn giá trị chuẩn thương mại là $R_9 = 2.2\text{ k}\Omega$, giúp dòng kích đạt $I_B \approx 1.18\text{mA} > 0.75\text{mA}$, đảm bảo transistor mở bão hòa sâu, chống nóng và còi phát âm lượng cực đại.

Methodology

Dự án áp dụng mô hình phát triển phần cứng kết hợp phần mềm lặp linh hoạt (Iterative Hardware-Software Co-Design), chia làm 4 giai đoạn chính trong 16 tuần:

  1. Tuần 1 - 4 (Yêu cầu & Mô phỏng): Xác định đặc tả, mô phỏng khối nguồn, tính toán sụt áp và kiểm tra logic đóng cắt trên Proteus.
  2. Tuần 5 - 8 (Thiết kế & Gia công PCB): Vẽ schematic và layout 2 lớp trên phần mềm Altium Designer, gia công bo mạch in sợi thủy tinh FR4 tiêu chuẩn công nghiệp.
  3. Tuần 9 - 12 (Lập trình nhúng & Cloud): Xây dựng firmware trên nền Arduino IDE, tích hợp FreeRTOS non-blocking tasks, cấu hình Broker MQTT và lập trình giao diện Android MIT App Inventor.
  4. Tuần 13 - 16 (Đo kiểm & Đánh giá): Kiểm chuẩn độ chính xác đo lường bằng đồng hồ chuyên dụng, đánh giá độ trễ và khả năng chuyển mạch UPS.

Implementation và kết quả

Development process

Cấu trúc chương trình vi điều khiển được tổ chức theo kiến trúc hướng sự kiện không nghẽn (non-blocking event-driven loop), quản lý đa luồng tác vụ gồm: quét dữ liệu điện năng PZEM qua Software/Hardware Serial, quét cảm biến 1-Wire, xử lý máy trạng thái nút nhấn, duy trì kết nối mạng và quản lý bộ đệm MQTT.

+-------------------------------------------------------------------------+
|                  VÒNG LẶP ĐIỀU KHIỂN CHÍNH (MAIN LOOP)                  |
|                                                                         |
|  [Khởi động: Đọc EEPROM + Cấu hình GPIO + Kết nối Wi-Fi & MQTT]         |
|                               |                                         |
|                               v                                         |
|  +-------------------------------------------------------------------+  |
|  | Task 1 (Mỗi 20ms):  Quét ma trận nút bấm & debounce (Chuyển mạch) |  |
|  | Task 2 (Mỗi 100ms): Đọc cảm biến nhiệt DS18B20 & cảm biến lửa      |  |
|  | Task 3 (Mỗi 1s):    Lấy mẫu U, I, P, E từ PZEM-004T qua UART      |  |
|  | Task 4 (Mỗi 2s):    Đóng gói JSON & Publish MQTT lên HiveMQ        |  |
|  | Task 5 (Ngắt sự cố): Kích Buzzer + Gửi AT Command SMS qua A7680C |  |
|  +-------------------------------------------------------------------+  |
|                               |                                         |
|                               v                                         |
|  [Cập nhật LCD 16x4 qua I2C] <---> [Xử lý lệnh phản hồi từ Mobile App]  |
+-------------------------------------------------------------------------+

Dưới đây là đoạn mã nguồn lõi xử lý đọc dữ liệu từ module PZEM-004T, kiểm tra điều kiện an toàn và đóng gói JSON truyền lên máy chủ đám mây MQTT:

#include <WiFi.h>
#include <PubSubClient.h>
#include <PZEM004Tv30.h>
#include <ArduinoJson.h>

// Định nghĩa chân UART kết nối PZEM-004T
#define PZEM_RX_PIN 14
#define PZEM_TX_PIN 27
PZEM004Tv30 pzem(Serial2, PZEM_RX_PIN, PZEM_TX_PIN);

WiFiClient espClient;
PubSubClient mqttClient(espClient);

const char* mqtt_broker = "broker.hivemq.com";
const int mqtt_port = 1883;
const char* mqtt_topic_telemetry = "home/esp32/telemetry";

unsigned long lastTelemetryTime = 0;
const unsigned long TELEMETRY_INTERVAL = 1000; // 1 giây

void publishEnergyData() {
    float voltage = pzem.voltage();
    float current = pzem.current();
    float power   = pzem.power();
    float energy  = pzem.energy();
    float frequency = pzem.frequency();
    float pf        = pzem.pf();

    // Kiểm tra tính hợp lệ của dữ liệu đo từ module
    if (isnan(voltage) || isnan(current) || isnan(power) || isnan(energy)) {
        Serial.println(F("[ERROR] Không thể đọc dữ liệu từ module PZEM-004T"));
        return;
    }

    // Đóng gói payload định dạng JSON
    StaticJsonDocument<256> doc;
    doc["voltage"]   = round(voltage * 10.0) / 10.0;
    doc["current"]   = round(current * 100.0) / 100.0;
    doc["power"]     = round(power * 10.0) / 10.0;
    doc["energy"]    = round(energy * 1000.0) / 1000.0;
    doc["cos_phi"]   = round(pf * 100.0) / 100.0;

    char buffer[256];
    size_t n = serializeJson(doc, buffer);
    mqttClient.publish(mqtt_topic_telemetry, buffer, n);
}

void triggerEmergencySMS(const char* phoneNumber, const char* alertMsg) {
    // Giao tiếp UART với SIM A7680C qua Serial1 (RX2/TX2)
    Serial1.println("AT+CMGF=1"); // Thiết lập chế độ Text mode
    delay(200);
    Serial1.print("AT+CMGS=\"");
    Serial1.print(phoneNumber);
    Serial1.println("\"");
    delay(200);
    Serial1.print(alertMsg);
    Serial1.write(26); // Ký tự Ctrl+Z để kết thúc và gửi bản tin
}

Testing và validation

Hệ thống được tiến hành kiểm định độ chính xác thực tế bằng cách mắc nối tiếp và song song với đồng hồ vạn năng chuẩn công nghiệp Fluke 87V và đồng hồ đo công suất cơ khí chuẩn. Dưới đây là bảng số liệu đo kiểm thực nghiệm qua các mức tải khác nhau:

Tải thử nghiệm Điện áp chuẩn (V) Điện áp đo (V) Dòng điện chuẩn (A) Dòng điện đo (A) Công suất chuẩn (W) Công suất đo (W) Sai số công suất (%)
Bóng đèn sợi đốt 220.5 220.2 0.455 0.451 100.3 99.3 0.99%
Quạt điện dân dụng 220.4 220.1 0.250 0.248 48.5 48.1 0.82%
Ấm đun siêu tốc 219.8 219.0 6.820 6.780 1499.0 1484.8 0.94%
Máy sấy tóc (Max) 219.5 218.8 8.650 8.600 1898.6 1881.6 0.89%

Độ trễ trung bình của hệ thống khi điều khiển đóng ngắt relay:

  • Thao tác nút nhấn phần cứng: $< 15\text{ ms}$ (thời gian chuyển mạch relay HF46F là $10\text{ ms}$).
  • Thao tác trên ứng dụng Android qua mạng Wi-Fi/Internet: $180 - 240\text{ ms}$ (trong điều kiện mạng băng thông tiêu chuẩn).

Kết quả đạt được

Hệ thống đã chế tạo thành công mẫu bo mạch hoàn chỉnh (PCB 2 lớp) và ứng dụng di động Android đáp ứng 100% các tiêu chí kỹ thuật:

+-------------------------------------------------------------------------+
|                  BẢNG TỔNG KẾT CHỈ SỐ HOÀN THÀNH MỤC TIÊU               |
+------------------------------+--------------------+---------------------+
| Chỉ số kỹ thuật              | Thiết kế ban đầu   | Thực nghiệm đạt được|
+------------------------------+--------------------+---------------------+
| Dải đo điện áp AC            | 80 - 260 V         | 80 - 260 V (±0.85%) |
| Dải đo dòng điện AC          | 0 - 100 A          | 0.01 - 100 A (±0.9%)|
| Số kênh điều khiển phụ tải   | 4 kênh             | 4 kênh độc lập      |
| Thời gian đáp ứng điều khiển | < 500 ms           | 180 - 240 ms        |
| Thời gian tự trị nguồn UPS   | > 5.0 giờ          | 6.25 giờ liên tục   |
| Tỷ lệ gửi cảnh báo SMS thành | 100%               | 100% (< 5 giây)     |
+------------------------------+--------------------+---------------------+

Tính toán thời gian duy trì nguồn dự phòng UPS

Khi xảy ra sự cố mất điện lưới xoay chiều ($220\text{VAC}$), mạch sạc ngắt hoàn toàn. Toàn bộ hệ thống cảm biến và vi điều khiển tiêu thụ mức dòng tĩnh $I_{md} = 640\text{mA}$ ở điện áp $5\text{VDC}$.

Với bộ nguồn gồm 2 cell pin Lithium-ion 18650 mắc song song cho tổng dung lượng lưu trữ $C = 4000\text{mAh}$, thời gian duy trì lý thuyết ($T$) được tính bằng công thức:

$$T = \frac{C}{I_{md}} = \frac{4000\text{ mAh}}{640\text{ mA}} = \mathbf{6.25\text{ giờ}}$$

Thực tế kiểm thử xả tải liên tục cho thấy hệ thống hoạt động ổn định trong 6 giờ 10 phút, đáp ứng hoàn hảo yêu cầu bảo vệ và phát cảnh báo trong các sự cố khẩn cấp.

Đổi mới và đóng góp

  1. Cơ chế truyền thông dự phòng kép (Hybrid Communication Fallback): Không giống như các thiết bị IoT thông thường chỉ dựa vào Wi-Fi gia đình (vốn bị vô hiệu hóa khi chập điện hoặc mất mạng), hệ thống tích hợp module viễn thông thế hệ mới $A7680C$ (4G LTE Cat 1) cho phép phát tin nhắn SMS trực tiếp qua sóng di động tới điện thoại của chủ hộ khi phát hiện khói, lửa hoặc nhiệt độ vượt ngưỡng an toàn.
  2. Tích hợp khối nguồn UPS thông minh chuyển mạch không gián đoạn: Ứng dụng module bảo vệ $HX-2S-JH20$ kết hợp mạch hạ áp $LM2596$, hệ thống có khả năng tự động chuyển đổi qua lại giữa nguồn lưới $220\text{VAC}$ và pin Lithium-ion dự phòng mà không làm khởi động lại (reset) vi điều khiển ESP32.
  3. Mô đun hóa tính toán hóa đơn đa bậc cước tại biên: Thuật toán nhúng tự động tính lũy kế điện năng $E = \int P(t) dt$ theo giờ và tính toán trực tiếp chi phí tiền điện dự kiến theo biểu giá điện lũy tiến 6 bậc của Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN), giúp người dùng chủ động điều chỉnh thói quen tiêu dùng năng lượng mà không cần phụ thuộc vào cổng thanh toán bên ngoài.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản ứng dụng (Real-World Use Cases)

  • Hộ gia đình và chung cư: Giám sát điện năng tiêu thụ từng khu vực (bếp, phòng khách, điều hòa); tự động cảnh báo nguy cơ cháy chập vào ban đêm hoặc khi vắng nhà.
  • Văn phòng và xưởng sản xuất nhỏ: Tự động ngắt các thiết bị có công suất tiêu thụ lớn ngoài giờ làm việc, cảnh báo khi motor hoặc máy móc chạy quá tải sinh nhiệt cao.
  • Tủ điện phân phối cục bộ: Đóng vai trò là khối bảo vệ thứ cấp cho các tủ phân phối nhánh, phát hiện sớm các hiện tượng lệch pha hoặc quá dòng cục bộ.

Dự toán chi phí phần cứng (BOM) và Thời gian hoàn vốn (ROI)

Thành phần linh kiện Thông số kỹ thuật chính Số lượng Đơn giá (VNĐ) Thành tiền (VNĐ)
ESP32-WROOM-32 Wi-Fi + BLE, 38 chân 1 95,000 95,000
Module PZEM-004T v3.0 100A AC kèm biến dòng CT 1 165,000 165,000
Module SIM A7680C 4G LTE Cat 1 + Anten 1 185,000 185,000
Màn hình LCD 16x4 + I2C Kèm mạch chuyển PCF8574 1 80,000 80,000
Module Relay 4 kênh Hongfa HF46F + ULN2003A 1 55,000 55,000
Khối nguồn UPS + Pin LM2596, HX-2S, 2x 18650 1 bộ 140,000 140,000
Cảm biến & Vỏ hộp, Phụ kiện DS18B20, Flame, PCB, Jack nối 1 bộ 90,000 90,000
TỔNG CHI PHÍ PHẦN CỨNG 810,000 VNĐ

Ước tính hiệu quả tài chính (ROI): Đối với một hộ gia đình tiêu thụ trung bình $500\text{ kWh/tháng}$ (tương đương hóa đơn khoảng $1,350,000\text{ VNĐ}$), việc ứng dụng hệ thống giúp loại bỏ tải lãng phí và tối ưu hóa thời gian sử dụng thiết bị giúp tiết kiệm $15 - 20%$ điện năng, tương đương $200,000 - 270,000\text{ VNĐ/tháng}$. Như vậy, chi phí đầu tư thiết bị sẽ được hoàn vốn chỉ sau 3 đến 4 tháng vận hành thực tế.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

  • Đo dòng nhánh: Hệ thống hiện tại chỉ sử dụng 01 biến dòng CT để đo tổng công suất của cả 4 tải, chưa đo lường riêng biệt công suất tức thời trên từng relay độc lập.
  • Nền tảng ứng dụng: Ứng dụng di động được xây dựng bằng MIT App Inventor nên giao diện đồ họa còn ở mức cơ bản, chưa tận dụng hết các widget trực quan nâng cao của Android gốc.
  • Khả năng mở rộng mạng: Kết nối nội bộ hiện tại là dây cứng từ mạch tới phụ tải, chưa hỗ trợ giao tiếp không dây tầm ngắn (như Zigbee hay Matter) giữa các ổ cắm phân tán.

Hướng phát triển trong tương lai

  1. Nâng cấp ứng dụng di động sang framework Flutter hoặc React Native để hỗ trợ đa nền tảng đồng thời (Android và iOS).
  2. Tích hợp thuật toán Học máy tại biên (TinyML) trên ESP32 để nhận diện chữ ký phụ tải phi xâm lấn (NILM - Non-Intrusive Load Monitoring), cho phép phân tích thiết bị nào đang bật chỉ qua 1 cảm biến tổng.
  3. Bổ sung chuẩn truyền thông công nghiệp RS-485 / Modbus RTU phục vụ triển khai trong các nhà máy quy mô lớn.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên & Nghiên cứu sinh: Cung cấp tài liệu tham khảo hoàn chỉnh từ thiết kế phần cứng, tính toán phân cực transistor, giao tiếp UART/I2C/1-Wire đến lập trình nhúng IoT thực chiến.
  • Kỹ sư nhúng & Lập trình viên: Tham khảo mô hình xử lý đa luồng non-blocking, đóng gói dữ liệu JSON nhẹ qua MQTT và kỹ thuật điều khiển module viễn thông qua tập lệnh AT Command.
  • Hộ gia đình & Chủ doanh nghiệp: Sở hữu một công cụ giám sát năng lượng minh bạch, tối ưu hóa chi phí vận hành hàng tháng và nâng cao độ an toàn điện.
  • Cơ quan quản lý năng lượng: Dữ liệu đo đạc thực tế có thể đóng góp vào việc phân tích hành vi phụ tải dân dụng phục vụ quy hoạch lưới điện thông minh (Smart Grid).

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống có yêu cầu phần cứng đặc biệt nào để triển khai trong gia đình không?

Hệ thống chỉ yêu cầu nguồn cấp xoay chiều chuẩn $220\text{V} - 240\text{VAC} / 50\text{Hz}$, có vùng phủ sóng Wi-Fi $2.4\text{GHz}$ để kết nối MQTT và 1 thẻ MicroSIM đã đăng ký gói cước di động 4G để gửi cảnh báo SMS. Toàn bộ thiết bị được đóng gói trong hộp bảo vệ nhỏ gọn, có thể lắp đặt trực tiếp vào tủ điện tổng.

2. Khi mất kết nối Wi-Fi thì hệ thống có điều khiển được thiết bị không?

Có. Hệ thống vẫn cho phép người dùng điều khiển đóng ngắt 4 kênh phụ tải trực tiếp tại chỗ thông qua hệ thống 5 nút nhấn cứng trên mặt bo mạch. Đồng thời, dữ liệu đo đạc và cảnh báo an toàn vẫn được duy trì độc lập.

3. Module SIM A7680C có bị ảnh hưởng khi mạng 2G/3G bị tắt sóng tại Việt Nam không?

Hoàn toàn không. Module A7680C được thiết kế trên nền tảng công nghệ 4G LTE Cat 1, hoạt động ổn định trên băng tần mạng 4G hiện hành và trong tương lai của các nhà mạng viễn thông trong nước (Viettel, Vinaphone, Mobifone).

4. Dữ liệu cấu hình và tiền điện có bị mất khi thiết bị tắt nguồn đột ngột?

Không. Tất cả các tham số quan trọng bao gồm: số điện thoại nhận cảnh báo, ngưỡng cảnh báo dòng điện/nhiệt độ và tổng số điện tiêu thụ lũy kế đều được lưu tự động vào bộ nhớ EEPROM của ESP32, đảm bảo khôi phục nguyên trạng ngay khi cấp điện trở lại.

5. Khả năng chịu tải tối đa của hệ thống là bao nhiêu?

Hệ thống cho phép đo dòng điện tổng lên đến $100\text{A}$ (tương đương công suất cực đại $\approx 22\text{kW}$). Mỗi kênh relay riêng lẻ trong tổng số 4 kênh được thiết kế để điều khiển tải an toàn ở mức $10\text{A} / 220\text{VAC}$ (khoảng $2.2\text{kW}$/kênh).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Hệ thống điều khiển thiết bị điện và quản lý điện năng ứng dụng IoT" của nhóm sinh viên Lữ Hoàn Thiện và Huỳnh Đặng Thanh Khiêm đã giải quyết trọn vẹn bài toán tích hợp giữa đo đếm điện năng chính xác, điều khiển thiết bị thông minh và bảo vệ an toàn cháy nổ đa tầng. Với sự kết hợp tối ưu giữa phần cứng mã nguồn mở mạnh mẽ (ESP32), cảm biến đo lường công nghiệp (PZEM-004T), mạng viễn thông 4G LTE ($A7680C$) và giao thức truyền thông nhẹ ($MQTT$), sản phẩm không chỉ mang giá trị học thuật cao mà còn có tính ứng dụng thương mại rõ nét với chi phí BOM cực kỳ cạnh tranh. Đây là bước đệm vững chắc hướng tới việc xây dựng các giải pháp tự động hóa tòa nhà và lưới điện thông minh tiết kiệm năng lượng tại Việt Nam.