Chương 1: Tổng quan: Trong chương này trình bày các vấn đề dẫn nhập, đưa ra lý do chọn đề tài, mục tiêu của đề tài, nhiệm vụ, các nôi dung nghiên cứu, giới hạn của đề tài và bố cục của quyển báo cáo. Chương 2: Cơ sở lý thuyết: Chương này được trình bày sơ lược về các lý thuyết có liên quan đến đề tài phục vụ trong việc thực hiện thiết kế, thi công cho đề tài. Chương 3: Thiết kế và xây dựng hệ thống: Chương này bao gồm các công việc liên quan đến sơ đồ khối của hệ thống. Tính toán thiết kế và tính toán các thông số của mạch và từ đó có thể chọn được linh kiện phù hợp để thi công.
Chương 4: Thi công hệ thống: Trình bày những kết quả thi công phần cứng, kết nối các linh kiện điện tử, lập trình cho phần cứng và ứng dụng trên điện thoại di động. Chương 5: Kết quả - nhận xét – đánh giá: Trình bày các kết quả thu được sau khi thi công phần cứng, phần mềm và ứng dụng trên điện thoại thông qua hình ảnh, video. Từ đó đưa ra nhận xét và đánh giá kết quả của hệ thống dựa trên các yêu cầu đã đặt ra. Chương 6: Kết luận và hướng phát triển: Dựa vào những kết quả đã có, từ đó đánh giá tổng quát hệ thống một cách khách quan, đưa ra kết luận về ưu – nhược điểm của hệ thống từ đó đưa ra định hướng để phát triển đề tài trong tương lai.
4 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. TỔNG QUAN VỀ ĐỒNG HỒ ĐO ĐIỆN [3] Công tơ điện, điện năng kế hay đồng hồ điện là thiết bị đo lượng điện năng tiêu thụ của 1 phụ tải điện. Phụ tải điện được hiểu đơn giản là 1 thiết bị hay 1 mạng lưới thiết bị điện được mắc sau công tơ điện. Khi các thiết bị này tiêu thụ điện năng, công tơ điện sẽ ghi lại các thông số thường là kilowatt giờ (kWh) phục vụ cho nhu cầu tính toán chi phí sử dụng điện năng cho hộ gia đình hoặc kinh doanh.
Các loại công tơ điện: Hiện nay trên thị trường có 2 loại công tơ điện: • Công tơ điện truyền thống: Cấu tạo gồm có cuộn dây điện áp, cuộn dây dòng điện, đĩa nhôm, nam châm vĩnh cửu và hộp số cơ khí. Công tơ điện này hoạt động dựa trên từ thông và dòng điện xoáy. Khi có điện áp cung cấp cho phụ tải, từ thông sẽ được tạo ra trên 2 lõi thép của thiết bị, nhờ sự chênh lệch về pha (90o) của 2 từ thông này, 1 dòng điện xoáy được sinh ra. Từ thông và dòng điện xoáy sinh ra sẽ tạo ra 1 lực điện từ, lực này làm xoay đĩa nhôm trong công tơ điện.
Đĩa nhôm quay càng nhanh thì lượng điện năng tiêu thụ ở phụ tải càng nhiều. • Công tơ điện điện tử: Cấu tạo gồm có 1 vi xử lý chính đảm nhiệm việc trao đổi dữ liệu, tính toán và đưa ra kết quả, các cảm biến đảm nhiệm nhiệm vụ đo thông số về dòng điện và điện áp, và các thiết bị ngoại vi khác: LCD, nút bấm, RJ45, USB,… Các bộ cảm biến sẽ có nhiệm vụ đo các thông số về điện và gửi cho vi xử lý chính, vi xử lý sẽ tiến hành tính toán, lưu trữ, hiển thị thông tin lên LCD và truyền dữ liệu lên 1 số phương tiện khác. TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN TỪ XA Ngày nay, việc phát triển của Internet kết nối vạn vật ngày càn được phổ biến và các thiết bị được tích hợp công nghệ này ngày càng nhiều, càng trở nên phổ biến và phổ cập đến nhiều hộ gia đình, công ty, xí nghiệp,… Phương thức điều khiển và sử dụng các thiết bị này cũng ngày càng được đơn giản hoá và gần gủi với người sử dụng. Người dùng có thể điều khiển các thiết bị cách xa 10m, 100m, 1000m hay thậm chí cao hơn chỉ bằng 1 chiết điện thoại, 1 giao diện điều khiển trên website hoặc 1 ứng dụng được thiết kế dành riêng cho chức năng điều khiển thiết bị.
Ngày nay, các thiết bị này không chỉ dừng lại ở việc điều khiển thiết bị mà nó còn được tích hợp them nhiều tính năng: đo công suất tiêu thụ, đo nhiệt độ, cảnh báo cháy, quá nhiệt,… Người dùng có thể xem, theo dõi được rất nhiều thông tin về các thiết bị điện trong nhà của mình, điều này giúp cho người dùng đưa ra các phương thức xử lý thích hợp khi có sự cố không mong muốn xảy ra. GIỚI THIỆU VỀ PHẦN CỨNG TRONG HỆ THỐNG 2. Vi điều khiển ESP32 [7] ESP32 là 1 series vi điều khiển được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng về IoT hiện nay. Nhờ được tích hợp nhiều chân IO, các công nghệ không dây như Bluetooth, Wifi, khả năng hoạt động hiệu quả trong các ứng dụng về IoT và khả năng tiêu thụ năng lượng thấp là 1 điểm mạnh mà khó có 1 sản phẩm nào khác có thể thay thế được.
ESP32 hoạt động ở mức điện áp 3,3V – 5V, trong điều kiện nhiệt độ từ -40oC – 85oC. Sơ đồ chân của ESP32 được mô tả như sau: Hình 2. Sơ đồ chân của vi điều khiển ESP32 6 Bảng 2. Sơ đồ chân của vi điều khiển ESP32 GPIO Chức năng 0 Flashing mode, Input pullup, output 1 TXD0, output 2 ADC2_2, Touch 2, CS, Input, Output 3 RXD0, Output 4 ADC2_2, Input, Output 5 VSPI_CS, Input, Output 6 SPI_flash 7 SPI_flash 8 SPI_flash 9 SPI_flash 10 SPI_flash 11 SPI_flash 12 HSPI_MOSI, Touch 5, ADC2_5, Input, Output 13 HSPI_MOSI, Touch 4, ADC2_4, Input, Output 14 HSPI_CLK, Touch 6, ADC2_6, Input, Output 15 ADC2_3, Touch 3, HSPI_CS, Input, Output 16 RXD2, Input, Output 17 TXD2, Input, Output 18 SCK, VSPI_CLK, Input, Output 19 MISO, VSPI_CLK, Input, Output 21 SDA, Input, Output 22 SCL, Input, Output 23 MOSI, VSPI_MOSI, Input, Output 25 ADC2_8, DAC1, Input, Output 26 ADC2_9, DAC2, Input, Output 27 ADC2_7, Touch 27, Input, Output 32 ADC1_4, Touch 9, Input, Output 33 ADC1_5, Touch 8, Input, Output 34 ADC1_6, Input 35 ADC1_7, Input 36 ADC1_0, Input 39 ADC1_3, Input 2.
Module đo các thông số về điện PZEM-004T [8] Với mục đích ban đầu là đo điện năng tiêu thụ của các thiết bị điện xoay chiều được mô hình của nhóm quản lý, nhóm đã sử dụng 1 module có thể đo được các thông 7 số về điện như: điện áp, dòng điện và công suất. Hiện nay trên thị trường có nhiều lại module, thiết bị có thể thực hiện được các chức năng này: đồng hồ đo điện đa năng EM4M-3P-C-100A, Công tơ điện Peacefair PZEM-022, PZEM-004T,. Tuy nhiên nhóm đã lựa chọn module PZEM-004T do kích thước nhỏ gọn và có thư viện hỗ trợ giao tiếp với các dòng vi điều khiển phổ biến trên thị trường. Module đo điện xoay chiều (AC) đa năng giao tiếp UART PZEM-004T thường được sử dụng để đo các thông số và theo dõi các thông số về điện năng AC của mạch điện như điện áp, dòng điện tiêu thụ, công suất của thiết bị điện.
Với giao tiếp UART, module này dễ dàng kết nối truyền dữ liệu với vi điều kiển hoặc máy tính. Module đo điện giao tiếp UART PZEM-004T nhỏ gọn, dễ đấu nối, lắp đặt, đo dòng cách ly an toàn và khả năng đo dòng lên đến 100A. Mạch có thiết kế gọn gàng, với chất lượng gia công và linh kiện tốt, độ bền cao. Module được sử dụng với chuẩn giao tiếp UART có tốc độ baud mặc định là 9600bits/s, 1 frame dữ liệu bao gồm 8 bit, 1 bit stop và không có bit nào được dùng cho mục đích kiểm tra parity.
Module PZEM-004T Bảng 2. Thông số module đo điện AC PZEM-004T Thông số Mô tả Điện áp 80 ~ 260V AC / 50 – 60Hz, sai số 1% Dòng điện 0 ~ 100A, sai số 1% Công suất 0 ~ 26KW Chuẩn giao tiếp UART 8 Sơ đồ các khối chức năng của PZEMT-004T: Hình 2. Sơ đồ khối chức năng module PZEM-004T Bảng 2. Chức năng các chân của module PZEM-004T Tên chân Chức năng NIN và LIN Dây trung tính và dây pha nguồn vào NOUT và LOUT Dây trung tính và dây pha nguồn ra 5V và GND Cung cấp năng lượng cho TTL interface hoạt động TX và RX 2 dây hoạt động chính của chuẩn UART 2.
Module SIM A7680C [9] Trên thị trường hiện nay có rất nhiều loại module SIM, các module này có khả năng hoạt động từ băng tần 2G đến 4G. Tuy nhiên, do hiện tại hạ tầng 2G đã được các nhà mạng trong nước loại bỏ, mạng 3G cũng đang dần bị lãng quên trên thị trường nên nhóm đã bỏ qua mạng 3G và sử dụng module có khả năng sử dụng 4G để có thể đồng bộ với các thiết bị trên thị trường. Hiện nay có 1 số module sim có khả năng sử dụng mạng 4G: Air720D, Sim808A, A7680C. Với mô hình của mình, nhóm đã chọn module A7680C do khả năng đáp ứng vừa đủ nhu cầu và có bộ thư viện hỗ trợ đắt lực cho việc giao tiếp với các vi điều khiển phổ biến hiện nay.
Module SIM là một module 4G Cat 1 siêu nhỏ, siêu mỏng hỗ trợ các tiêu chuẩn truyền thông không dây 4G. Hỗ trợ tốc độ tải xuống tối đa 5Mbps, và khả năng tương thích ngược với 2G và 3G, điều này khiến nó trở thành một lựa chọn linh hoạt trong nhiều ứng dụng. Module sim A7680C Thông số kĩ thuật: - Nguồn cấp: 3. - Băng tần: LTE-CAT 1 10Mbps.
Sơ đồ chân của module Sim A7680C Bảng 2. Thông số chân module SIM A7680C Tên chân Chức năng NET và IPX ANT 2 chân kết nối Antena mở rộng tính hiêu. VCC Nguồn điện chính, thường từ +3.2V DC RST Nút tín hiệu dùng để RESET RXD và TXD 2 chân truyền và nhận dữ liệu theo chuẩn UART GND GND Module có thêm một đèn LED thông báo trạng thái hoạt động và một khe cắm microSIM được đặt ở mặt sau của module. Module I2C giao tiếp LCD [10] Việc giao tiếp với LCD trực tiếp cần rất nhiều đường tín hiệu nối từ LCD đến vi điều khiển.
Cụ thể như sau: 4 hoặc 8 đường dữ liệu (D0-D7) phục vụ cho việc truyền dữ liệu của vi điều khiển đến LCD và thêm 2 chân RS, RW phục vụ cho nhu cầu điều 10 khiển LCD. Việc kết nối như thế này tiêu tốn khá nhiều chân trên vi điều khiển, vì vậy nên nhóm quyết định lựa chọn module I2C để làm phương tiện trung gian giao tiếp giữa vi điều khiển và LCD. Việc sử dụng như thế này vừa tiết kiệm chân của vi điều khiển do I2C chỉ sử dụng 2 chân để truyền nhận dữ liệu, vừa thuận tiện cho việc thiết kế do tính chất nhỏ gọn và có nhiều bộ thư viện hỗ trợ. Module I2C giao tiếp LCD 16x4 Bảng 2.