Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong bối cảnh áp lực kinh tế và môi trường ngày càng gia tăng, việc quản lý và giám sát năng lượng tiêu thụ trở thành yêu cầu thiết yếu đối với các tổ chức thương mại, cơ sở công nghiệp và hộ gia đình. Việc tiêu thụ nhiều điện năng cùng sự cạn kiệt của nguồn nhiên liệu hóa thạch dẫn đến nguy cơ tăng giá điện, ảnh hưởng trực tiếp đến chi phí vận hành. Các hệ thống quản lý và giám sát điện năng hiện hữu trên thị trường thường có giá thành cao và gặp hạn chế lớn về khả năng truy cập, kiểm soát từ xa qua thiết bị thông minh.
Trước thực trạng đó, đề tài "Thiết kế và thi công hệ thống giám sát điện năng tiêu thụ kết hợp với điều khiển thiết bị điện từ xa thông qua Internet và LoRa" được thực hiện bởi sinh viên Võ Hồng Sơn và Nguyễn Lâm Hoàng Minh Tuấn, dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Duy Thảo tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (tháng 07/2019). Đề tài giải quyết bài toán giám sát năng lượng và điều khiển phụ tải tại các khu vực phân tán bằng cách tích hợp công nghệ Internet vạn vật (IoT) và mạng truyền thông không dây tầm xa LoRa.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án bao gồm:
- Nghiên cứu tổng quan về công nghệ IoT, mạng cảm biến không dây và công nghệ truyền thông RF LoRa.
- Thiết kế và thi công phần cứng hệ thống điều khiển và giám sát điện năng gồm 01 mạch chính (Master) và 02 mạch phụ (Slave) hoạt động theo mô hình Master - Slave.
- Thiết kế giải pháp đo lường các thông số điện xoay chiều (điện áp, dòng điện, công suất, điện năng tiêu thụ) và cảnh báo nguy cơ rò rỉ khí gas kèm gọi điện, nhắn tin khẩn cấp qua mạng GSM.
- Lập trình vi điều khiển ARM STM32F103, Arduino Nano và vi điều khiển giao tiếp mạng ESP8266 kết nối cơ sở dữ liệu đám mây Firebase của Google.
- Thiết kế và triển khai ứng dụng điều khiển, giám sát giao diện người dùng trên hệ điều hành Android.
- Chạy thử nghiệm thực tế, kiểm tra khả năng chuyển nguồn pin dự phòng khi mất điện lưới, đánh giá độ ổn định và hoàn thiện báo cáo tốt nghiệp.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Các thông số điện năng xoay chiều 1 pha (điện áp 80VAC – 250VAC, dòng điện 0 – 100A, công suất 0 – 22kW, điện năng tiêu thụ 0 – 10000kWh), nồng độ khí gas dễ cháy trong không khí và trạng thái đóng/cắt của các thiết bị điện dân dụng (quạt, đèn, tivi...).
- Phạm vi áp dụng và giới hạn kỹ thuật: Hệ thống thử nghiệm quy mô 3 phòng (phòng khách, phòng bếp, phòng ngủ) với tối đa 12 thiết bị điện công suất dưới 1000W/thiết bị (không áp dụng cho tải động cơ công nghiệp); khoảng cách truyền nhận LoRa giữa mạch chính và mạch phụ tối đa 500m; thời gian duy trì của nguồn pin dự phòng khi mất điện lưới đạt khoảng 4 giờ.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đồ án ứng dụng các nền tảng lý thuyết và công nghệ chuyên ngành kỹ thuật điện tử - truyền thông:
- Khung công nghệ và nền tảng:
- Công nghệ IoT và Điện toán đám mây: Sử dụng cơ sở dữ liệu thời gian thực Google Firebase Realtime Database làm cầu nối lưu trữ và đồng bộ trạng thái giữa mạch Master và ứng dụng di động Android.
- Công nghệ truyền thông LoRa (Long Range): Sử dụng chip SX1278 của Semtech hoạt động ở dải tần 410 – 441MHz, điều chế sóng trải phổ cho phép truyền tín hiệu khoảng cách xa với mức tiêu thụ năng lượng thấp.
- Mạng thông tin di động GSM: Tích hợp tập lệnh AT chuẩn để điều khiển module SIM800L phục vụ thoại và nhắn tin SMS cảnh báo tự động.
- Chuẩn truyền thông giao tiếp ngoại vi:
- UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter): Giao tiếp bất đồng bộ giữa STM32F103 với PZEM-004T, SIM800L, LoRa E32-TTL-100; giữa Arduino Nano với PZEM-004T và LoRa E32 (qua SoftwareSerial). Khung truyền cấu hình 8-bit dữ liệu, 1-bit stop, không có bit kiểm tra parity (8N1).
- SPI (Serial Peripheral Interface): Giao tiếp đồng bộ 4 dây (SCK, MOSI, MISO, SS/CS) tốc độ cao ở chế độ toàn phần (Full-duplex) giữa vi điều khiển STM32F103 (Master) và ESP8266 (Slave), cũng như điều khiển màn hình LCD TFT 2.4 inch.
- I2C (Inter-Integrated Circuit): Giao tiếp đồng bộ 2 dây (SDA, SCL) kết nối Arduino Nano với module chuyển đổi màn hình LCD 16x02 qua địa chỉ bus mặc định
0x27.
- Phương pháp nghiên cứu:
- Phương pháp phân tích, tổng hợp tài liệu chuyên ngành về vi điều khiển lõi ARM Cortex-M3, kiến trúc AVR và kiến trúc SoC Wi-Fi ESP8266.
- Phương pháp tính toán giải tích mạch điện tử: Phân cực trạng thái bão hòa/ngưng dẫn cho Transistor BJT C1815 điều khiển rơ-le và còi báo (buzzer); mạch kích hoạt nguồn dùng P-MOSFET FDN340P; tính chọn điện trở hạn dòng và công suất nguồn.
- Phương pháp thiết kế module hóa phần cứng: Phân chia hệ thống thành các khối độc lập (khối xử lý trung tâm, khối đo điện năng, khối truyền thông LoRa, khối công suất ngõ ra, khối nguồn và pin sạc dự phòng).
- Phương pháp lập trình hướng sự kiện và máy trạng thái (FSM) cho phần mềm nhúng và ứng dụng di động Android.
- Phương pháp thực nghiệm đo kiểm: Đo đạc thực tế các giá trị điện áp, dòng điện, nồng độ khí gas và kiểm tra khả năng truyền nhận tín hiệu RF trong môi trường thực tế.
Thiết kế và triển khai
Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc phân tán Master - Slave gồm 01 Board mạch chính (Master) đặt tại phòng khách và 02 Board mạch phụ (Slave) đặt tại phòng bếp và phòng ngủ.
+--------------------------------+
| Ứng dụng Android (Java) |
+---------------+----------------+
| Internet / Wi-Fi
v
+---------------+----------------+
| Google Firebase Realtime DB |
+---------------+----------------+
| Wi-Fi (802.11 b/g/n)
v
+-------------------------------------------------------------------+
| BOARD MẠCH CHÍNH (MASTER) - STM32F103C8T6 (ARM Cortex-M3) |
| - Module Wi-Fi: ESP8266-12E (giao tiếp SPI) |
| - Module LoRa: E32-TTL-100 (433MHz, giao tiếp UART3) |
| - Module GSM: SIM800L (giao tiếp UART2) |
| - Module đo điện: PZEM-004T (giao tiếp UART1) |
| - Hiển thị: Màn hình màu LCD TFT 2.4 inch (IC ILI9341, bus SPI) |
| - Ngõ ra: 04 Rơ-le (10A/250VAC) điều khiển tải qua BJT C1815 |
| - Nguồn: AC-DC HLK-5M05 (5V/1A), Pin LiPo 2000mAh + Mạch TP4056 |
+-------------------+-----------------------------------------------+
|
| Sóng không dây RF LoRa (410 - 441 MHz)
| (Khoảng cách hoạt động tối đa 500m)
|
+------------+-------------------------------+
| |
v v
+-----------------------------+ +-----------------------------+
| BOARD PHỤ 1 (SLAVE 1 - BẾP) | | BOARD PHỤ 2 (SLAVE 2 - NGỦ) |
| - MCU: Arduino Nano | | - MCU: Arduino Nano |
| - LoRa: E32-TTL-100 (UART) | | - LoRa: E32-TTL-100 (UART) |
| - Đo điện: PZEM-004T (UART) | | - Đo điện: PZEM-004T (UART) |
| - Khí Gas: Cảm biến MQ-2 | | - Hiển thị: LCD 16x02 + I2C |
| - Hiển thị: LCD 16x02 + I2C | | - Ngõ ra: 04 Rơ-le |
| - Còi báo: Buzzer 5V | | - Nguồn: HLK-5M05 (5V/1A) |
| - Ngõ ra: 04 Rơ-le | +-----------------------------+
| - Nguồn: HLK-5M05 + Pin dự |
| phòng LiPo 2000mAh/TP4056 |
+-----------------------------+
Thông số kỹ thuật của các linh kiện phần cứng chính
| Thành phần |
Mã linh kiện / IC |
Thông số kỹ thuật chính |
Giao tiếp / Vai trò |
| Vi điều khiển Master |
STM32F103C8T6 |
ARM Cortex-M3 32-bit, xung nhịp 72MHz, 64KB Flash, 20KB SRAM |
Xử lý trung tâm, quản lý các khối ngoại vi và điều phối dữ liệu |
| Vi điều khiển Slave |
ATmega328P |
8-bit AVR, xung nhịp 16MHz, 32KB Flash, 2KB SRAM, 1KB EEPROM |
Xử lý tại trạm tớ, đọc cảm biến, điều khiển tải cục bộ |
| Module Wi-Fi |
ESP8266-12E |
Wi-Fi 802.11 b/g/n, Flash SPI 4MB, tích hợp anten PCB |
Kết nối mạng Internet và truyền nhận dữ liệu với Firebase |
| Module LoRa |
E32-TTL-100 |
Chip Semtech SX1278, dải tần 410-441MHz, công suất 20dBm (100mW), bộ đệm 512B |
Truyền nhận không dây tầm xa giữa Master và 2 Slave qua UART |
| Module đo điện năng |
PZEM-004T |
IC SDIC, dải đo: 80~260VAC, 0~100A, 0~26kW, 0~9999kWh; sai số 0.01; có biến dòng CT và cách ly quang |
Đo điện áp, dòng điện, công suất và điện năng tiêu thụ tích lũy |
| Module GSM/GPRS |
SIM800L |
Dải nguồn 3.2~4.2VDC, khe microSIM, tập lệnh chuẩn AT |
Thực hiện cuộc gọi và gửi tin nhắn SMS cảnh báo rò rỉ khí gas |
| Cảm biến khí gas |
MQ-2 |
Phần tử SnO2, phát hiện LPG, Propane, Hydrogen, CH4; nguồn 5VDC, dòng 150mA |
Xuất tín hiệu Analog (nối chân A6 ADC) báo mức nồng độ khí gas |
| Màn hình Master |
LCD TFT 2.4 inch |
Driver ILI9341, độ phân giải 240x320 pixel, chuẩn giao tiếp SPI |
Hiển thị thông số điện năng và trạng thái 12 thiết bị |
| Màn hình Slave |
LCD 16x02 + I2C |
Driver HD44780 kèm IC chuyển đổi giao tiếp I2C PCF8574, địa chỉ 0x27 |
Hiển thị thông số đo tại chỗ cho từng mạch phụ |
| Nguồn chuyển đổi |
HLK-5M05 |
Điện áp vào 100~240VAC, ngõ ra 5VDC, công suất định mức 5W, dòng 1A |
Cấp nguồn một chiều cách ly cho toàn bộ vi điều khiển và cảm biến |
| Nguồn dự phòng |
Pin LiPo + TP4056 |
Dung lượng 2000mAh, điện áp định danh 3.7V (ngắt ở 2.75V), dòng bảo vệ 3A |
Tự động cấp nguồn nuôi hệ thống trong khoảng 4 giờ khi mất điện lưới |
Tính toán các thông số mạch điện tử
-
Mạch lái Rơ-le đóng ngắt thiết bị điện:
- Dòng cuộn dây rơ-le định mức: $I_{Relay(Max)} = 72\text{ mA}$; dòng LED báo trạng thái: $I_{LED} = 3\text{ mA}$.
- Dòng bão hòa cực thu của BJT C1815 (loại NPN):
$$I_{C(Sat)} = I_{Relay} + I_{LED} = 72 + 3 = 75\text{ mA}$$
- Với hệ số khuếch đại dòng chọn $h_{FE} = 25$ và điện áp ngưỡng cực gốc $V_{BE} = 0.7\text{ V}$, dòng điện cực gốc cần thiết:
$$I_{BB} = \frac{I_{C(Sat)}}{h_{FE}} = \frac{75\text{ mA}}{25} = 3\text{ mA}$$
- Giá trị điện trở cực gốc $R_1$:
$$R_1 = \frac{V_{CC} - V_{BE}}{I_{BB}} = \frac{5 - 0.7}{3\text{ mA}} = 1.43\text{ k}\Omega \longrightarrow \text{Chọn điện trở chuẩn } R_1 = 1.5\text{ k}\Omega$$
- Rơ-le gắn kèm Diode 1N4007 mắc ngược song song với cuộn dây để triệt tiêu sức điện động cảm ứng sinh ra khi ngắt dòng.
-
Mạch điều khiển còi báo động (Buzzer 5VDC):
- Dòng tiêu thụ cực đại của Buzzer: $I_{Buzzer(Max)} = 30\text{ mA}$.
- Dòng cực gốc bão hòa với $h_{FE} = 25$:
$$I_{BB} = \frac{30\text{ mA}}{25} = 1.2\text{ mA}$$
- Điện trở kích cực gốc $R_1$:
$$R_1 = \frac{5 - 0.7}{1.2\text{ mA}} = 3.583\text{ k}\Omega \longrightarrow \text{Chọn điện trở chuẩn } R_1 = 3.3\text{ k}\Omega$$
-
Mạch kích hoạt và chuyển đổi nguồn tự động:
- Sử dụng Transistor C1815 điều khiển P-MOSFET FDN340P để đóng/ngắt nguồn cung cấp khi có hoặc mất nguồn điện lưới AC.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1. Tổng quan
Chương 1 thiết lập tính cấp thiết của bài toán tiết kiệm và giám sát điện năng trong dân dụng và sản xuất. Tác giả chỉ ra hạn chế của các hệ thống đo đếm truyền thống và đề xuất giải pháp giám sát không dây đa tầng kết hợp Internet và LoRa. Chương này cũng công bố mục tiêu, nhiệm vụ cụ thể, 10 giới hạn kỹ thuật của hệ thống và cấu trúc 6 chương của bản luận văn tốt nghiệp.
Chương 2. Cơ sở lý thuyết
Nội dung chương 2 tập trung trình bày chi tiết cơ chế hoạt động và thông số kỹ thuật của từng khối phần cứng được lựa chọn:
- Nguyên lý hoạt động vi điều khiển STM32F103 (lõi Cortex-M3), kit Arduino Nano (chip ATmega328P), SoC ESP8266-12E.
- Cấu trúc và 4 chế độ hoạt động của module LoRa E32-TTL-100: Mode 0 (Normal: $M_1=0, M_0=0$), Mode 1 (Wake-up: $M_1=0, M_0=1$), Mode 2 (Power-saving: $M_1=1, M_0=0$), Mode 3 (Sleep: $M_1=1, M_0=1$).
- Cấu tạo cảm biến nồng độ khí gas MQ-2 dùng vật liệu SnO2, module đo điện áp/dòng điện PZEM-004T, module truyền thông GSM SIM800L, màn hình TFT 2.4 inch (driver ILI9341), LCD 16x02, module nguồn cách ly HLK-5M05, pin sạc LiPo 2000mAh và IC quản lý sạc TP4056.
- Lý thuyết phân tích cấu trúc khung truyền và giản đồ thời gian của ba chuẩn truyền thông số: UART (start bit, data frame 5-9 bits, parity bit, stop bit), SPI (nguyên lý ghi dịch 8-bit đồng bộ Master-Slave 4 dây) và I2C (trình tự điều kiện Start/Stop, byte địa chỉ, bit R/W và phản hồi ACK/NACK).
Chương 3. Tính toán và thiết kế
Chương 3 trình bày sơ đồ khối chi tiết toàn hệ thống và các công thức giải tích mạch điện:
- Sơ đồ kết nối chân giữa STM32F103C8T6 với PZEM-004T (UART1: PA9/PA10), SIM800L (UART2: PA2/PA3, chân RST: PA4), LoRa E32 (UART3: PB10/PB11), ESP8266 (SPI1: PA5/PA6/PA7/PB0, chân reset STM32 nối GPIO16 của ESP8266), LCD TFT (SPI).
- Sơ đồ kết nối giữa Arduino Nano với PZEM-004T (D10/D11), LoRa E32 (D2/D3), cảm biến MQ-2 (chân A6), LCD 1602 qua module I2C (A4/A5).
- Tính toán phân cực chi tiết cho Transistor C1815 đóng rơ-le ($R_B = 1.5\text{ k}\Omega$), điều khiển buzzer ($R_B = 3.3\text{ k}\Omega$) và mạch ngắt nguồn dùng P-MOSFET FDN340P ($R_3 = 100\text{ k}\Omega$).
Chương 4. Thi công hệ thống
Chương 4 mô tả quy trình hiện thực hóa phần cứng và phần mềm:
- Thiết kế mạch in PCB, bố trí linh kiện 2 mặt và thi công đóng gói phần cứng vào 3 hộp nhựa kích thước 16x9x6cm, hoàn thiện các hộp nút nhấn thao tác tay tại chỗ.
- Xây dựng lưu đồ thuật toán chương trình chính và các chương trình con cho STM32F103 (khởi tạo, quét dữ liệu cảm biến PZEM, đóng gói truyền nhận LoRa với Slave, giao tiếp SPI với ESP8266), Arduino Nano (đọc cảm biến gas MQ-2, kiểm tra phím bấm, gửi dữ liệu về Master qua LoRa) và SoC ESP8266 (đồng bộ JSON với Firebase).
- Lập trình ứng dụng điều khiển di động trên Android Studio bằng ngôn ngữ Java: Giao diện đăng nhập, giám sát các thông số $U, I, P, A$ theo thời gian thực cho từng phòng, điều khiển bật/tắt 12 thiết bị, cài đặt đơn giá tính tiền điện và bảng phân bổ chi phí.
Chương 5. Kết quả - Nhận xét - Đánh giá
Chương 5 ghi lại kết quả thử nghiệm vận hành mô hình thực tế:
- Quá trình kết nối mạng Wi-Fi và đồng bộ dữ liệu giữa Master và Firebase diễn ra ổn định. Mạch Master kết nối thông suốt với Slave 1 (phòng bếp) và Slave 2 (phòng ngủ) qua sóng LoRa.
- Thử nghiệm điều khiển thiết bị: Độ trễ phản hồi khi điều khiển từ ứng dụng Android qua Internet và LoRa đáp ứng được yêu cầu; điều khiển trực tiếp bằng nút nhấn trên board mạch hoạt động chính xác.
- Thử nghiệm chức năng cảnh báo an toàn: Khi xuất hiện khí gas tại phòng bếp, cảm biến MQ-2 kích hoạt còi buzzer tại chỗ, đồng thời truyền dữ liệu về Master để gửi lệnh cho SIM800L thực hiện cuộc gọi và gửi tin nhắn cảnh báo tức thời tới số điện thoại cài đặt trước.
- Thử nghiệm chuyển nguồn: Khi ngắt nguồn AC 220V, hệ thống tự động chuyển sang sử dụng pin LiPo dự phòng, duy trì hoạt động giám sát và truyền tin cảnh báo trong thời gian khoảng 4 giờ.
Chương 6. Kết luận và hướng phát triển
Chương 6 đúc kết toàn bộ các mục tiêu đã hoàn thành của đồ án về phần cứng, phần mềm nhúng và ứng dụng di động; đồng thời chỉ ra các hạn chế kỹ thuật chưa khắc phục và đề xuất các định hướng nâng cấp trong tương lai.
Kết quả và đóng góp
Kết quả đo kiểm và thử nghiệm thực nghiệm
Đồ án đã chế tạo thành công bộ thiết bị phần cứng hoàn chỉnh gồm 01 hộp Master và 02 hộp Slave với các chỉ số kỹ thuật đạt được:
| Thông số / Chức năng |
Giá trị thiết kế & Thực nghiệm |
Đánh giá trạng thái |
| Dải điện áp đo lường |
80 ~ 250 VAC (sai số hiển thị 0.01) |
Hoạt động chính xác |
| Dải dòng điện đo lường |
0 ~ 100 A (sai số hiển thị 0.01) |
Hoạt động chính xác qua biến dòng CT |
| Đo công suất tiêu thụ |
0 ~ 22 kW |
Hoạt động ổn định |
| Đo năng lượng điện tích lũy |
0 ~ 10000 kWh |
Dữ liệu lưu trữ được khi mất nguồn |
| Số lượng phòng quản lý |
03 khu vực (Phòng khách, bếp, ngủ) |
Quản lý độc lập |
| Khả năng đóng cắt tải |
Tối đa 12 thiết bị điện xoay chiều |
Đóng cắt tốt tải thuần trở/dân dụng < 1000W |
| Khoảng cách truyền thông LoRa |
Tối đa 500 mét |
Truyền nhận tin cậy giữa Master và Slave |
| Chức năng cảnh báo khẩn cấp |
Tin nhắn SMS và cuộc gọi thoại qua GSM |
Tự động kích hoạt khi có rò rỉ khí gas |
| Thời gian hoạt động pin dự phòng |
~ 4 giờ liên tục (Pin LiPo 2000mAh) |
Tự động chuyển mạch khi mất điện lưới |
| Kích thước vỏ hộp bảo vệ |
16 x 9 x 6 cm (hộp nhựa chuyên dụng) |
Đóng gói cách điện, thẩm mỹ |
Giải pháp và kiến nghị của tác giả
- Tối ưu hạ tầng mạng: Đề xuất kiến trúc chỉ cần duy nhất 01 điểm kết nối Internet (tại Master), loại bỏ sự phụ thuộc vào mạng Wi-Fi tại các nút con (Slave) nhờ sóng LoRa, giúp giảm chi phí triển khai hạ tầng mạng cho các tòa nhà hoặc khu vực rộng lớn.
- Tính toán chi phí điện năng tức thời: Tích hợp thuật toán tính tiền điện trực tiếp trên ứng dụng Android dựa trên số kWh đo được từ PZEM-004T và đơn giá người dùng cài đặt, giúp chủ hộ chủ động quản lý ngân sách tiêu thụ điện.
- Bảo đảm an toàn điện và cháy nổ: Kết hợp đo điện năng với giám sát rò rỉ khí gas và tự động hóa cảnh báo đa kênh (còi báo tại chỗ, hiển thị màn hình, gửi dữ liệu lên App, gửi tin nhắn SMS và gọi điện trực tiếp).
Đóng góp kỹ thuật tự đánh giá
- Hoàn thiện trọn vẹn một hệ thống IoT nhúng kết hợp đa vi điều khiển (ARM Cortex-M3 STM32F103, AVR ATmega328P, Tensilica ESP8266) hoạt động đồng bộ qua các bus truyền thông SPI, I2C và UART.
- Ứng dụng thành công công nghệ LoRa không dây vào bài toán giám sát năng lượng nội bộ, giải quyết triệt để vấn đề mất kết nối tại các góc khuất sóng Wi-Fi trong công trình dân dụng.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế ghi nhận trong văn bản
- Độ trễ hệ thống: Thời gian đáp ứng lệnh điều khiển từ người dùng chưa tức thời do phụ thuộc vào tốc độ đường truyền Internet, tốc độ xử lý dữ liệu của các vi điều khiển và thời gian truyền nhận qua sóng RF LoRa.
- Giới hạn công suất và loại tải: Mạch công suất rơ-le chỉ điều khiển được các thiết bị điện dân dụng có công suất tiêu thụ dưới 1000W (đèn, quạt...), không áp dụng được cho các tải động cơ công suất lớn có dòng khởi động cao.
- Giới hạn lưới điện: Hệ thống chỉ thiết kế để đo và giám sát lưới điện xoay chiều 1 pha, chưa hỗ trợ lưới điện 3 pha công nghiệp.
- Mức độ tích hợp phần cứng: Các module RF LoRa, Wi-Fi và GSM sử dụng dưới dạng module chế tạo sẵn từ nhà sản xuất, nhóm nghiên cứu dừng lại ở mức tìm hiểu nguyên lý và lập trình giao tiếp ứng dụng, chưa tự thiết kế mạch tích hợp sâu ở cấp độ chip RF.
Hướng phát triển tiếp theo
- Nâng cấp phần cứng và thuật toán để giám sát, đo lường được hệ thống điện xoay chiều 3 pha phục vụ các phân xưởng và nhà máy công nghiệp.
- Cải tiến tầng mạch công suất ngõ ra (sử dụng Contactor, SSR hoặc mạch Triac công suất lớn) để điều khiển được các loại tải động cơ và thiết bị tiêu thụ công suất lớn hơn 1000W.
- Tối ưu hóa cấu trúc gói tin và thuật toán định tuyến trên mạng LoRa nhằm giảm thiểu độ trễ truyền dữ liệu giữa các node Slave và Master.
- Mở rộng thêm số lượng board mạch phụ (Slave) để quản lý được nhiều phòng và nhiều thiết bị hơn trong cùng một mạng lưới.
Giá trị tham khảo
Tài liệu đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:
- Sinh viên và học viên ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Kỹ thuật Máy tính, Tự động hóa và IoT: Tham khảo cách xây dựng đồ án tốt nghiệp có tính tích hợp cao giữa thiết kế mạch in phần cứng, lập trình firmware nhúng đa nền tảng (C/C++ trên ARM/AVR), cấu hình module RF LoRa và lập trình ứng dụng Android (Java) giao tiếp cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase.
- Kỹ sư phát triển sản phẩm Smart Home và Giám sát Năng lượng: Tham khảo sơ đồ nguyên lý ghép nối module đo điện năng PZEM-004T qua cách ly quang, phương pháp tính toán điện trở phân cực cho BJT C1815 lái rơ-le, thiết kế mạch chuyển nguồn pin sạc LiPo tự động với IC TP4056 và kiến trúc phân tầng mạng kết hợp LoRa - Wi-Fi.
- Phần đáng tham khảo nhất trong văn bản: Chương 3 (Các công thức tính toán thiết kế giải tích mạch phân cực bán dẫn, sơ đồ ghép nối chân tín hiệu đa chuẩn UART/SPI/I2C) và Chương 4 (Hệ thống lưu đồ thuật toán chi tiết của từng khối vi điều khiển và phương thức tổ chức dữ liệu truyền nhận).
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao hệ thống lại kết hợp cả hai công nghệ truyền thông không dây là Wi-Fi và LoRa thay vì chỉ dùng một loại?
Theo thiết kế của đề tài, việc kết hợp nhằm tối ưu hóa chi phí và tính linh hoạt. Nếu tất cả các vị trí phòng đều dùng Wi-Fi, hệ thống sẽ phụ thuộc hoàn toàn vào vùng phủ sóng Internet tại từng phòng. Bằng cách kết hợp, chỉ cần duy nhất 01 board Master tại phòng khách kết nối Wi-Fi để đồng bộ lên Firebase, trong khi các board Slave tại phòng bếp và phòng ngủ giao tiếp với Master qua sóng LoRa E32-TTL-100. Giải pháp này cho phép lắp đặt các nút giám sát tại các khu vực không có sóng Wi-Fi hoặc cách xa nhau tới 500m mà không phát sinh thêm chi phí đường truyền Internet nội bộ.
2. Module đo điện năng PZEM-004T giao tiếp với vi điều khiển STM32F103 và Arduino Nano như thế nào?
Module PZEM-004T sử dụng giao tiếp nối tiếp UART với tốc độ baud mặc định 9600 bps, khung truyền 8N1. Tại Board Master, PZEM-004T được kết nối trực tiếp vào bộ phần cứng UART1 của STM32F103C8T6 (chân RX-PA9, TX-PA10). Tại Board Slave, PZEM-004T được kết nối với Arduino Nano thông qua bộ cổng nối tiếp ảo được tạo bởi thư viện SoftwareSerial trên 2 chân số (RX-D11, TX-D10). Module sử dụng cuộn biến dòng CT để đo dòng gián tiếp và có opto quang cách ly để bảo vệ an toàn cho vi điều khiển.
3. Giá trị điện trở cực gốc $R_1 = 1.5\text{ k}\Omega$ trong mạch điều khiển rơ-le được tính toán dựa trên các thông số nào?
Giá trị $R_1$ được tính toán để đảm bảo Transistor BJT NPN C1815 dẫn ở trạng thái bão hòa hoàn toàn. Cuộn dây rơ-le tiêu thụ dòng cực đại $I_{Relay} = 72\text{ mA}$, đèn LED báo trạng thái tiêu thụ $I_{LED} = 3\text{ mA}$, tổng dòng bão hòa cực thu là $I_{C(Sat)} = 75\text{ mA}$. Với hệ số khuếch đại dòng $h_{FE} = 25$, dòng cực gốc tối thiểu cần thiết là $I_{BB} = 75 / 25 = 3\text{ mA}$. Với nguồn điều khiển 5V và điện áp $V_{BE} = 0.7\text{ V}$, giá trị điện trở tính được là $R_1 = (5 - 0.7) / 3\text{ mA} = 1.43\text{ k}\Omega$, từ đó nhóm tác giả chọn điện trở tiêu chuẩn trên thị trường là $1.5\text{ k}\Omega$.
4. Hệ thống xử lý ra sao khi xảy ra sự cố mất điện lưới AC 220V?
Khi mất điện lưới 220VAC, mạch Master và mạch Slave 1 (phòng bếp) được trang bị mạch chuyển nguồn tự động sang sử dụng pin dự phòng LiPo dung lượng 2000mAh (điện áp 3.7V) kết hợp mạch sạc và bảo vệ TP4056. Nguồn pin dự phòng duy trì hoạt động của vi điều khiển, các cảm biến và module truyền thông trong khoảng thời gian khoảng 4 giờ, giúp hệ thống tiếp tục thu thập dữ liệu và duy trì khả năng cảnh báo khẩn cấp rò rỉ khí gas cho đến khi có điện lưới trở lại.
5. Cơ chế cảnh báo rò rỉ khí gas được thực thi qua các cấp độ nào?
Khi cảm biến MQ-2 tại phòng bếp phát hiện nồng độ khí gas dễ cháy vượt ngưỡng (thông qua tín hiệu điện áp tương tự đọc về chân ADC A6 của Arduino Nano), hệ thống lập tức kích hoạt còi báo động Buzzer 5V kêu tại chỗ. Đồng thời, Arduino Nano gửi gói tin cảnh báo qua sóng LoRa về board Master; vi điều khiển STM32F103 trên Master lập tức gửi lệnh AT tới module SIM800L để thực hiện cuộc gọi khẩn cấp và gửi tin nhắn SMS cảnh báo đến số điện thoại đã được cài đặt trước của người sử dụng.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công hệ thống giám sát điện năng tiêu thụ kết hợp với điều khiển thiết bị điện từ xa thông qua Internet và LoRa" của nhóm tác giả Võ Hồng Sơn và Nguyễn Lâm Hoàng Minh Tuấn đã xây dựng thành công một mô hình phần cứng và phần mềm hoàn chỉnh theo cấu trúc Master - Slave. Hệ thống đáp ứng tốt các yêu cầu kỹ thuật đề ra về đo lường chính xác các thông số điện năng xoay chiều 1 pha, đóng ngắt điều khiển tối đa 12 thiết bị điện dân dụng, tích hợp cảnh báo rò rỉ khí gas đa kênh và tự động chuyển nguồn pin dự phòng khi mất điện. Đây là tài liệu học thuật có giá trị tham khảo thực tiễn cao cho sinh viên và kỹ sư trong lĩnh vực thiết kế hệ thống nhúng, đo lường năng lượng và phát triển các giải pháp IoT không dây tầm xa.
