Đặt vấn đề Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành khoa học kỹ thuật, công nghệ kỹ thuật điện tử mà trong đó lĩnh vực thu thập dữ liệu cộng với công nghệ web nhúng và web server quản lý tập trung đã đặt ra hàng loạt các bài toán ứng dụng thực tiễn cho chúng ta. Do đó là một sinh viên chuyên ngành điện - điện tử chúng ta phải biết nắm bắt và vận dụng nó một cách có hiệu quả nhằm góp phần vào sự phát triển nền khoa học kỹ thuật của nước nhà nói chung và trong sự phát triển kỹ thuật điện tử nói riêng. Như chúng ta cũng đã biết, gần như các thiết bị tự động trong nhà máy, trong đời sống của các gia đình ngày nay đều hoạt động độc lập với nhau, mỗi thiết bị có một quy trình sử dụng khác nhau tuỳ thuộc vào sự thiết lập, cài đặt của người sử dụng. Chúng chưa có một sự liên kết nào với nhau về mặt dữ liệu.
Nhưng đối với hệ thống thu thập dữ liệu và quản lý tập trung thì hoàn toàn khác. Ở đây, dữ liệu từ các sensor được ghi nhận thực tế, thông qua môi trường truyền dẫn ethernet, dữ liệu này được định tuyến để đi đến đúng trạm đích và được lưu trữ tại cơ sở dữ liệu của webserve. Những dữ liệu này chính là cơ sở để đưa ra quyết định điều khiển tự động hay để theo dõi giám sát một đại lượng nào đó biến động theo thời gian. Từ những yêu cầu thực tế, những đòi hỏi ngày càng cao của cuộc sống, chúng em đã chọn đề tài: “Thiết kế mô hình thu thập dữ liệu, giám sát năng lượng sử dụng truyền thông Ethernet”.
Để đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao của con người và góp phần vào sự tiến bộ, văn minh, hiện đại của nước nhà. Với đề tài trên chúng em đã thực hiện việc hệ thống theo 2 hướng chính: Thu thập dữ liệu từ sensor, đặc biệt là các thông số của nguồn bằng IC chuyên dụng ADE7753. Dữ liệu được tổng hợp từ các node mạng sẽ được xử lý và gửi toàn bộ lên webserver theo đúng địa chỉ đã được định tuyến. Ý nghĩa của đề tài Ngày nay cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, các thiết bị điện tử ra đời ngày càng nhiều về chủng loại cũng như tính năng sử dụng.
Bên cạnh đó nhu cầu sử dụng các thiết bị một cách tự động ngày càng cao, con người ngày càng muốn có nhiều thiết bị giải trí cũng như các thiết bị sinh hoạt với kỹ thuật và công nghệ ngày càng cao. Có thể ở Việt Nam chưa phát triển mạnh mẽ trong lĩnh này nhưng hiện nay ở trên thế giới, nhất là các quốc gia thuộc Châu Âu hay Mỹ thì mô hình quản lý, giám sát trên giao diện Webserver đã rất phổ biến. Trương Doãn Nam & Nguyễn Chí Kỳ 8 do an Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mô hình thu thập dữ liệu, giám sát năng lượng sử dụng truyền thông Ethernet Đề tài có tính ứng dụng cao và rộng rãi ở nhiều lĩnh vực. Ví dụ ứng dụng trong quản lý một ngôi nhà thông minh.
Và đặc biệt một ứng dụng đã được nước ta triển khai thực tế đó là hệ thống thu thập, quản lý chỉ số công tơ điện. Hệ thống này được đánh giá là sẽ mang lại hiệu quả kinh tế rất cao, tiết kiệm chi phí nhân công rất nhiều cho ngành điện lực. Việc sử dụng đường truyền Internet sẽ có thuận lợi là tiết kiệm chi phí, mang tính cạnh tranh và cơ động cao. Ngoài ra sản phẩm của đề tài mang tính mở, có thể nâng cấp và tăng số lượng Node mạng tùy ý, và còn có thể áp dụng cho nhiều đối tượng khác trong dân dụng cũng như trong công nghiệp.
Giới hạn đề tài nghiên cứu Để thực thi một hệ thống thu thập dữ liệu và quản lý tập trung với quy mô lớn nói trên là rất phức tạp và rất tốn kém. Để xây dựng nên hệ thống này trên thực tế đòi hỏi phải có một lượng thời gian để thử nghiệm và nhiều kiến thức liên quan trong lĩnh vưc điện tử và viễn thông. Bên cạnh đó còn là vấn đề tài chính, nên với lượng thời gian và kiến thức có hạn, trong đề tài này chúng em chỉ thực thi một phần của hệ thống đó. Với những gì đã trình bày trên, chúng em đã tiến hành nghiên cứu, khảo sát, thực hiện và dự kiến đạt được các mục tiêu đặt ra như sau: Thiết lập các Node mạng có tính độc lập, tại mỗi Node mạng Sensor và IC chuyên dụng ADE7753 có nhiệm vụ thu thập các dữ liệu tại vị trí đó.
Trong đề tài này tập trung quản lý các thông số của nguồn lưới do đó dữ liệu thu nhận được tại mỗi Node là các đại lượng điện áp, dòng điện, tần số và công suất. Sau khi có được dữ liệu, các Node mạng sẽ tiến hành gửi dữ liệu đó lên webserver để lưu trữ và để tiện theo dõi. Mục tiêu nghiên cứu Đồ án được nghiên cứu và thực hiện với mục đích áp dụng những kiến thức đã được học trong nhà trường để thiết kế, tạo ra một hệ thu thập và quản lý dữ liệu tập trung. Nghiên cứu quá trình xử lý ADC của ADE7753 để đo được các thông số của nguồn lưới.
Nghiên cứu và tạo một giao diện Websever để thực hiện quản lý qua mạng Ethernet với chuẩn giao tiếp TCP/IP. Nghiên cứu và sử dụng chip vi điều khiển PIC của Mircochip. Đặc biệt là PIC18F4620 đã được sử dụng chính trong đề tài này. Trương Doãn Nam & Nguyễn Chí Kỳ 9 do an Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mô hình thu thập dữ liệu, giám sát năng lượng sử dụng truyền thông Ethernet CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.
Tổng quan về ADE7753 2. Giới thiệu tổng quan về ADE7753 ADE7753 do hãng Analog Device của Mỹ sản xuất và chế tạo. ADE7753 Có độ chính xác cao, tuân theo chuẩn IEC 61036 và IEC 1268. Tích hợp bộ tích phân số cho phép giao diện trực tiếp tới cảm biến dòng điện đầu ra tỷ lệ với di/dt.
Mạng lưới chân (PGA) trong các kênh dòng điện cho phép giao diện trực tiếp tới shunt và bộ biến đổi dòng điện. Là IC chuyên dùng để đo năng lượng hoạt động và năng lượng biểu kiến, dạng sóng và giá trị hiệu dụng của dòng điện và điện áp. Sai số nhỏ hơn 0.1% trong phép đo năng lượng. Cho phép nguời dùng đặt chương trình ngưỡng cho sự tăng vọt của điện áp dây và kiểm tra giá trị hiệu dụng (SAG) và bộ phận cung cấp công suất (PSU).
Cho phép hiệu chuẩn số cho nguồn, pha và bù đầu vào. Lập trình tần số xung ngõ ra. Giao diện trực tiếp với thiết bị ngoại vi thông qua chuẩn giao tiếp SPI. Có 2 ADC cấu trúc sigma – delta và DSP cho dữ liệu với độ chính xác cao trong điều kiện môi trường và thời gian biến động mạnh.
Nguồn nuôi 5V, công suất thấp (25mW).1: Sơ đồ chân của ADE7753 Trương Doãn Nam & Nguyễn Chí Kỳ 10 do an Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mô hình thu thập dữ liệu, giám sát năng lượng sử dụng truyền thông Ethernet 2. Sơ đồ khối và tính năng của ADE7753 2. Sơ đồ khối của ADE7753 Hình 2.2: Sơ đồ khối chức năng của ADE7753 2. Tính năng của ADE7753 ADE7753 có các tính năng của các bộ chuyển đổi tương tự/số (ADC) và cố định chức năng xử lý tín hiệu số (DSP) trong điều kiện môi trường và thời gian có sự biến đổi lớn.
ADE7753 kết hợp 2 lớp phụ, ADC 16bit, bộ tích phân số (trên CH1), mạch tham chiếu, cảm biến nhiệt độ và tất cả các tín hiệu yêu cầu xử lý để thực hiện các phép đo công suất biểu kiến và công suất hoạt động, đo điện áp dây theo thời gian và tính giá trị hiệu dụng(rms) trên kênh điện áp và dòng điện. ADE7753 cung cấp một giao diện nối tiếp để đọc dữ liệu và tần số xung nhịp đầu ra (CF) tỷ lệ thuận với công suất hoạt động. Hệ thống hiệu chỉnh tính năng khác nhau như kênh hiệu chỉnh bù, hiệu chỉnh pha, hiệu chỉnh nguồn đảm bảo độ chính xác cao. Một phần cũng phát hiện được sự biến đổi điện áp thấp hoặc cao trong thời gian ngắn.
Thanh ghi trạng thái ngắt chỉ bản chất của ngắt và ngắt cho phép thanh ghi điều khiển việc tạo ra một đầu ra trên chân IRQ, cực máng mở, đầu ra hoạt động ở mức logic thấp. Trương Doãn Nam & Nguyễn Chí Kỳ 11 do an Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mô hình thu thập dữ liệu, giám sát năng lượng sử dụng truyền thông Ethernet 2. Quá trình lấy mẫu và thực hiện của ADE7753 2. ADC kênh 1 và quá trình lấy mẫu kênh 1 ADC kênh 1 Trong chế độ lấy mẫu dạng sóng, một dây đầu ra ADC, bù 2, dữ liệu dạng word 24 bit ở giá trị tối đa là 27.
Với đặc tính tín hiệu đầu vào tương tự hoàn chỉnh là 0.125 V), ADC tạo ra một mã đầu ra khoảng giữa 0x28 51EC(+2,642,412 d) và 0xD7 AE14(- 2,642,412 d).3: Quá trình xử lí tín hiệu trên kênh 1 của ADE7753 Các mẫu dạng sóng có thể được truyền đến thanh ghi dạng sóng(MODE) cho hệ thống chủ(MCU) để đọc. Trong chế độ lấy mẫu dạng sóng, thiết lập bit WSMP (bit 3) trong thanh ghi cho phép ngắt ở mức logic 1. Công suất hoạt động và công suất biểu kiến cũng như sự tính toán năng lượng vẫn không bị gián đoạn trong quá trình lấy mẫu dạng sóng.4: Thời gian lấy mẫu của ADE7753 Trương Doãn Nam & Nguyễn Chí Kỳ 12 do an Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mô hình thu thập dữ liệu, giám sát năng lượng sử dụng truyền thông Ethernet Trong chế độ lấy mẫu dạng sóng, chọn một trong bốn phạm vi lấy mẫu đầu ra sử dụng bit 11 và bit 12 của thanh ghi chế độ(WAVSEL). Phạm vi lấy mẫu đầu ra có thể là 27.9 kSPS, 14 kSPS, 7 kSPS hoặc 3.
Ðầu ra yêu cầu ngắt IRQ, lấy mẫu tín hiệu mới sẵn có bằng cách hoạt động ở mức thấp. Thời gian lấy mẫu thể hiện trong hình 2. 24 bit dạng sóng lấy mẫu được chuyển từ một byte ADE7753 ở một thời điểm, với byte quan trọng nhất được dịch chuyển ra đầu tiên. 24 bit dữ liệu dạng word được canh phải.
Ðầu ra yêu cầu ngắt IRQ vẫn ở mức thấp cho đến khi đọc ngắt để thiết lập lại thanh ghi. Tính dòng điện hiệu dụng(IRMS) trên kênh 1 Giá trị hiệu dụng(rms) của một tín hiệu liên tục V(t) được tính như sau: [2.