Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghệ thông tin và truyền thông không dây phát triển mạnh mẽ, nhu cầu theo dõi và quản lý điện năng tiêu thụ từ xa tại các hộ gia đình, phòng học và xưởng thực hành ngày càng trở nên cấp thiết, đặc biệt sau các đợt điều chỉnh giá điện. Việc nắm bắt kịp thời các thông số điện năng không chỉ hỗ trợ tối ưu hóa chi phí vận hành mà còn ngăn ngừa nguy cơ cháy nổ, hư hại thiết bị do quá tải.

Trước đây, nhiều giải pháp giám sát điện năng đã được triển khai nhưng còn tồn tại các hạn chế kỹ thuật và chi phí:

  • Hệ thống sử dụng module SIM kết hợp chuẩn nối tiếp RS232/RS485 theo giao thức Modbus RTU có chi phí duy trì cước viễn thông định kỳ và tốc độ truyền dữ liệu phụ thuộc vào sóng di động.
  • Hệ thống giám sát dựa trên bộ điều khiển lập trình PLC S7-400 và phần mềm SCADA WinCC có độ tin cậy cao trong công nghiệp nhưng giá thành thiết bị rất đắt đỏ, cấu hình phức tạp, không phù hợp với các quy mô vừa và nhỏ.
  • Hệ thống sử dụng phần mềm Acuview kết hợp đồng hồ đa năng Multimeter ACUVIM đòi hỏi bản quyền phần mềm và thiết bị đo chuyên dụng, gây hạn chế về khả năng tùy biến giao diện và mở rộng nền tảng.

Để giải quyết các rào cản trên, đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, thi công hệ thống thu thập dữ liệu và giám sát điện năng" do sinh viên Nguyễn Trung Nghĩa và Nguyễn Vũ Hoàng Anh Phi thực hiện (ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử Truyền thông, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, dưới sự hướng dẫn của GVC.ThS Trương Ngọc Anh) đã đề xuất giải pháp ứng dụng công nghệ IoT: kết hợp vi điều khiển tích hợp Wi-Fi giá thành thấp, module đo điện tử chuyên dụng và hệ thống máy chủ đám mây Amazon Web Services (AWS) để thu thập, hiển thị và cảnh báo thông số điện năng qua giao diện web.

Mục tiêu nghiên cứu: Xây dựng một hệ thống thu thập dữ liệu và giám sát năng lượng điện năng tiêu thụ; đo đạc các thông số cơ bản (điện áp, dòng điện, công suất, điện năng tiêu thụ); hiển thị trực tiếp tại chỗ trên màn hình LCD và truyền dữ liệu lên website; cung cấp chức năng cảnh báo tự động qua email khi phụ tải hoạt động bất thường hoặc vượt ngưỡng cho phép.

Nhiệm vụ nghiên cứu (9 nội dung cụ thể):

  1. Tìm hiểu, tham khảo tài liệu, giáo trình và nghiên cứu các nội dung liên quan đến đề tài.
  2. Kết nối mạch phần cứng giữa module đo điện năng PZEM-004T và vi điều khiển ESP8266.
  3. Lập trình giao tiếp với module PZEM-004T để trích xuất các thông số điện năng.
  4. Lập trình cho module Wi-Fi ESP8266 trên môi trường Arduino IDE.
  5. Thiết kế và thi công hoàn thiện mô hình tủ điện giám sát.
  6. Xây dựng giao diện website phục vụ việc giám sát, thống kê và hiển thị dữ liệu.
  7. Chạy thử nghiệm, hiệu chỉnh và đánh giá sai số hoạt động của toàn hệ thống.
  8. Viết báo cáo tổng kết đồ án tốt nghiệp.
  9. Bảo vệ đồ án trước hội đồng chấm thi.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Mạng điện xoay chiều 1 pha dân dụng/phòng học; module đo công suất PZEM-004T; vi điều khiển NodeMCU ESP8266; máy chủ đám mây AWS EC2 và cơ sở dữ liệu MySQL.
  • Phạm vi giới hạn: Dòng điện giám sát định mức tối đa 20A; thi công 2 mô hình tủ điện thử nghiệm (tương đương giám sát cho 2 phòng thực tập); hệ thống chỉ tập trung vào chức năng thu thập dữ liệu, giám sát và phát cảnh báo qua email, không tích hợp chức năng điều khiển đóng/cắt tải từ xa.
  • Thời gian thực hiện: Từ ngày 23/03/2020 đến ngày 10/07/2020.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế

Đồ án tích hợp liên ngành giữa kỹ thuật phần cứng nhúng, truyền thông không dây và lập trình hệ thống web server.

1. Khung lý thuyết và thiết bị phần cứng

  • Vi điều khiển NodeMCU ESP8266-12E: Sử dụng chip xử lý lõi đơn 32-bit Tensilica Xtensa L106, tần số hoạt động 80 MHz, tích hợp Wi-Fi chuẩn 802.11 b/g/n (băng tần 2.4 GHz), bộ nhớ Flash 4MB, hỗ trợ giao thức TCP/IP, cổng nạp Micro-USB và 13 chân GPIO khả dụng.
  • Module đo điện AC PZEM-004T: Thiết bị đo chuyên dụng tích hợp biến dòng cảm ứng (Current Transformer - CT) và mạch cách ly quang (Optocoupler), cho phép đo điện áp xoay chiều (80 ~ 260 VAC, tần số 50 ~ 60 Hz), dòng điện (0 ~ 100A), công suất tác dụng (0 ~ 26 kW) và điện năng tích lũy (0 ~ 9999 kWh). Dữ liệu truyền thông qua giao diện UART mức logic TTL 5V (tốc độ baud mặc định 9600 bps, cấu hình 8 bit dữ liệu, 1 bit dừng).
  • Màn hình hiển thị LCD 20x4 và Module I2C: Màn hình tinh thể lỏng 4 dòng, mỗi dòng 20 ký tự (chuẩn điều khiển HD44780), kết hợp module chuyển đổi nối tiếp I2C PCF8574 (địa chỉ mặc định 0x27) giúp giảm số chân kết nối với vi điều khiển xuống còn 2 chân tín hiệu (SDA và SCL).

2. Nền tảng phần mềm và kiến trúc truyền thông

  • Mạng không dây Wi-Fi: Ứng dụng chuẩn IEEE 802.11 b/g/n ở băng tần 2.4 GHz để gửi dữ liệu định kỳ từ thiết bị đo về trạm phát Wi-Fi (Router/Modem).
  • Điện toán đám mây Amazon Web Services (AWS): Khởi tạo máy chủ ảo thông qua dịch vụ Amazon EC2 (Elastic Compute Cloud) chạy hệ điều hành Linux/Ubuntu để lưu trữ mã nguồn web và cơ sở dữ liệu.
  • Hệ quản trị cơ sở dữ liệu MySQL: Thiết lập cấu trúc bảng lưu trữ các thông số điện áp, dòng điện, công suất, năng lượng theo mốc thời gian thực, hỗ trợ truy vấn và trích xuất dữ liệu nhanh chóng.
  • Công nghệ phát triển Web: Ứng dụng HTML cấu trúc trang, CSS định kiểu giao diện responsive, JavaScript hiển thị biểu đồ trực quan động và PHP xử lý tiếp nhận dữ liệu HTTP POST/GET từ ESP8266 và ghi vào cơ sở dữ liệu.

Thiết kế và triển khai hệ thống

1. Sơ đồ khối và phân tích chức năng

Hệ thống giám sát điện năng được tổ chức thành 6 khối chức năng chính:

Tên khối Linh kiện / Công nghệ sử dụng Chức năng chi tiết
Khối nguồn Mạch hạ áp AC-DC 220VAC sang 5VDC (1A) Chuyển đổi điện áp lưới thành nguồn một chiều ổn định 5VDC để nuôi vi điều khiển NodeMCU, module PZEM-004T, LCD và mạch I2C.
Khối cảm biến dòng Cuộn biến dòng đo cách ly Cảm ứng dòng điện tải xoay chiều chạy qua dây dẫn, chuyển đổi tỷ lệ tín hiệu đưa vào mạch xử lý analog của PZEM-004T.
Khối đo điện năng PZEM-004T v3.0 Thu nhận tín hiệu điện áp và dòng điện, tính toán các giá trị công suất, năng lượng; đóng gói dữ liệu thành các khung truyền HEX 4-byte gửi sang bộ xử lý.
Khối xử lý trung tâm NodeMCU ESP8266-12E Gửi lệnh kích hoạt đo, giải mã dữ liệu UART từ PZEM-004T, xuất dữ liệu ra LCD qua chuẩn I2C, đóng gói dữ liệu thành bản tin HTTP gửi lên Web server qua Wi-Fi.
Khối hiển thị tại chỗ LCD 20x4 kết hợp mạch mở rộng I2C Hiển thị trực quan 4 dòng thông số điện năng tại mặt trước tủ điện để người vận hành kiểm tra trực tiếp.
Khối máy chủ & Web AWS EC2, Apache, MySQL, PHP Tiếp nhận bản tin từ ESP8266, lưu trữ vào CSDL MySQL, vẽ đồ thị phân tích trên web, so sánh ngưỡng dòng/công suất để kích hoạt gửi email cảnh báo.

2. So sánh lựa chọn bộ vi điều khiển

Tác giả đã lập bảng phân tích các thông số kỹ thuật và chi phí giữa hai nền tảng vi điều khiển phổ biến:

Tiêu chí so sánh NodeMCU ESP8266 (ESP-12E) ESP32
Kiến trúc CPU Tensilica Xtensa Single-Core 32-bit L106 Tensilica Xtensa Dual-Core 32-bit LX6
Tần số hoạt động 80 MHz 160 MHz
Chuẩn Wi-Fi 802.11 b/g/n (HT20) 802.11 b/g/n (HT40)
Bluetooth Không hỗ trợ Bluetooth 4.2 và BLE
Số chân GPIO 17 chân (khả dụng thực tế 13 chân) 34 chân
Bộ chuyển đổi ADC 1 kênh, độ phân giải 10-bit 18 kênh, độ phân giải 12-bit
Cảm biến tích hợp Không có Cảm biến chạm, cảm biến nhiệt, cảm biến Hall
Giá thành thời điểm nghiên cứu Từ 69.000 VNĐ Từ 138.000 VNĐ

Đánh giá lựa chọn: Mặc dù ESP32 vượt trội về cấu hình, nhưng với yêu cầu đọc UART từ 1 module PZEM-004T, xuất I2C ra 1 màn hình LCD và gửi dữ liệu qua Wi-Fi, NodeMCU ESP8266 hoàn toàn đáp ứng đầy đủ yêu cầu kỹ thuật với chi phí tối ưu, giúp giảm 50% chi phí vi điều khiển cho mỗi tủ đo.

3. Kết nối phần cứng và giao tiếp ngoại vi

  • Giao tiếp NodeMCU và PZEM-004T:
    • Chân Vin (NodeMCU) nối VCC (PZEM-004T) nguồn 5VDC; GND nối GND.
    • Chân D6 (GPIO12) của NodeMCU cấu hình SoftwareSerial nhận tín hiệu RX, nối chân TX của PZEM-004T.
    • Chân D7 (GPIO13) của NodeMCU cấu hình truyền tín hiệu TX, nối chân RX của PZEM-004T.
  • Giao tiếp NodeMCU và LCD 20x4 I2C:
    • Chân Vin nối VCC (5VDC); GND nối GND.
    • Chân D3 (GPIO0) nối chân SCL (Clock).
    • Chân D4 (GPIO2) nối chân SDA (Data).
  • Cấu hình nguồn và đóng gói tủ điện:
    • Nguồn tiêu thụ toàn mạch đo khoảng 250 mA (NodeMCU tối đa 200 mA, LCD 4 mA, I2C 200 µA), sử dụng module nguồn DC 5V 1A để đảm bảo hệ số an toàn.
    • Tủ điện thiết kế dạng vỏ sắt công nghiệp kích thước 20 x 30 x 16 cm; trang bị 1 Aptomat MCB (30A) làm cầu dao đóng cắt tổng, cầu đấu domino cấp nguồn và ra tải, lỗ đi dây đường kính 2 cm tại đáy tủ. Màn hình LCD được gắn cố định tại mặt ngoài nắp tủ.

4. Thiết lập phần mềm máy chủ và cơ sở dữ liệu

  • Khởi tạo hạ tầng AWS EC2: Đăng ký tài khoản AWS Free Tier (miễn phí 12 tháng), tạo một máy ảo Ubuntu Instance trên EC2, tạo khóa bảo mật SSH (key pair), gán địa chỉ IP tĩnh (Elastic IP) và mở các cổng mạng (Port 80 HTTP, Port 22 SSH, Port 3306 MySQL).
  • Cài đặt Web Server: Đăng nhập máy ảo qua giao diện dòng lệnh bằng phần mềm Proderosa, thực hiện cài đặt dịch vụ Apache2, Telnet, PHP và hệ quản trị MySQL.
  • Quản lý dữ liệu và tệp tin: Sử dụng phần mềm WinSCP qua giao thức SFTP để tải toàn bộ mã nguồn website lên thư mục gốc /var/www/html/; sử dụng công cụ Navicat kết nối từ xa để thiết kế các bảng cơ sở dữ liệu, quản lý và sao lưu dữ liệu đo.
  • Đăng ký tên miền: Đăng ký tên miền miễn phí 12 tháng và cấu hình bản ghi DNS (Domain Name System) trỏ về địa chỉ IP của máy chủ AWS EC2.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương này phân tích tính cấp thiết của việc hiện đại hóa công tác theo dõi điện năng trong các cơ sở đào tạo và dân dụng. Tác giả chỉ ra các điểm yếu của hệ thống truyền thống (dùng SIM GSM, PLC S7-400 WinCC, Acuview) về mặt kinh tế và khả năng tiếp cận linh hoạt. Xác định rõ mục tiêu chế tạo thiết bị đo IoT, phạm vi dòng điện tối đa 20A trên 2 tủ đo mô hình, đặt ra 9 nhiệm vụ cụ thể và giới hạn hệ thống chỉ thực hiện chức năng giám sát cảnh báo mà không can thiệp điều khiển tải.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Trình bày chi tiết lý thuyết nền tảng của các thiết bị và công nghệ được sử dụng:

  • Sơ đồ chân, thông số kỹ thuật vi điều khiển ESP8266EX, chuẩn giao tiếp nối tiếp SPI (nguyên lý 4 dây MOSI, MISO, SCLK, SS).
  • Cấu tạo, nguyên lý đo đếm và sơ đồ ghép nối của module công suất AC PZEM-004T.
  • Cấu tạo màn hình LCD 20x4 (bảng chức năng 16 chân chuẩn) và nguyên lý giao tiếp I2C 2 dây giúp tiết kiệm chân vi điều khiển.
  • Tổng quan về mạng không dây Wi-Fi, nguyên tắc điều chế sóng vô tuyến, bảng so sánh các chuẩn Wi-Fi từ 802.11b/a/g/n đến 802.11ac về tần số, băng thông, ưu nhược điểm.
  • Khái niệm về Webserver, cơ sở dữ liệu quan hệ MySQL, bộ công cụ mô phỏng XAMPP, cấu trúc ngôn ngữ HTML/CSS/JavaScript và nền tảng điện toán đám mây Amazon Web Services với dịch vụ nòng cốt Amazon EC2.

Chương 3: Tính toán thiết kế

Tập trung vào khâu thiết kế kỹ thuật của toàn bộ hệ thống:

  • Xây dựng sơ đồ khối tổng quát gồm 6 khối chức năng và phân tích chiều truyền nhận tín hiệu giữa các khối.
  • Phân tích chi tiết từng khối: chọn cảm biến dòng dạng kẹp/xuyên tâm đi kèm PZEM-004T; so sánh chi tiết giữa ESP8266 và ESP32 để chứng minh tính tối ưu chi phí của ESP8266; lập bảng giao tiếp chân phần cứng giữa ESP8266 với PZEM-004T và LCD I2C; tính toán dòng tiêu thụ toàn mạch (khoảng 250 mA) để chọn module nguồn 5VDC 500mA - 1A.
  • Thiết kế sơ đồ nguyên lý toàn mạch trên phần mềm Altium Designer.
  • Phác thảo bản vẽ kết cấu cơ khí tủ điện kích thước 20 x 30 x 16 cm, bố trí vị trí lắp màn hình hiển thị, domino và lỗ thông dây.

Chương 4: Thi công hệ thống

Trình bày quy trình hiện thực hóa thiết kế từ bản vẽ thành mô hình thực tế:

  • Thi công phần cứng: Vẽ và gia công mạch in PCB bằng phần mềm Altium Designer 17; sắp xếp bố trí linh kiện bên trong tủ điện (Aptomat MCB 30A ở góc trên, khối vi điều khiển/cảm biến ở giữa, cầu đấu domino cấp nguồn và tải ở phía dưới); luồn dây dẫn qua cảm biến dòng và đấu nối hoàn thiện tủ điện.
  • Lập trình hệ thống: Xây dựng lưu đồ giải thuật cho vi điều khiển ESP8266 và lưu đồ xử lý của trang web; cài đặt board ESP8266, nạp driver và thêm thư viện PZEM-004T, LiquidCrystal_I2C trên Arduino IDE.
  • Thiết lập máy chủ: Hướng dẫn chi tiết từng bước khởi tạo Instance EC2 trên AWS, cấu hình tệp chứng thực key pair, trỏ tên miền DNS, cài đặt Apache, cấu hình cơ sở dữ liệu qua Navicat và quản lý mã nguồn qua WinSCP.

Chương 5: Kết quả, nhận xét, đánh giá

Tổng hợp toàn bộ dữ liệu đo đạc thực nghiệm và giao diện vận hành:

  • Hình ảnh mô hình thiết bị hoàn thiện và kết quả hiển thị thông số điện áp, dòng điện, công suất trên màn hình LCD 20x4 khi nối với phụ tải kiểm tra (quạt điện dân dụng).
  • Giao diện giám sát trực tuyến trên website: màn hình tổng quan 2 phòng thực tập, biểu đồ diễn tiến phụ tải theo thời gian thực, bảng cài đặt ngưỡng giới hạn dòng điện và giao diện tối ưu hiển thị trên thiết bị di động (Responsive Web Design).
  • Kiểm chứng tính năng cảnh báo: Khi công suất tải vượt quá giới hạn thiết lập trên web, hệ thống tự động kích hoạt tiến trình gửi email cảnh báo chi tiết đến hòm thư người quản lý.
  • Đưa ra các nhận xét, đánh giá về độ ổn định của đường truyền và độ chính xác của cảm biến đo.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Đánh giá mức độ hoàn thành nhiệm vụ so với mục tiêu đề ra ban đầu, khẳng định hệ thống hoạt động ổn định, đáp ứng tốt yêu cầu giám sát từ xa với chi phí thấp. Đề xuất các hướng nghiên cứu nâng cao cho các giai đoạn tiếp theo.

Kết quả và đóng góp kỹ thuật

1. Kết quả thực nghiệm

Hệ thống đã được chế tạo thành 2 tủ đo hoàn chỉnh và thử nghiệm thành công với tải thực tế (quạt điện):

Hạng mục kiểm tra Kết quả ghi nhận tại mô hình Phương thức hiển thị / Xử lý
Đo điện áp lưới ($U$) Ghi nhận chính xác trong dải $215\text{V} - 230\text{V}$ Màn hình LCD 20x4 và Website
Đo dòng điện tải ($I$) Đo dòng tiêu thụ của tải phụ (quạt điện, đèn) Màn hình LCD 20x4 và Website
Đo công suất tác dụng ($P$) Cập nhật theo thời gian thực theo trạng thái tải Màn hình LCD 20x4 và Website
Giám sát trực tuyến Hiển thị đồng thời trạng thái của 2 trạm đo Giao diện Web máy tính và điện thoại
Cảnh báo vượt ngưỡng Gửi email thông báo tức thời khi vượt dòng/công suất Kịch bản PHP Mailer trên máy chủ AWS

2. Giải pháp kỹ thuật đề xuất

  • Đóng gói toàn bộ mạch xử lý, khối đo lường và thiết bị đóng ngắt an toàn (MCB 30A) vào một tủ điện chuẩn công nghiệp nhỏ gọn (20 x 30 x 16 cm), giúp việc lắp đặt và bảo trì tại các phòng học trở nên thuận tiện.
  • Phân tầng hiển thị linh hoạt: Hiển thị nhanh tại hiện trường qua LCD 20x4 giao tiếp I2C và hiển thị chuyên sâu dạng biểu đồ, bảng dữ liệu qua giao diện Web Cloud.

3. Đóng góp kỹ thuật của đồ án

  • Ứng dụng thành công nền tảng máy chủ đám mây AWS EC2 vào bài toán giám sát năng lượng, loại bỏ hoàn toàn sự phụ thuộc vào máy tính máy chủ cục bộ (Local Server) vốn đòi hỏi cấu hình mạng phức tạp và chi phí duy trì phần cứng cao.
  • Đưa ra giải pháp IoT chi phí thấp nhưng có độ bền và độ an toàn cao nhờ việc sử dụng module PZEM-004T tích hợp biến dòng cách ly và optocoupler, đảm bảo an toàn tuyệt đối giữa mạch điện lưới xoay chiều điện áp cao (220VAC) và mạch vi điều khiển điện áp thấp (5VDC/3.3VDC).

Hạn chế và hướng phát triển

1. Hạn chế

  • Hệ thống mới được thử nghiệm và giới hạn dòng giám sát định mức tối đa 20A cho điện xoay chiều 1 pha, chưa đáp ứng trực tiếp các hệ thống điện 3 pha công nghiệp công suất lớn.
  • Mô hình chỉ thực hiện chức năng giám sát thu động và phát cảnh báo qua email, chưa tích hợp các cơ cấu chấp hành (Contactor / Relay) để điều khiển đóng/cắt phụ tải từ xa khi xảy ra sự cố.
  • Tốc độ cập nhật dữ liệu và độ tin cậy của tính năng cảnh báo phụ thuộc hoàn toàn vào tính ổn định của đường truyền Wi-Fi tại vị trí đặt tủ đo.

2. Hướng phát triển

  • Nghiên cứu mở rộng thiết kế phần cứng để đo đạc và giám sát hệ thống điện xoay chiều 3 pha (sử dụng 3 module PZEM-004T hoặc biến dòng 3 pha chuyên dụng).
  • Tích hợp thêm các bộ đóng cắt điều khiển từ xa (Relay trạng thái rắn hoặc Contactor kết hợp mạch kích), cho phép người quản trị ngắt nguồn tải trực tiếp từ giao diện web khi phát hiện sự cố quá dòng hoặc cháy nổ.
  • Phát triển ứng dụng di động chuyên biệt (Mobile App trên Android/iOS) và tích hợp các kênh thông báo đẩy (Push Notification, tin nhắn SMS/Telegram) để gia tăng tính tức thời so với phương thức gửi email truyền thống.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án này mang lại giá trị tham khảo kỹ thuật rõ ràng cho sinh viên và kỹ sư trong các lĩnh vực liên quan:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Điện tử Công nghiệp và Kỹ thuật Máy tính: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình thiết kế mạch in (Altium Designer), kỹ thuật giao tiếp nối tiếp UART với module PZEM-004T và giao tiếp I2C với màn hình LCD trên nền tảng vi điều khiển ESP8266.
  • Kỹ sư phát triển hệ thống IoT: Là hướng dẫn thực hành từng bước về cách triển khai hạ tầng máy chủ đám mây Amazon Web Services (AWS EC2), cài đặt Web Server Linux (Apache, PHP, MySQL), cấu hình bảo mật SSH, trỏ DNS tên miền và xây dựng API tiếp nhận dữ liệu HTTP từ thiết bị nhúng.
  • Phần đáng tham khảo nhất: Chương 3 (tính toán, so sánh lựa chọn linh kiện vi xử lý, thiết kế sơ đồ nguyên lý) và Chương 4 (hướng dẫn cấu hình phần cứng tủ điện và các bước thiết lập chi tiết máy chủ đám mây AWS EC2).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm tác giả lựa chọn vi điều khiển NodeMCU ESP8266 thay vì ESP32?

Dựa trên phân tích kỹ thuật ở Chương 3, vi điều khiển ESP32 có cấu hình vượt trội (CPU lõi kép, 34 GPIO, tích hợp Bluetooth) nhưng giá thành cao gấp đôi (từ 138.000 VNĐ so với 69.000 VNĐ của ESP8266). Nhu cầu của hệ thống chỉ cần giao tiếp UART đọc dữ liệu từ PZEM-004T, giao tiếp I2C với LCD và truyền Wi-Fi, nên NodeMCU ESP8266 hoàn toàn đáp ứng đầy đủ yêu cầu kỹ thuật mà vẫn tối ưu hóa chi phí chế tạo.

2. Module đo điện năng PZEM-004T giao tiếp với ESP8266 qua những chân nào?

Module PZEM-004T sử dụng giao tiếp UART với mức logic TTL 5VDC (tốc độ baud 9600 bps). Trên mạch điều khiển, chân RX của PZEM-004T được kết nối với chân D7 (GPIO13 - chân truyền dữ liệu TX của ESP8266), và chân TX của PZEM-004T được kết nối với chân D6 (GPIO12 - chân nhận dữ liệu RX của ESP8266). Nguồn nuôi 5VDC được lấy từ chân Vin của NodeMCU.

3. Hệ thống máy chủ đám mây được cấu hình như thế nào trên nền tảng AWS?

Nhóm tác giả sử dụng gói dịch vụ miễn phí 12 tháng AWS Free Tier, khởi tạo một máy ảo Ubuntu Instance thông qua dịch vụ Amazon EC2. Sau đó, máy ảo được cấu hình cấp phát địa chỉ IP tĩnh, cài đặt gói ứng dụng Web Server gồm Apache, PHP, hệ quản trị cơ sở dữ liệu MySQL, liên kết quản lý tệp qua WinSCP và quản trị cơ sở dữ liệu từ xa qua phần mềm Navicat. Cuối cùng, tên miền được trỏ DNS về máy chủ này.

4. Cơ chế phát cảnh báo khi hệ thống quá tải hoạt động ra sao?

Người quản trị có thể thiết lập ngưỡng giới hạn dòng điện hoặc công suất tối đa cho từng tủ đo trên giao diện cài đặt của website. Khi ESP8266 gửi dữ liệu về máy chủ, mã nguồn PHP sẽ so sánh thông số thực tế nhận được với ngưỡng cài đặt trong cơ sở dữ liệu MySQL; nếu vượt ngưỡng, máy chủ sẽ tự động kích hoạt kịch bản gửi email cảnh báo sự cố đến hòm thư của người quản lý.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, thi công hệ thống thu thập dữ liệu và giám sát điện năng" đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu thiết kế và chế tạo phần cứng lẫn xây dựng hệ thống phần mềm giám sát điện năng qua nền tảng đám mây AWS. Bằng việc kết hợp hiệu quả giữa vi điều khiển NodeMCU ESP8266, module đo cách ly PZEM-004T và máy chủ web EC2, công trình đã đề xuất một giải pháp kỹ thuật có chi phí thấp, độ an toàn cao và giao diện trực quan cho công tác quản lý phụ tải. Hệ thống hoạt động ổn định trong phạm vi thử nghiệm 20A và mở ra tiềm năng ứng dụng thực tế rõ ràng cho các mô hình quản lý năng lượng tại trường học và hộ gia đình.