Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, nhu cầu tiêu thụ điện năng tại Việt Nam liên tục gia tăng, trong khi các nguồn năng lượng truyền thống như thủy điện và nhiệt điện đối mặt với nguy cơ cạn kiệt và gây ô nhiễm môi trường. Việc khai thác nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời, trở thành giải pháp cấp thiết nhằm đáp ứng nhu cầu năng lượng và bảo vệ hệ sinh thái. Cùng với việc lắp đặt hệ thống điện mặt trời (hòa lưới, độc lập hoặc hòa lưới có lưu trữ), nhu cầu giám sát trực tuyến để tối ưu hiệu suất vận hành và đánh giá hiệu quả kinh tế của các hộ gia đình, tòa nhà và doanh nghiệp ngày càng tăng cao.

Tuy nhiên, khảo sát thực trạng cho thấy các thiết bị đo điện năng thương mại hoặc các công trình nghiên cứu trước đây (như đề tài của Đoàn Trung Tín năm 2018 hay Lam Vân Vỉ và Ngô Thanh Liêm năm 2021) chủ yếu sử dụng module tích hợp sẵn PZEM-004T, vốn chỉ đo độc lập được nguồn điện xoay chiều (AC). Khi cần giám sát đồng thời cả nguồn điện một chiều (DC) từ tấm pin/ắc quy và nguồn điện xoay chiều (AC) từ lưới điện hoặc ngõ ra nghịch lưu, người dùng buộc phải sử dụng hai thiết bị riêng biệt, gây bất tiện và gia tăng chi phí đầu tư.

Xuất phát từ thực tiễn đó, đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu ứng dụng IoT trong thiết kế hệ thống giám sát điện năng lượng mặt trời" của nhóm tác giả Trần Anh Kiệt và Đặng Thuận (ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử Viễn thông, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh) đã được thực hiện.

Mục tiêu cốt lõi của đồ án là thiết kế và thi công hoàn chỉnh hệ thống giám sát điện năng tích hợp công nghệ IoT, có khả năng đo đạc đồng thời cả hai nguồn điện AC và DC, hiển thị thông số trực tiếp tại chỗ qua màn hình LCD 20x4 và truyền dữ liệu thời gian thực lên ứng dụng di động Blynk IoT cùng giao diện Website quản trị qua mạng Internet.

Để đạt được mục tiêu đề ra, nghiên cứu xác định 13 nội dung nhiệm vụ cụ thể:

  1. Tìm hiểu về điện năng lượng mặt trời và các hệ thống giám sát điện năng.
  2. Khảo sát các dự án, đề tài tương tự về mô hình giám sát điện năng.
  3. Xây dựng đề cương tóm tắt của đề tài.
  4. Thiết kế sơ đồ khối, giải thích chức năng và lựa chọn linh kiện cho từng khối.
  5. Thiết kế sơ đồ nguyên lý toàn mạch và phân tích nguyên lý hoạt động.
  6. Thiết kế bản vẽ mạch in (PCB) và thi công chế tạo phần cứng.
  7. Lập trình chương trình điều khiển vi điều khiển giao tiếp cảm biến, xử lý dữ liệu và truyền nhận thông tin qua Internet.
  8. Thiết kế giao diện Website để hiển thị trực quan các thông số điện năng.
  9. Thi công lắp ráp mô hình hoàn chỉnh ứng dụng công nghệ IoT.
  10. Vận hành chạy thử nghiệm mô hình thực tế.
  11. Hiệu chỉnh, hoàn thiện và tối ưu hóa chương trình điều khiển.
  12. Soạn thảo thuyết minh đồ án tốt nghiệp.
  13. Báo cáo bảo vệ đề tài trước hội đồng chuyên môn.

Phạm vi và giới hạn kỹ thuật của đề tài được tác giả xác định rõ ràng:

  • Phạm vi không gian & kết nối: Khoảng cách kết nối không dây giữa thiết bị giám sát và điểm phát sóng Wi-Fi trong phạm vi dưới 20 mét.
  • Phạm vi đối tượng đo: Đo lường nguồn điện một chiều (DC) và nguồn điện xoay chiều (AC) 1 pha.
  • Phạm vi chức năng: Hệ thống tập trung hoàn toàn vào chức năng thu thập, tính toán, hiển thị và cảnh báo thông số giám sát (điện áp, dòng điện, công suất tiêu thụ, điện năng tiêu thụ, tần số, hệ số công suất); chưa tích hợp module điều khiển đóng/ngắt thiết bị ngoại vi từ xa.
  • Thời gian thực hiện: Đồ án được triển khai từ ngày 18/09/2023 đến ngày 18/12/2023.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự kết hợp giữa lý thuyết chuyên ngành kỹ thuật điện - điện tử, công nghệ Internet of Things (IoT) và kỹ thuật lập trình web/nhúng.

1. Khung lý thuyết và mô hình kỹ thuật

  • Lý thuyết hệ thống điện năng lượng mặt trời: Phân tích nguyên lý biến đổi quang năng thành điện năng của tế bào quang điện (Photovoltaic - PV) làm từ vật liệu bán dẫn Silic; phân loại 3 mô hình vận hành chính gồm hệ thống hòa lưới không lưu trữ, hệ thống độc lập có ắc quy và hệ thống hòa lưới có pin lưu trữ dự phòng.
  • Công nghệ IoT và giao thức mạng: Ứng dụng mô hình truyền thông TCP/IP 4 tầng, chuẩn kết nối mạng không dây Wi-Fi (IEEE 802.11 b/g/n băng tần 2.4 GHz) trên nền tảng vi điều khiển ESP8266.
  • Chuẩn giao tiếp công nghiệp I2C (Inter-Integrated Circuit): Giao thức truyền thông nối tiếp đồng bộ 2 dây (SCL - Serial Clock, SDA - Serial Data) theo mô hình Master-Slave, sử dụng địa chỉ 7-bit (0x27) để truyền nhận dữ liệu giữa ESP8266 và module chuyển đổi cho LCD 20x4 ở chế độ cực thu hở (open-drain).
  • Nền tảng IoT Blynk: Khai thác kiến trúc 3 thành phần (Blynk App, Blynk Library, Blynk Cloud Server) để xây dựng giao diện giám sát di động qua cơ chế Virtual Pins và Datastreams.
  • Dịch vụ đám mây Google Firebase: Ứng dụng Firebase Realtime Database (cơ sở dữ liệu NoSQL lưu trữ dưới định dạng JSON, đồng bộ hóa thời gian thực qua REST API), Firebase Authentication để quản lý đăng nhập bảo mật và Firebase Hosting để lưu trữ mã nguồn Website (HTML5, CSS3, JavaScript).
  • Nguyên lý cảm biến đo lường:
    • Module ZMPT101B: Biến dòng biến áp vi mô kết hợp mạch khuếch đại thuật toán (Op-Amp) tích hợp biến trở vi chỉnh để hạ áp và biến đổi tín hiệu điện áp xoay chiều 250VAC thành tín hiệu điện áp tương tự (Analog 0–5VDC).
    • Module ACS712 (phiên bản 5A): Hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall, cho điện áp đầu ra tỷ lệ tuyến tính với cường độ dòng điện đi qua dây dẫn bên trong (độ nhạy 63–190 mV/A), hỗ trợ đo cả dòng AC và DC với khả năng cách ly quang và chống nhiễu.

2. Phương pháp nghiên cứu thực tế

  • Phương pháp tính toán và thiết kế kỹ thuật: Tính toán phân áp điện trở để phối hợp trở kháng và điều chỉnh dải điện áp đầu vào phù hợp với ngõ vào ADC (0–3.3V) của ESP8266; tính toán cân bằng công suất và dòng tiêu thụ toàn mạch để chọn nguồn cung cấp.
  • Phương pháp thực nghiệm phần cứng: Thiết kế sơ đồ nguyên lý và layout mạch in trên phần mềm Proteus; chế tạo PCB bằng phương pháp thủ công (ủi nhiệt và ăn mòn hóa học); hàn lắp và kiểm tra thông mạch từng khối chức năng.
  • Phương pháp ghép kênh tín hiệu (Multiplexing): Sử dụng IC ghép kênh Analog 16 kênh 74HC4067 để giải quyết hạn chế phần cứng của ESP8266 (chỉ có duy nhất 1 chân ADC).
  • Phương pháp thu thập và kiểm chứng dữ liệu: Tiến hành đo kiểm thực tế các thông số điện áp và dòng điện của nguồn tải, so sánh đối chiếu giá trị đo được trên hệ thống với giá trị hiển thị trên đồng hồ vạn năng tiêu chuẩn (VOM) nhằm đánh giá sai số.

Thiết kế và triển khai hệ thống

1. Kiến trúc sơ đồ khối phần cứng

Hệ thống giám sát bao gồm 4 khối chức năng chính được liên kết chặt chẽ:

  • Khối nguồn: Cung cấp nguồn DC 5V ổn định cho toàn bộ vi điều khiển, module cảm biến và màn hình hiển thị.
  • Khối cảm biến: Gồm cảm biến dòng ACS712, cảm biến áp ZMPT101B và các mạch cầu phân áp, có nhiệm vụ chuyển đổi các giá trị dòng điện, điện áp AC/DC thành tín hiệu điện áp tương tự (Analog 0–3.3V).
  • Khối xử lý trung tâm và kết nối Internet: Sử dụng board NodeMCU ESP8266-12E (chip nạp CP2102) kết hợp IC chuyển mạch 74HC4067 để lấy mẫu tín hiệu tương tự từ 4 kênh cảm biến, tính toán các đại lượng điện năng và truyền dữ liệu qua giao thức Wi-Fi.
  • Khối hiển thị: Gồm màn hình LCD 20x4 tích hợp module I2C hiển thị tại chỗ, kết hợp hiển thị từ xa trên App Blynk và Website.
Khối chức năng Linh kiện / Module chính Thông số kỹ thuật / Vai trò
Xử lý trung tâm NodeMCU ESP8266-12E (CP2102) Vi điều khiển 32-bit, Flash 4MB, Wi-Fi 802.11 b/g/n, 17 GPIO, 1 ADC A0 (10-bit)
Mở rộng Analog Multiplexer 16 kênh 74HC4067 Chuyển mạch 16 kênh Analog sang 1 kênh, điều khiển bằng 4 chân số (S0–S3)
Đo áp AC Module ZMPT101B + Cầu phân áp Dải đo tối đa 250VAC, ngõ ra Analog được hạ áp về 0–3.3VDC
Đo áp DC Cầu phân áp điện trở chính xác Cặp trở $R_1=10\text{ k}\Omega$, $R_2=1\text{ k}\Omega$ (sai số 1%), đo dải DC tối đa 33VDC
Đo dòng AC & DC 02 Module cảm biến Hall ACS712 5A Đo dòng tải DC (X1) và AC (X3), ngõ ra tuyến tính theo dòng điện
Hiển thị tại chỗ Màn hình LCD 20x4 + Module I2C 4 hàng x 20 ký tự, giao tiếp 2 dây SDA (D6) và SCL (D5), địa chỉ 0x27
Khối nguồn Nguồn Adapter 5V–2A DC Cung cấp dòng cực đại 2A, đáp ứng tổng dòng tiêu thụ mạch $\approx 0.27\text{A}$

2. Tính toán kỹ thuật và thiết kế mạch chi tiết

  • Thiết kế bộ chia áp DC: Do chân ADC A0 của ESP8266 chỉ chấp nhận điện áp tối đa 3.3V, nhóm thiết kế mạch cầu phân áp ngõ vào DC với $R_1 = 10\text{ k}\Omega$ và $R_2 = 1\text{ k}\Omega$. Hệ số suy giảm được xác định: $$\text{Hệ số suy giảm DC} = \frac{R_1 + R_2}{R_2} = \frac{10000 + 1000}{1000} = 11$$ Khi đo điện áp DC cực đại $33\text{V}$, điện áp đưa vào chân vi điều khiển là $\frac{33\text{V}}{11} = 3.0\text{V} \le 3.3\text{V}$, đảm bảo an toàn cho ngõ vào analog.

  • Thiết kế bộ chia áp cho cảm biến AC: Module ZMPT101B xuất tín hiệu tương tự tối đa 5V. Để đưa về dải đo dưới 3.3V, mạch sử dụng điện trở $R_3 = 200\ \Omega$ và $R_4 = 330\ \Omega$, tạo hệ số suy giảm: $$\text{Hệ số suy giảm AC} = \frac{R_3 + R_4}{R_4} = \frac{200 + 330}{330} \approx 1.6$$ Điện áp cực đại đưa vào chân vi điều khiển là $\frac{5\text{V}}{1.6} \approx 3.125\text{V} \le 3.3\text{V}$.

  • Mở rộng kênh tín hiệu với 74HC4067: Các chân địa chỉ S0, S1, S2, S3 của IC 74HC4067 được nối với các chân GPIO D0, D1, D2, D3 của ESP8266. Chân tín hiệu SIG nối vào chân A0 của ESP8266. Vi điều khiển quét tuần tự 4 kênh ngõ vào: kênh X0 (đo điện áp DC), kênh X1 (đo dòng điện DC), kênh X2 (đo điện áp AC), và kênh X3 (đo dòng điện AC).

  • Tính toán công suất nguồn nuôi: Tổng dòng điện tiêu thụ cực đại của hệ thống ($I_{TM}$) được tính bằng tổng dòng của các linh kiện thành phần: $$I_{TM} = I_{ESP8266} + I_{74HC4067} + I_{ZMPT101B} + 2 \times I_{ACS712} + I_{LCD20x4} + I_{I2C}$$ $$I_{TM} = 200\text{mA} + 50\text{mA} + 2\text{mA} + (2 \times 11\text{mA}) + 4\text{mA} + 0.5\text{mA} \approx 278.5\text{mA} \approx 0.28\text{A}$$ Việc lựa chọn Adapter 5V–2A đảm bảo cung cấp dư tải, giúp hệ thống hoạt động ổn định và không bị sụt áp khi module Wi-Fi truyền tải dữ liệu ở công suất phát đỉnh.

3. Triển khai phần mềm và cơ sở dữ liệu

  • Firmware nhúng (Arduino IDE): Vi điều khiển thực hiện thuật toán đọc mẫu tín hiệu từ 4 kênh của 74HC4067, áp dụng công thức tính toán giá trị hiệu dụng (RMS), tính toán công suất thực $P$, hệ số công suất $\cos\varphi$, tần số $f$ và tích lũy điện năng tiêu thụ $A$ (kWh). Định kỳ chương trình đẩy dữ liệu lên màn hình LCD qua bus I2C, cập nhật Virtual Pins lên Blynk Cloud và gửi gói tin JSON lên Firebase Realtime Database.
  • Hệ thống Web & Cloud Hosting: Giao diện Web Dashboard được xây dựng bằng Visual Studio Code, lưu trữ trực tiếp trên Firebase Hosting. Web client kết nối trực tiếp với Firebase Realtime Database thông qua cấu hình chuỗi kết nối apiKey và databaseURL, cho phép người dùng giám sát bảng số liệu và biểu đồ trực quan mọi lúc mọi nơi mà không cần cài đặt máy chủ vật lý riêng.

Nội dung chính theo từng chương

Thuyết minh đồ án được cấu trúc thành 6 chương chuyên môn rõ ràng:

Chương 1: Tổng quan đề tài

Trình bày tính cấp thiết của việc phát triển năng lượng tái tạo và bài toán tối ưu chi phí quản lý năng lượng trong giai đoạn kinh tế suy thoái; phân tích điểm hạn chế của các đề tài giám sát trước đây (thiếu khả năng đo đồng thời nguồn AC và DC); xác định mục tiêu, 4 giới hạn kỹ thuật, 13 nhiệm vụ cụ thể và bố cục tổng thể của đồ án.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Cung cấp bức tranh toàn diện về cơ sở khoa học của đề tài:

  • Khái quát về hệ thống điện mặt trời (cấu tạo tế bào quang điện PV Silic, nguyên lý hoạt động của hệ thống hòa lưới, độc lập và hòa lưới có lưu trữ).
  • Vai trò của IoT trong chuyển đổi số ngành năng lượng; đặc tính kỹ thuật của giao thức Wi-Fi 2.4 GHz/5 GHz (chuẩn 802.11ax/Wi-Fi 6).
  • Cấu trúc và phương thức truyền nhận dữ liệu của chuẩn giao tiếp nối tiếp I2C giữa Master và Slave (các điều kiện Start/Stop, khung dữ liệu 7-bit, bit ACK/NACK).
  • Tổng quan nền tảng Blynk IoT (App, Library, Cloud Server) và mô hình phân tầng TCP/IP.
  • Tổng quan về dịch vụ đám mây Firebase (Realtime Database, Authentication, Hosting).
  • Giới thiệu chi tiết thông số kỹ thuật và sơ đồ chân của từng linh kiện phần cứng: NodeMCU ESP8266-12E, màn hình LCD 20x4 kèm board I2C (chip HD44780), IC giải mã 16 kênh 74HC4067, module cảm biến điện áp AC ZMPT101B và module cảm biến dòng điện Hall ACS712 5A.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Đi sâu vào thiết kế kỹ thuật của hệ thống:

  • Xây dựng sơ đồ khối toàn hệ thống và định nghĩa chức năng 4 khối thành phần (nguồn, cảm biến, xử lý trung tâm, hiển thị).
  • Trình bày công thức và lựa chọn thông số cho 2 bộ cầu phân áp hạ điện áp DC (tỉ số 11:1) và AC (tỉ số 1.6:1) đưa về dải đo 0–3.3V.
  • Thiết kế giải pháp mở rộng kênh ADC cho ESP8266 bằng IC giải mã 4-sang-16 74HC4067 (kết nối điều khiển qua chân D0–D3).
  • Lập bảng tổng hợp dòng tiêu thụ các linh kiện ($I_{TM} \approx 0.28\text{A}$) và lựa chọn bộ nguồn Adapter 5V–2A.
  • Xây dựng sơ đồ nguyên lý hoàn chỉnh cho từng khối và sơ đồ nguyên lý toàn mạch trên phần mềm Proteus.

Chương 4: Thi công mô hình

Mô tả chi tiết quá trình chế tạo và tích hợp hệ thống:

  • Thiết kế layout mạch in PCB 2D/3D trên Proteus, quy trình thi công mạch in bằng phương pháp ủi nhiệt và rửa mạch hóa chất, lắp ráp và hàn linh kiện.
  • Thiết kế và gia công hộp mô hình cơ khí, bố trí cảm biến, bo mạch và màn hình hiển thị.
  • Xây dựng lưu đồ giải thuật toàn hệ thống và các lưu đồ chương trình con (thuật toán đọc và tính toán điện áp DC, AC, dòng điện).
  • Hướng dẫn cấu hình phần mềm Arduino IDE, cài đặt nạp code vi điều khiển ESP8266 qua cổng COM với chip CP2102.
  • Quy trình tạo Template, thiết lập Datastreams và thiết kế giao diện Web/Mobile Dashboard trên nền tảng Blynk.
  • Quy trình lập trình giao diện Website (HTML/CSS/JS) bằng Visual Studio Code, khởi tạo Realtime Database, cấu hình quyền truy cập Rules và triển khai trang web lên Firebase Hosting.
  • Hướng dẫn vận hành hệ thống từng bước cho người sử dụng.

Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá

Trình bày các dữ liệu thực nghiệm thu được:

  • Kết quả hiển thị các thông số điện áp, dòng điện, công suất và trạng thái kết nối Wi-Fi trên màn hình LCD 20x4 tại chỗ; đối chiếu kết quả đo với đồng hồ vạn năng tiêu chuẩn VOM.
  • Kết quả hiển thị đồ thị và widget thông số thời gian thực trên ứng dụng di động Blynk.
  • Kết quả kiểm thử giao diện Website trên máy tính, xác thực tính năng đăng nhập bảo mật và đồng bộ cơ sở dữ liệu Firebase.
  • Phân tích ưu điểm (đo đồng thời AC/DC, giao diện đa nền tảng, chi phí thấp) và nhược điểm (phụ thuộc sóng Wi-Fi, chỉ đo AC 1 pha, độ chính xác phụ thuộc độ phân giải 10-bit của ADC).

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Đánh giá mức độ hoàn thành nhiệm vụ theo đề cương giao ban đầu; khẳng định tính khả thi của mô hình trong việc giám sát điện mặt trời thực tế; đề xuất các hướng nâng cấp phần cứng và phần mềm trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Chế tạo phần cứng hoàn chỉnh: Thi công thành công bo mạch PCB tích hợp vi điều khiển NodeMCU ESP8266, module 74HC4067, 2 cảm biến ACS712, 1 cảm biến ZMPT101B và màn hình LCD 20x4 I2C trong một khối mô hình chắc chắn, thẩm mỹ.
  • Khả năng đo đạc đa dạng: Hệ thống đo đạc đồng thời và chính xác cả nguồn DC (từ tấm pin mặt trời/bộ lưu trữ) và nguồn AC 1 pha (tải tiêu thụ/lưới điện) với dải đo điện áp DC lên đến 33V, điện áp AC lên đến 250V và dòng điện lên đến 5A.
  • Đồng bộ hóa dữ liệu đa nền tảng: Thu thập và hiển thị đầy đủ 6 thông số điện năng quan trọng: Điện áp ($V$), Dòng điện ($I$), Công suất thực ($P$), Tần số ($f$), Hệ số công suất ($\cos\varphi$) và Điện năng tiêu thụ ($A$ - kWh). Dữ liệu được cập nhật tức thời trên màn hình LCD tại chỗ, đồng thời truyền tải qua Internet để hiển thị trên cả App di động Blynk và Website quản trị lưu trữ trên Firebase Hosting.
Hạng mục kiểm tra Phương thức thực hiện Kết quả ghi nhận trong văn bản
Đo điện áp DC/AC So sánh giá trị trên LCD với đồng hồ đo VOM Giá trị đo tương đương, bám sát giá trị chuẩn của thiết bị đo thực tế
Mở rộng kênh Analog Điều khiển 4 chân D0–D3 quét IC 74HC4067 Đọc tuần tự và chính xác 4 kênh $V_{dc}, I_{dc}, V_{ac}, I_{ac}$ qua 1 chân A0
Truyền nhận IoT Kết nối Wi-Fi 2.4 GHz với Blynk & Firebase Dữ liệu cập nhật liên tục, độ trễ thấp, đồng bộ cơ sở dữ liệu JSON
Giao diện Web & App Đăng nhập tài khoản, xem Dashboard Hiển thị đầy đủ thông số điện năng, giao diện thân thiện, bảo mật đăng nhập

2. Đóng góp của đề tài

  • Khắc phục hạn chế của các giải pháp trước: Thay vì phụ thuộc vào module PZEM-004T vốn chỉ đo độc lập được nguồn AC (như các nghiên cứu năm 2018 và 2021), đồ án đã phát triển giải pháp phần cứng kết hợp cảm biến rời ZMPT101B và ACS712 cùng kỹ thuật phân kênh 74HC4067, cho phép một vi điều khiển duy nhất giám sát đồng thời cả hai nguồn AC và DC.
  • Tối ưu hóa chi phí phần cứng: Giải pháp kết hợp ESP8266 giá rẻ với IC ghép kênh 74HC4067 và cảm biến thông dụng giúp giảm đáng kể chi phí sản xuất so với việc trang bị nhiều đồng hồ đo chuyên dụng đắt tiền trên thị trường.
  • Đóng góp giải pháp quản lý: Giúp người sử dụng và chủ đầu tư công trình điện mặt trời theo dõi chính xác mức tiêu thụ điện năng mọi lúc mọi nơi qua Internet, từ đó chủ động xây dựng phương án sử dụng điện tiết kiệm và tối ưu hóa hiệu quả kinh tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

1. Hạn chế kỹ thuật được ghi nhận

  • Giới hạn kết nối không dây: Hệ thống phụ thuộc vào mạng Wi-Fi cục bộ với khoảng cách kết nối giữa bo mạch giám sát và router phát sóng giới hạn trong phạm vi dưới 20 mét.
  • Chưa có tính năng điều khiển: Đề tài mới chỉ dừng lại ở bài toán giám sát, thu thập và hiển thị số liệu; chưa tích hợp rơ-le hoặc linh kiện bán dẫn để điều khiển đóng ngắt tải từ xa khi có sự cố quá tải/quá áp.
  • Phạm vi lưới điện: Hệ thống chỉ thiết kế để đo lường mạng điện xoay chiều 1 pha dân dụng, chưa hỗ trợ đo đạc mạng điện 3 pha trong môi trường công nghiệp.
  • Độ phân giải phần cứng: Bộ chuyển đổi ADC của ESP8266 có độ phân giải 10-bit (1024 mức) và tần số lấy mẫu bị chia sẻ cho 4 kênh qua IC 74HC4067, dẫn đến độ chính xác ở các mức dòng điện rất nhỏ có thể bị ảnh hưởng bởi nhiễu môi trường.

2. Hướng phát triển đề xuất

  • Tích hợp tính năng điều khiển: Phát triển thêm mạch điều khiển relay hoặc contactor để tự động ngắt nguồn khi phát hiện dòng rò, quá dòng, quá áp hoặc cho phép người dùng bật/tắt thiết bị điện từ xa thông qua Website và ứng dụng Blynk.
  • Mở rộng sang hệ thống điện 3 pha: Nâng cấp phần cứng cảm biến và thuật toán tính toán để giám sát mạng lưới điện xoay chiều 3 pha phục vụ các nhà máy, xí nghiệp quy mô lớn.
  • Tối ưu hóa phần cứng xử lý: Nâng cấp vi điều khiển lên dòng ESP32 với bộ xử lý lõi kép, tích hợp sẵn nhiều chân ADC 12-bit có độ phân giải cao hơn, giúp tăng độ nhạy và độ chính xác của phép đo.
  • Phát triển thuật toán cảnh báo: Tích hợp tính năng tự động gửi thông báo cảnh báo sự cố qua tin nhắn SMS, Email hoặc Telegram khi các chỉ số điện năng vượt ngưỡng an toàn cài đặt trước.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo thực tiễn cao cho nhiều đối tượng:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện, Điện tử, Tự động hóa và IoT: Là tài liệu mẫu hữu ích về quy trình thực hiện một đồ án tốt nghiệp từ khâu tính toán lý thuyết, thiết kế phần cứng (Proteus), lập trình vi điều khiển (Arduino IDE) đến lập trình giao diện Web và ứng dụng di động.
  • Các nhà nghiên cứu, kỹ sư phát triển hệ thống nhúng: Cung cấp giải pháp kỹ thuật cụ thể về phương pháp ghép kênh Analog (sử dụng 74HC4067 để mở rộng chân ADC cho các dòng vi điều khiển giới hạn chân analog như ESP8266), phương pháp tính toán cầu chia áp bảo vệ mạch, và kiến trúc kết nối thời gian thực giữa vi điều khiển với Google Firebase.
  • Các đơn vị triển khai điện năng lượng mặt trời dân dụng: Cung cấp thiết kế tham khảo cho một bộ giám sát năng lượng giá thành thấp, dễ chế tạo, hỗ trợ theo dõi hiệu suất pin mặt trời và mức tiêu thụ điện lưới từ xa.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm tác giả không sử dụng module PZEM-004T như các đề tài trước mà lại dùng cảm biến rời ZMPT101B và ACS712?
Module PZEM-004T chỉ hỗ trợ đo độc lập nguồn điện xoay chiều (AC), không đo được nguồn một chiều (DC). Việc sử dụng cảm biến điện áp ZMPT101B kết hợp với cảm biến dòng điện Hall ACS712 5A cho phép hệ thống đo đồng thời cả nguồn AC (lưới điện/tải tiêu thụ) và nguồn DC (pin mặt trời/ắc quy) trên cùng một bo mạch xử lý, giúp tiết kiệm chi phí và đồng bộ dữ liệu.

2. NodeMCU ESP8266 chỉ có 1 chân Analog (A0), làm thế nào để hệ thống đọc được 4 tín hiệu cảm biến khác nhau?
Hệ thống sử dụng IC chuyển mạch/ghép kênh Analog 16 kênh 74HC4067. Vi điều khiển sử dụng 4 chân số D0, D1, D2, D3 để xuất mã nhị phân điều khiển các chân địa chỉ S0, S1, S2, S3 của 74HC4067, từ đó quét tuần tự 4 kênh ngõ vào: kênh X0 (áp DC), kênh X1 (dòng DC), kênh X2 (áp AC) và kênh X3 (dòng AC) rồi đưa tín hiệu chung về chân A0 của ESP8266.

3. Mạch cầu phân áp được tính toán với giá trị điện trở như thế nào để bảo vệ chân vi điều khiển ESP8266?
Để đảm bảo tín hiệu đưa vào chân ADC của ESP8266 luôn nằm trong dải an toàn 0–3.3V:

  • Mạch đo áp DC sử dụng $R_1 = 10\text{ k}\Omega$ và $R_2 = 1\text{ k}\Omega$ tạo hệ số chia áp bằng 11, cho phép đo dải áp DC lên đến 33V.
  • Mạch đo áp AC sử dụng $R_3 = 200\ \Omega$ và $R_4 = 330\ \Omega$ tạo hệ số chia áp bằng 1.6, hạ điện áp ngõ ra tối đa 5V của ZMPT101B xuống khoảng 3.125V.

4. Khối nguồn của hệ thống được tính toán và lựa chọn với thông số bao nhiêu?
Tổng dòng điện tiêu thụ cực đại của toàn bộ các linh kiện trong mạch (ESP8266, 74HC4067, ZMPT101B, 2 cảm biến ACS712, LCD 20x4 và module I2C) được tính toán xấp xỉ $0.28\text{A}$ ở điện áp 5VDC. Nhóm tác giả đã lựa chọn nguồn Adapter 5V–2A để đảm bảo cung cấp đủ công suất và duy trì hệ thống hoạt động ổn định.

5. Dữ liệu giám sát điện năng được lưu trữ và hiển thị qua những kênh nào?
Dữ liệu được hiển thị tại chỗ qua màn hình LCD 20x4 giao tiếp I2C. Đồng thời, qua kết nối Wi-Fi, dữ liệu được truyền lên nền tảng đám mây Google Firebase (sử dụng Realtime Database định dạng JSON) để hiển thị trên giao diện Website lưu trữ tại Firebase Hosting, cũng như đồng bộ lên ứng dụng di động thông qua nền tảng Blynk IoT.

Kết luận

Đồ án "Nghiên cứu ứng dụng IoT trong thiết kế hệ thống giám sát điện năng lượng mặt trời" đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu đặt ra từ thiết kế lý thuyết, tính toán phân áp, thi công phần cứng mạch in PCB đến lập trình nhúng và phát triển hệ thống giám sát đa nền tảng (LCD, Blynk App, Website Firebase). Hệ thống giải quyết hiệu quả bài toán đo đạc đồng thời cả hai nguồn điện AC và DC với chi phí thấp nhờ giải pháp ghép kênh 74HC4067 trên nền tảng vi điều khiển ESP8266. Kết quả thử nghiệm thực tế chứng minh mô hình hoạt động ổn định, dữ liệu đo kiểm bám sát thiết bị đo chuẩn VOM, mở ra khả năng ứng dụng thiết thực trong việc quản lý và tối ưu hóa năng lượng tái tạo cho các hộ gia đình và doanh nghiệp.