Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa tại Việt Nam, việc sử dụng điện năng ngày càng trở nên phổ biến và thiết yếu trong sinh hoạt cũng như sản xuất. Theo ước tính, điện năng tiêu thụ trong các hộ gia đình chiếm một phần lớn trong tổng mức tiêu thụ điện quốc gia, do đó việc giám sát và quản lý hiệu quả điện năng là vấn đề cấp thiết nhằm tiết kiệm tài nguyên và giảm thiểu chi phí. Luận văn tập trung nghiên cứu thiết kế một hệ thống điều khiển và giám sát điện gia đình ứng dụng công nghệ Internet vạn vật (IoT), cho phép người dùng theo dõi và điều khiển thiết bị điện từ xa qua ứng dụng điện thoại thông minh. Hệ thống có khả năng tự động ngắt điện khi công suất vượt quá ngưỡng đã đặt, đồng thời phát hiện và cảnh báo nguy cơ cháy nổ, góp phần nâng cao an toàn cho người sử dụng.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là xây dựng thiết bị đo và giám sát các thông số điện như điện áp, dòng điện, công suất tức thời, tần số và năng lượng tiêu thụ trong hộ gia đình, đồng thời phát triển ứng dụng di động để điều khiển và nhận cảnh báo theo thời gian thực. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thiết kế và thi công mô hình hệ thống tại thành phố Hồ Chí Minh trong năm 2021, với dữ liệu được lưu trữ và quản lý qua dịch vụ Realtime Database của Google Firebase. Ý nghĩa của đề tài thể hiện rõ qua việc hỗ trợ người dùng quản lý điện năng hiệu quả, giảm thiểu rủi ro cháy nổ và góp phần bảo vệ môi trường cũng như an ninh quốc phòng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình kỹ thuật điện và công nghệ IoT để xây dựng hệ thống giám sát điện năng. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Lý thuyết đo lường điện năng: Sử dụng cảm biến dòng điện và điện áp PZEM004T để đo các thông số điện năng tiêu thụ như điện áp (80-260V AC), dòng điện (0-10A), công suất (0-2300W) và năng lượng tiêu thụ (0-9999 kWh) với sai số 0.01. Các giá trị này được vi điều khiển STM32F407VET6 xử lý và tính toán công suất tức thời, tần số, từ đó giám sát hiệu quả điện năng.

  2. Mô hình IoT và truyền thông dữ liệu: Hệ thống sử dụng Raspberry Pi Zero W làm thiết bị trung gian kết nối Internet, truyền dữ liệu lên cơ sở dữ liệu Realtime Database của Google Firebase. Giao tiếp giữa các thiết bị sử dụng các chuẩn UART, SPI và I2C để đảm bảo truyền nhận dữ liệu ổn định và nhanh chóng. Ứng dụng Android được phát triển trên nền tảng Android Studio, sử dụng ngôn ngữ Java để xây dựng giao diện và chức năng điều khiển từ xa.

Các khái niệm chính bao gồm: cảm biến điện năng, vi điều khiển STM32, giao tiếp UART/SPI/I2C, cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase, và ứng dụng điều khiển IoT.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ quá trình thiết kế, thi công và thử nghiệm mô hình hệ thống giám sát điện năng tiêu thụ trong hộ gia đình. Cỡ mẫu nghiên cứu là một mô hình thực nghiệm được lắp ráp và vận hành tại thành phố Hồ Chí Minh trong năm 2021. Phương pháp chọn mẫu là lựa chọn các linh kiện và module phổ biến, có sẵn trên thị trường như PZEM004T, STM32F407VET6, Raspberry Pi Zero W nhằm đảm bảo tính khả thi và độ tin cậy của hệ thống.

Phân tích dữ liệu được thực hiện thông qua việc đo đạc các thông số điện năng, so sánh với ngưỡng cảnh báo đã thiết lập, đồng thời đánh giá hiệu quả truyền dữ liệu và phản hồi điều khiển qua ứng dụng di động. Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng 6 tháng, bao gồm các giai đoạn: khảo sát, thiết kế, thi công, lập trình, thử nghiệm và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đo lường chính xác các thông số điện năng: Hệ thống đo được điện áp trong khoảng 80-260V AC với sai số 0.01, dòng điện từ 0-10A, công suất tối đa 2300W và năng lượng tiêu thụ lên đến 9999 kWh. Ví dụ, trong thực tế, giá trị điện áp đo được là 230V, dòng điện 17A, công suất 2200W, cho thấy thiết bị đáp ứng tốt yêu cầu đo lường.

  2. Giám sát và điều khiển từ xa hiệu quả: Ứng dụng Android cho phép người dùng theo dõi các thông số điện năng theo thời gian thực và điều khiển bật/tắt thiết bị từ xa qua Internet. Tốc độ cập nhật dữ liệu trên Firebase đạt mức dưới 1 giây, đảm bảo tính kịp thời trong giám sát.

  3. Cảnh báo công suất vượt ngưỡng: Hệ thống tự động ngắt điện khi công suất vượt quá mức đặt trước, ví dụ khi công suất vượt 2200W, còi báo động buzzer phát tín hiệu âm thanh với cường độ lên đến 100dB, giúp người dùng kịp thời xử lý nguy cơ cháy nổ.

  4. Tính thẩm mỹ và dễ sử dụng: Mô hình sản phẩm được thiết kế gọn gàng, màn hình TFT ILI9341 2.8 inch hiển thị rõ ràng các thông số, đồng thời hỗ trợ cảm ứng để điều khiển trực tiếp trên thiết bị.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các kết quả tích cực trên là do việc lựa chọn linh kiện có độ chính xác cao và tích hợp công nghệ IoT hiện đại, giúp hệ thống hoạt động ổn định và linh hoạt. So sánh với một số nghiên cứu gần đây về giám sát điện năng trong công nghiệp và xây dựng, hệ thống này có ưu điểm nổi bật về khả năng điều khiển từ xa và cảnh báo tự động, phù hợp với môi trường hộ gia đình.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thời gian thực hiển thị điện áp, dòng điện và công suất trên ứng dụng, giúp người dùng dễ dàng theo dõi xu hướng tiêu thụ điện. Bảng so sánh các thông số đo được với ngưỡng cảnh báo cũng giúp minh bạch hiệu quả quản lý điện năng.

Hệ thống không chỉ góp phần tiết kiệm điện năng mà còn nâng cao an toàn cháy nổ, giảm thiểu rủi ro về tài sản và con người, đồng thời có thể mở rộng ứng dụng trong các khu chung cư hoặc tòa nhà thông minh.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai rộng rãi hệ thống giám sát điện năng trong hộ gia đình: Khuyến khích các cơ quan quản lý và doanh nghiệp điện lực phối hợp triển khai thiết bị tại các khu dân cư nhằm nâng cao ý thức sử dụng điện tiết kiệm và an toàn. Mục tiêu giảm 10-15% điện năng tiêu thụ trong vòng 1 năm.

  2. Phát triển ứng dụng di động đa nền tảng: Mở rộng ứng dụng điều khiển sang các hệ điều hành iOS và tích hợp thêm tính năng phân tích dữ liệu tiêu thụ điện để người dùng có thể lập kế hoạch sử dụng hợp lý. Thời gian thực hiện dự kiến 6 tháng.

  3. Nâng cấp hệ thống cảnh báo đa dạng: Bổ sung các cảm biến khói, nhiệt độ để phát hiện sớm nguy cơ cháy nổ, kết hợp với cảnh báo qua tin nhắn SMS hoặc cuộc gọi tự động. Chủ thể thực hiện là các công ty công nghệ an ninh trong vòng 1 năm.

  4. Tổ chức đào tạo và tuyên truyền sử dụng thiết bị: Tổ chức các khóa đào tạo cho người dùng cuối và cán bộ kỹ thuật về cách sử dụng, bảo trì hệ thống nhằm đảm bảo hiệu quả vận hành lâu dài. Thời gian triển khai liên tục hàng năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành Công nghệ kỹ thuật máy tính, Điện tử viễn thông: Có thể áp dụng kiến thức và phương pháp thiết kế hệ thống IoT, vi điều khiển và giao tiếp dữ liệu trong các đề tài nghiên cứu tương tự.

  2. Các kỹ sư và chuyên gia phát triển hệ thống IoT và tự động hóa: Tham khảo để phát triển các giải pháp giám sát và điều khiển điện năng trong các ứng dụng thực tế, nâng cao hiệu quả và an toàn.

  3. Doanh nghiệp cung cấp dịch vụ điện và thiết bị điện gia đình: Áp dụng công nghệ để nâng cao chất lượng dịch vụ, cung cấp giải pháp tiết kiệm điện và cảnh báo an toàn cho khách hàng.

  4. Cơ quan quản lý nhà nước về năng lượng và an toàn cháy nổ: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách, quy chuẩn kỹ thuật và hướng dẫn triển khai các hệ thống giám sát điện năng trong cộng đồng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ thống có thể giám sát được bao nhiêu thiết bị điện cùng lúc?
    Hệ thống được thiết kế để giám sát toàn bộ hệ thống điện trong hộ gia đình, có thể điều khiển bật/tắt từng thiết bị hoặc toàn bộ thiết bị thông qua relay. Số lượng thiết bị phụ thuộc vào số relay được tích hợp, thường từ 4 thiết bị trở lên.

  2. Độ chính xác của các cảm biến đo điện năng như thế nào?
    Cảm biến PZEM004T có sai số đo điện áp và dòng điện khoảng 0.01, đảm bảo độ chính xác cao cho việc giám sát điện năng tiêu thụ trong gia đình.

  3. Ứng dụng di động có thể hoạt động ở đâu?
    Ứng dụng sử dụng dịch vụ Realtime Database của Google Firebase, do đó có thể hoạt động ở bất kỳ nơi nào có kết nối Internet, cho phép người dùng giám sát và điều khiển từ xa.

  4. Hệ thống cảnh báo khi công suất vượt ngưỡng hoạt động ra sao?
    Khi công suất vượt quá ngưỡng đã đặt, hệ thống tự động ngắt điện và phát tín hiệu cảnh báo bằng còi buzzer với cường độ âm lên đến 100dB, đồng thời gửi thông báo qua ứng dụng di động.

  5. Có thể mở rộng hệ thống cho các khu chung cư hoặc tòa nhà lớn không?
    Có thể, hệ thống sử dụng các chuẩn giao tiếp UART, SPI, I2C và nền tảng IoT linh hoạt, dễ dàng mở rộng bằng cách tích hợp thêm các module cảm biến và relay phù hợp với quy mô lớn hơn.

Kết luận

  • Đã thiết kế và thi công thành công hệ thống giám sát và điều khiển điện năng tiêu thụ trong hộ gia đình với độ chính xác cao và khả năng điều khiển từ xa qua ứng dụng di động.
  • Hệ thống tích hợp công nghệ IoT, sử dụng vi điều khiển STM32F407VET6 và Raspberry Pi Zero W, kết nối dữ liệu qua Firebase, đảm bảo cập nhật dữ liệu thời gian thực.
  • Thiết bị có khả năng cảnh báo tự động khi công suất vượt ngưỡng, góp phần nâng cao an toàn cháy nổ cho người sử dụng.
  • Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn, có thể áp dụng rộng rãi trong các hộ gia đình và khu chung cư, hỗ trợ tiết kiệm điện năng và bảo vệ tài sản.
  • Đề xuất các bước tiếp theo bao gồm mở rộng tính năng cảnh báo, phát triển ứng dụng đa nền tảng và triển khai đào tạo người dùng nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng hệ thống.

Quý độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng và phát triển thêm dựa trên nền tảng nghiên cứu này để góp phần thúc đẩy công nghệ giám sát điện năng thông minh tại Việt Nam.