Đồ án tốt nghiệp thiết kế hệ thống thu nhập và giám sát dữ liệu điện năng cho công ty tnhh thương mại và kỹ thuật thái bình

Đồ án kỹ thuật nghiên cứu tốt nghiệp thiết kế hệ thống thu nhập và giám sát dữ liệu điện năng cho công ty tnhh thương mại và, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu

• Tác giả: Lê Tấn Kiên
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Phan Thanh
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Hệ Thống Nhúng Và IoT
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Thu Thập Và Giám Sát Dữ Liệu Điện Năng Cho Công Ty TNHH Thương Mại Và Kỹ Thuật Thái Bình
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG
• 1.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
• 1.3. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
• 1.4. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
• 1.4.1. Sự phát triển của công nghệ thu thập và giám sát năng lượng trong dân dụng
• 1.4.2. Sự phát triển của công nghệ thu thập và giám sát năng lượng trong công nghiệp
• 1.5. PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 1.5.1. Phạm vi nghiên cứu
• 1.5.2. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. BỐ CỤC ĐỀ TÀI
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THU THẬP VÀ GIÁM SÁT NĂNG LƯỢNG
• 2.2. Lợi ích của việc sử dụng hệ thống
• 2.3. Hạn chế của hệ thống
• 2.4. GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG MODBUS RTU
• 2.4.1. Cấu trúc bản tin Modbus RTU
• 2.5. GIAO THỨC MQTT
• 2.5.1. Tính năng nổi bật
• 2.5.2. Tổng quan về mô hình Pub/Sub
• 2.5.3. Thành phần của MQTT
• 2.5.4. Cơ chế hoạt động
• 2.6. CƠ SỞ DỮ LIỆU (DATABASE)
• 2.6.1. Tầm quan trọng của database
• 2.6.2. SQL và NoSQL
• 2.7. DỮ LIỆU CHUỖI THỜI GIAN (TIME SERIES DATA)
• 2.7.1. Đặc điểm và ứng dụng
• 2.7.2. Timescale - Giải pháp lưu trữ dữ liệu chuỗi thời gian
• 3. CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH YÊU CẦU
• 3.1. YÊU CẦU CHỨC NĂNG
• 3.2. Server giám sát thiết bị
• 3.3. YÊU CẦU PHI CHỨC NĂNG
• 3.3.1. Giao diện người dùng
• 3.3.2. Phương thức giao tiếp
• 3.3.3. Độ tin cậy và chính xác của dữ liệu
• 3.3.4. Hiệu suất và thời gian phải hồi
• 3.4. CÁC TÁC NHÂN TRONG HỆ THỐNG
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG
• 4.1. SƠ ĐỒ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
• 4.2. THIẾT KẾ GATEWAY IOT THU THẬP NĂNG LƯỢNG
• 4.2.1. Kiến trúc tổng thể
• 4.2.2. Sơ đồ kết nối Gateway với thiết bị thu thập dữ liệu
• 4.2.3. Thiết kế cơ sở dữ liệu
• 4.2.4. Thiết kế backend
• 4.2.5. Thiết kế frontend
• 4.3. THIẾT KẾ SERVER TẬP TRUNG
• 4.3.1. Kiến trúc tổng thể
• 4.3.2. Thiết kế cơ sở dữ liệu
• 5. CHƯƠNG 5: TRIỂN KHAI VÀ THỰC NGHIỆM
• 5.1. MÔI TRƯỜNG TRIỂN KHAI
• 5.1.1. Triển khai Gateway
• 5.1.2. Triển khai Server giám sát
• 5.2. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
• 5.2.1. Tổng quan kết quả đạt được
• 5.2.2. Độ chính xác của dữ liệu
• 5.2.3. Giao diện Gateway
• 5.2.4. Giao diện Server giám sát
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. KẾT LUẬN
• 6.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về Thiết Kế Hệ Thống Giám Sát Dữ Liệu Điện Năng Hiện Đại

Thiết kế hệ thống giám sát dữ liệu điện năng hiện đại là một yếu tố quan trọng trong việc quản lý và tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng. Hệ thống này không chỉ giúp theo dõi mức tiêu thụ năng lượng mà còn cung cấp thông tin chi tiết về hiệu suất hoạt động của các thiết bị. Việc áp dụng công nghệ hiện đại trong giám sát năng lượng giúp các doanh nghiệp tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả sản xuất.

1.1. Giới thiệu về hệ thống giám sát dữ liệu điện năng

Hệ thống giám sát dữ liệu điện năng bao gồm các thiết bị thu thập dữ liệu và phần mềm phân tích. Nó cho phép người dùng theo dõi mức tiêu thụ năng lượng theo thời gian thực, từ đó đưa ra các quyết định hợp lý trong việc sử dụng năng lượng.

1.2. Lợi ích của việc giám sát dữ liệu điện năng

Việc giám sát dữ liệu điện năng giúp phát hiện sự lãng phí năng lượng, tối ưu hóa quy trình sản xuất và giảm thiểu chi phí vận hành. Hệ thống này cũng hỗ trợ trong việc bảo vệ môi trường thông qua việc giảm lượng khí thải carbon.

II. Vấn đề và Thách thức trong Giám Sát Dữ Liệu Điện Năng

Mặc dù hệ thống giám sát dữ liệu điện năng mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong việc triển khai và vận hành. Các vấn đề như độ chính xác của dữ liệu, khả năng tương thích giữa các thiết bị và chi phí đầu tư ban đầu là những yếu tố cần được xem xét.

2.1. Độ chính xác và độ tin cậy của dữ liệu

Độ chính xác của dữ liệu thu thập từ các thiết bị là rất quan trọng. Nếu dữ liệu không chính xác, các quyết định dựa trên dữ liệu đó có thể dẫn đến những sai lầm nghiêm trọng trong quản lý năng lượng.

2.2. Chi phí đầu tư và bảo trì hệ thống

Chi phí đầu tư ban đầu cho hệ thống giám sát có thể cao, đặc biệt đối với các doanh nghiệp nhỏ. Ngoài ra, việc bảo trì và nâng cấp hệ thống cũng cần được tính toán để đảm bảo hiệu quả lâu dài.

III. Phương Pháp Thiết Kế Hệ Thống Giám Sát Dữ Liệu Điện Năng

Thiết kế hệ thống giám sát dữ liệu điện năng cần phải dựa trên các tiêu chí cụ thể như khả năng mở rộng, tính linh hoạt và khả năng tích hợp với các hệ thống khác. Việc lựa chọn công nghệ phù hợp cũng là một yếu tố quan trọng.

3.1. Lựa chọn công nghệ và thiết bị

Việc lựa chọn công nghệ như giao thức RS485 hay MQTT cho phép hệ thống giao tiếp hiệu quả giữa các thiết bị. Các thiết bị thu thập dữ liệu cần phải có khả năng hoạt động ổn định và chính xác.

3.2. Thiết kế giao diện người dùng thân thiện

Giao diện người dùng cần phải dễ sử dụng và trực quan để người dùng có thể dễ dàng theo dõi và quản lý dữ liệu. Một giao diện tốt sẽ giúp tăng cường trải nghiệm người dùng và hiệu quả sử dụng hệ thống.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn của Hệ Thống Giám Sát Dữ Liệu Điện Năng

Hệ thống giám sát dữ liệu điện năng đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ công nghiệp đến dân dụng. Các doanh nghiệp đã ghi nhận được nhiều lợi ích từ việc sử dụng hệ thống này, bao gồm tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu suất.

4.1. Ứng dụng trong ngành công nghiệp

Trong ngành công nghiệp, hệ thống giám sát giúp theo dõi mức tiêu thụ năng lượng của các máy móc, từ đó tối ưu hóa quy trình sản xuất và giảm thiểu lãng phí năng lượng.

4.2. Ứng dụng trong hộ gia đình

Hệ thống giám sát cũng được áp dụng trong hộ gia đình, giúp người dân theo dõi mức tiêu thụ năng lượng và điều chỉnh thói quen sử dụng để tiết kiệm chi phí điện.

V. Kết Luận và Tương Lai của Hệ Thống Giám Sát Dữ Liệu Điện Năng

Hệ thống giám sát dữ liệu điện năng không chỉ là một công cụ hữu ích trong việc quản lý năng lượng mà còn là một phần quan trọng trong việc phát triển bền vững. Tương lai của hệ thống này hứa hẹn sẽ có nhiều cải tiến và ứng dụng mới.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ

Công nghệ IoT và các giải pháp điện toán đám mây sẽ tiếp tục phát triển, giúp hệ thống giám sát trở nên thông minh hơn và dễ dàng tích hợp với các hệ thống khác.

5.2. Tầm quan trọng của việc bảo vệ môi trường

Việc giám sát và tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng sẽ góp phần quan trọng vào việc bảo vệ môi trường, giảm thiểu khí thải và thúc đẩy phát triển bền vững.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa đang thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của toàn bộ các lĩnh vực trong nền kinh tế, kéo theo nhu cầu tiêu thụ năng lượng ngày càng lớn. Trong môi trường sản xuất và kinh doanh, việc tối ưu hóa và tiết kiệm năng lượng đóng vai trò then chốt đối với an ninh sản xuất, giúp giảm chi phí vận hành, hạ giá thành sản phẩm và nâng cao năng lực cạnh tranh cho doanh nghiệp. Theo tác giả, một doanh nghiệp tiết kiệm được 10% năng lượng tiêu thụ so với đối thủ đã có thể gia tăng biên lợi nhuận đáng kể. Từ yêu cầu thực tiễn đó, việc trang bị một hệ thống đo lường, giám sát và quản lý dữ liệu điện năng (Power Monitoring System - PMS) là nhu cầu cấp thiết.

Khảo sát thực trạng cho thấy các hệ thống quản lý năng lượng (EMS), quản lý tòa nhà (BMS) và giám sát điều khiển (SCADA) hiện nay từ các hãng công nghệ lớn (như Schneider Electric, Siemens, Rockwell Automation) thường đòi hỏi chi phí đầu tư lớn và yêu cầu sử dụng các thiết bị, phần mềm chuyên biệt đồng bộ của từng hãng. Sự phụ thuộc vào nhà cung cấp độc quyền gây khó khăn cho việc tích hợp thiết bị đa hãng, làm hạn chế khả năng tiếp cận của các doanh nghiệp vừa và nhỏ cũng như khu vực dân dụng. Đề tài "Thiết kế hệ thống thu thập và giám sát dữ liệu điện năng cho Công ty TNHH Thương mại và Kỹ thuật Thái Bình" được thực hiện nhằm xây dựng một giải pháp tích hợp có chi phí hợp lý, tính tùy biến cao và khả năng mở rộng linh hoạt.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của đề tài là phát triển một hệ thống tích hợp có khả năng giám sát thiết bị và thu thập dữ liệu điện năng, đóng vai trò làm nền tảng cho việc tích hợp và phát triển các hệ thống quản lý trong tương lai. Hệ thống gồm hai thành phần trọng tâm:

1. Gateway thu thập năng lượng:
   • Xây dựng phần cứng giao tiếp với các thiết bị đo điện qua giao thức RS485.
   • Phát triển phần mềm cung cấp giao diện người dùng để: tạo mới, chỉnh sửa, xóa thiết bị thu thập năng lượng; giám sát dữ liệu đã thu thập của từng thiết bị; giám sát thông số vận hành hệ thống; điều chỉnh, thiết lập thông số cấu hình Gateway; xem lại nhật ký hoạt động và trạng thái lỗi.
2. Server giám sát thiết bị tập trung:
   • Cung cấp cơ chế xác thực và phân quyền người dùng theo từng phạm vi truy cập tài nguyên.
   • Quản lý danh mục thiết bị và Gateway; hiển thị chi tiết thông tin và trạng thái kết nối, xác thực, dữ liệu thu thập.
   • Quản lý hệ thống thẻ (tags) gán cho thiết bị để phục vụ phân loại.
   • Hỗ trợ tích hợp với các hệ thống bên ngoài thông qua REST API và quản trị API Key.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống phần cứng và phần mềm thu thập, truyền tải và giám sát dữ liệu điện năng từ các đồng hồ đo công nghiệp.
• Phạm vi không gian: Triển khai thử nghiệm tại Công ty TNHH Thương mại và Kỹ thuật Thái Bình, hướng tới ứng dụng cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ cùng hệ thống điện dân dụng.
• Phạm vi thời gian: Đề tài được triển khai thực hiện từ ngày 19/02/2024 đến tháng 05/2024.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và công nghệ sử dụng

Khóa luận xây dựng trên nền tảng các chuẩn giao thức công nghiệp và công nghệ phần mềm chuyên dụng:

• Hệ thống giám sát năng lượng (PMS): Hệ thống đo lường, theo dõi thông số tiêu thụ điện năng từ các thiết bị đo nhằm phát hiện sự cố, cảnh báo vượt ngưỡng, giảm tổn thất điện năng và hỗ trợ xây dựng chiến lược sử dụng năng lượng.
• Giao thức Modbus RTU: Chuẩn truyền thông nối tiếp hoạt động theo mô hình Master/Slave qua môi trường vật lý RS485 (dây xoắn đôi vi sai, khoảng cách truyền tối đa 500m). Cấu trúc khung tin Modbus RTU bao gồm 4 trường:
  • Trường địa chỉ (Address Field): 1 byte, định danh Slave từ 1 đến 247.
  • Trường mã lệnh (Function Code): 1 byte, xác định hành vi đọc/ghi dữ liệu.
  • Trường dữ liệu (Data Field): Chứa thông tin bổ sung cho lệnh hoặc dữ liệu phản hồi.
  • Trường kiểm tra lỗi (Error Check): 2 bytes, sử dụng thuật toán kiểm tra mã dư tuần hoàn (CRC 16-bit).
  • Quy tắc thời gian: Khung tin phân tách bằng khoảng thời gian im lặng tối thiểu bằng 3,5 lần thời gian truyền một ký tự UART; khoảng im lặng giữa các ký tự trong cùng khung không vượt quá 1,5 lần thời gian truyền một ký tự.
• Giao thức MQTT (Message Queuing Telemetry Transport): Giao thức truyền tin gọn nhẹ theo mô hình Publish/Subscribe trên nền TCP/IP (cổng 1883 không mã hóa và 8883 có mã hóa SSL/TLS), hỗ trợ 3 mức chất lượng dịch vụ (QoS 0, QoS 1, QoS 2).
• EMQX Broker và Rule Engine: Sử dụng broker EMQX làm trung gian điều phối bản tin; bộ xử lý quy tắc (Rule Engine) tích hợp sẵn trên EMQX cho phép trích xuất, lọc, chuyển đổi luồng dữ liệu dựa trên cú pháp SQL để lưu trực tiếp vào cơ sở dữ liệu hoặc chuyển tiếp tới các dịch vụ khác.
• Giải pháp lưu trữ dữ liệu:
  • SQLite: Hệ quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ nhúng, lưu trữ toàn bộ dữ liệu trong một tập tin duy nhất, không yêu cầu cấu hình server-client, đảm bảo chuẩn ACID, phù hợp triển khai cục bộ trên Gateway.
  • PostgreSQL & TimescaleDB: Cơ sở dữ liệu quan hệ đối tượng PostgreSQL kết hợp phần mở rộng TimescaleDB, sử dụng cấu trúc hypertable để tự động phân vùng dữ liệu theo thời gian và không gian (space/time partitioning), tối ưu hóa tốc độ ghi tần suất cao và truy vấn dữ liệu chuỗi thời gian (Time Series Data).

Phương pháp nghiên cứu

Tác giả áp dụng kết hợp các phương pháp nghiên cứu kỹ thuật:

1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Thu thập, tra cứu tài liệu chuyên ngành, phân tích thông số kỹ thuật của các chuẩn giao thức (RS485, Modbus RTU, MQTT) và nghiên cứu mô hình giải pháp từ các nhà sản xuất thiết bị công nghiệp.
2. Phương pháp phân tích yêu cầu: Xác định các tác nhân hệ thống (Quản trị viên, Kỹ thuật viên, Người dùng, Hệ thống bên ngoài), xây dựng sơ đồ Use Case và phân tách chi tiết các yêu cầu chức năng, phi chức năng.
3. Phương pháp thiết kế và tích hợp hệ thống: Phân chia kiến trúc thành hai khối độc lập (Gateway biên và Server trung tâm); thiết kế phần cứng giao tiếp UART-RS485; phát triển backend API và frontend ứng dụng web; tích hợp cơ sở dữ liệu quan hệ kết hợp chuỗi thời gian.
4. Phương pháp thực nghiệm kiểm chứng: Lắp ráp mô hình thực tế, kết nối Gateway với đồng hồ đo điện, đo đạc trực tiếp các thông số điện năng thực tế, kiểm tra độ chính xác và tính toàn vẹn của dữ liệu thu thập qua giao diện web.

Nguồn dữ liệu

Dữ liệu nghiên cứu bao gồm các tài liệu đặc tả chuẩn giao thức (Modbus, MQTT), tài liệu kỹ thuật của thiết bị đo và nguồn dữ liệu thực nghiệm đo đạc các thông số điện năng (điện áp, dòng điện, công suất, năng lượng tiêu thụ) được xuất ra từ đồng hồ đo điện qua bus RS485.

---

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo mô hình phân tán gồm hai khối chức năng độc lập: Khối thu thập dữ liệu tại biên (Gateway IoT) và Khối Server giám sát tập trung.

Thành phần	Công nghệ / Phần cứng	Vai trò và chức năng chính
Phần cứng Gateway	Máy tính nhúng Raspberry Pi 3 Model B+	Đóng vai trò máy chủ cục bộ tại biên, giao tiếp với thiết bị ngoại vi qua cổng GPIO.
Module chuyển đổi	Mạch chuyển đổi UART sang RS485	Chuyển đổi mức tín hiệu Tx/Rx từ GPIO sang tín hiệu vi sai trên đường dây A, B của bus RS485.
Backend Gateway	Python, FastAPI	Cung cấp RESTful API, quản lý logic điều khiển, đọc dữ liệu Modbus RTU, ghi log và điều phối MQTT.
Cơ sở dữ liệu Gateway	SQLite	Lưu trữ cục bộ cấu hình thiết bị, nhật ký vận hành và đệm dữ liệu đo đạc tại biên.
Dịch vụ bổ trợ Gateway	TTL Data Service, Log Service	Dịch vụ kiểm tra và tự động dọn dẹp dữ liệu quá hạn; dịch vụ quản lý và đồng bộ log lên máy chủ.
Frontend Gateway	Vue.js	Cung cấp giao diện web cục bộ để cấu hình thông số Gateway, quét thanh ghi và theo dõi dữ liệu.
Broker MQTT	EMQX (tích hợp Rule Engine)	Tiếp nhận bản tin MQTT từ các Gateway, định tuyến và kích hoạt lưu trữ dữ liệu thời gian thực.
Cơ sở dữ liệu Server	PostgreSQL kết hợp TimescaleDB	Lưu trữ dữ liệu quản trị hệ thống và dữ liệu chuỗi thời gian thông qua các bảng hypertable.
Tích hợp bên ngoài	REST API & API Key	Cung cấp giao diện lập trình ứng dụng có kiểm soát bảo mật để chia sẻ tài nguyên cho hệ thống thứ ba.

Cấu trúc kết nối phần cứng

Tại Gateway, máy tính nhúng Raspberry Pi 3 Model B+ cấp nguồn (VCC) và nối đất (GND) cho module chuyển đổi UART-RS485. Tín hiệu truyền nhận dữ liệu nối qua các chân Tx và Rx của cổng UART. Từ module chuyển đổi, hai đường dây vi sai A và B được đấu nối trực tiếp vào các cổng truyền thông RS485 của các đồng hồ đo điện năng.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày bối cảnh công nghiệp hóa - hiện đại hóa đi kèm nhu cầu sử dụng năng lượng tăng cao, khẳng định vai trò của việc quản lý năng lượng trong việc cắt giảm chi phí và gia tăng lợi nhuận. Tác giả phân tích tình hình nghiên cứu công nghệ thu thập dữ liệu năng lượng trong khu vực dân dụng (như hệ thống của tập đoàn EVN, đồng hồ điện tử thông minh) và trong công nghiệp (hệ thống EMS/SCADA của Schneider Electric, Siemens, Rockwell Automation). Chương này làm rõ tính cấp thiết của việc xây dựng một hệ thống chi phí thấp, tính mở cao, khắc phục sự phụ thuộc vào các giải pháp phần cứng/phần mềm đóng kín của các thương hiệu lớn.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 2 tập trung trình bày các nền tảng lý thuyết và chuẩn giao thức kỹ thuật được ứng dụng trong đề tài:

• Khái niệm, lợi ích và hạn chế của hệ thống giám sát điện năng (PMS).
• Chi tiết giao thức Modbus RTU: mô hình Master/Slave, cấu trúc khung tin truy vấn (Query) và phản hồi (Response), các trường địa chỉ, mã hàm, dữ liệu, trường kiểm tra lỗi CRC-16 và quy định về khoảng thời gian im lặng 3,5 ký tự.
• Giao thức MQTT: cơ chế Publish/Subscribe, các thành phần Client/Broker/Topic/Session, ba cấp độ QoS (0, 1, 2) và quy trình hoạt động 4 giai đoạn (Kết nối, Xác thực, Giao tiếp, Kết thúc).
• Cơ sở dữ liệu: Phân biệt SQL và NoSQL, cơ chế hoạt động của SQLite trên thiết bị nhúng và PostgreSQL kết hợp TimescaleDB với cấu trúc hypertable để xử lý dữ liệu chuỗi thời gian.
• Nguyên lý hoạt động của EMQX Rule Engine trong việc lọc và xử lý luồng dữ liệu thời gian thực.

Chương 3: Phân tích yêu cầu

Chương này xác định toàn bộ yêu cầu của hệ thống:

• Yêu cầu chức năng cho Gateway: Giao tiếp qua RS485 để thu thập các thông số điện áp (Volt), dòng điện (Current), công suất/năng lượng (Energy); cung cấp giao diện quản lý thiết bị (thêm, sửa, xóa); hiển thị bảng và biểu đồ thời gian thực; giám sát nhiệt độ, điện áp và kết nối của Gateway; cấu hình thông số mạng và thời gian tồn tại dữ liệu (TTL); lưu trữ và đẩy log từ mức INFO trở lên về Server.
• Yêu cầu chức năng cho Server: Xác thực và phân quyền người dùng; quản lý tập trung danh mục thiết bị và Gateway; giám sát trạng thái kết nối và cảnh báo mất kết nối; quản lý hệ thống thẻ phân loại (tags); quản lý tạo và thu hồi API Key có giới hạn phạm vi (scope).
• Yêu cầu phi chức năng: Giao diện người dùng thích ứng đa nền tảng (Responsive UI); giao tiếp an toàn qua HTTPS và MQTT; đảm bảo tính toàn vẹn, độ chính xác của dữ liệu và thời gian phản hồi nhanh khi xử lý lượng dữ liệu lớn.
• Phân tích tác nhân hệ thống: Xác định 4 nhóm tác nhân gồm Quản trị viên (Admin), Kỹ thuật viên (Technician), Người dùng (User), và Các hệ thống bên ngoài (External Systems) thông qua bảng mô tả vai trò và sơ đồ Use Case tổng thể.

Chương 4: Thiết kế hệ thống

Chương 4 mô tả chi tiết kiến trúc kỹ thuật của hệ thống:

• Thiết kế Gateway: Sơ đồ kiến trúc phân tầng; sơ đồ đấu nối phần cứng giữa Raspberry Pi 3 Model B+, module UART-RS485 và đồng hồ đo điện qua các dây VCC, GND, Tx, Rx, A, B; thiết kế cơ sở dữ liệu SQLite (bảng user, bảng cấu hình, bảng thiết bị, bảng dữ liệu, bảng mẫu thiết bị, bảng nhật ký); xây dựng lưu đồ hoạt động cho Modbus Connector, API Service (FastAPI), MQTT Service, Log Service và TTL Service.
• Thiết kế Server giám sát: Kiến trúc máy chủ xử lý tập trung; thiết kế cơ sở dữ liệu PostgreSQL/TimescaleDB với các bảng: role_permission, api_key, device_relation, device_tag, device_credentials, device_attribute, latest_metric; lưu đồ xử lý luồng bản tin metric từ EMQX Rule Engine và quy trình xác thực API Key từ các dịch vụ bên ngoài.

Chương 5: Triển khai và thực nghiệm

Tác giả trình bày quy trình thiết lập môi trường triển khai cho Gateway và Server giám sát:

• Môi trường triển khai: Cài đặt hệ điều hành, cấu hình dịch vụ trên Raspberry Pi 3 Model B+ và triển khai máy chủ tập trung với broker EMQX và database TimescaleDB.
• Kết quả thực nghiệm: Kết nối thành công hệ thống với đồng hồ đo điện năng thực tế; kiểm chứng việc đọc chính xác các thanh ghi thông số điện; vận hành ổn định các màn hình giao diện trên Gateway và Server (giao diện đăng nhập, trang tổng quan Dashboard, form quản lý cấu hình thiết bị, giao diện thanh ghi dữ liệu, trang quản lý thẻ và trang tạo API Key).

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Đánh giá tổng kết các mục tiêu đã hoàn thành của đề tài và chỉ ra các giới hạn kỹ thuật cần khắc phục trong các giai đoạn nghiên cứu tiếp theo.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

• Xây dựng hoàn chỉnh phần cứng và phần mềm Gateway: Triển khai thành công thiết bị Gateway trên nền máy tính nhúng Raspberry Pi 3 Model B+, kết nối vật lý với đồng hồ đo điện thông qua module UART-RS485, thực hiện đọc dữ liệu theo chuẩn Modbus RTU chính xác và liên tục.
• Phát triển hệ thống Server giám sát tập trung: Xây dựng máy chủ quản lý hỗ trợ giao thức MQTT với broker EMQX, tích hợp Rule Engine để tự động xử lý và lưu trữ dữ liệu vào TimescaleDB, tối ưu cho việc truy vấn dữ liệu chuỗi thời gian.
• Hoàn thiện các giao diện người dùng: Cung cấp đầy đủ các trang chức năng trên nền web (Vue.js) cho cả Gateway và Server, hỗ trợ theo dõi thông số điện năng tức thời, quản lý cấu hình thiết bị, xuất dữ liệu lịch sử, giám sát trạng thái hệ thống và quản trị nhật ký hoạt động.
• Cung cấp cơ chế tích hợp chuẩn hóa: Thiết lập cổng giao tiếp REST API có xác thực bằng API Key, cho phép các hệ thống phần mềm bên thứ ba truy xuất dữ liệu an toàn theo phạm vi phân quyền.

Giải pháp và kiến nghị của tác giả

• Ứng dụng mô hình kiến trúc phân tán kết hợp xử lý biên (Edge Computing tại Gateway) và xử lý tập trung (Central Server) nhằm giảm tải đường truyền mạng và duy trì tính liên tục của dữ liệu khi mất kết nối.
• Sử dụng các giải pháp phần mềm mã nguồn mở (FastAPI, Vue.js, EMQX, PostgreSQL, TimescaleDB, SQLite) trên nền phần cứng phổ thông (Raspberry Pi) nhằm tối ưu chi phí đầu tư cho doanh nghiệp.

Đóng góp của đề tài

Theo công bố của tác giả trong văn bản, đề tài đóng góp một giải pháp hệ thống giám sát năng lượng mang tính mở, cho phép linh hoạt cấu hình kết nối các thiết bị đo điện năng khác nhau qua giao thức Modbus RTU/RS485, khắc phục hạn chế phụ thuộc vào thiết bị độc quyền của các hệ sinh thái thương mại đắt đỏ hiện nay. Đồng thời, hệ thống cung cấp giao diện lập trình ứng dụng (REST API) sẵn sàng cho việc tích hợp vào các hệ thống quản trị doanh nghiệp quy mô lớn hơn.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận

• Giới hạn về chuẩn truyền thông: Gateway hiện tại mới chỉ hỗ trợ giao tiếp qua chuẩn vật lý RS485 với giao thức Modbus RTU, chưa hỗ trợ các chuẩn truyền thông công nghiệp hoặc không dây khác.
• Chi phí phần cứng: Việc triển khai thực tế đòi hỏi chi phí đầu tư các thiết bị phần cứng (máy tính nhúng, máy chủ lưu trữ, module chuyển đổi và các thiết bị đo điện năng chuyên dụng), đây là yếu tố chi phí cần cân nhắc đối với người dùng dân dụng hoặc quy mô hộ gia đình.
• Chức năng điều khiển: Hệ thống tập trung chủ yếu vào chức năng thu thập và giám sát dữ liệu điện năng, chưa tích hợp chức năng điều khiển tự động thiết bị chấp hành như các hệ SCADA hoàn chỉnh.

Hướng nghiên cứu tiếp

• Nghiên cứu các phương án tối ưu hóa thiết kế phần cứng nhằm giảm thiểu chi phí sản xuất Gateway.
• Mở rộng hỗ trợ thêm nhiều giao thức thu thập dữ liệu công nghiệp và giao thức không dây khác trên Gateway.
• Nâng cấp giao diện giám sát người dùng, bổ sung các thuật toán phân tích dữ liệu chuyên sâu và phát triển thêm các tính năng hướng đến trải nghiệm người dùng cuối.

---

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận có giá trị tham khảo chuyên môn cho các đối tượng và nội dung sau:

• Sinh viên và nghiên cứu sinh: Thuộc các ngành Hệ thống nhúng và IoT, Kỹ thuật Máy tính, Điện tử - Viễn thông, Tự động hóa và Công nghệ thông tin có thể tham khảo toàn bộ quy trình thiết kế một hệ thống IoT hoàn chỉnh từ tầng phần cứng đến tầng ứng dụng web.
• Kỹ sư phát triển hệ thống IoT công nghiệp: Tham khảo giải pháp kết nối UART-RS485 trên máy tính nhúng Linux/Raspberry Pi, kiến trúc đọc dữ liệu Modbus RTU bằng Python/FastAPI và giải pháp dọn dẹp dữ liệu cục bộ (TTL Service).
• Kỹ sư phần mềm và dữ liệu: Tham khảo mô hình tích hợp MQTT Broker EMQX với Rule Engine, kỹ thuật thiết kế cơ sở dữ liệu chuỗi thời gian bằng TimescaleDB trên nền PostgreSQL và cơ chế quản lý xác thực bằng API Key cho các hệ thống phân tán.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Khóa luận sử dụng loại máy tính nhúng nào để làm Gateway và kết nối với đồng hồ đo điện qua chuẩn gì?
Tác giả sử dụng máy tính nhúng Raspberry Pi 3 Model B+ làm Gateway. Thiết bị kết nối với các đồng hồ đo điện năng thông qua module chuyển đổi UART sang RS485 bằng các chân GPIO (Tx, Rx, VCC, GND) và truyền nhận tín hiệu vi sai qua hai dây A và B.

2. Giao thức nào được sử dụng để truyền dữ liệu giữa Gateway và Server giám sát tập trung?
Hệ thống sử dụng giao thức MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) thông qua Broker EMQX để truyền tải dữ liệu từ Gateway lên Server. Ngoài ra, giao tiếp giữa ứng dụng web và Server sử dụng giao thức HTTPS.

3. Hệ thống lưu trữ dữ liệu bằng những cơ sở dữ liệu nào tại Gateway và Server?
Tại Gateway, hệ thống sử dụng cơ sở dữ liệu nhúng SQLite để lưu trữ cấu hình, nhật ký hoạt động và đệm dữ liệu. Tại Server tập trung, hệ thống sử dụng PostgreSQL kết hợp phần mở rộng TimescaleDB với cấu trúc hypertable để tối ưu hóa lưu trữ và truy vấn dữ liệu chuỗi thời gian (Time Series Data).

4. Khung bản tin Modbus RTU trong nghiên cứu có cấu trúc gồm những trường nào?
Khung bản tin Modbus RTU gồm 4 trường chính: Trường địa chỉ (Address Field: 1 byte, từ 1 đến 247), Trường mã lệnh (Function Code: 1 byte), Trường dữ liệu (Data Field) và Trường kiểm tra lỗi (Error Check: 2 bytes, sử dụng thuật toán CRC 16-bit).

5. Các hệ thống bên ngoài tương tác với Server giám sát thiết bị thông qua cơ chế nào?
Các hệ thống bên ngoài tương tác với Server thông qua giao diện lập trình ứng dụng REST API và được xác thực, kiểm soát quyền truy cập thông qua mã định danh API Key với các phạm vi phân quyền (scope) do Quản trị viên thiết lập.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã thiết kế và triển khai thành công hệ thống thu thập và giám sát dữ liệu điện năng toàn diện gồm hai khối Gateway IoT và Server tập trung cho Công ty TNHH Thương mại và Kỹ thuật Thái Bình. Hệ thống kết hợp hiệu quả giữa phần cứng máy tính nhúng Raspberry Pi 3 Model B+, chuẩn truyền thông công nghiệp Modbus RTU/RS485, giao thức MQTT với EMQX Rule Engine và cơ sở dữ liệu chuỗi thời gian TimescaleDB. Kết quả thực nghiệm xác nhận hệ thống hoạt động ổn định, thu thập thông số điện năng chính xác và cung cấp đầy đủ giao diện giám sát trực quan cùng REST API mở. Công trình cung cấp giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng thực tiễn cao, giúp tối ưu chi phí đầu tư và làm nền tảng cho việc mở rộng các tính năng quản lý năng lượng nâng cao trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan Giới thiệu chung về đề tài nghiên cứu, tính cấp thiết và ứng dụng thực tế của đề tài. Bên cạnh đó cũng đưa ra một số mục tiêu, giới hạn và phương pháp nghiên cứu của đề tài. Chương 2: Cơ sở lý thuyết Trình bày một số khái niệm về các chuẩn giao thức truyền thông được áp dụng trong đề tài này cũng như một số ngôn ngữ để xây dựng hệ thống cho đề tài. Chương 3: Phân tích yêu cầu Phân tích thông tin từ những yêu cầu đã đề ra và đưa ra cụ thể nhưng gì cần phải làm, từ đó giúp cho việc thiết kế hệ thống trở nên rõ ràng và dễ dàng hơn.

Chương 4: Thiết kế hệ thống Thiết kế hệ thống thu thập và giám sát dữ liệu điện năng dựa trên những yêu cầu đã đặt ra sao cho phù hợp với nhu cầu thực tế của thị trường. Tiếp đó sẽ ghép nối và giao tiếp các hệ thống nhỏ lại với nhau để tạo thành một hệ thống lớn nhằm tạo sự dạng và đáp ứng nhiều khách hàng khác nhau. Chương 5: Kết quả đạt được Đưa ra kết quả dựa trên những gì đã làm được, một hệ thống thu thập và giám sát năng lượng có chức năng thực hiện các yêu cầu đề nhằm cung cấp một sản phẩm thực tế cho thị trường. Chương 6: Kết luận và hướng phát triển Từ kết quả đạt được và những yêu cầu thị trường mà nhóm đặt ra những hạn chế mà hệ thống còn gặp phải cũng như đưa ra giải pháp để khắc phục.

8 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THU THẬP VÀ GIÁM SÁT NĂNG LƯỢNG 2.1 Khái niệm Hệ thống thu thập và giám sát năng lượng (PMS - Power Monitoring System) là hệ thống cho phép người dùng có thể đo lường và theo dõi được năng lượng tiêu thụ được thu thập từ các thiết bị thu thập năng lượng, từ đó cho phép người dùng có thể theo dõi trực tiếp, quản lý rủi ro, tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ cho các thiết bị và từ những dữ liệu năng lượng tiêu thụ thu thập được mà đưa ra những giải pháp tiết kiệm năng lượng giúp bảo vệ môi trường, giảm thiểu chi phí về năng lượng và tạo ra những nguồn lợi nhuận khác cho người dùng. Hiện nay, những nhà máy, xí nghiệp đa số đều sử dụng những hệ thống PMS này hoặc những hệ thống liên quan để quản lý năng lượng tiêu thụ và giúp tăng lợi nhuận cho công ty nhiều hơn.2 Lợi ích của việc sử dụng hệ thống Việc sử dụng hệ thống thu thập và giám sát năng lượng mang đến những lợi ích sau: - Theo dõi trực quan năng lượng của từng thiết bị, khu vực được kết nối với hệ thống. - Giám sát trực tiếp phát hiện rủi ro vượt ngưỡng, mất tín hiệu,. - Thuận tiện cho việc bảo trì, lắp đặt.

- Lưu trữ dữ liệu thu thập cho phép người dùng có thể lấy dữ liệu năng lượng để xem xét lỗi, phân tích dữ liệu để đưa ra giải pháp tiết kiệm năng lượng,.3 Hạn chế của hệ thống Bên cạnh những lợi ích đã đưa ra, hệ thống thu thập và giám sát năng lượng còn có những hạn chế như chỉ có thể giám sát được năng lượng đã thu thập mà không có điều khiển, nếu muốn có điều khiển thì phải nâng cấp hệ thống SCADA với nguồn kinh phí đắt đỏ hơn. Việc tích hợp giữa các hãng còn hạn chế, chỉ những hệ thống của hãng này mới thu thập được năng lượng của nó chứ không thu thập được các hãng khác.2 GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG MODBUS RTU 2.1 Giới thiệu Modbus là một giao thức truyền thông phổ biến được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển và giám sát công nghiệp. Giao thức này cho phép giao tiếp giữa các thiết bị khác nhau như máy tính, thiết bị điều khiển logic, thiết bị hiển thị, đầu đọc và các thiết bị đầu cuối khác. Modbus hoạt động dựa trên mô hình truyền thông master/slave, trong đó máy chủ (master) khởi tạo yêu cầu và các thiết bị slave phản hồi.

Điều này cho phép truyền thông tin liên lạc hai chiều giữa các thiết bị trên mạng. Modbus là một cấu trúc truyền tin, một giao thức truyền thông tiêu chuẩn quốc tế dùng để trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị của các hãng khác nhau và nó có thể sử dụng trên nhiều môi trường truyền khác nhau như RS-232, RS-485, Ethernet,. Tùy vào mục đích của việc truyền thông mà người dùng có thể sử dụng các chuẩn truyền khác nhau. Ví dụ như chuẩn truyền RS-232 thường được dùng để giao tiếp master – slave theo hình thức p2p (point to point), có nghĩa là chuẩn RS-232 thường dùng cho các trường hợp có 1 master và 1 slave giao tiếp với nhau mà không cần thông qua mạng trung gian nào khác.

Chuẩn RS-485 là chuẩn phổ biến vì nó có thể truyền tin với chống nhiễu tốt và kết nối được nhiều thiết bị trên 1 đường truyền. Dây cáp truyền tin của RS-485 yêu cầu là cáp xoắn và có giới hạn truyền tin trong bán kính 500m, kèm với sự lắp đặt dễ dàng và chi 10 phí thấp nên hiện tại chuẩn truyền thông RS-485 rất phổ biến trong lĩnh vực công nghiệp [1].2 Cấu trúc bản tin Modbus RTU Một khung tin Modbus RTU (Remote Terminal Unit) được xây dựng dựa trên các khung tin UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter). Các khung tin Modbus phải được phân cách bởi một khoảng thời gian im lặng (silent interval) tối thiểu bằng 3,5 lần thời gian truyền một ký tự UART. Trong một khung tin Modbus, các ký tự phải được truyền liên tục.

Nếu có khoảng im lặng lớn hơn 1,5 lần thời gian truyền một ký tự xuất hiện trong khung tin, khung tin đó sẽ bị coi là không hoàn chỉnh và bị bỏ qua bởi thiết bị nhận.1 Cấu trúc bản tin Modbus RTU Hình 2.2 Quá trình truyền nhận giao thức Modbus RTU 11 Khung tin từ thiết bị Master gọi là Query, còn khung tin phản hồi từ Slave gọi là Response. Master có thể gửi khung tin broadcast cho tất cả các Slave mà không yêu cầu phản hồi. Khung tin Query và Response của Modbus RTU gồm 4 trường chính: 1. Trường địa chỉ (Address Field): Xác định địa chỉ của Slave mà Master muốn giao tiếp, từ 1 đến 247.

Trường mã lệnh (Function Code): Chỉ định hành động mà Master yêu cầu Slave thực hiện, như đọc/ghi dữ liệu. Trường dữ liệu (Data): Chứa thông tin bổ sung cho Slave thực hiện lệnh trong Query, hoặc chứa dữ liệu yêu cầu trong Response. Trường kiểm tra lỗi (Error Check): Sử dụng phương pháp Cyclical Redundancy Check (CRC) để kiểm tra lỗi khung tin, chiếm 16 bit. Điều quan trọng là các khung tin Modbus phải tuân thủ khoảng thời gian im lặng và cách bố trí các trường dữ liệu theo quy định để đảm bảo giao tiếp đúng cách giữa Master và Slave.3 Ứng dụng Modbus RTU (Remote Terminal Unit) là một giao thức truyền thông phổ biến trong lĩnh vực điều khiển và thu thập dữ liệu trong công nghiệp.

Nó có nhiều ứng dụng quan trọng như sau [1]: - Hệ thống giám sát và điều khiển quy trình sản xuất: Modbus RTU được sử dụng để giám sát và điều khiển các thiết bị như PLC (Programmable Logic Controller), HMI (Human-Machine Interface), và các cảm biến trong môi trường sản xuất công nghiệp. - Hệ thống quản lý tòa nhà (BMS - Building Management System): Giao thức này được sử dụng để giám sát và điều khiển các hệ thống như điều hòa không khí, đèn chiếu sáng, hệ thống báo cháy và an ninh trong các tòa nhà thông minh. 12 - Hệ thống điều khiển và giám sát năng lượng: Modbus RTU cho phép thu thập dữ liệu từ các thiết bị đo đạc như đồng hồ điện, cảm biến nhiệt độ và áp suất, giúp quản lý và tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng trong các nhà máy và tòa nhà. - Hệ thống giám sát và điều khiển môi trường: Giao thức này được sử dụng để giám sát và điều khiển các thiết bị đo lường môi trường như cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, và chất lượng không khí trong các nhà kính, phòng thí nghiệm và nhà máy.

- Hệ thống đo lường và giám sát từ xa: Modbus RTU cho phép truyền dữ liệu đo lường và giám sát qua đường truyền dài như mạng điện thoại, radio hoặc vệ tinh, giúp giám sát và điều khiển từ xa các hệ thống và thiết bị trong ngành dầu khí, điện lực và giao thông. - Hệ thống tự động hóa trong nông nghiệp: Giao thức này được sử dụng để giám sát và điều khiển các thiết bị như máy bơm, van, cảm biến trong hệ thống tưới tiêu và kiểm soát môi trường trong nhà kính. Modbus RTU là giao thức tiêu chuẩn, dễ triển khai và tương thích với nhiều loại thiết bị khác nhau từ các nhà sản xuất khác nhau, đó là lý do nó được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp.3 GIAO THỨC MQTT 2.1 Giới thiệu MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) là giao thức truyền thông điệp (message) theo mô hình publish/subscribe, được sử dụng cho các thiết bị IoT với băng thông thấp, độ tin cậy cao và khả năng sử dụng tốt trong điều kiện mạng không ổn định [2].2 Tính năng nổi bật Mô hình Pub/Sub hỗ trợ truyền tải thông điệp phân tán một chiều, tách biệt với các phần của ứng dụng. 13 Thông điệp được truyền ngay lập tức mà không quan tâm đến nội dung cụ thể.

Sử dụng giao thức TCP/IP làm nền tảng. Hỗ trợ ba mức độ tin cậy trong truyền tải dữ liệu (QoS: Quality of Service): - QoS 0: Broker/client chỉ gửi dữ liệu một lần và việc gửi được xác nhận thông qua giao thức TCP/IP. - QoS 1: Broker/client gửi dữ liệu với ít nhất một lần xác nhận từ phía nhận, có thể có nhiều hơn một lần xác nhận. - QoS 2: Broker/client đảm bảo dữ liệu được nhận đúng một lần thông qua quy trình bắt tay bốn bước.

Gói dữ liệu được tối ưu hóa để giảm tải cho đường truyền.3 Tổng quan về mô hình Pub/Sub Mô hình Pub/Sub bao gồm hai thành phần chính: Client và Broker. Client được chia thành hai vai trò là Publisher và Subscriber. Broker đóng vai trò trung tâm, là điểm kết nối của tất cả các Client (Publisher/Subscriber). Chức năng chính của Broker là nhận thông điệp từ Publisher, xếp vào hàng đợi, và sau đó chuyển tiếp đến địa chỉ cụ thể.

Ngoài ra, Broker còn có thể thực hiện các chức năng bổ sung như bảo mật thông điệp, lưu trữ thông điệp, và ghi lại nhật ký. Client được chia thành hai loại: Publisher và Subscriber. Client có thể thực hiện ít nhất một trong hai nhiệm vụ: publish thông điệp lên một hoặc nhiều chủ đề cụ thể (topics) hoặc subscribe vào một hoặc nhiều chủ đề để nhận thông điệp từ các chủ đề này.