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.