Thiết Kế Hệ Thống Giám Sát Năng Lượng Điện Trong Nhà

Đồ án nghiên cứu chuyên ngành 1 thiết kế hệ thống giám sát năng lượng điện trong nhà, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán kỹ thuật.

• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Giám Sát Năng Lượng Điện Trong Nhà

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT NĂNG LƯỢNG ĐIỆN
• 1.1. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. QUY TRÌNH THỰC HIỆN HỆ THỐNG
• 2.2. GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG
• 2.2.1. Arduino WeMos D1 R2 Wifi ESP8266
• 2.2.2. Module đo điện năng PZEM-004T
• 2.2.3. Màn hình LCD OLED 0.96
• 2.3. CÁC CHUẨN GIAO TIẾP
• 2.3.1. Chuẩn giao tiếp UART
• 2.3.2. Chuẩn giao tiếp I2C
• 2.4. GIỚI THIỆU PHẦN MỀM
• 2.4.1. Phần mềm Arduino IDE
• 2.4.2. Blynk IoT
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
• 3.1. THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG
• 3.1.1. Sơ đồ khối của hệ thống
• 3.1.2. Chức năng từng khối
• 3.2. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH
• 3.2.1. Khối đo điện năng
• 3.2.2. Khối hiển thị
• 3.2.3. Sơ đồ nguyên lý toàn mạch
• 4. CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG
• 4.1. THI CÔNG HỆ THỐNG
• 4.1.1. Danh sách các linh kiện
• 4.1.2. Lắp ráp và kiểm tra
• 4.2. ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH
• 4.3. LẬP TRÌNH HỆ THỐNG
• 4.3.1. Phần mềm lập trình cho vi điều khiển
• 4.3.2. Giới thiệu phần mềm lập trình
• 4.3.3. Thao tác cài đặt
• 4.3.4. Hướng dẫn sử dụng
• 4.3.5. Lập trình cho WeMos D1 R2 Wifi ESP8266
• 4.3.6. Chương trình hệ thống
• 4.3.7. Lập trình cho Blynk
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ, NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ
• 5.1. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
• 5.2. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
• 5.3. NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tầm Quan Trọng Của Việc Thiết Kế Hệ Thống Giám Sát Điện

Trong bối cảnh hiện đại hóa, năng lượng điện đã trở thành một yếu tố không thể thiếu, quyết định đến mọi hoạt động từ sản xuất đến sinh hoạt. Tuy nhiên, việc sử dụng điện thiếu kiểm soát dẫn đến lãng phí tài nguyên và chi phí tài chính đáng kể cho mỗi hộ gia đình. Đây chính là lúc việc thiết kế hệ thống giám sát năng lượng điện trong nhà trở nên cấp thiết. Một hệ thống hiệu quả không chỉ cung cấp cái nhìn chi tiết về lượng điện tiêu thụ mà còn là nền tảng cho một lối sống thông minh và bền vững. Mục tiêu cốt lõi của hệ thống này là biến những con số vô tri trên hóa đơn thành dữ liệu trực quan, dễ hiểu, giúp người dùng xác định chính xác các thiết bị tiêu tốn nhiều năng lượng nhất. Từ đó, họ có thể đưa ra các quyết định sáng suốt để tối ưu hóa sử dụng điện. Các nghiên cứu, điển hình như đồ án của nhóm sinh viên tại Đại học Giao thông Vận tải (2023), đã chứng minh rằng việc triển khai một hệ thống quản lý năng lượng (EMS) tại gia có thể mang lại hiệu quả rõ rệt. Hệ thống này cho phép theo dõi các thông số quan trọng như điện áp, dòng điện, công suất theo thời gian thực. Thông qua một dashboard giám sát năng lượng trên ứng dụng di động hoặc website, người dùng có thể dễ dàng quản lý và kiểm soát việc sử dụng điện mọi lúc, mọi nơi. Việc này không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn nâng cao an toàn điện gia đình, góp phần xây dựng một môi trường sống hiện đại và có trách nhiệm.

1.1. Bối cảnh và nhu cầu giám sát tiêu thụ điện hiện nay

Sự phát triển của công nghệ đã mang lại vô số thiết bị điện tiện ích cho mỗi gia đình, từ đó đẩy nhu cầu sử dụng điện năng lên cao. Tuy nhiên, sự tiện lợi này cũng đi kèm với thách thức trong việc quản lý chi phí. Hầu hết người dùng chỉ nhận biết được mức tiêu thụ qua hóa đơn tiền điện hàng tháng, một con số tổng hợp không chỉ ra được nguồn gốc của sự lãng phí. Nhu cầu giám sát tiêu thụ điện một cách chi tiết và minh bạch ngày càng tăng cao. Người dùng mong muốn một công cụ có thể chỉ rõ thiết bị nào đang hoạt động, tiêu thụ bao nhiêu điện và vào thời điểm nào. Giải pháp này không chỉ giúp họ điều chỉnh thói quen sử dụng mà còn phát hiện kịp thời các sự cố như rò rỉ điện hoặc thiết bị hoạt động bất thường, đảm bảo an toàn cho cả gia đình.

1.2. Lợi ích vượt trội của một hệ thống quản lý năng lượng

Việc trang bị một hệ thống quản lý năng lượng (EMS) mang lại nhiều lợi ích hơn là chỉ theo dõi các con số. Đầu tiên, nó cung cấp khả năng phân tích dữ liệu lịch sử, giúp người dùng nhận ra các xu hướng tiêu thụ và lập kế hoạch sử dụng điện hiệu quả hơn. Thứ hai, hệ thống này là một phần không thể thiếu của các giải pháp smart home, cho phép tích hợp và điều khiển các thiết bị từ xa. Thứ ba, nó đóng vai trò như một công cụ cảnh báo sớm, ví dụ khi công suất sử dụng vượt ngưỡng an toàn, hệ thống sẽ gửi thông báo ngay lập tức. Cuối cùng, lợi ích lớn nhất là về mặt tài chính. Bằng cách xác định và loại bỏ các nguồn gây lãng phí, người dùng có thể giảm đáng kể hóa đơn tiền điện hàng tháng, biến khoản đầu tư ban đầu thành một khoản tiết kiệm lâu dài.

II. Thách Thức Khi Giám Sát Điện Năng Hóa Đơn Tiền Điện

Mặc dù lợi ích là rõ ràng, việc triển khai một thiết kế hệ thống giám sát năng lượng điện trong nhà vẫn đối mặt với nhiều thách thức. Thách thức lớn nhất đối với người dùng phổ thông là sự phức tạp của các thông số kỹ thuật. Các khái niệm như công suất thực (kW), năng lượng tiêu thụ (kWh), hệ số công suất (Power Factor) thường khó hiểu, khiến việc phân tích hóa đơn tiền điện trở nên rối rắm. Hóa đơn hàng tháng chỉ cung cấp một con số tổng kết, không phản ánh được mô hình sử dụng chi tiết, chẳng hạn như thiết bị nào là "thủ phạm" chính gây tốn điện. Hơn nữa, sự thiếu vắng một công cụ theo dõi trực quan khiến người dùng không thể nhận ra các hành vi lãng phí tiềm ẩn, như các thiết bị tiêu thụ điện ở chế độ chờ. Một thách thức khác là vấn đề an toàn điện gia đình. Việc lắp đặt các thiết bị đo lường không đúng cách có thể gây ra nguy cơ chập cháy, đòi hỏi kiến thức kỹ thuật nhất định. Chi phí đầu tư ban đầu cho các thiết bị đo điện thông minh cũng là một rào cản. Tuy nhiên, các giải pháp DIY (tự làm) dựa trên nền tảng như Arduino hay Raspberry Pi đang dần trở nên phổ biến, giúp giảm chi phí và tăng tính tùy biến cho hệ thống, như đã được minh chứng trong nhiều dự án nghiên cứu ứng dụng.

2.1. Phân tích hóa đơn tiền điện Những con số khó hiểu

Đối với đa số người dùng, hóa đơn tiền điện là một bảng số liệu khó hiểu. Họ không thể biết tại sao tháng này chi phí lại tăng đột biến so với tháng trước. Việc phân tích hóa đơn tiền điện một cách thủ công là bất khả thi. Một hệ thống giám sát cung cấp dữ liệu chi tiết, chia nhỏ lượng tiêu thụ theo từng ngày, thậm chí từng giờ. Nó trực quan hóa dữ liệu bằng biểu đồ, giúp so sánh và đối chiếu dễ dàng. Nhờ đó, người dùng có thể liên kết các hoạt động trong nhà (như sử dụng máy lạnh, máy nước nóng) với mức tăng đột biến của điện năng tiêu thụ, từ đó có cơ sở để điều chỉnh hành vi.

2.2. Rủi ro về an toàn điện gia đình và lãng phí năng lượng

Việc sử dụng điện luôn tiềm ẩn những rủi ro. Quá tải đường dây, thiết bị cũ bị rò rỉ điện là những nguyên nhân hàng đầu gây ra cháy nổ. Một hệ thống giám sát hiện đại có thể phát hiện các dấu hiệu bất thường như dòng điện tăng đột ngột hoặc công suất vượt ngưỡng cho phép. Tính năng này giúp tăng cường đáng kể an toàn điện gia đình. Bên cạnh đó, tình trạng lãng phí năng lượng thường không được chú ý. Các thiết bị như TV, sạc điện thoại, router wifi vẫn tiêu thụ một lượng điện đáng kể ngay cả khi không sử dụng (phantom load). Hệ thống giám sát giúp xác định chính xác các "ma cà rồng năng lượng" này, tạo cơ hội cho việc tiết kiệm năng lượng một cách hiệu quả.

III. Hướng Dẫn Lựa Chọn Phần Cứng Cho Hệ Thống Giám Sát Điện

Để xây dựng một thiết kế hệ thống giám sát năng lượng điện trong nhà hoàn chỉnh, việc lựa chọn phần cứng phù hợp là bước đầu tiên và quan trọng nhất. Cấu trúc của một hệ thống cơ bản thường bao gồm ba thành phần chính: khối đo lường, khối xử lý trung tâm, và khối hiển thị/giao tiếp. Theo nghiên cứu được trích dẫn, khối xử lý trung tâm thường là một vi điều khiển có khả năng kết nối Internet, chẳng hạn như WeMos D1 R2 mini (dựa trên chip ESP8266). Đây là trái tim của hệ thống, có nhiệm vụ thu thập dữ liệu từ cảm biến và gửi lên nền tảng đám mây. Đối với khối đo lường, module PZEM-004T là một lựa chọn phổ biến và hiệu quả. Module này tích hợp sẵn khả năng đo lường công suất thực (kW, kWh), điện áp và dòng điện một cách chính xác. Nó thường đi kèm với một cảm biến dòng điện CT dạng kẹp, giúp việc lắp đặt trở nên đơn giản và an toàn, không cần phải can thiệp trực tiếp vào đường dây điện. Các thiết bị đo điện thông minh như PZEM-004T giao tiếp với vi điều khiển qua các chuẩn như UART, đảm bảo dữ liệu được truyền đi một cách ổn định. Cuối cùng, để hiển thị thông tin trực tiếp, một màn hình OLED nhỏ gọn là đủ dùng. Sự kết hợp các linh kiện này tạo ra một hệ thống giám sát mạnh mẽ, chi phí hợp lý và dễ dàng triển khai.

3.1. Vi điều khiển trung tâm và công nghệ IoT

Bộ xử lý trung tâm là bộ não của hệ thống. Các bo mạch như WeMos D1 R2 mini, dựa trên chip ESP8266, là lựa chọn lý tưởng nhờ tích hợp sẵn kết nối Wi-Fi. Điều này cho phép ứng dụng IoT trong quản lý năng lượng một cách dễ dàng. Vi điều khiển sẽ nhận dữ liệu thô từ module đo lường, xử lý chúng, sau đó đẩy lên các nền tảng IoT như Blynk. Với bộ nhớ và khả năng xử lý đủ mạnh, nó có thể chạy các thuật toán phân tích đơn giản và điều khiển các thiết bị hiển thị tại chỗ như màn hình OLED.

3.2. Cảm biến dòng điện CT và module đo lường PZEM 004T

Thành phần quan trọng nhất để thu thập dữ liệu là module đo lường. Module PZEM-004T được đánh giá cao về độ chính xác và an toàn. Điểm ưu việt của nó là sử dụng cảm biến dòng điện CT (Current Transformer) không xâm lấn. Người dùng chỉ cần kẹp cảm biến này vào một trong hai dây nóng của nguồn điện tổng mà không cần cắt dây. Điều này giúp loại bỏ hoàn toàn nguy cơ điện giật khi lắp đặt. Module này có thể đo dải điện áp rộng (80-260V AC) và dòng điện lên đến 100A, phù hợp với hầu hết các hộ gia đình. Dữ liệu được truyền qua giao tiếp UART, một chuẩn giao tiếp nối tiếp phổ biến và đáng tin cậy.

IV. Quy Trình Thiết Kế Và Lập Trình Hệ Thống Giám Sát Năng Lượng

Sau khi lựa chọn phần cứng, quy trình thiết kế hệ thống giám sát năng lượng điện trong nhà đi vào giai đoạn lắp ráp và lập trình. Bước đầu tiên là thiết kế sơ đồ nguyên lý, xác định cách kết nối các module với nhau. Cụ thể, module PZEM-004T sẽ được kết nối với vi điều khiển ESP8266 qua các chân UART (TX, RX), trong khi màn hình OLED sẽ kết nối qua giao thức I2C (SDA, SCL). Việc lắp ráp cần tuân thủ nghiêm ngặt các nguyên tắc về an toàn điện. Giai đoạn tiếp theo là lập trình cho vi điều khiển. Môi trường phát triển tích hợp Arduino IDE là công cụ phổ biến nhất để lập trình cho ESP8266. Lập trình viên cần viết mã để đọc dữ liệu từ PZEM-004T, xử lý các giá trị điện áp, dòng điện, công suất, sau đó hiển thị lên màn hình OLED và đồng thời gửi lên nền tảng nhà thông minh (smarthome) như Blynk. Nền tảng Blynk cung cấp một phần mềm theo dõi điện năng mạnh mẽ, cho phép người dùng tạo ra một dashboard giám sát năng lượng tùy chỉnh trên điện thoại thông minh chỉ bằng thao tác kéo-thả. Mã lập trình cũng cần xử lý các kết nối Wi-Fi và xác thực với máy chủ Blynk để đảm bảo dữ liệu được truyền đi một cách an toàn và liên tục.

4.1. Lập trình vi điều khiển với Arduino IDE

Arduino IDE là một nền tảng mã nguồn mở, miễn phí và có một cộng đồng hỗ trợ khổng lồ. Để lập trình cho hệ thống giám sát, cần cài đặt các thư viện cần thiết cho module PZEM-004T, màn hình OLED (ví dụ: Adafruit_SSD1306) và nền tảng Blynk. Cấu trúc mã thường bao gồm hàm setup() để khởi tạo các kết nối (Wi-Fi, Serial, I2C) và hàm loop() để liên tục đọc dữ liệu từ cảm biến, cập nhật màn hình và gửi dữ liệu lên máy chủ. Việc lập trình cần tối ưu để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và phản hồi nhanh chóng.

4.2. Xây dựng dashboard giám sát năng lượng với Blynk IoT

Blynk IoT là một phần mềm theo dõi điện năng mạnh mẽ, giúp đơn giản hóa việc tạo giao diện người dùng. Sau khi đăng ký tài khoản và tạo một dự án mới, người dùng sẽ nhận được một mã xác thực (Auth Token) để đưa vào code Arduino. Trên ứng dụng Blynk, người dùng có thể kéo-thả các widget như Gauge (đồng hồ đo), Labeled Value (hiển thị giá trị), và SuperChart (biểu đồ) để tạo ra một dashboard giám sát năng lượng trực quan. Mỗi widget được liên kết với một 'Virtual Pin' tương ứng trong mã lập trình. Khi vi điều khiển gửi dữ liệu lên một pin ảo, widget tương ứng trên điện thoại sẽ tự động cập nhật, cung cấp thông tin theo thời gian thực.

V. Kết Quả Thực Nghiệm Của Hệ Thống Giám Sát Năng Lượng Điện

Quá trình nghiên cứu và thi công đã tạo ra một sản phẩm thiết kế hệ thống giám sát năng lượng điện trong nhà hoạt động ổn định và đáp ứng các mục tiêu đề ra ban đầu. Theo kết quả thực nghiệm được ghi nhận (Đồ án ĐH GTVT, 2023), hệ thống đã đo lường công suất thực (kW, kWh), điện áp và dòng điện với độ chính xác cao. Dữ liệu được hiển thị đồng thời trên màn hình OLED tại chỗ và trên ứng dụng Blynk một cách mượt mà, gần như không có độ trễ. Giao diện trên Blynk được thiết kế rõ ràng, cho phép người dùng theo dõi các thông số mọi lúc mọi nơi chỉ cần có kết nối Internet. Một trong những ưu điểm nổi bật của hệ thống là thao tác giám sát đơn giản, dễ sử dụng ngay cả với người không am hiểu về kỹ thuật. Hệ thống cũng được đánh giá cao về tính thẩm mỹ và an toàn sau khi được đóng gói hoàn chỉnh. Việc triển khai thành công mô hình này cho thấy tiềm năng ứng dụng thực tiễn rất lớn, đặc biệt trong bối cảnh nhà thông minh (smarthome) và nhu cầu tiết kiệm năng lượng ngày càng được quan tâm. Đây là một giải pháp smart home hiệu quả, giúp người dùng kiểm soát hoàn toàn việc tiêu thụ điện trong gia đình.

5.1. Phân tích dữ liệu đo lường Chính xác và trực quan

Kết quả đo thực nghiệm cho thấy các giá trị điện áp, dòng điện và công suất mà hệ thống ghi nhận có sai số rất nhỏ so với các thiết bị đo chuyên dụng. Dữ liệu này không chỉ được hiển thị dưới dạng số mà còn được trực quan hóa qua biểu đồ trên nền tảng Blynk, giúp người dùng dễ dàng theo dõi sự thay đổi trong ngày. Ví dụ, biểu đồ sẽ cho thấy công suất tăng vọt vào các giờ cao điểm buổi tối, tương ứng với việc sử dụng đồng thời nhiều thiết bị như điều hòa, bếp điện, bình nóng lạnh. Sự trực quan này là yếu tố then chốt giúp người dùng nhận thức và thay đổi thói quen.

5.2. Ứng dụng thực tiễn trong nhà thông minh để tiết kiệm năng lượng

Hệ thống này không chỉ là một thiết bị đo lường độc lập mà còn là một mắt xích quan trọng trong hệ sinh thái nhà thông minh (smarthome). Dữ liệu từ hệ thống giám sát có thể được tích hợp với các nền tảng tự động hóa như Home Assistant. Từ đó, người dùng có thể thiết lập các kịch bản tự động, ví dụ: tự động tắt các thiết bị không cần thiết khi tổng công suất tiêu thụ vượt ngưỡng cài đặt, hoặc nhận cảnh báo khi có thiết bị tiêu thụ điện bất thường vào ban đêm. Khả năng tích hợp này mở ra vô số ứng dụng thực tiễn, giúp việc tiết kiệm năng lượng trở nên chủ động và thông minh hơn.

VI. Tương Lai Của Hệ Thống Giám Sát Điện Hướng Phát Triển

Mô hình thiết kế hệ thống giám sát năng lượng điện trong nhà hiện tại đã rất thành công, nhưng tiềm năng phát triển vẫn còn rất lớn. Hướng phát triển trong tương lai tập trung vào việc nâng cao trí thông minh và khả năng tương tác của hệ thống. Một trong những hướng đi hứa hẹn nhất là tích hợp Trí tuệ nhân tạo (AI) và Học máy (Machine Learning) để tối ưu hóa sử dụng điện một cách tự động. Hệ thống có thể học thói quen sinh hoạt của gia đình và đưa ra các khuyến nghị cá nhân hóa, ví dụ như đề xuất thời điểm bật bình nóng lạnh để tận dụng giá điện giờ thấp điểm. Một hướng phát triển khác là mở rộng quy mô giám sát. Thay vì chỉ giám sát tổng thể, hệ thống có thể được nâng cấp để theo dõi mức tiêu thụ của từng thiết bị hoặc từng phòng riêng biệt. Điều này đòi hỏi việc sử dụng nhiều cảm biến dòng điện CT nhỏ hơn, cung cấp một bức tranh chi tiết và chính xác hơn về việc sử dụng năng lượng. Việc tích hợp khả năng điều khiển từ xa, cho phép người dùng tắt/mở thiết bị trực tiếp từ ứng dụng, sẽ biến hệ thống từ một công cụ giám sát thụ động thành một hệ thống quản lý năng lượng (EMS) chủ động và toàn diện, một thành phần cốt lõi của giải pháp smart home thế hệ mới.

6.1. Tích hợp AI để tối ưu hóa sử dụng điện tự động

Trong tương lai, hệ thống sẽ không chỉ hiển thị dữ liệu mà còn phân tích và hành động. Bằng cách áp dụng các thuật toán AI, hệ thống có thể dự báo mức tiêu thụ điện trong những ngày tới dựa trên dữ liệu lịch sử và điều kiện thời tiết. Nó có thể tự động điều chỉnh nhiệt độ của máy điều hòa hoặc tắt các thiết bị không cần thiết khi không có người ở nhà để tối ưu hóa sử dụng điện. Sự tự động hóa thông minh này sẽ giúp người dùng tiết kiệm năng lượng một cách tối đa mà không cần can thiệp thủ công.

6.2. Mở rộng giám sát cho nhiều thiết bị và giải pháp smart home

Hướng phát triển tự nhiên là mở rộng khả năng của hệ thống để nó trở thành trung tâm năng lượng của ngôi nhà. Việc thêm các module đo lường cho từng nhánh mạch điện (ví dụ: tầng 1, tầng 2, khu vực bếp) sẽ cung cấp một cái nhìn chi tiết chưa từng có. Hơn nữa, hệ thống có thể tích hợp với các nguồn năng lượng tái tạo như pin mặt trời, giúp người dùng theo dõi cả lượng điện sản xuất và tiêu thụ. Khi kết hợp với các giải pháp smart home khác, hệ thống giám sát năng lượng sẽ đóng vai trò then chốt trong việc xây dựng một ngôi nhà thông minh thực sự hiệu quả, bền vững và tiết kiệm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẶT VẤN ĐỀ Trong cuộc sống hiện đại, năng lượng là yếu tố quyết định trong mọi quá trình sản xuất, lao động cũng như sinh hoạt của con người. Từ công nghiệp, nông nghiệp, dịch vụ thậm chí đến nghiên cứu khoa học, khám phá thiên nghiên đều cần năng lượng, đặc biệt là năng lượng điện. Ngày nay, hầu hết các thiết bị trong nhà đều sử dụng nguồn năng lượng điện. Chính vì vậy, nhu cầu sử dụng điện năng trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hằng ngày.

Trong quá trình sử dụng điện năng tiêu thụ cho các thiết bị điện trong gia đình để theo dõi các thông số như điện áp, dòng điện, công suất, thời gian. Nhóm đã đưa ra là xây dựng một hệ thống giám sát năng lượng điện trong nhà giúp người dùng có thể giám sát được các thông số về năng lượng điện mọi lúc, mọi nơi. MỤC TIÊU Thiết kế và thi công hệ thống đo điện năng một cách chính xác, trực quan. Hiển thị và cập nhật thông tin nhanh chóng trên màn hình LCD, cảnh báo khi quá công suất cài đặt.

Xây dựng được website quản trị đồng thời cập nhật cơ sở dữ liệu database thông qua mạng Internet. Đề tài nghiên cứu nhằm ứng dụng điều khiển và quản lý thông qua đường truyền Internet, hướng tới một môi trường hiện đại và phát triển. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - Tìm hiểu về đề tài, lựa chọn hướng xây dựng và tham khảo một số hệ thống đã có. - Lựa chọn tìm hiểu cách thức hoạt động của một số cảm biến, vi điều khiển.

- Tiến hành thực nghiệm hệ thống qua vi điều khiển, module giao tiếp. - Lập trình cho vi điều khiển và các thiết bị mong muốn. - Thiết kế sơ đồ khối hệ thống, vẽ sơ đồ mạch nguyên lý, thi công mạch. - Kết nối mạch phần cứng với web, gửi dữ liệu.

- Thiết kế mô hình. - Tiến hành thử nghiệm hệ thống trong thực tế. Nguyễn Chí Kiên 7 Thiết kế hệ thống giám sát năng lượng điện trong nhà. RST Reset RST Bảng 2.2: Các chân của WeMos D1.

⚫ ESP8266: Bộ xử lý trung tâm, tích hợp bộ thu phát Wifi, có bộ nhớ Flash 4MB. ⚫ Chân I/O: Có tổng cộng 11 chân (tất cả các chân I/O đều có Interrupt/One-wire, trừ chân D0). ⚫ Chân Analog: Chân A0. ⚫ Cổng Micro USB: WeMos D1 sử dụng cáp USB để giao tiếp với máy tính.

Thông qua cổng này người lập trình có thể nạp chương trình cho WeMos D1, ngoài ra cổng USB là nguồn cung cấp điện áp 5V cho WeMos D1 hoạt động. Giới thiệu về chip ESP8266: ESP8266 là một mạch vi điều khiển giúp chúng ta có thể điều khiển các thiết bị ngoại vi khác. Bên cạnh đó ESP8266 là sự kết hợp giữa module Wifi tích hợp sẵn bên trong vi điều khiển chính sử dụng chip ESP8266 SoC (System on Chip) được dùng cho các ứng dụng cần kết nối, thu thập dữ liệu và điều khiển thông qua Internet. Nguyễn Chí Kiên 1 Thiết kế hệ thống giám sát năng lượng điện trong nhà.

Thông số kỹ thuật: ⚫ Sử dụng vi điều khiển 32bit công suất thấp. ⚫ Hổ trợ Flash ngoài từ 512MB đến 4MB. ⚫ 64KB RAM thực thi lệnh. ⚫ 96KB boot ROM.

⚫ Hổ trợ chuẩn Wifi EEE 802.11 b/g/n, tích hợp giao thức TCP/IP.4 GHz, hổ trợ WPA/WPA2. ⚫ Hổ trợ các chuẩn giao tiếp UART, SPI, I2C, I2S. ⚫ Chuẩn điện áp hoạt động 3. ⚫ Có 3 chế độ hoạt động: Client, Access point, Both Client and Access point.

⚫ Hổ trợ các chuẩn bảo mật: OPEN, WEP, WPA_PSK, WPA2_PSK. Nguyễn Chí Kiên 1 Thiết kế hệ thống giám sát năng lượng điện trong nhà. Thứ tự Tên tín hiệu I/O Mô tả 1 VDDA Nguồn Điện áp tương tự từ 2.6v 2 LNA I/O Cổng giao tiếp RF. Trở kháng đầu ra chip z = 39 + j6Ω 3 VDD3P3 Nguồn Điện áp khuếch đại 2.6V 4 VDD3P3 Nguồn Điện áp khuếch đại 2.6V 5 VDD_RTC Nguồn NC(1.1V) 6 TOUT I Chân ADC.

Chân này được sử dụng để kiểm tra điện áp cung cấp điện của VDD3P3 v điện áp đầu vào của TOUT. 7 CHIP_EN I Chân cho phép chip Mức cao: bật, chip hoạt động bình thường. Mức thấp: tắt, dòng điện nhỏ tiêu thụ. 8 XPD_DCDC I/O GPIO16 9 MTMS I/O GPIO16; HSPI_CLK 10 MTDI I/O GPIO12; HSPI_MISO 11 VDDPST Nguồn Điện áp cung cáp IO và điện áp số (1.6V) 12 MTCK I/O GPIO13; HSPI_MOSI; UART0_CTS GVHD: TS.

Nguyễn Chí Kiên 1 Thiết kế hệ thống giám sát năng lượng điện trong nhà. 13 MTDO I/O GPIO15; HSPI_CS; UART0_RTS 14 GPI02 I/O UART Tx trong quá trình lập trình flash GPIO2 15 GPIO0 I/O GPIO0; SPI_CS2 16 GPIO4 I/O GPIO4 17 VDDPST Nguồn Điện áp cung cấp IO và điện áp số(1.6V) 18 SDIO_DATA_2 I/O Kết nối với chân SD_D2; SPIHD; HSPIHD GPIO9 19 SDIO_DATA_3 I/O Kết nối với chân SD_D3; HSPIWP; GPIO10 20 SDIO_CMD I/O Kết nối với chân SD_CMD; SPI_CS0 GPIO11 21 SDIO_CLK I/O Kết nối với chân SD_CLK: SPI_CLK; GPIO6 22 SDIO_DATA_0 I/O Kết nối chân SD_D0; SPI_MISO; GPIO7 23 SDIO_DATA_1 I/O Kết nối chân SD_D1; SPI_MOSI; GPIO8 24 GPIO5 I/O GPIO5 25 U0RXD I/O UART Rx trong quá trình Flash; GPIO3 26 U0TXD I/O UART Tx trong quá trình Flash; GPIO1 SPI_CS1 GVHD: TS. Nguyễn Chí Kiên 1 Thiết kế hệ thống giám sát năng lượng điện trong nhà. 27 XTAL_OUT I/O Kết nối với đầu ra thạch anh, có thể sử dụn để cung cấp BT đầu vào xung clock.

28 XTAL_IN I/O Kết nối với ngõ vào thạch anh 29 VDDD Nguồn Điện áp tương tự 2.6V 30 VDDA Nguồn Điện áp tương tự 2.6V 31 RES12K I Kết nối với điện trở 12KΩ và kết nối với đất 32 EXT_RSTB I Tín hiệu đặt tại bên ngoài (hoạt động ở mứ thấp) Bảng 2.3: Chức năng các chân ESP8266. Module đo điện năng PZEM - 004T Hình 2. Nguyễn Chí Kiên 1 Thiết kế hệ thống giám sát năng lượng điện trong nhà. Chức năng: Đo lường được các thông số điện như: điện áp, dòng điện, công suất hoạt động và điện năng tiêu thụ.

⚫ Cài đặt ngưỡng báo động bằng phần mềm. ⚫ Báo động quá tải (khi công suất tiêu thụ của thiết bị điện vượt quá giới hạn mà người sử dụng cài đặt thì module sẽ phát tín hiệu báo động quá tải). ⚫ Lưu trữ dữ liệu về điện năng tiêu thụ khi tắt nguồn (lưu trữ năng lượng tích lũy trước khi tắt nguồn) và có thể reset điện năng tiêu thụ tích lũy bằng phím cứng trên module. ⚫ Giao tiếp nối tiếp với vi điều khiển hoặc máy tính qua UART (9600/8N1).

⚫ Module sử dụng phương pháp đo dòng điện gián tiếp thông qua cuộn dây CT. ⚫ Ngoài ra, module còn có Opto quang cách ly giữa mạch đo điện năng và mạch nhận tín hiệu UART đảm bảo an toàn cho mạch điều khiển và người sử dụng. Thông số kỹ thuật: ⚫ Nhà sản xuất Peacefair. Sử dụng IC đo điện năng chuyên dụng của hãng SDIC.

⚫ Điện áp đo và hoạt động: 80~ 260VAD / 50-60Hz, sai số 0,01. ⚫ Dòng điện đo và hoạt động: 0~100A, sai số 0,01. ⚫ Công suất đo và hoạt động: 0~26000W. ⚫ Năng lượng đo và hoạt động: 0~9999KWh.

⚫ Giao tiếp UART mức logic TTL 5VDC baudrate mặc định 9600, 8, 1. ⚫ Nhấn giữ nút Reset 5 giây để xóa các thông số về 0. ⚫ Kích thước: 30 x 75 mm. Nguyễn Chí Kiên 1 Thiết kế hệ thống giám sát năng lượng điện trong nhà.

Sơ đồ nối dây: Hình 2.5: Sơ đồ nối dây để sử dụng module PZEM-004T. Giao tiếp: Module sử dụng giao tiếp nối tiếp TTL qua UART với tốc độ Baudrate mặc định 9600bit/s, khung truyền 8bits, 1bit stop và không có bit kiểm tra parity. Màn hình LCD OLED 0.96 Màn hình OLED 0.96 là một loại màn hình hiển thị sử dụng công nghệ Organic Light Emitting Diode (OLED). Kích thước thường là 0.96 inch, là kích thước phổ biến được sử dụng trong nhiều ứng dụng nhỏ yêu cầu nhỏ gọn.

Màn hình OLED 0.96 có độ phân giải 128x64 pixel, có nghĩa là có 128 điểm ảnh trên chiều ngang và 64 điểm ảnh trên chiều dọc. Với độ phân giải này, màn hình có thể hiển thị các đồ họa, ký tự và biểu đồ đơn giản.6: Màn hình OLED 0. Nguyễn Chí Kiên 1 Thiết kế hệ thống giám sát năng lượng điện trong nhà. Một điểm đặc biệt của màn hình OLED là khả năng tự phát sáng cua các pixel.

Mỗi pixel trên màn hình OLED có thể tự phát ra ánh sáng mà không cần đèn nền như các loại màn hình khác. Điều này cho phép màn hình OLED có độ tương phản cao, màu sắc tươi sáng và góc nhìn rộng. Màn hình OLED 0.96 thường được kết nối với ESP8266 NodeMCU thông qua giao tiếp 12C hoặc SPI. Arduino IDE cung cấp các thư viện hổ trợ để điều khiển màn hình OLED này.

Thông số kỹ thuật: ⚫ Điện áp sử dụng: 3. ⚫ Công suất tiêu thụ: 0.04W ⚫ Góc hiển thị: lớn hơn 160o. ⚫ Số điểm hiển thị: 128x64 điểm. ⚫ Độ rộng màn hình: 0.

⚫ Màu hiển thị: trắng. ⚫ Driver: SSD1306 Màn hình OLED 0.96 WeMos D1 VDD 3V3- 5V GND GND SCL Xung clock - A5 SDA Truyền dữ liệu - A4 Bảng 2.4: Sơ đồ nối chân của LCD. Nguyễn Chí Kiên 1 Thiết kế hệ thống giám sát năng lượng điện trong nhà.3 CÁC CHUẨN GIAO TIẾP 2. Chuẩn giao tiếp UART UART là viết tắt của Universal Asynchronous Receiver - Transmitter là kiểu truyền thông tin nối tiếp không đồng bộ thường là một mạch tích hợp.

Mục đích của UART là để truyền tín hiệu qua lại lẫn nhau (ví dụ truyền tín hiệu từ laptop vào Modem hay ngược lại) hay truyền từ vi điều khiển tới vi điều điều khiển, từ laptop tới vi điều khiển. Các thông số trong chuẩn truyền UART: Hình 2.7: Gói truyền dữ liệu của UART. Khi tiến hành giao tiếp giữa 2 vi điều khiển theo chuẩn giao tiếp UART thì các vi điều khiển tự động xử dụng xung của chính mình tạo ra Hình 2.8: Cấu trúc một khung dữ liệu trong chuẩn giao tiếp UART. Một gói dữ liệu theo chuẩn UART có thể bao gồm các bit Start, gói dữ liệu, bit kiểm tra parity(bit kiểm tra CRC) và bit Stop.

Khi bit Start kéo từ mức cao xuống mức thấp báo hiệu quá trình truyền dữ liệu đã sẵn sàng. Tiếp đó là việc truyền 8 bit dữ liệu. Sau khi tiến hành truyền hết dữ liệu thì bit kiểm tra thực hiện kiểm tra dữ liệu. Cuối cùng bit Stop lên mức cao báo hiệu đã kết thúc một quá trình truyền dữ liệu.

Nguyễn Chí Kiên 2 Thiết kế hệ thống giám sát năng lượng điện trong nhà. Các thông số cơ bản trong truyền nhận UART: ⚫ Baudrate (tốc độ baud): khoảng thời gian một bịt được truyền nên phải được đồng bộ giữa bên gữi và nhận. ⚫ Frame (khung truyền): qui định số bit dữ liệu được truyền.