CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu a) Giới thiệu tổng quan về IoT Thời đại vạn vật kết nối Internet of Things (IoT) là một mạng lưới các vật thể được gắn cảm biến hoặc hệ thống điện tử đặc biệt cho phép chúng kết nối với nhau để thu thập và trao đổi dữ liệu. Các vật thể trong mạng lưới này có thể được kết nối với mạng Internet cho mục đích điều khiển từ xa. Xét về mặt vật chất, làm thế nào để chất lượng cuộc sống chúng ta được nâng cao, đó là khi các nhu cầu của chúng ta được đáp ứng nhiều hơn trước. Nhu cầu ở đây có thể là có đầy đủ thức ăn, có quần áo đẹp, không kẹt xe, giảm bớt những lo lắng, không phải nhớ nhiều thứ linh tinh trong đầu, … Những điều này đều sẽ được đáp ứng bởi IoT.
Hiện tại, IoT ảnh hưởng lớn nhất đến 5 khía cạnh trong đời sống. IoT có ứng dụng rộng vô cùng, có thể kể ra một số thư như sau: Quản lí chất thải Quản lí và lập kế hoạch quản lí đô thị Quản lí môi trường Phản hồi trong các tinh huống khẩn cấp Mua sắm thông minh Quản lí các thiết bị cá nhân Đồng hồ đo thông minh Tự động hóa ngôi nhà Theo báo cáo hàng năm của hãng Gartner về xu hướng công nghệ sẽ thay đổi thế giới trong năm 2018 thì IoT đang xếp ở mức đỉnh cao của kỳ vọng và ứng dụng của IoT trong vòng 5 năm 10 năm nữa sẽ ứng dụng nhiều trong đời sống thực tế.1: Biểu đồ Hype Cycle của hãng Gartner Theo một số dự đoán khảo sát được đưa ra: Hình 1.2: Một số dự đoán khảo sát Năm 2003 với 6.3 tỷ người có 500 triệu kết nối internet, với mỗi người sở hữu 0.08 thiết bị kết nối.6 tỷ người đã lên đến 50 tỷ kết nối với 1 người sở hữu 6.58 thiết bị kết nối internet. 6 b) Kiến trúc hệ thống IoT Kiến trúc hệ thống IoT (IoT Reference Architecture) Xử lý dữ liệu, phân Hiển thị, vai trò kết Thiết bị kết nối tích và quản lý nối (Device (Data Processing, (Presentation and Connectivity Analytics and Business Management Connectivity) Hình 1.3: Kiến trúc một hệ thống IoT Hình 1.4: Tổng quan về một hệ thống IoT Trên cơ sở nghiên cứu, tìm hiểu về IoT. Đề tài đề xuất phương án tự động hóa ngôi nhà, và cụ thể hơn đó là về những chiếc ổ cắm điện thông minh.2 Mục tiêu của đề tài Thiết kế, phát triển sản phẩm ổ cắm điện thông minh, online dựa trên cơ sở IoT cụ thể là điều khiển từ xa bằng wifi, hoặc bất cứ nơi nào smart phone của bạn có kết nối Internet.
Sản phẩm đảm bảo các tiêu chí: 1. Hoạt động chính xác, ổn định, ngay cả khi các điều kiện của sản phẩm thay đổi như nhiệt độ, độ ẩm. Có giao diện phần mềm giao tiếp trực quan với người dùng.3 Khảo sát thị trường Chỉ cần một thiết bị có thể kết nối internet và một công cụ tìm kiếm như google, sẽ thấy đủ các mẫu mã sản phẩm của các hãng với các giá tiền khác nhau. 7 Chứng tỏ một chiếc ổ cắm thông minh hiện tại là cần thiết đến thế nào với cuộc sống của chúng ta với công dụng mà nó mang lại.
Một số hình ảnh của ổ cắm thông minh bán ngoài thị trường: Hình 1.5: Một số sản phẩm ổ cắm đơn Hình 1.6: Sản phẩm một ổ có nhiều ổ cắm 8 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 2.1 Tổng quan về lí thuyết phương pháp đo năng lượng và công suất 2.1 ông suất điện xoay chiều 1 pha Công thức biểu diễn dòng điện và điện áp : 𝑢(𝑡 ) = √2 × 𝑈 × sin(𝜔𝑡) 𝑖(𝑡 ) = √2 × 𝐼 × sin(𝜔𝑡 + 𝜑) Công suất tức thời : 𝑝(𝑡) = 𝑢(𝑡 )𝑖 (𝑡) = 2𝑈𝐼 sin(𝜔𝑡 ) sin(𝜔𝑡 + 𝜑) = 𝑈𝐼 cos(𝜑) − 𝑈𝐼 cos(2𝜔 + 𝜑) a) Công suất tác dụng Công suất tác dụng là phần công suất điện có thể biến đổi thành các dạng công suất khác (cơ, nhiệt, hay hóa). Đơn vị của công suất tác dụng P là watt (W). Công suất tác dụng của mạch xoay chiều một pha được xác định là giá trị trung bình của công suất trong một chu kì T: 1 𝑇 1 𝑇 𝑃= ∫ 𝑝𝑑𝑡 = ∫ 𝑢𝑖𝑑𝑡 𝑇 0 𝑇 0 Trong đó: p, u, i là các giá trị tức thời của công suất, áp và dòng điện. Trong trường hợp dòng điện và điện áp có dạng hình sin thì công suất tác dụng được tính là: 𝑃 = 𝑈𝐼 cos(𝜑) Trong đó: U, I là các giá trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện.
Phi ( ) là góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện. Nếu một quá trình có chu kỳ với dạng đường cong bất kì thì công suất tác dụng là tổng các công suất của các thành phần sóng hài. ∞ ∞ 𝑃 = ∑ 𝑃𝑘 = ∑ 𝑈𝑘 𝐼𝑘 cos(𝜑𝑘 ) 𝑘=1 𝑘=1 b) Công suất phản kháng Với mạch điện xoay chiều thì công suất phản kháng được tính theo công thức: 𝑄 = 𝑈𝐼 sin(𝜑) 9 Trong đó: U, I: là các giá trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện. Phi (): là góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện.
Đơn vị đo công suất phản kháng là: VAR (Volt Amperes Reactive). c) Công suất toàn phần Công suất toàn phần là giá trị lớn nhất của công suất được phân phối tới tải. Với U và I là giá trị hiệu dụng được phân phối tới tải thì ta có công suất toàn phần được tính bằng công thức sau : 𝑆 = 𝑈𝐼 Đơn vị của công suất toàn phần là VA (Volt - Ampe). Mối liên hệ giữa công suất biểu kiến, công suất tác dụng và công suất phản kháng được thể hiện ở công thức : 𝑆 = √𝑃2 + 𝑄 2 Hình 2.1: Tam giác công suất d) Hệ số công suất Hệ số công suất là tỉ số giữa công suất tác dụng và công suất toàn phần trong mạch.
Khi dòng xoay chiều có dạng hình sin lý tưởng, hệ số công suất là cosin của góc lệch pha giữa dòng điện và hiệu điện thế của dòng xoay chiều. Do vậy trên thực tế người ta hay ghi hệ số công suất như là "cos ".2 Năng lượng điện xoay chiều 1 pha Năng lượng tác dụng: 𝐸𝑎 = 𝑃 × 𝑡 Năng lượng phản kháng: 𝐸𝑟 = 𝑄 × 𝑡 Năng lượng biểu kiến: 𝐸𝑠 = 𝑆 × 𝑡 = √𝐸𝑎2 + 𝐸𝑟2 10 2.3 Phương pháp đo công suất a) Phương pháp đo công suất bằng phần tử Hall Chuyển đổi Hall là một mạng bốn cửa được chế tạo dưới dạng một tấm mỏng bằng bán dẫn. Hai cực dòng kí hiệu là T – T của chuyển đổi được mắc vào một nguồn điện một chiều hay xoay chiều. Hai cực điện áp kí hiệu là X – X.
Khi đặt vuông góc với bề mặt chuyển đổi một từ trường thì xuất hiện ở hai đầu X – X một thế điện động gọi là thế điện động Hall được tính như sau: 𝑒𝑋 = 𝑘𝑋 × 𝐵 × 𝐼𝑋 Trong đó: kX: Hệ số biến đổi của cảm biến Hall B: Độ từ cảm của từ trường Hình 2.2: Wattmet bằng phần tử Hall Thế điện động Hall lúc đó sẽ được tính: 𝑒𝑋 = 𝑘𝑢𝑖 = 𝑘𝑃 𝑒𝑋 được đo bằng milivonmet (k – hệ số tỉ lệ). Watmet với chuyển đổi Hall cho phép đo công suất xoay chiều với tần số lên đến hàng trăm MHz. b) Phương pháp đo công suất bằng khuếch đại loga và đối loga. Sơ đồ bộ nhân bằng khuếch đại loga và đối loga được giải thích như sơ đồ: 11 Hình 2.3: Mạch nhân loga – đối loga dùng khuếch đại thuật toán Sơ đồ của Wattmet khuếch đại loga – đối loga: Hình 2.4: Sơ đồ Wattmet bằng khuếch đại loga và đối loga Trong sơ đồ này, dòng điện I tạo nên điện áp U1= I.RS đưa vào một khuếch đại loga.
Điện áp rơi trên phụ tải được phân áp thành U2 để đưa vào bộ khuếch đại loga thứ 2. Điện áp ra của hai khuếch đại loga được đưa vào bộ cộng sau đó vào bộ đối loga. Ta có: Đầu ra của bộ cộng là: 𝐾1 ln 𝑈1 + 𝐾2 ln 𝑈2 Đầu ra của bộ đối loga là: 𝐾1 𝐾2 𝑈1 𝑈2 Mặt khác, ta có: 𝑈1 𝑅1 + 𝑅2 𝐼= ; 𝑈 = 𝑈2 𝑅𝑆 𝑅2 𝑅2 𝑅2 => 𝐾1 𝐾2 𝑈1 𝑈2 = 𝐾1 𝐾2 (𝐼𝑅𝑆 ) (𝑈 ) = 𝐾1 𝐾2𝑅𝑆 𝑈𝐼 = 𝐾𝑝 × 𝑈𝐼 𝑅1 + 𝑅2 𝑅1 + 𝑅2 Điện áp của bộ đối loga tỷ lệ với tích UI tức tỷ lệ với công suất. Cũng như ở bộ nhân bằng phần tử Hall, ta có thể chỉ thị công suất trung bình hoặc xây dựng thành bộ ghi công suất tức thời.
c) Phương pháp đo công suất bằng phương pháp điều chế độ rộng xung Phương pháp điều chế tín hiệu dựa trên việc nhân các tín hiệu uu (tỉ lệ với điện áp trên tải cần đo) và ui (tỉ lệ với dòng điện trên tải cần đo) trên cơ sở điều chế hai lần tín hiệu xung. Các tín hiệu tương tự uu và ui được biến đổi thành tần số, chu kì, biên độ, độ rộng của tín hiệu xung sau đó lấy tích phân. Thông dụng nhất là kết hợp giữa các loại điều chế sau đây: 12 Điều chế độ rộng xung với điều chế biên độ xung: (ĐRX – BĐX). Điều chế độ rộng xung với tần số xung: (ĐRX – TSX).
Điều chế tần số xung và biên độ xung: (TSX – BĐX). d) Phương pháp đo công suất bằng phương pháp ADC – DAC Hình 2.5: Bộ nhân bằng ADC – DAC Với mạch nhân này ta có thể xây dựng Wattmet, độ chính xác phụ thuộc vào tính chính xác của ADC và DAC. e) Phương pháp đo công suất bằng bộ nhân phần tử bình phương Từ phần tử bình phương, ta có thể tạo thành bộ nhân theo công thức sau: (𝑎 + 𝑏)2 × (𝑎 − 𝑏)2 = 4𝑎𝑏 Hình 2.6: Bộ nhân bằng phần tử bình phương Phần tử bình phương có thể sử dụng các phần tử sau: Bộ biến đổi nhiệt ngẫu, trong đó ET=KI. Đường đặc tính của diode I=KU.
Tuy nhiên đường đặc tính này không hoàn toàn chính xác.7: Wattmet dùng phần tử biến đổi nhiệt ngẫu 13 Trong biến đổi nhiệt ngẫu TT1, dòng điện ia tỷ lệ với I cùng chiều với iu tỷ lệ với U.