Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong bối cảnh công nghệ thông tin và lĩnh vực Internet vạn vật (IoT) phát triển nhanh chóng, các thiết bị điện dân dụng trong hệ thống nhà thông minh ngày càng được tự động hóa để đáp ứng nhu cầu tiện nghi và tối ưu hóa năng lượng của người sử dụng. Các thiết bị cơ bản như công tắc hay ổ cắm truyền thống hiện bộc lộ nhiều hạn chế khi chỉ thực hiện chức năng cấp nguồn và đóng ngắt tiếp điểm cơ học thuần túy. Người dùng không thể theo dõi trạng thái hoạt động của thiết bị khi vắng nhà, thiếu công cụ điều khiển từ xa, không thể thiết lập lịch trình hoạt động tự động (như hẹn giờ bình nóng lạnh, hệ thống tưới cây, sục khí bể cá) và không có dữ liệu định lượng về mức tiêu thụ điện năng để quản lý chi phí sinh hoạt.
Xuất phát từ thực tế đó, đề tài "Thiết kế ổ cắm thông minh điều khiển qua wifi" được thực hiện nhằm giải quyết các nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể:
- Nghiên cứu, tính toán và thiết kế phần cứng mạch đo lường các thông số điện xoay chiều (điện áp, dòng điện, công suất, điện năng tiêu thụ) và khối đóng/cắt tải an toàn.
- Xây dựng chương trình nhúng trên vi điều khiển để thu thập dữ liệu đo từ vi mạch chuyên dụng, xử lý thuật toán hiệu chỉnh và truyền thông không dây qua giao thức mạng.
- Phát triển ứng dụng trên điện thoại thông minh chạy hệ điều hành Android nhằm giám sát các thông số điện năng theo thời gian thực và điều khiển đóng/ngắt thiết bị từ xa qua mạng Wi-Fi.
Đề tài được thực hiện bởi sinh viên Tạ Anh Tú (MSSV: 20174311, Lớp: 726337) dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Thị Huế tại Bộ môn Kỹ thuật và Điều khiển Tự động hóa, Trường Điện - Điện tử, Đại học Bách Khoa Hà Nội (hoàn thành vào tháng 03/2023). Đối tượng nghiên cứu là hệ thống đo lường và điều khiển công suất tải dân dụng AC 220V với dải dòng điện định mức đến 5A/10A.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đề tài áp dụng phương pháp thiết kế kỹ thuật tích hợp phần cứng và phần mềm nhúng (Embedded System Design), kết hợp thực nghiệm đo lường và lập trình ứng dụng di động:
- Cơ sở tính toán đo lường điện xoay chiều: Dựa trên nguyên lý biến đổi tín hiệu dòng điện và điện áp AC bằng biến dòng cảm ứng (Current Transformer - CT) và biến điện áp tương hỗ, kết hợp xử lý tín hiệu số thông qua IC đo lường điện năng chuyên dụng ADE7753 của hãng Analog Devices. Vi mạch này thực hiện chuyển đổi tương tự - số (ADC), tích phân số và tính toán các giá trị hiệu dụng thực (True RMS), công suất tác dụng (Active Power) và điện năng tiêu thụ tích lũy.
- Phương pháp thiết kế phần cứng: Thiết kế phân khối chức năng bao gồm khối chuyển đổi nguồn xung AC-DC, khối đo lường cách ly, khối vi xử lý trung tâm, khối truyền thông không dây và khối chuyển mạch công suất có cách ly quang (Optocoupler).
- Phương pháp lập trình nhúng và truyền thông:
- Giao tiếp nối tiếp SPI (Serial Peripheral Interface) ở Mode 1 giữa vi điều khiển ATmega328P và IC ADE7753.
- Giao tiếp UART không đồng bộ giữa vi điều khiển thu thập dữ liệu (ATmega328P) và vi điều khiển truyền thông Wi-Fi (ESP32).
- Giao thức mạng MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) theo mô hình Publish/Subscribe để truyền nhận dữ liệu giữa thiết bị IoT và máy chủ trung gian.
- Phương pháp phát triển ứng dụng di động: Lập trình hướng đối tượng trên ngôn ngữ Java trong môi trường Android Studio, xây dựng giao diện hiển thị dạng bảng (TableLayout) và tích hợp thư viện Paho MQTT Client.
Thiết kế và triển khai
Hệ thống ổ cắm thông minh được tổ chức theo kiến trúc module hóa với sự phân chia nhiệm vụ rõ ràng giữa phần cứng mạch điện và các tầng phần mềm điều khiển:
1. Cấu trúc phần cứng tổng thể
| Khối chức năng |
Linh kiện / Module chính |
Thông số kỹ thuật và vai trò thiết kế |
| Khối nguồn |
HLK-5M05, AMS1117-3.3V, Varistor 300V, Cầu chì 0.2A |
Hạ áp từ 220VAC xuống 5VDC (5W, dòng vào max 200mA) và 3.3VDC (dòng ra max 1A); bảo vệ quá tải, chống sét và lọc nhiễu |
| Khối biến đổi dòng |
ZMCT103C, Điện trở Shunt $R_3 = 33\ \Omega$ |
Tỷ số biến dòng 1000:1 (5A/5mA), dải tuyến tính 0~10A, điện áp cách ly 3000V; chuyển dòng điện tải thành áp đưa vào kênh $V_{1P}/V_{1N}$ |
| Khối biến đổi áp |
ZMPT101B, Điện trở $R_5 = 200\text{ k}\Omega$, $R_4 = 100\ \Omega$ |
Biến áp tỷ lệ dòng 2mA:2mA (1:1), điện áp cách ly 3000VAC; chia áp an toàn đưa tín hiệu vào kênh $V_{2P}/V_{2N}$ của ADE7753 |
| Khối tính toán năng lượng |
ADE7753 (Analog Devices) |
Trở kháng vào $390\text{ k}\Omega$, dòng cấp 3mA, tích hợp ADC, tính toán RMS, công suất, giao tiếp SPI |
| Khối xử lý dữ liệu |
ATmega328P-AU (8-bit AVR) |
Flash 32KB, RAM 2KB, xung nhịp thạch anh ngoài 16MHz; đọc dữ liệu SPI từ ADE7753, tính toán bù sai số và gửi UART |
| Khối hiển thị tại chỗ |
Nokia LCD5110 |
Màn hình đồ họa đơn sắc $84 \times 84$ pixel, nguồn cấp 3.3V, kết nối GPIO qua điện trở hạn dòng 1–10 $\text{k}\Omega$ |
| Khối truyền tin Wi-Fi |
ESP32 DevKit V1 |
Vi xử lý Xtensa Dual-Core LX6 32-bit (160–240 MHz), 520KB SRAM, Wi-Fi 802.11 b/g/n, nhận UART và giao tiếp MQTT |
| Khối đóng/cắt tải |
Module 1 Relay 5V có cách ly quang |
Tải đóng cắt max AC 250V/10A hoặc DC 30V/10A; dòng kích 5mA, ngõ ra thường mở (NO) và thường đóng (NC) |
2. Nguyên lý kích hoạt khối Relay đóng/cắt
Module relay hỗ trợ thiết lập mức logic kích hoạt bằng jumper (Level Trigger Options), tương thích mức logic 3.3V từ chân GPIO của vi điều khiển ESP32:
| Lựa chọn cấu hình (Trigger Option) |
Trạng thái tín hiệu chân IN |
Tiếp điểm NO (Thường mở) |
Tiếp điểm NC (Thường đóng) |
| High Level Trigger |
Mức cao (High) |
Đóng mạch (Connect to COM) |
Ngắt mạch (Disconnect to COM) |
| High Level Trigger |
Mức thấp (Low) |
Ngắt mạch (Disconnect to COM) |
Đóng mạch (Connect to COM) |
| Low Level Trigger |
Mức cao (High) |
Ngắt mạch (Disconnect to COM) |
Đóng mạch (Connect to COM) |
| Low Level Trigger |
Mức thấp (Low) |
Đóng mạch (Connect to COM) |
Ngắt mạch (Disconnect to COM) |
Nội dung chính theo từng chương
CHƯƠNG 1. THIẾT KẾ MẠCH ĐO ĐIỆN NĂNG
Chương này tập trung trình bày chi tiết cơ sở lý thuyết, sơ đồ nguyên lý và quy trình tính toán lựa chọn tham số linh kiện cho từng khối chức năng trên bo mạch:
- Tính toán khối nguồn: Nguồn cấp cho toàn mạch sử dụng module HLK-5M05 để biến đổi điện áp lưới 220VAC thành 5VDC (công suất định mức 5W, dòng cung cấp tối đa 1A). Để đáp ứng điện áp hoạt động 3.3V cho ESP32 và LCD5110, mạch sử dụng thêm IC ổn áp tuyến tính AMS1117-3.3V. Tổng dòng tiêu thụ cực đại của các linh kiện gồm: ATmega328 (42mA), LCD5110 (50mA), ADE7753 (7mA) và ESP32 (500mA), hoàn toàn nằm trong giới hạn công suất cho phép của bộ nguồn. Hệ thống tích hợp cầu chì 0.2A và varistor 300V ở ngõ vào AC để bảo vệ quá tải, chống đột biến điện áp và chống sét lan truyền.
- Tính toán khối đo dòng điện: Tín hiệu dòng điện xoay chiều của tải được cảm ứng qua biến dòng ZMCT103C với tỷ số biến dòng $1000:1$. Với dòng điện định mức $5\text{A}$ (cực đại $10\text{A}$), dòng thứ cấp tương ứng là $5\text{ mA}$ (cực đại $10\text{ mA}$). Để đảm bảo điện áp đầu vào vi mạch ADE7753 không vượt quá giới hạn $\pm 0.5\text{V}$, điện trở gánh (shunt) $R_3$ được tính toán theo công thức:
$$R_3 = \frac{0.5\text{ V} / \sqrt{2}}{10\text{ A} / 1000} \approx 35.35\ \Omega$$
Tác giả lựa chọn điện trở thực tế có giá trị chuẩn $R_3 = 33\ \Omega$ (công suất $1/4\text{ W}$). Mạch lọc thông thấp thụ động gồm điện trở và tụ điện được thiết kế kèm theo để triệt tiêu nhiễu tần số cao trước khi đưa vào hai chân $V_{1P}$ và $V_{1N}$.
- Tính toán khối đo điện áp: Sử dụng biến dòng biến đổi điện áp ZMPT101B (tỷ lệ biến đổi dòng điện $2\text{ mA}:2\text{ mA}$). Với điện áp lưới danh định khoảng $220\text{V}{\text{RMS}}$ (cực đại cho phép đến $1000\text{V}$), để dòng sơ cấp đạt mức tối ưu $I{in} = 1.1\text{ mA}$ (đảm bảo độ tuyến tính cao nhất và công suất tiêu tán nhỏ), điện trở nối tiếp phía sơ cấp $R_5$ được chọn là $200\text{ k}\Omega$ với công suất chịu đựng $1\text{W}$ (công suất tiêu thụ thực tế là $0.242\text{W}$). Phía thứ cấp, điện trở chuyển đổi $R_4$ được chọn có giá trị $100\ \Omega$ ($1/4\text{W}$), đảm bảo mức điện áp đưa vào chân $V_{2P}$ và $V_{2N}$ luôn nhỏ hơn $0.5\text{V}$.
- Thiết kế mạch vi mạch ADE7753 và ATmega328P: Tín hiệu analog sau khi lọc được chuyển vào ADE7753. Tác giả bố trí mạng lọc decoupling riêng biệt: tụ gốm $100\text{ nF}$ đặt sát chân cấp nguồn vi mạch để lọc nhiễu cao tần, kết hợp tụ hóa $10\ \mu\text{F}$ lọc nhiễu tần số thấp. Chân mass kỹ thuật số (DGND) và mass tương tự (AGND) được ngăn cách qua hạt ferrite bead nhằm ngăn nhiễu số tràn sang khối đo lường. Mạch dao động thạch anh ngoài $3.579545\text{ MHz}$ kết hợp tụ $C_9, C_{16}$ cung cấp xung nhịp ổn định cho ADE7753. Vi điều khiển ATmega328P kết nối thạch anh $16\text{MHz}$, nhận dữ liệu đo qua giao diện SPI và xuất tín hiệu điều khiển ra màn hình Nokia 5110.
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ PHẦN MỀM CHO BO MẠCH
Nội dung chương 2 tập trung vào giải pháp lập trình hệ thống nhúng cho hai vi điều khiển ATmega328P và ESP32:
- Cơ chế giao tiếp SPI với ADE7753: Vi điều khiển ATmega328P hoạt động ở chế độ SPI Mode 1 ($\text{CPOL} = 0, \text{CPHA} = 1$), tốc độ xung giữ ở mức $200\text{ kHz}$. Quá trình truyền thông tuân thủ cấu trúc byte lệnh 8-bit: bit có trọng số cao nhất (MSB) xác định thao tác (bit = 1 là ghi dữ liệu, bit = 0 là đọc dữ liệu), 6 bit trọng số thấp ($A_0 - A_5$) định vị địa chỉ thanh ghi mục tiêu. Giữa các lần truyền byte liên tiếp, hệ thống duy trì khoảng trễ tối thiểu $4\ \mu\text{s}$ để vi mạch kịp chuyển dữ liệu nội bộ.
Bản đồ thanh ghi ADE7753 được khai thác trong đề tài
| Địa chỉ (Hex) |
Tên thanh ghi |
Truy cập |
Kích thước |
Chức năng chi tiết |
0x02 |
AENERGY |
Read |
24-bit |
Thanh ghi tích lũy năng lượng tác dụng (Active Energy) |
0x03 |
RAENERGY |
Read |
24-bit |
Năng lượng tác dụng (tự động reset về 0 sau khi đọc) |
0x04 |
LAENERGY |
Read |
24-bit |
Năng lượng tiêu thụ ở chế độ tích lũy theo chu kỳ điện áp lưới |
0x09 |
MODE |
R/W |
16-bit |
Thanh ghi cấu hình chế độ hoạt động (Giá trị mặc định: 0x000C) |
0x0A |
IRQEN |
R/W |
16-bit |
Thanh ghi cho phép các ngắt sự kiện (Giá trị mặc định: 0x0040) |
0x0B |
STATUS |
Read |
16-bit |
Thanh ghi lưu cờ trạng thái ngắt |
0x0C |
RSTSTATUS |
Read |
16-bit |
Trạng thái ngắt (tự động xóa về 0 sau khi đọc) |
0x16 |
IRMS |
Read |
24-bit |
Giá trị hiệu dụng thực của dòng điện (RMS Channel 1) |
0x17 |
VRMS |
Read |
24-bit |
Giá trị hiệu dụng thực của điện áp (RMS Channel 2) |
0x27 |
PERIOD |
Read |
16-bit |
Giá trị chu kỳ của tín hiệu điện áp lưới |
- Quy trình nạp Bootloader và chương trình ATmega328P: Tác giả sử dụng mạch nạp USBISP AVR Programmer kết hợp phần mềm PROGISP để ghi các giá trị Fuse bytes (
Low: 0xFF, High: 0xDA, Ext: 0xFD) và nạp file Bootloader chuẩn cho chip trắng. Sau khi có Bootloader, các lần nạp code tiếp theo được thực hiện trực tiếp từ Arduino IDE thông qua mạch chuyển đổi USB-UART với tốc độ truyền baudrate $115200\text{ bps}$.
- Thuật toán đọc và tính toán thông số: Trong vòng lặp chính, ATmega328P đọc các thanh ghi
VRMS, IRMS và tích lũy năng lượng theo số chu kỳ n_cycle = 200 (tương đương chu kỳ đo 4 giây). Dữ liệu nhị phân đọc về được giải mã số bù hai (w1 = (~(w1 - 1)) & 0x00FFFFFF), sau đó nhân với các hệ số tỷ lệ hiệu chỉnh thực nghiệm:
- Hệ số dòng điện: $k_i = 0.000003$
- Hệ số điện áp: $k_v = 0.00064$
- Hệ số công suất: $k_w = 1.0$
Các giá trị tính toán sau đó được gửi qua chân TX (UART) sang ESP32 đồng thời hiển thị lên màn hình LCD5110 qua thư viện
PCD8544.
- Lập trình hệ thống trên ESP32: Được xây dựng bằng bộ công cụ Espressif IDF (ESP-IDF) trên nền tảng hệ điều hành thời gian thực FreeRTOS:
- Khởi tạo bộ nhớ Flash bất biến (NVS) bằng
nvs_flash_init().
- Cấu hình cổng UART2 (chân RX: GPIO16, TX: GPIO17, bộ đệm nhận $1024\text{ bytes}$) và hàng đợi sự kiện
uart2_queue.
- Thiết lập Wi-Fi Station với chế độ xác thực
WIFI_AUTH_WPA2_PSK.
- Khởi tạo MQTT Client kết nối đến Broker; thiết lập hàm phản hồi sự kiện
mqtt_event_handler. Khi nhận được gói tin dữ liệu trên topic điều khiển (button), hệ thống phân tích chuỗi lệnh ON hoặc OFF để điều khiển mức logic chân GPIO (GPIO 2 và GPIO 18) đóng/cắt relay.
- Tác vụ FreeRTOS
uart_event_task liên tục lắng nghe dữ liệu đo gửi từ ATmega328P, tách chuỗi và tự động publish lên các topic MQTT tương ứng: IRMS, VRMS, WATT.
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ PHẦN MỀM GIÁM SÁT, ĐIỀU KHIỂN TỪ XA
Chương 3 mô tả toàn bộ quy trình thiết kế, đóng gói và cài đặt ứng dụng Android chuyên dụng:
- Cấu hình dự án Android: Dự án được thiết lập trong Android Studio với cấu hình
compileSdk 33. Tác giả khai báo thư viện Paho MQTT Client trong file build.gradle (:app):
implementation 'org.eclipse.paho:org.eclipse.paho.client.mqttv3:1.1.0'
File AndroidManifest.xml được cấu hình để cấp quyền truy cập mạng Internet:
<uses-permission android:name="android.INTERNET"/>
- Thiết kế giao diện người dùng (
main_activity.xml): Sử dụng cấu trúc TableLayout với thuộc tính stretchColumns="1" để tự động dãn cột hiển thị vừa vặn kích thước màn hình thiết bị di động. Giao diện bố trí các hàng TableRow chứa:
- Tiêu đề đề tài, thông tin sinh viên và mã số sinh viên.
- Các thành phần hiển thị văn bản tĩnh và động (
TextView) có định danh (textviewVRMS, textviewIRMS, textviewWatt) để hiển thị thông số điện áp (V), dòng điện (A) và công suất (W).
- Nút bấm điều khiển (
Button với ID btn_relay) phục vụ thao tác bật/tắt thiết bị.
- Xử lý logic điều khiển (
MainActivity.java):
- Sự kiện
onCreate(): Khởi tạo kết nối đến MQTT Broker và tự động đăng ký (subscribe) nhận dữ liệu từ 3 topic: VRMS, IRMS, WATT.
- Hàm sự kiện
messageArrived(): Nhận dữ liệu bất đồng bộ từ Broker, kiểm tra topic và cập nhật giá trị đo lường trực tiếp lên các TextView tương ứng trên màn hình.
- Hàm sự kiện
setOnClickListener(): Bắt thao tác nhấn nút của người dùng, thực hiện gửi thông điệp (publish) chuỗi ON hoặc OFF tới topic điều khiển relay, đồng thời cập nhật trạng thái hiển thị của nút bấm.
- Sự kiện
onDestroy(): Tự động ngắt kết nối MQTT client khi người dùng đóng ứng dụng để giải phóng tài nguyên.
- Quy trình biên dịch và đóng gói APK:
- Tạo môi trường mô phỏng máy ảo (Android Virtual Device - AVD) để chạy thử nghiệm giao diện.
- Thực hiện tạo khóa chứng thực bảo mật (Key Store) và bí danh (Key Alias) để ký số ứng dụng.
- Biên dịch ra gói cài đặt
app-release.apk, cài đặt trực tiếp lên điện thoại thông minh (hãng OPPO) thông qua chế độ cho phép cài đặt ứng dụng từ nguồn không xác định.
Kết quả và đóng góp
- Kết quả thực nghiệm:
- Chế tạo thành công bo mạch phần cứng tích hợp hoàn chỉnh các khối chức năng nguồn, đo lường, vi xử lý và chuyển mạch đóng cắt relay tải AC 220V.
- Thiết lập thành công kết nối truyền thông SPI tốc độ cao, ổn định giữa ATmega328P và ADE7753; đọc chính xác các giá trị thanh ghi năng lượng và tính toán ra các thông số $V_{\text{RMS}}$, $I_{\text{RMS}}$, công suất $W$.
- Xây dựng hệ thống giao tiếp đa vi điều khiển qua UART kết hợp truyền dữ liệu IoT qua Wi-Fi bằng giao thức MQTT.
- Hoàn thiện ứng dụng Android cho phép hiển thị tức thời các thông số điện năng tiêu thụ và điều khiển đóng cắt relay từ xa qua mạng Internet mà không bị trễ lớn.
- Đóng góp kỹ thuật: Đề tài đã đề xuất một giải pháp phần cứng mở, sử dụng các linh kiện nhúng và IC đo lường chuyên dụng giá thành thấp nhưng đạt độ tin cậy cao, tạo nền tảng hoàn chỉnh cho việc ứng dụng IoT vào quản lý năng lượng trong các tòa nhà thông minh.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Dựa trên các đánh giá thực tế được tác giả tổng kết tại phần kết luận của báo cáo, đề tài còn một số điểm tồn tại:
- Kích thước tổng thể của bo mạch đo và mạch điều khiển còn tương đối lớn, chưa được thiết kế tối ưu đa lớp để gắn vừa vào kích thước hộp đế âm tường tiêu chuẩn.
- Hệ thống chưa tích hợp các mạch bảo vệ chuyên dụng ngắt nhanh khi xảy ra sự cố chạm chập tải, thiếu cơ chế cảnh báo sự cố điện quá dòng/quá áp tự động và chưa có vỏ hộp cách điện công nghiệp đạt chuẩn an toàn điện.
- Kết quả đo lường điện năng thực tế vẫn còn tồn tại sai số do ảnh hưởng của nhiễu môi trường và quá trình hiệu chuẩn hệ số tỷ lệ ($k_i, k_v, k_w$) mới chỉ thực hiện trên một số tải thuần trở đơn giản.
- Thông số kết nối mạng Wi-Fi (SSID và Mật khẩu) đang bị gán cố định (hard-coded) trực tiếp trong mã nguồn của vi điều khiển ESP32, gây bất tiện khi thay đổi môi trường mạng mà không nạp lại firmware.
- Ứng dụng Android chưa tích hợp các tính năng nâng cao như: lập lịch hẹn giờ tự động độc lập, lưu trữ dữ liệu lịch sử và vẽ biểu đồ phụ tải tiêu thụ điện theo thời gian.
Giá trị tham khảo
Tài liệu báo cáo thực tập tốt nghiệp này có giá trị ứng dụng và tham khảo thiết thực cho:
- Sinh viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, Điện tử - Viễn thông, Hệ thống nhúng và IoT đang nghiên cứu đề tài về đo lường điện xoay chiều thông minh.
- Những người phát triển phần cứng cần tài liệu thiết kế chi tiết về cách tính toán mạch giao tiếp cảm biến biến dòng ZMCT103C, biến áp ZMPT101B và cấu hình thanh ghi IC đo năng lượng chuyên dụng ADE7753.
- Tài liệu tham khảo rõ ràng về mô hình kết hợp xử lý giữa vi điều khiển AVR (ATmega328P) và SoC Wi-Fi (ESP32) chạy hệ điều hành FreeRTOS với giao thức MQTT, cũng như quy trình xây dựng ứng dụng Android điều khiển thiết bị IoT từ đầu.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao hệ thống cần sử dụng đồng thời hai vi điều khiển ATmega328P và ESP32 thay vì dùng trực tiếp một chip ESP32?
Trong thiết kế này, tác giả phân tách nhiệm vụ xử lý: ATmega328P đóng vai trò là vi xử lý đo lường thời gian thực (chuyên trách giao tiếp SPI đọc liên tục dữ liệu thanh ghi từ IC ADE7753, tính toán bù sai số và điều khiển màn hình hiển thị tại chỗ LCD5110); trong khi đó ESP32 chuyên trách tầng truyền thông không dây (quản lý ngăn xếp mạng TCP/IP, duy trì kết nối Wi-Fi, xử lý giao thức MQTT và điều khiển đóng cắt relay). Cách phân chia này giúp giảm tải tính toán và tránh xung đột thời gian thực giữa tác vụ mạng và tác vụ đo lường.
2. IC đo lường điện năng ADE7753 giao tiếp với ATmega328P theo chuẩn gì và cấu hình thanh ghi MODE có giá trị mặc định là bao nhiêu?
ADE7753 giao tiếp với ATmega328P qua chuẩn giao tiếp nối tiếp SPI ở Mode 1 ($\text{CPOL}=0, \text{CPHA}=1$) với 4 đường tín hiệu: DIN, DOUT, SCLK và CS. Thanh ghi cấu hình chế độ hoạt động MODE (địa chỉ 0x09, kích thước 16-bit) có giá trị mặc định được thiết lập là 0x000C.
3. Công thức và giá trị tính toán điện trở Shunt $R_3$ cho khối đo dòng điện là bao nhiêu?
Sử dụng biến dòng ZMCT103C có tỷ số biến đổi $1000:1$. Với dải đo thiết kế tối đa $10\text{A}$ và giới hạn điện áp ngõ vào kênh $V_{1P}/V_{1N}$ của ADE7753 không vượt quá $0.5\text{V}$, điện trở gánh $R_3$ được tính bằng:
$$R_3 = \frac{0.5\text{ V}}{\sqrt{2}} \div \frac{10\text{ A}}{1000} \approx 35.35\ \Omega$$
Tác giả đã chọn điện trở chuẩn thực tế là $R_3 = 33\ \Omega$ ($1/4\text{W}$).
4. Ứng dụng Android nhận dữ liệu đo lường từ thiết bị thông qua những topic MQTT nào?
Ứng dụng Android kết nối đến MQTT Broker và tự động đăng ký nhận dữ liệu từ 3 topic chính: VRMS (điện áp hiệu dụng), IRMS (dòng điện hiệu dụng) và WATT (công suất tiêu thụ). Đồng thời, ứng dụng gửi lệnh điều khiển đóng/ngắt relay qua topic button với nội dung thông điệp là chuỗi ON hoặc OFF.
Kết luận
Báo cáo thực tập tốt nghiệp của tác giả Tạ Anh Tú đã hoàn thành việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công mô hình mẫu ổ cắm thông minh điều khiển qua mạng Wi-Fi tích hợp tính năng đo lường điện năng. Hệ thống kết hợp hiệu quả giữa phần cứng đo lường chuyên dụng ADE7753, vi điều khiển ATmega328P, vi xử lý truyền thông ESP32 chạy FreeRTOS và ứng dụng giám sát trên hệ điều hành Android qua giao thức MQTT. Mặc dù còn tồn tại một số hạn chế về kích thước cơ khí, độ chính xác tuyệt đối và tính linh hoạt trong cấu hình mạng, đề tài đã xây dựng được một quy trình kỹ thuật hoàn chỉnh và có tính ứng dụng cao trong lĩnh vực nhà thông minh và quản lý năng lượng.
