Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quản lý lưới điện sinh hoạt và công nghiệp, các thiết bị đo lường truyền thống (công tơ cơ khí) chủ yếu phục vụ việc hiển thị chỉ số điện năng tiêu thụ tại chỗ theo đơn vị kilowatt giờ (kWh). Phương thức này đòi hỏi nhân viên điện lực phải đến từng vị trí lắp đặt để ghi nhận chỉ số định kỳ thủ công, tiềm ẩn nguy cơ sai sót dữ liệu và gây bất tiện cho quá trình theo dõi của người sử dụng. Sự phát triển của các nền tảng Internet of Things (IoT) cho phép xây dựng hệ thống giám sát điện năng từ xa thông qua mạng Internet. Tuy nhiên, việc truyền dữ liệu phụ thuộc hoàn toàn vào sóng Wi-Fi hoặc Internet sẽ gặp trở ngại lớn tại các khu vực vùng sâu, vùng xa, công trình ngầm hoặc nơi hạ tầng viễn thông chưa ổn định.

Trước thực tế đó, đề tài đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công công tơ điện tử giám sát được điện năng tiêu thụ qua mạng LoRa và Internet" do sinh viên Cao Thị Thúy và Nguyễn Văn Nam thực hiện (ngành Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, dưới sự hướng dẫn của ThS. Phan Vân Hoàn vào tháng 08/2020) đã được triển khai. Đề tài kế thừa và phát triển giải pháp từ các nghiên cứu trước đó tại đơn vị (như nghiên cứu năm 2019 của tác giả Võ Hồng Sơn và Nguyễn Lâm Hoàng Minh Tuấn về giám sát kết hợp điều khiển thiết bị qua Internet và LoRa), tập trung kết hợp hai kênh truyền thông không dây để đảm bảo tính liên tục của dữ liệu đo lường.

Mục tiêu tổng quát của đề tài là thiết kế và thi công hoàn chỉnh mô hình công tơ điện tử có khả năng đo đạc chính xác các thông số điện áp, dòng điện, công suất và điện năng tiêu thụ của tải xoay chiều 1 pha, hiển thị dữ liệu trực tiếp trên màn hình màu TFT, đồng thời lưu trữ và truyền dữ liệu lên cơ sở dữ liệu máy chủ qua Wi-Fi hoặc chuyển tiếp qua mạng sóng vô tuyến tầm xa LoRa về thiết bị trung tâm khi mất kết nối Internet.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được phân định thành 8 nội dung cụ thể:

  1. Kết nối vi điều khiển NodeMCU ESP8266 với module đo điện năng chuyên dụng PZEM-004T và màn hình LCD TFT để hiển thị thông số tại chỗ.
  2. Kết nối module Wi-Fi trên ESP8266 với mạng Internet nhằm cập nhật dữ liệu định kỳ cho nhà quản lý.
  3. Nghiên cứu và xây dựng phương thức truyền nhận dữ liệu không dây giữa các module LoRa.
  4. Xây dựng trang web quản lý phục vụ nhu cầu giám sát của hộ gia đình và trạm thu thập trung tâm.
  5. Thiết kế mô hình phần cứng và sơ đồ kết nối toàn hệ thống.
  6. Thi công phần cứng, đóng gói bo mạch, chạy thử nghiệm và hiệu chỉnh các thông số.
  7. Soạn thảo báo cáo kỹ thuật đồ án tốt nghiệp.
  8. Bảo vệ đề tài trước hội đồng chuyên môn.

Phạm vi và giới hạn kỹ thuật của hệ thống được xác định:

  • Cấu trúc hệ thống thử nghiệm gồm 1 thiết bị chủ (Gateway trung tâm) và 2 thiết bị phụ (Node đo tại hộ gia đình).
  • Đo lường điện xoay chiều 1 pha trong dải điện áp từ 80VAC đến 260VAC (tần số 50 - 60Hz), dòng điện từ 0A đến 100A, công suất tải từ 0W đến 26.000W và tích lũy điện năng tiêu thụ từ 0kWh đến 9.999kWh.
  • Toàn bộ thiết bị hoạt động bằng nguồn điện lưới dân dụng 220VAC.
  • Khoảng cách truyền thông LoRa giữa thiết bị phụ và thiết bị chủ giới hạn trong bán kính 500m.
  • Hệ thống máy chủ cơ sở dữ liệu và giao diện web triển khai trên môi trường máy chủ cục bộ (localhost).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Để thực hiện đồ án, nhóm tác giả đã tổng hợp và ứng dụng các nền tảng lý thuyết và công nghệ chuyên ngành kỹ thuật điện tử, viễn thông và công nghệ mạng:

  • Công nghệ truyền thông không dây LoRa (Long Range) và kiến trúc LoRaWAN: Công nghệ điều chế vô tuyến do Semtech phát triển, vận hành trên các dải tần miễn cấp phép (433MHz tại châu Á, 868MHz tại châu Âu, 915MHz tại châu Mỹ). Hệ thống áp dụng cấu trúc liên kết mạng hình sao (Star Topology) kết hợp mạng lưới (Mesh Topology) và kỹ thuật chuyển tiếp đa chặng (Multi-hop) để mở rộng phạm vi phủ sóng. Nhóm tác giả xây dựng cơ chế bắt tay 3 bước (Three-way handshake) tương tự giao thức TCP nhằm xác thực việc gửi nhận gói tin, khắc phục nguy cơ mất dữ liệu khi truyền vô tuyến.
  • Nguyên lý đo dòng điện xoay chiều bằng máy biến dòng (Current Transformer - CT): Ứng dụng hiện tượng cảm ứng điện từ để biến đổi dòng điện sơ cấp lớn chạy qua tải thành dòng điện thứ cấp tỷ lệ nhỏ hơn thông qua cuộn dây quấn quanh lõi rỗng, bảo đảm cách ly an toàn giữa lưới điện công suất cao và mạch vi điều khiển.
  • Kỹ thuật chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số (ADC): Cơ chế lấy mẫu và lượng tử hóa tín hiệu điện áp/dòng điện theo độ phân giải và tốc độ lấy mẫu xác định để vi điều khiển đọc và xử lý.
  • Các chuẩn giao tiếp nối tiếp phần cứng:
    • UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter): Giao thức truyền thông nối tiếp bất đồng bộ sử dụng hai đường truyền Tx và Rx với khung truyền gồm Start bit, 5-9 Data bits, Parity bit và Stop bit để giao tiếp giữa ESP8266 với module PZEM-004T và module LoRa E32-TTL-100.
    • SPI (Serial Peripheral Interface): Giao thức truyền thông nối tiếp đồng bộ bốn dây song công toàn phần (MOSI, MISO, SCK, CS) để điều khiển xuất đồ họa tốc độ cao sang màn hình TFT LCD.
  • Giao thức ứng dụng HTTP và mô hình Client-Server: Sử dụng phương thức gửi dữ liệu HTTP GET và HTTP POST qua môi trường Internet để truyền gói tin đo đạc từ các trạm về Web Server lưu vào hệ quản trị cơ sở dữ liệu.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được triển khai thông qua:

  1. Tính toán lý thuyết công suất tiêu thụ của các linh kiện để chọn bộ nguồn chuyển đổi AC-DC phù hợp.
  2. Thiết kế mạch in 2 lớp (PCB) cho khối xử lý và khối nguồn.
  3. Lập trình vi điều khiển trên ngôn ngữ C/C++ kết hợp kiểm thử thuật toán định tuyến dữ liệu.
  4. Lập trình ứng dụng web phía máy chủ để hiển thị và trích xuất số liệu.
  5. Đo kiểm thực nghiệm các thông số dòng, áp, công suất của thiết bị so với đồng hồ đo điện đa năng chuyên dụng nhằm đánh giá sai số.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo sơ đồ khối tổng thể bao gồm hai loại nút thiết bị: Thiết bị phụ (Node thu thập) và Thiết bị chủ (Gateway trung tâm). Mỗi thiết bị bao gồm 5 khối chức năng chính:

[ Nguồn AC-DC ] ---> Cấp nguồn 5VDC cho toàn mạch
             [ Database / Web ]              [ Module LoRa E32 ]

1. Phân tích chi tiết các khối phần cứng

Khối chức năng Linh kiện / Module sử dụng Thông số kỹ thuật & Vai trò trong mạch
Khối xử lý & điều khiển NodeMCU ESP8266 (ESP-12E) Bộ xử lý RISC 32-bit Tensilica LX106 (80 - 160MHz), 128KB RAM, 4MB Flash; tích hợp Wi-Fi 802.11 b/g/n băng tần 2.4GHz; tích hợp IC nạp CP2102. Đảm nhận việc đọc dữ liệu cảm biến, hiển thị màn hình, cấu hình AP/STA và truyền dữ liệu.
Khối đo điện năng PZEM-004T Dải đo 80 - 260VAC, 0 - 100A, 0 - 26kW, 0 - 9999kWh (sai số danh định 0.01). Giao tiếp UART với ESP8266 ở tốc độ 9600 baud (8 bit dữ liệu, 1 bit dừng, không parity) qua hai chân D1 (Tx) và D2 (Rx).
Khối hiển thị TFT LCD 2.2 / 2.4 inch (IC ILI9341) Độ phân giải 240x320 pixel, điện áp 3.3V/5V. Giao tiếp SPI với ESP8266: chân CS nối D8, MOSI nối D7, SCK nối D5, MISO nối D6, chân điều khiển lệnh/dữ liệu DC nối D0. Hiển thị trực quan chỉ số điện áp, dòng điện, công suất và tổng kWh.
Khối thu phát LoRa E32-TTL-100 (Semtech SX1278) Công suất phát 20dBm (100mW), băng tần 410 - 441MHz, khoảng cách lý tưởng 1000 - 3000m. Giao tiếp qua cổng UART2 của ESP8266. Hai chân cấu hình chế độ M0, M1 nối chung vào D4; chân cờ trạng thái AUX nối vào A0.
Khối nguồn Hi-Link HLK-5M05 Nguồn xung AC-DC công nghiệp; đầu vào 100 - 240VAC (50/60Hz), đầu ra ổn áp 5VDC, công suất cực đại 5W (dòng tối đa 1A). Cấp nguồn cho toàn bộ mạch điều khiển và cảm biến.

Dựa trên bảng tính toán phụ tải thực tế của các phần tử trong hệ thống, tổng dòng điện tiêu thụ lớn nhất được xác định như sau:

STT Tên linh kiện Điện áp hoạt động (VDC) Dòng điện tiêu thụ (mA) Số lượng Tổng dòng tiêu thụ (mA)
1 NodeMCU ESP8266 3.3 170 1 170
2 Module đo điện năng PZEM-004T 5.0 10 1 10
3 Màn hình TFT LCD SPI ILI9341 5.0 150 1 150
4 Module LoRa E32-TTL-100 5.0 120 1 120
5 Đèn LED báo nguồn 3.3 20 1 20
Tổng Toàn bộ hệ thống - - - 470 mA

Với tổng dòng tiêu thụ cực đại 470mA ($< 1\text{A}$), module nguồn Hi-Link HLK-5M05 (5V/1A/5W) hoàn toàn đáp ứng tốt nhu cầu làm việc liên tục. Đồng thời, mạch sử dụng một điện trở hạn dòng cho LED báo nguồn với giá trị được tính toán:

$$R_{LED} = \frac{V_{CC}}{I_{LED}} = \frac{5\text{V}}{0{,}015\text{A}} \approx 333{,}33,\Omega \quad \longrightarrow \quad \text{Chọn điện trở chuẩn } 330,\Omega.$$

2. Thuật toán truyền thông và định tuyến dữ liệu

Hệ thống vận hành theo quy trình định tuyến ưu tiên:

  1. Ưu tiên Wi-Fi: Thiết bị đo tại hộ gia đình thu thập thông số từ PZEM-004T, sau đó khởi tạo kết nối HTTP Client để gửi trực tiếp dữ liệu lên máy chủ cơ sở dữ liệu qua sóng Wi-Fi của hộ gia đình.
  2. Chuyển tiếp LoRa về trạm chủ: Khi mất kết nối Wi-Fi hoặc không có Internet, thiết bị tự động chuyển đổi sang giao tiếp không dây LoRa qua module E32-TTL-100, đóng gói dữ liệu và gửi đến thiết bị chủ (Gateway trung tâm). Thiết bị chủ sau khi nhận bản tin LoRa sẽ sử dụng kết nối Internet riêng của nó để đồng bộ dữ liệu hộ phụ lên máy chủ.
  3. Chuyển tiếp đa chặng (Mesh Relay): Trường hợp thiết bị phụ nằm ngoài vùng phủ sóng trực tiếp tới trạm chủ, nó sẽ phát gói tin LoRa tới một thiết bị phụ trung gian lân cận để chuyển tiếp gói tin về thiết bị chủ.

3. Triển khai phần mềm và cơ sở dữ liệu

  • Phần mềm nhúng: Chương trình điều khiển trên ESP8266 được biên dịch bằng công cụ Sloeber (môi trường Eclipse tích hợp cho Arduino). Thiết bị hỗ trợ chế độ cấu hình Soft-AP để người dùng dùng điện thoại hoặc máy tính truy cập trang cài đặt cấu hình Wi-Fi, địa chỉ Server, Port và mã số hộ sử dụng điện.
  • Phần mềm quản lý máy chủ: Hệ thống Web Server sử dụng gói phần mềm XAMPP (chạy Apache Web Server và hệ quản trị cơ sở dữ liệu MySQL), mã nguồn web được viết bằng Sublime Text 3. Giao diện quản trị cung cấp các tính năng: Đăng ký/đăng nhập phân quyền người dùng, quản lý danh sách hộ tiêu thụ theo từng khu vực, giám sát thông số thời gian thực và trích xuất biểu đồ năng lượng tiêu thụ theo ngày, tháng.

Nội dung chính theo từng chương

Báo cáo đồ án tốt nghiệp được cấu trúc thành 6 chương chuyên biệt:

Chương 1: Tổng quan

Chương này trình bày bối cảnh thực tiễn, tính cấp thiết của việc hiện đại hóa công tơ đo điện gia dụng, mục tiêu đề tài, 8 nội dung nghiên cứu cần thực hiện, các giới hạn kỹ thuật về dải đo (80-260V, 0-100A, 0-26kW, 0-9999kWh), cự ly vô tuyến LoRa (500m) và bố cục tổng thể của đồ án.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Cung cấp chi tiết các kiến thức nền tảng: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của mạng LoRa/LoRaWAN; nguyên tắc hoạt động của mạng không dây Wi-Fi và mạng Internet; nguyên lý cảm ứng điện từ trên máy biến dòng (CT); bản chất mạch biến đổi ADC; cấu trúc khung truyền và quy trình truyền nhận của chuẩn nối tiếp UART, chuẩn SPI; giao thức HTTP (phương thức GET, POST); cùng mô hình bắt tay 3 bước (Three-way handshake) ứng dụng trong kết nối tin cậy.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Tập trung thiết kế sơ đồ khối toàn hệ thống và đi sâu phân tích từng khối phần cứng: Khối điều khiển NodeMCU ESP8266, khối đo điện PZEM-004T, khối hiển thị LCD TFT ILI9341, khối truyền thông LoRa E32-TTL-100 và khối nguồn chuyển đổi AC-DC Hi-Link HLK-5M05. Chương này trình bày chi tiết bảng tính toán tổng dòng tiêu thụ linh kiện (470mA), tính chọn điện trở LED ($330\Omega$) và sơ đồ nguyên lý của toàn mạch.

Chương 4: Thi công hệ thống

Trình bày quy trình thiết kế và thi công mạch in PCB (mạch nguồn, mạch điều khiển), sơ đồ bố trí linh kiện dạng 3D, quy trình lắp ráp, đóng gói bo mạch vào vỏ hộp bảo vệ. Đồng thời, chương trình bày chi tiết lưu đồ thuật toán hoạt động của thiết bị đo, lưu đồ truyền nhận LoRa, lưu đồ web, cấu hình phần mềm Sloeber và phần mềm XAMPP, cơ sở dữ liệu MySQL cùng giao diện quản lý trên website.

Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá

Trình bày hình ảnh thiết bị thực tế sau khi gia công hoàn chỉnh, các giao diện cấu hình mạng và bảng điều khiển web. Phân tích số liệu thực nghiệm kiểm chứng độ chính xác khi so sánh các giá trị đo (điện áp, dòng điện, công suất) của hệ thống với thiết bị đo chuyên dụng, kiểm nghiệm thời gian truyền LoRa và độ trễ đẩy dữ liệu lên cơ sở dữ liệu.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Đánh giá mức độ hoàn thành các mục tiêu ban đầu của đồ án, chỉ ra các tồn tại kỹ thuật và đề xuất các phương án cải tiến phần cứng, thuật toán và phần mềm trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật đạt được

Nhóm tác giả đã chế tạo hoàn chỉnh mô hình phần cứng gồm 1 thiết bị chủ và 2 thiết bị phụ được đóng hộp bảo vệ, tích hợp đầy đủ màn hình màu TFT hiển thị tại chỗ và mạch đo lường.

Hệ thống đã trải qua các bài kiểm nghiệm thực tế và ghi nhận các thông số kỹ thuật:

  • Độ chính xác đo lường: Module PZEM-004T kết hợp biến dòng CT đo chính xác điện áp xoay chiều (80 - 260VAC) và dòng điện tải (0 - 100A), các giá trị công suất và năng lượng tích lũy sai lệch không đáng kể so với đồng hồ đo điện tiêu chuẩn chuyên dụng.
  • Khả năng chuyển đổi truyền thông linh hoạt: Thiết bị hoạt động ổn định ở cả hai chế độ: Gửi dữ liệu trực tiếp qua Wi-Fi lên server và gửi gián tiếp qua mạng LoRa khi mất sóng Wi-Fi.
  • Thời gian truyền dữ liệu: Thời gian gửi và cập nhật thông số từ thiết bị lên giao diện website qua kết nối Wi-Fi ghi nhận trung bình là 10 giây.
  • Tính năng giao diện người dùng: Trang web hiển thị đầy đủ thông tin dòng điện, điện áp, công suất, số điện năng tích lũy theo thời gian thực, đồng thời lưu trữ lịch sử tiêu thụ theo từng ngày và từng tháng cho từng hộ gia đình và khu vực quản lý.

2. Đóng góp của đề tài

So với các nghiên cứu và mô hình công tơ điện tử trước đó, đề tài mang lại các đóng góp cụ thể:

  • Giải pháp kết hợp kép Wi-Fi và LoRa: Xây dựng cơ chế dự phòng truyền thông hiệu quả, giúp duy trì luồng dữ liệu đo lường liên tục về trung tâm ngay cả khi hạ tầng mạng Internet tại các hộ gia đình bị gián đoạn.
  • Giải thuật mở rộng phạm vi truyền không dây: Ứng dụng mô hình truyền bắc cầu đa chặng giữa các node phụ lân cận, giúp các node ở khoảng cách xa vẫn có thể gửi dữ liệu về máy chủ thông qua các trạm trung gian.
  • Tối ưu hóa chi phí phần cứng: Tận dụng module vi điều khiển chi phí thấp NodeMCU ESP8266 kết hợp cảm biến đo chuyên dụng PZEM-004T và module LoRa thương mại, tạo ra hệ thống có giá thành thấp, kích thước nhỏ gọn và độ an toàn cao nhờ mạch biến dòng cách ly.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

1. Hạn chế kỹ thuật tồn tại trong văn bản

Báo cáo đồ án đã thẳng thắn ghi nhận các điểm hạn chế trong quá trình thử nghiệm mô hình thực tế:

  • Mạch hoạt động chưa thực sự ổn định trong khoảng thời gian ngắn ngay sau khi mới cấp nguồn điện lưới 220VAC.
  • Khoảng cách truyền thông LoRa thực tế trong môi trường đô thị chỉ đạt tối đa khoảng 500m (thấp hơn thông số lý thuyết từ 1000m đến 3000m của module E32-TTL-100 do chịu ảnh hưởng của vật cản và tường chắn).
  • Quá trình đồng bộ dữ liệu từ thiết bị lên cơ sở dữ liệu đôi lúc còn chưa ổn định; thời gian trễ hiển thị dữ liệu qua Wi-Fi lên trang web mất khoảng 10 giây.
  • Ứng dụng web quản lý mới dừng lại ở môi trường triển khai máy chủ cục bộ (localhost), giao diện và độ phân giải hiển thị trên các thiết bị di động chưa được tối ưu hóa hoàn toàn.

2. Hướng phát triển tiếp theo

Dựa trên các hạn chế đã chỉ ra, đồ án định hướng các nội dung nâng cấp tiếp theo:

  • Nâng cấp phần cứng lọc nguồn và chống nhiễu đầu vào để thiết bị hoạt động ổn định ngay khi cấp nguồn.
  • Tối ưu hóa thuật toán nén gói tin và định tuyến đa điểm trên mạng LoRa nhằm nâng cao cự ly truyền thực tế và giảm thời gian trễ cập nhật dữ liệu.
  • Đưa hệ thống cơ sở dữ liệu và giao diện web lên nền tảng máy chủ đám mây (Cloud Server) với tên miền tĩnh, giúp người dùng và đơn vị điện lực có thể truy cập từ bất kỳ đâu qua mạng Internet công cộng.
  • Phát triển ứng dụng chuyên dụng trên điện thoại thông minh (hệ điều hành Android/iOS) và hoàn thiện thiết kế vỏ hộp đạt tiêu chuẩn công nghiệp chống nước, chống bụi.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp này là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho:

  • Sinh viên và học viên ngành Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, Công nghệ Kỹ thuật Máy tính và IoT: Tham khảo quy trình thiết kế hoàn chỉnh một thiết bị IoT nhúng kết hợp nhiều chuẩn truyền thông phần cứng (UART, SPI, Wi-Fi, LoRa) và cách thức xây dựng cơ sở dữ liệu Web Server.
  • Nhóm nghiên cứu phát triển thiết bị đo đạc lưới điện thông minh (Smart Grid): Tham khảo trực tiếp sơ đồ nguyên lý kết nối an toàn với module đo công suất AC PZEM-004T dùng biến dòng CT, cách cấu hình và điều khiển các chế độ của module LoRa E32-TTL-100 qua vi điều khiển ESP8266.
  • Nghiên cứu về giao thức mạng không dây công suất thấp: Cung cấp tài liệu thực chứng về phương pháp thiết lập cơ chế bắt tay 3 bước (Three-way handshake) trên đường truyền vô tuyến không định hướng để giảm thiểu hiện tượng mất gói tin.

Câu hỏi thường gặp

1. Module PZEM-004T có khả năng đo đạc những thông số nào và phạm vi đo cụ thể là bao nhiêu?
Module PZEM-004T đo được 4 thông số điện xoay chiều 1 pha chính: Điện áp (80 ~ 260VAC / 50-60Hz, sai số 0.01), dòng điện tiêu thụ (0 ~ 100A, sai số 0.01), công suất tiêu thụ tức thời (0 ~ 26.000W) và tổng điện năng tiêu thụ tích lũy (0 ~ 9.999kWh). Module giao tiếp với vi điều khiển bằng cổng UART ở tốc độ baud mặc định 9600.

2. Cơ chế truyền dữ liệu dự phòng giữa Wi-Fi và LoRa được thiết lập như thế nào trong hệ thống?
Hệ thống ưu tiên sử dụng Wi-Fi của thiết bị để gửi trực tiếp thông số đo lên cơ sở dữ liệu thông qua giao thức HTTP. Trong trường hợp mất kết nối Internet hoặc không có Wi-Fi, thiết bị tự động chuyển đổi sang kênh truyền LoRa để phát dữ liệu về thiết bị chủ (Gateway) hoặc chuyển tiếp qua node phụ lân cận; sau đó thiết bị chủ sẽ dùng mạng Internet riêng để cập nhật các gói tin này lên máy chủ.

3. Tại sao nhóm tác giả lựa chọn module nguồn Hi-Link HLK-5M05 và cơ sở tính toán công suất ra sao?
Module Hi-Link HLK-5M05 chuyển đổi trực tiếp từ 100-240VAC sang 5VDC với công suất 5W (dòng tối đa 1A), có kích thước nhỏ gọn và tích hợp bảo vệ ngắn mạch/quá tải. Nhóm tác giả đã tính toán tổng dòng điện tiêu thụ cực đại của toàn bộ phần cứng (ESP8266: 170mA, PZEM-004T: 10mA, TFT LCD: 150mA, LoRa E32: 120mA, LED: 20mA) là 470mA, hoàn toàn nằm trong giới hạn an toàn của bộ nguồn 1A.

4. Module LoRa E32-TTL-100 có các chế độ hoạt động nào và được điều khiển bằng các chân nào trên vi điều khiển?
Module E32-TTL-100 có 4 chế độ hoạt động được điều khiển thông qua trạng thái logic của hai chân M0 và M1:

  • Mode 0 (Normal - M1=0, M0=0): Truyền nối tiếp và truyền không dây thông thường.
  • Mode 1 (Wake-up - M1=0, M0=1): Hoạt động kèm mã đánh thức module nhận.
  • Mode 2 (Power saving - M1=1, M0=0): Tắt UART, chỉ bật khi có dữ liệu nhận để tiết kiệm điện.
  • Mode 3 (Sleep - M1=1, M0=1): Chế độ ngủ dùng để nạp cấu hình thông số.
    Trong mạch, hai chân M0, M1 được nối chung vào chân D4 của ESP8266, chân cờ trạng thái AUX nối vào chân A0 và các chân UART nối qua cổng UART2.

5. Khoảng cách truyền thông LoRa thực tế và độ trễ cập nhật dữ liệu của hệ thống là bao nhiêu?
Khoảng cách truyền LoRa thực tế giữa thiết bị phụ và thiết bị chủ trong mô hình đồ án đạt trong phạm vi 500m. Thời gian truyền và cập nhật dữ liệu từ thiết bị qua mạng Wi-Fi lên giao diện website máy chủ trung bình là 10 giây.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công công tơ điện tử giám sát được điện năng tiêu thụ qua mạng LoRa và Internet" của sinh viên Cao Thị Thúy và Nguyễn Văn Nam đã chế tạo thành công mô hình công tơ điện tử đo lường điện năng 1 pha với đầy đủ các khối chức năng hiển thị tại chỗ và truyền thông từ xa. Việc kết hợp linh hoạt kênh truyền dữ liệu tốc độ cao Wi-Fi/Internet với mạng vô tuyến tầm xa LoRa đã giải quyết hiệu quả bài toán duy trì tính liên tục của dữ liệu đo đạc tại các khu vực có hạ tầng mạng không ổn định. Công trình cung cấp một tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo rõ ràng về sơ đồ nguyên lý phần cứng, phương pháp tính toán phụ tải nguồn và giải thuật truyền thông không dây cho các hệ thống giám sát năng lượng thông minh.