Đồ án HCMUTE: Ứng dụng IoT vào hệ thống giám sát năng lượng

• Tác giả: Nguyễn Thành Đạt
• Người hướng dẫn: GVHD: Lê Mỹ Hà
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Ứng Dụng IoT Trong Giám Sát Năng Lượng Tại HCMUTE
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN
• NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN
• DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Hướng giải quyết
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA HỆ THỐNG GIÁM SÁT NĂNG LƯỢNG
• 2.1. Nền tảng về IoT
• 2.2. Khái niệm IoT
• 2.3. IoT từ góc nhìn kỹ thuật
• 2.4. Đặc tính cơ bản
• 2.5. Yêu cầu ở mức high-level đối với một hệ thống IoT
• 2.6. Ứng dụng của IoT
• 2.7. Các giá trị hiệu dụng, công suất và hệ số công suất
• 2.8. Chuẩn giao tiếp UART
• 2.9. Mạng lưới cảm biến không dây (WSN)
• 2.10. Giao thức MQTT
• 2.10.1. Giới thiệu MQTT
• 2.10.2. Đặc điểm giao thức MQTT
• 2.10.3. Cấu trúc giao thức MQTT
• 2.11. Tầng ứng dụng (Quanlities of Server)
• 2.12. Môi trường lập trình Node Red
• 2.13. Hệ thống máy chủ ảo (Virtual Private Server - VPS)
• 2.14. Điện toán đám mây
• 2.15. Đo lường năng lượng
• 2.16. Lưu trữ dữ liệu
• 2.17. Thuật toán K-nearest Neighbors (KNN)
• 2.18. Ngôn ngữ lập trình Python
• 2.19. Kiểu định dạng dữ liệu JSON
• 2.20. Công nghệ Wifi
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
• 3.1. Thiết kế sơ đồ khối
• 3.2. Module đo lường thông tin năng lượng PZEM-004T
• 3.3. Module WiFi ESP8266.5 và ESP8266 Library
• 3.4. Chương trình ESP8266
• 3.5. Giao tiếp giữa hai mức điện áp
• 3.6. Nguồn hoạt động
• 3.7. Thuật toán KNN
• 3.8. Chương trình python xử lý KNN
• 3.9. Môi trường lập trình Node-Red
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN
• 5.1. Vấn đề đã làm được
• 5.2. Vấn đề chưa làm được
• 5.3. Nhược điểm
• 5.4. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Ứng dụng IoT trong Giám sát Năng lượng tại HCMUTE Tổng quan

Đồ án tốt nghiệp này nghiên cứu ứng dụng IoT trong giám sát năng lượng tại HCMUTE. Nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế và triển khai một hệ thống giám sát năng lượng thông minh, cho phép người dùng theo dõi và điều khiển sử dụng điện năng từ xa. Hệ thống này tận dụng công nghệ IoT để thu thập dữ liệu tiêu thụ năng lượng, phân tích dữ liệu và đưa ra cảnh báo khi cần thiết. Mục tiêu chính là tiết kiệm năng lượng và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng tại trường. Đồ án đã thành công trong việc chứng minh tính khả thi của giải pháp IoT giám sát điện năng, mở ra hướng phát triển mới cho việc quản lý năng lượng hiệu quả tại HCMUTE.

1.1. Đặt vấn đề và Hướng giải quyết

Việc giám sát năng lượng hiệu quả là rất cần thiết trong bối cảnh tiêu thụ năng lượng ngày càng tăng. Giám sát năng lượng giúp người dùng nhận biết thiết bị đang hoạt động, thời gian sử dụng, và lượng điện năng tiêu thụ. Điều này cho phép người dùng chủ động tắt các thiết bị không cần thiết, từ đó giảm thiểu lãng phí. Hướng giải quyết được đề xuất là sử dụng công nghệ IoT, cụ thể là xây dựng một hệ thống giám sát năng lượng dựa trên nền tảng IoT. Hệ thống này sẽ thu thập dữ liệu từ các cảm biến, truyền dữ liệu về trung tâm xử lý, và hiển thị thông tin trên giao diện người dùng. Đặc biệt, hệ thống cho phép điều khiển bật/tắt thiết bị từ xa, góp phần tiết kiệm năng lượng đáng kể. Khó khăn chính nằm ở việc lựa chọn các cảm biến IoT giám sát năng lượng phù hợp, thiết kế giao thức truyền thông ổn định và đảm bảo an ninh mạng cho hệ thống.

1.2. Cơ sở lý thuyết của Hệ thống Giám sát Năng lượng

Phần này trình bày các kiến thức nền tảng cần thiết cho việc thiết kế và triển khai hệ thống. Nền tảng về IoT, bao gồm khái niệm, đặc điểm, và ứng dụng của IoT, được giải thích chi tiết. Các chuẩn giao tiếp như UART và MQTT được phân tích để lựa chọn giao thức phù hợp cho hệ thống. Mạng lưới cảm biến không dây (WSN) và điện toán đám mây đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập và xử lý dữ liệu. Phần mềm Node-Red được sử dụng để xây dựng giao diện người dùng và quản lý dữ liệu. Việc lựa chọn cảm biến IoT giám sát năng lượng PZEM-004T và module WiFi ESP8266 đã được đánh giá dựa trên các tiêu chí kỹ thuật và chi phí. Thuật toán KNN được ứng dụng để phân tích dữ liệu năng lượng tiêu thụ, từ đó đưa ra các dự báo và cảnh báo kịp thời. Kiểu định dạng dữ liệu JSON được sử dụng để trao đổi dữ liệu giữa các thành phần trong hệ thống.

II. Triển khai và Kết quả Ứng dụng IoT trong Giám sát Năng lượng tại HCMUTE

Đồ án đã thành công trong việc thiết kế và triển khai một hệ thống giám sát năng lượng thông minh sử dụng công nghệ IoT. Hệ thống bao gồm các cảm biến IoT giám sát năng lượng, module WiFi ESP8266, và phần mềm Node-Red. Dữ liệu năng lượng được thu thập và truyền về máy chủ thông qua mạng không dây. Phân tích dữ liệu năng lượng được thực hiện bằng thuật toán KNN. Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động ổn định và chính xác. Hệ thống góp phần tiết kiệm năng lượng tại HCMUTE. Tuy nhiên, một số vấn đề cần được giải quyết trong tương lai, bao gồm việc nâng cao khả năng an ninh mạng IoT giám sát năng lượng và mở rộng quy mô hệ thống.

2.1. Thiết kế và Triển khai Hệ thống

Thiết kế hệ thống bao gồm việc lựa chọn các thành phần phần cứng và phần mềm phù hợp. Sơ đồ khối của hệ thống được trình bày chi tiết. Việc triển khai IoT trong giám sát năng lượng được thực hiện theo từng bước, bao gồm cài đặt phần mềm, cấu hình thiết bị, và tích hợp các thành phần. Module đo lường thông tin năng lượng PZEM-004T và module WiFi ESP8266 được sử dụng để thu thập và truyền dữ liệu. Giao tiếp giữa hai mức điện áp được giải quyết bằng mạch chuyển đổi. Chương trình ESP8266 và chương trình Python xử lý KNN được viết và debug cẩn thận. Môi trường lập trình Node-Red được sử dụng để xây dựng giao diện người dùng thân thiện. Chi phí triển khai IoT giám sát năng lượng được tính toán và đánh giá.

2.2. Kết quả Thực nghiệm và Phân tích

Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động chính xác và ổn định. Dữ liệu thu thập được được so sánh với kết quả đo bằng thiết bị đo lường truyền thống. Độ chính xác của hệ thống được đánh giá cao. Phân tích dữ liệu năng lượng cho phép nhận biết các thiết bị tiêu thụ năng lượng lớn và thời điểm tiêu thụ cao điểm. Lợi ích của IoT trong giám sát năng lượng được thể hiện rõ ràng qua việc tiết kiệm năng lượng và nâng cao hiệu quả sử dụng. Tuy nhiên, đồ án cũng chỉ ra một số nhược điểm của hệ thống, chẳng hạn như vấn đề an ninh mạng IoT giám sát năng lượng. So sánh các giải pháp giám sát năng lượng IoT khác cũng được thực hiện để đánh giá tính ưu việt của giải pháp được đề xuất. Thực trạng ứng dụng IoT trong giám sát năng lượng tại HCMUTE hiện nay cho thấy tiềm năng phát triển rất lớn.

III. Kết luận và Hướng phát triển

Đồ án đã chứng minh tính khả thi của việc ứng dụng IoT trong giám sát năng lượng tại HCMUTE. Hệ thống được thiết kế và triển khai hoạt động hiệu quả, đáp ứng được yêu cầu đặt ra. IoT và tiết kiệm năng lượng tại HCMUTE là một hướng đi đầy tiềm năng. Tuy nhiên, còn một số vấn đề cần nghiên cứu thêm, bao gồm an ninh mạng IoT giám sát năng lượng, mở rộng quy mô hệ thống và tích hợp với các hệ thống quản lý năng lượng khác của trường. Việc đào tạo về IoT và giám sát năng lượng tại HCMUTE cần được chú trọng để phát triển nguồn nhân lực cho lĩnh vực này.