Đồ án thiết kế hệ thống nhúng: Đề tài Hệ thống giám sát điện năng tiêu thụ trong hộ gia đình

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - - ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÚNG *** ĐỀ TÀI: HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ TRONG HỘ GIA ĐÌNH ****** GIẢNG VIÊN: NGUYỄN NGỌC MINH SINH VIÊN: NGUYỄN MINH QUANG – B17DCDT148 VŨ VĂN THÀNH – B17DCDT172 LÊ MINH HOÀNG – B17DCDT084 HOÀNG ĐỨC ANH – B17DCDT008 PHẠM VĂN HƯNG – B17DCDT092 Hà Nội, Tháng 6/2021 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG Họ tên sinh viên: Nguyễn Minh Quang B17DCDT148 Phạm Văn Hưng B17DCDT092 Lê Minh Hoàng (chuyển từ nhóm lớp 4) B17DCDT084 Vũ Văn Thành B17DCDT172 Hoàng Đức Anh B17DCDT008 I TÊN ĐỀ TÀI: HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ II TRONG HỘ GIA ĐÌNH NHIỆM VỤ: Các số liệu ban đầu: - Thiết kế hệ thống đo dòng điện điện áp lưới điện gia đình - Tính tốn cơng suất điện - Giao tiếp xử lý trung tâm, báo cố công suất - Kết nối Internet gửi liệu Nội dung thực hiện: - Nhiệm vụ 1: Giao tiếp mô - đun với Vi điều khiển - Nhiệm vụ 2: Giao tiếp Client-Client-Server - Nhiệm vụ 3: Thiết kế mạch đo lường, giao tiếp, mơ hình hệ thớng - Nhiệm vụ 4: Hiển thị thông tin quản lý liệu hệ thống cảnh báo có cố LỜI MỞ ĐẦU Với tình hình dân sớ ngày tăng, nhu cầu tự động hóa cần thiết sống, hệ thống IOT có mặt ngày nhiều lĩnh vực sản xuất, nông nghiệp, chăn nuôi… Giám sát điện cũng không nằm ngoại lệ Ngày thuật ngữ kiểm toán lượng trở thành lĩnh vực quan tâm mọi phương diện xã hội đời sớng Kiểm sốt lượng hoạt động nhằm đánh giá thực trạng hoạt động hệ thống tiêu thụ lượng Từ đó xác định hoạt động sử dụng lượng lãng phí để đưa giải pháp nhằm sử dụng lượng hiệu Kiểm soát lượng giúp hộ xác định khuynh hướng tiêu thụ lượng tiềm tiết kiệm lượng loại thiết bị khác như: Tủ lạnh, bếp điện, bình nước nóng lạnh, điều hồ khơng khí, Hệ thớng giám sát điện tự động cho phép người dùng nắm thông số điện vào thời điểm ngày cách nhanh chóng, xác nhờ thiết bị thông minh, mà không cần phải hiện diện tại khu vực tiêu thụ lượng Với hệ thống giám sát điện tự động, bức tranh quản lý, vận hành nơi tiêu thụ nhiều lượng trở nên sáng sủa hơn, tiết giảm đáng kể chi tiêu thụ điện theo dõi mức tiêu thụ điện tại nhà Chính mà nhóm chúng tơi định thực hiện đề tài MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG LỜI MỞ ĐẦU TÓM TẮT .6 Chương TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu 1.3 Nội dung nghiên cứu 1.4 Giới hạn 1.5 Bố cục Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11 2.1 Quy trình thực hiện hệ thớng 11 2.2 Giới thiệu phần cứng .12 2.2.1 Module cảm biến điện áp PZEM-004T 12 2.2.2 Module chuyển giao tiếp LCD sang I2C .14 2.2.3 LCD 16x2 16 2.2.4 Module NodeMCU ESP8266 19 2.2.5 Giới thiệu chip ESP8266: 21 2.2.6 Phần mềm ứng dụng Blynk .23 Chương TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 26 3.1 Giới thiệu 26 3.2 Tính tốn thiết kế 26 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống .26 3.2.2 Thiết kế giao diện hiển thị 27 3.2.3 Tính tốn thiết kế mạch 28 Chương THI CÔNG HỆ THỐNG .29 4.1 Giới thiệu 29 4.2 Thi công hệ thống .29 4.2.1 Thi công bo mạch 29 4.2.2 Viết chương trình vi xử lý 31 Chương KẾT QUẢ, NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ 32 5.1 Giới thiệu 32 5.2 Kết thực nghiệm 32 5.3 Nhận xét – Đánh giá 33 TÓM TẮT Với nhu cầu giám sát điện tiêu thụ từ xa Chúng xây dựng hệ thống giám sát điện bao gồm thiết bị gắn trực tiếp nguồn điện, xử lý trung tâm hiển thị cảnh báo Hệ thống thực hiện nhiệm vụ quản lý giá trị dòng điện, điện áp, công suất điện hằng ngày, Khi có cố, có cảnh báo cho người dùng nhằm giúp cho người dùng có tác động sớm Như vậy, hệ thớng có vai trị giám sát, quản lý liệu theo thời gian thực, thông báo cố cho người dùng Chương TỞNG QUAN 1.1 Đặt vấn đê Trong sớng hiện đại, lượng yếu tố định mọi trình sản xuất, lao động cũng sinh hoạt người Từ công nghiệp, nông nghiệp, dịch vụ chí đến nghiên cứu khoa học, khám phá thiên nhiên cần lượng, đặc biệt lượng điện Ngày nay, hầu hết thiết bị hộ gia đình sử dụng ng̀n lượng điện Chính vậy, nhu cầu sử dụng điên trở thành phần không thể thiếu sống ngày Trong trình sử dụng điện tiêu thụ cho thiết bị điện gia đình khó kiểm sốt vấn đề khơng mong ḿn điện tiêu thụ tăng cao so với bình thường thiết bị điện vượt công suất cho phép hay chí cớ điện… Nhóm đưa giải pháp xây dựng hệ thớng giám sát cớ q dịng hay áp cũng quản lý thay đổi điện tiêu thụ để thông báo cho người sử dụng mọi lúc, mọi nơi Với hệ thống giám sát, quản lý mạng lưới điện trên, người dùng có thể trực tiếp biết điện tiêu thụ nhà mọi nơi từ đó phát hiện cố, đồng thời đưa biện pháp kịp thời hơp lý nhằm giảm thiểu thiệt hại 1.2 Mục tiêu Thiết kế thi công hệ thống đo điện cách xác, trực quan Hiển thị cập nhật thơng tin nhanh chóng hình LCD, cảnh báo công suất cài đặt 1.3  Nợi dung nghiên cứu Tìm hiểu đề tài, lựa chọn hướng xây dựng tham khảo số hệ thớng có  Lựa chọn tìm hiểu cách thức hoạt động số cảm biến, vi điều khiển  Tiến hành thực nghiệm hệ thống qua loại vi điều khiển, module giao tiếp khác  Lập trình cho vi điều khiển sau lựa chọn xong vi điều khiển thiết bị mong muốn  Thiết kế sơ đồ khối hệ thống, vẽ sơ đồ mạch nguyên lý, thiết kế mạch in thi công mạch  Tiến hành làm mạch, kiểm thử chỉnh sửa lỗi, sau đó hoàn chỉnh phiên khác  Thiết kế mơ hình  Tiến hành thử nghiệm hệ thống thực tế  Đóng gói thiết bị thành sản phẩm hoàn chỉnh  Viết báo cáo 1.4 Giới hạn Đề tài xây dựng mơ hình có sớ giới hạn, với cảm biến, module có sẵn thị trường nên có độ nhạy sai số định Sử dụng vi xử lý để xử lý đo tác vụ khác, ngồi việc tính tốn cơng suất xoay chiều có thơng sớ hệ sớ cơng suất chưa tìm giải pháp đo xác nên hệ số công suất lấy sử dụng với giá trị 1.5 Bố cục Đề tài hệ thống giám sát điện hộ gia đình thực hiện chia làm chương sau: • Chương 1: Tổng quan • Chương 2: Cơ cở lý thuyết • Chương 3: Thiết kế tính tốn • Chương 4: Thi cơng hệ thớng • Chương 5: Kết quả, nhận xét đánh giá • Chương 6: Kết luận hướng phát triển Nôi dụng tóm lược chương sau: • Chương 1: Tổng quan Trong chương tập trung giới thiệu ý tưởng, cũng ưu nhược điểm sử dụng module Từ đó đưa định sử dụng module cho đề tài • Chương 2: Cơ sở lý thuyết Trình bày sơ lược module sử dụng phần cứng, tài nguyên, phần mềm cũng khả kết nối thiết bị • Chương 3: Thiết kế tính tốn Từ yêu cầu cũng nhiệm vụ đề tài nhóm hệ thống thành sơ đồ khối Thiết kế phần cứng: dựa sơ đồ khối tiến hành thiết kế kết nối module lại với tạo thành hệ thống đáp ứng chức Thiết kế phần mềm: Trình bày lưu đờ thuật tốn để giải yêu cầu đặt ra, tối ưu hiệu hoạt động • Chương 4: Thi cơng hệ thống Từ sơ đồ nguyên lý thiết kế, sơ đờ mạch in cũng sơ đờ bớ trí linh kiện Tiến hành thi công bao gồm thi công bo mạch, kết nối module hệ thớng lại với • Chương 5: Kết quả, nhận xét đánh giá Tiến hành lắp ráp mạch thực tế chạy thử nghiệm để quan sát độ xác cũng ổn định hệ thớng dịng điện từ mạch nguồn có đủ đáp ứng cho thiết bị module mạch • Chương 6: Kết hướng phát triển Trình bày kết cũng ưu nhược điểm mắc phải giải pháp Đưa hướng phát triển khả áp dụng thực tế 10 Blynk Server - chịu trách nhiệm xử lý liệu trung tâm điện thoại, máy tính bảng phần cứng Có thể sử dụng Blynk Cloud Blynk cung cấp tự tạo máy chủ Blynk riêng Vì mã ng̀n mở, nên có thể dễ dàng intergrate vào thiết bị chí có thể sử dụng Raspberry Pi làm server Library Blynk – support cho hầu hết tất tảng phần cứng phổ biến cho phép giao tiếp với máy chủ xử lý tất lệnh đến Bây tưởng tượng: nhấn nút ứng dụng Blynk, yêu cầu chuyển đến server Blynk, server kết nối đến phần cứng thông qua library Tương tự thiết bị phần cứng truyền liệu ngược lại đến server Hình 10: Kết nối app Blynk + thiết bị di động + thiết bị điện tử Tính năng, đặc điểm  Cung cấp API & giao diện người dùng tương tự cho tất thiết bị phần cứng hỗ trợ  Kết nối với server cách sử dụng:  Wifi 23  Bluetooth BLE  Ethernet  USB (Serial)  GSM Các tiện ích giao diện nhà cung cấp dễ sử dụng - Thao tác kéo thả trực tiếp giao diện mà không cần viết mã - Dễ dàng tích hợp thêm chức mới cách sử dụng cổng kết nối ảo tích hợp blynk app - Theo dõi lịch sử liệu - Thông tin liên lạc từ thiết bị đến thiết bị Widget - Gửi email, tweet, thơng báo realtime, v.v 24 Chương TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ 3.1 Giới thiệu Thiết kế thi công hệ thống giám sát điện tiêu thụ hộ gia đình thu thập dịng điện, điện áp, tính tốn cơng suất điện hiển thị lên hình LCD Blynk cho phép người dùng giám sát công suất, điện tiêu thụ Xây dựng server app Blynk để kết nối hiển thị thông qua module wifi Các nội dung thiêt kế trình bày bao gồm:  Thiết kế sơ đồ khối  Thiết kế giao diện 3.2 Tính tốn thiết kế 3.2.1 Thiết kế sơ đờ khới hệ thớng Hình 11: Sơ đồ khối hệ thống 25 CHỨC NĂNG TỪNG KHỐI: Khới ng̀n: Cung cấp dịng điện DC 5V cho tồn linh kiện mạch Khối vi xử lý: NodeMCU ESP8266 có nhiệm vụ nhận liệu từ khối đo, tổng hợp, xử lý gửi liệu cho khối hiển thị, khối đo Blynk server Khối đo (INPUT): Cảm biến điện áp module Pzem-004T V3 đọc dòng điện điện áp xử lý tính tốn cơng suất điện thụ gửi thông số qua cho khối vi xử lý Khối hiển thị (OUTPUT): Sử dụng LCD20x4 giao tiếp với xử lý trung tâm chuẩn giao tiếp I2C giao diện app Blynk Khối hiển thị sau nhận liệu từ khối vi xử lý có nhiệm vụ hiển thị liệu hình LCD app Blynk 3.2.2 Thiết kế giao diện hiển thị Giao diện hiển thị đầy đủ thông số:      Điện áp lưới điện Cường độ Công suất Tần số điện lưới Năng lượng Ở dưới đồ thị biểu diễn tương quan thông số theo thời gian thực, thời gian cập nhật liên tục trực tiếp Hình 12: Giao diện app Blynk thiết bị di động 26 Ngồi ra, thơng sớ hiển thị LCD Hình 13: Thơng sớ hiển thị LCD 3.2.3 Tính toán thiết kế mạch Module cảm biến PZEM004T giao tiếp với khối module Wifi ESP 8266 qua chân Rx, Tx nối tương ứng với chân D5, D6 Khi cấp nguồn cho vi xử lý, vi xử lý kết nối wifi thiết lập kết nối đến server Blynk Sau lập kết nối tới Blynk load realtime từ server Blynk Tiếp theo ta gửi lệnh đọc giá trị đo từ Pzem004T, module đo điện trả thông số điện áp, dịng điện, cơng suất tiêu thụ, sớ điện năng, …trong khoảng thời gian Khi vi xử lý đọc giá trị tiến hành cập nhật giữ liệu lên server Blynk để đồng với thiết bị di động Thiết bị di động kết nối với server Blynk load giá trị vi xử lý gửi lên 27 Vi xử lý ESP8266 dựa vào thời gian thực lấy từ server tiến hành lưu trữ liệu vào nhớ EEPROM theo thời điểm định đổi sang đo chu kỳ mới 28 Chương THI CÔNG HỆ THỐNG 4.1 Giới thiệu Sau hồn thành q trình tính tốn thơng sớ mạch, thiết kế sơ đồ nguyên lý, đồng thời thực hiện kiểm tra trình hoạt động mạch testboard Nhóm thực hiện thiết kế mạch Altium tiến hành thi cơng phần cứng cũng hồn thiện thiết bị thành sản phẩm 4.2 Thi công hệ thống 4.2.1 Thi cơng bo mạch Hình 14: Bản vẽ thiết kế mạch nguyên lý 29 Hình 15: Bản vẽ thiết kế mạch PCB Hình 16: Bản vẽ mơ 3D 30 4.2.2 Viết chương trình vi xử lý #include #include #include #define BLYNK_PRINT Serial #define buzzer 21 #define Tx1 D6 #define Rx1 D5 #include PZEM004Tv30 pzem(Tx1, Rx1); #include #include LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,16,2); SimpleTimer timer; char auth[] = "P9bzG4Hya4LLHk0F_4mGMcmlJjfKEnoL"; //Auth Token blynk gửi Gmail char ssid[] = "Thái Sơn"; //Ten wifi char pass[] = "88888888"; //matkhau void setup() { pinMode(buzzer, OUTPUT); Serial.begin(115200); Blynk.begin(auth, ssid, pass); timer.setInterval(1000, sendUptime); Wire.begin(D2,D1); //D1: SCl, D2: SDA, D1, D2 esp connect I2c lcd.begin(); lcd.clear(); // Print a message to the LCD lcd.backlight(); 31 } void sendUptime() { float voltage = pzem.voltage(); //khai bao hieu dien the float current = pzem.current(); // cuong dong dien float power = pzem.power(); //Cong suat float energy = pzem.energy(); //Nang luong float frequency = pzem.frequency(); //Tan so float pf = pzem.pf(); //he so cong suat Serial.print("Voltage: "); Serial.print(voltage); Serial.println("V"); Serial.print("Current: "); Serial.print(current); Serial.println("A"); Serial.print("Power: "); Serial.print(power); Serial.println("W"); Serial.print("Energy: "); Serial.print(energy); Serial.println("kWh"); Serial.print("Frequency: "); Serial.print(frequency); Serial.println("Hz"); Serial.print("PF: "); Serial.println(pf); Serial.println(); Blynk.virtualWrite(V1, voltage); Blynk.virtualWrite(V2, current); Blynk.virtualWrite(V3, power); Blynk.virtualWrite(V4, energy); Blynk.virtualWrite(V5, frequency); Blynk.virtualWrite(V6, pf); } void loop() { { Blynk.run(); timer.run(); 32 delay(1000); } delay(5000);{ lcd.clear(); float voltage = pzem.voltage(); float current = pzem.current(); float power = pzem.power(); float energy = pzem.energy(); lcd.setCursor(0,0); lcd.print("U:"); lcd.setCursor(2,0); lcd.print(voltage); lcd.print("V"); lcd.setCursor (8,0); lcd.print("I:"); lcd.setCursor (10,0); lcd.print(current); lcd.print("A"); lcd.setCursor(0,1); lcd.print("P:"); lcd.setCursor(2,1); //công suất lcd.print(power); lcd.print("W"); if(power > 20) pinMode(buzzer, LOW); lcd.setCursor (8,1); lcd.print("E:"); lcd.setCursor (10,1); //năng lượng lcd.print(energy); lcd.print("kWh");} delay(5000);{ 33 lcd.clear(); float frequency = pzem.frequency(); float pf = pzem.pf(); lcd.setCursor(0,0); lcd.print("F : "); // tần số lcd.setCursor(5,0); lcd.print(frequency); lcd.print("Hz"); lcd.setCursor (0,1); lcd.print("Pf: "); lcd.setCursor(5,1); lcd.print(pf);lcd.print("pf");} // hệ số công suất // if(pzem.power() > 23) // pinMode(buzzer, LOW); } 34 Chương KẾT QUẢ, NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ 5.1 Giới thiệu Chương trình bày kết trình nghiên cứu làm đề tài thời gian nhiều tuần Bên cạnh đó nhận xét, đánh giá đề xuất hướng phát triển sản phẩm mơ hình để hồn thiện có thể vào thực tế 5.2 Kết thực nghiệm Hệ thống giám sát điện tiêu thụ hộ gia đình hoạt động ổn định Cảm biến đo dịng điện có độ xác cao hiển thị qua LCD gửi lên server Blynk kết nối hiển thị qua điện thoại thơng minh Hình 17: Thơng số đo thực tế hiển thị app Blynk Nhìn vào hiển thị ta thấy điện lưới hoạt động ổn định, thông số rõ ràng giúp ta kiểm sốt điện 35 Hình 18: Tổng quan sản phẩm hệ thống sau hoàn thiện 5.3 Nhận xét – Đánh giá Mạch đáp ứng yêu cầu thiết kế ban đầu Ưu điểm: - Thao tác giám sát điều khiển đơn giản, dễ sử dụng - Hệ thống có hồi tiếp trạng thái thiết bị rõ ràng - Đo lường thông số điện xác - Hệ thớng có thể hoạt động môi trường có không mạng Internet - Ứng dụng giám sát điều khiển điện thoại rõ ràng, dễ thao tác Khuyết điểm: 36 - Để điều khiển giám sát thiết bị điện từ xa cần phải có mạng Internet, tốc độ đáp ứng hệ thống chưa cao phải phụ thuộc nhiều vào mạng Internet - Cịn vài tính hữu ích chưa trang bị cho hệ thớng như: bật tắt thiết bị theo khung giờ, dập lửa có hỏa hoạn, điều khiển thiết bị giọng nói, … Sau q trình vận hành thử hệ thớng, nhóm có đánh giá sau đây: Hệ thống hoạt động mục tiêu đề ban đầu ổn định Mơ hình có tính thẩm mỹ, an toàn dễ sử dụng Tuy nhiên thời gian đáp ứng điều khiển thiết bị chưa nhanh 37 ... tweet, thông báo realtime, v.v 24 Chương TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ 3.1 Giới thiệu Thiết kế thi công hệ thống giám sát điện tiêu thụ hộ gia đình thu thập dịng điện, điện áp, tính tốn cơng suất... dùng giám sát công suất, điện tiêu thụ Xây dựng server app Blynk để kết nối hiển thị thông qua module wifi Các nội dung thiêt kế trình bày bao gờm:  Thiết kế sơ đờ khới  Thiết kế giao... Bố cục Đề tài hệ thống giám sát điện hộ gia đình thực hiện chia làm chương sau: • Chương 1: Tổng quan • Chương 2: Cơ cở lý thuyết • Chương 3: Thiết kế tính tốn • Chương 4: Thi cơng hệ thớng