HỆ THỐNG QUẢN LÍ VÀ SỬ DỤNG ĐIỆN THÔNG MINH

HỆ THỐNG QUẢN LÍ VÀ SỬ DỤNG ĐIỆN THƠNG MINH HS Nguyễn Đăng Hiệu, Văn Thúy Hường(1); Th.S Phạm Chí Minh(2) (1) Lớp 12A1 (2) Trường THPT Quốc Tuấn, An Lao, Hải Phịng I Lí chọn đề tài Trước vụ việc sai sót ghi số tiêu thụ điện vừa qua, nhiều người đặt câu hỏi, liệu có việc ngành Điện cố tình dời ngày "ghi cơng tơ" để dồn số điện, dẫn đến hóa đơn tiền điện tăng lũy kế hay không? Trên thực tế q trình thực ghi số cơng tơ, lập hóa đơn tiền điện, quy trình phúc tra, kiểm tra nhân viên đến trực tiếp hộ thực đầy đủ, vừa qua có sai sót, có hóa đơn ghi nhầm tới hàng chục triệu đồng Bản thân gia đình em sử dụng điện em nhận thấy số hạn chế nhiều lần nhân viên điện lực chốt số cịn có nhầm lẫn, dẫn đến tiền điện tăng đột biến hộ gia đình sử dụng điện làm giảm doanh thu đơn vị kinh doanh Về kết phúc tra, kiểm tra tháng 6/2020, EVN NPC phát hành 10,2 triệu hóa đơn địa bàn 27 tỉnh Số khách hàng tháng tăng so với tháng từ 1,3 lần 4,4 triệu khách hàng Qua phúc tra, kiểm tra phát 2.175 khách hàng bị ghi nhầm số công tơ, hầu hết trường hợp phát sửa chữa số trước phát hành hóa đơn Qua kênh thơng tin em biết có nhầm lẫn đặc biệt nghiệm trọng gia đình nhà bà Đào Thị Gái (74 tuổi, trú xã Hạ Long, huyện Vân Đồn) hóa đơn tiền điện tháng năm 2020 (tính từ 15/5 đến 15/6) Điện lực Quảng Ninh với số tiền gần 89,4 triệu đồng, số tiền thực tế phải trả 368.335 đồng Từ thông tin tạo hoang mang dư luận, gây ảnh hưởng xấu đến ngành điện, đặc biệt sau vụ việc ngành điện Quảng Ninh kỷ luật, cách chức cán ngành điện1,2 Theo em biết việc liên quan đến ngành điện Mỗi mùa hè đến, lượng điện tiêu dùng hộ gia đinh tăng cao Từ thực tế trên, em tự đặt câu hỏi: Tại khơng nghiên cứu hệ thống quản lý điện thông minh để thuận tiện cho nhà quản lý thuận tiện cho hộ gia đình theo dõi trình sử dụng điện gia đình mình? Xuất phát từ bất cập trên, nhóm chúng em suy nghĩ xây dựng “Hệ thống quản lý sử dụng điện thông minh” để thuận thiện cho người sử dụng quản lý mức độ tiêu thụ điện gia đình doanh nghiệp khơng phải trực tiếp đến hộ gia đình chốt số hàng tháng https://tuoitre.vn/de-xuat-cach-chuc-3-can-bo-dien-sau-khi-vu-tien-dien-nha-dan-tang-tu-368-ngan-len-89-4-trieu- 20200623183739775.htm https://thanhnien.vn/thoi-su/sau-vu-90-trieu-tien-dienthang-quang-ninh-phuc-tra-cac-hoa-don-tang-bat-thuong-1242622.html II Câu hỏi nghiên cứu; Vấn đề nghiên cứu; Giả thuyết khoa học Câu hỏi nghiên cứu Cuộc Cách mạng công nghiệp 4.0 diễn với tốc độ nhanh có tác động ngày sâu rộng đến tất lĩnh vực đời sống, xã hội Chúng ta chưa sống giới đổi công nghệ nhanh sâu rộng Là học sinh ngồi ghế nhà trường, chúng em thầy giáo, cô giáo truyền đạt kiến thức niềm đam mê khoa học kĩ thuật Với bất cập việc thu tiền điện trên, chúng em mong muốn làm việc hữu ích để góp phần phát triển ứng dụng tiến khoa học kĩ thuật vào vấn đề sống Từ đó, nhóm nghiên cứu chúng em lựa chọn đề tài “Hệ thống quản lý sử dụng điện thông minh” với mong muốn người có sống văn minh xu hướng Đảng nhà nước xây dựng thành phố thông minh Vấn đề nghiên cứu Sự tiến vượt bậc công nghệ vi điện tử, công nghệ thông tin truyền thông tạo xu hướng hội tụ công nghệ nhằm xây dựng hệ thống tích hợp thơng minh, với nhiều khả ứng dụng Việc ứng dụng công nghệ tiên tiến như: IoT (Internet of Things), WoT (Web of Things), AI (artificial intelligence) đem lại hội lớn cho việc nghiên cứu, xây dựng triển khai hệ thống thơng minh tồn cầu Chúng em tiếp cận theo hướng liên kết hệ thống điện tử với để tạo ứng dụng thông minh đem lại sống văn minh, tiện lợi “Hệ thống quản lý sử dụng điện thơng minh” hiểu đơn giản liên kết hay kết nối thiết bị với internet nhằm trao đổi thông tin đáp ứng yêu cầu người dùng Mỗi thiết bị (công tơ điện) bao gồm thu phát Wifi, vi xử lý cảm biến điện áp Chúng có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, thu thập thông tin, đáp ứng yêu cầu người dùng theo dõi, lưu trữ, bật tắt thiết bị hay hệ thống Sự liên kết thiết bị cho phép chúng phối hợp thực nhiệm vụ thông tin liệu phân tán với quy mô lớn điều kiện vùng địa lý Giả thuyết khoa học Ngày nay, xã hội phát triển người bận rộn nhiêu Có cơng việc địi hỏi người phải lao động thường xuyên, liên tục có công việc tháng làm việc đến hai ngày Đó người phân cơng nhiệm vụ chốt số trực tiếp công tơ điện hộ gia đình (định kì hàng tháng) Từ thực trạng trên, không đưa giả thuyết không cần trực tiếp đến công tơ điện hộ gia đình mà nhà quản lý điện chốt số người sử dụng điện theo dõi việc sử dụng điện hộ gia đình mình? Đó “Hệ thống quản lý sử dụng điện thông minh” giải pháp tối ưu cho câu hỏi Hệ thống tự động chốt số hết tháng, hộ gia đình kiểm tra mức tiêu thụ điện gia đình thơng qua smartphone máy tính Nếu hệ thống xây dựng hoàn thiện giải pháp tốt cho doanh nghiệp kinh doanh điện hộ gia đình sử dụng điện tiết kiệm Hệ thống góp phần cho sống văn minh, gia đình đại hướng tới xây dựng thành phố thông minh III Thiết kế phương pháp nghiên cứu Từ giả thuyết trên, để xây dựng hệ thống nhóm chúng em lựa chọn thiết bị phù hợp, đáp ứng yêu cầu trình nghiên cứu Nguyên lý hoạt động hệ thống Hệ thống chúng em đề xuất có nguyên lý hoạt động mơ tả Hình Trong đó, thiết bị đo (được định nghĩa chức tương tự cơng tơ điện điện tử) đo dịng điện áp thông qua nguyên lý cảm ứng điện từ, hiển thị lên LCD thiết bị, sau truyền liệu thông qua mạng internet hệ thống máy chủ liệu Hình 1: Nguyên lý hoạt động hệ thống Các thành phần hệ thống gồm khối sau: - Khối cảm biến: đo dòng chạy qua dây dẫn - Khối hiển thị: nhận liệu hiển thị liệu lên hình - Khối xử lý trung gian: mở rộng kết nối số lượng thiết bị xử lý liệu - Khối xử lý liệu mạng: tạo giao diện kết nối, chuyển đổi gói liệu đến hệ thống mạng - Khối server: tiếp nhận xử lý thông tin từ khối vi xử lý gửi lên, thực truy vấn sở liệu Lựa chọn thiết bị - Khối cảm biến: P1 PZCT-02 - Khối hiển thị: PZEM-004T - Khối xử lý trung gian: Arduino Nano - Khối xử lý liệu mạng: ESP8266 - Máy chủ liệu web: Sử dụng Server Linux - Một số thiết bị khác Module đo thông số điện xoay chiều PZEM-004 Module đo thông số điện PZEM-004 module dùng để đo thông số điện xoay chiều U, I, P hay nhiều thiết bị tiêu thụ điện PZEM-004 đo điện áp từ 80-260 VAC, dòng điện từ A -100A PZEM-004 có chức lưu trữ xóa lượng điện tiêu thụ tải Lưu tối đa 99999 kwh Ngồi PZEM-004 có hỗ trợ chuẩn giao tiếp TTL (UART) để người dùng sử dụng vi điều khiển Arduino, Arm, PIC… giao tiếp để lấy thông số mà PZEM-004 đo Nguyên tắc hoạt động, sơ đồ giao tiếp tính module đo thơng số điện xoay chiều Hệ thống giám sát thông số điện xoay chiều trạm điện, động cơ, công tơ điện tử Thông số kỹ thuật cụ thể sau: Thơng số Điện áp đo Tần số dịng điện đo Dịng điện đo Cơng suất đo Chuẩn giao tiếp Giá trị 80 ~ 260VAC 45 - 65Hz – 100A – 22 KW TTL Sơ đồ kết nối: Hình 2: Sơ đồ giao tiếp với Module đo thơng số điện xoay chiều PZEM-004 Hình 3: Module đo thơng số điện xoay chiều PZEM-004 AC 0-100A PZCT - 02 chia cuộn dây biến áp Máy biến áp thiết kế cho đo lượng, nguồn cung cấp AC 80 - 380 V Các tính hệ thống xây dựng cuộn dây nhỏ gọn, xách tay cài đặt nhanh chóng, đảm bảo đồng thời đầy đủ, an toàn đáng tin cậy Điều kiện môi trường hoạt động: Điều kiện Môi trường xung quanh nhiệt độ Độ ẩm tương đối Dải tần số làm việc Lớp cách nhiệt - kháng lớp Điện trở cách điện Sức đề kháng Giá trị - 40 °C ~ + 85 °C Ít 90% 40 °C 50Hz ~ 60Hz Lớp B (130 °C) >1000MΩ điều kiện bình thường 42Ω Hình 4: PEACEFAIR PZCT-02 chia lõi biến áp cuộn dây cảm biến Nguyên tắc hoạt động, sơ đồ kết nối tính module kết nối Wifi Mạch thu phát Wifi SoC ESP8266 ESP-12F Ai-Thinker có nhân xử lý bên IC Wifi SoC ESP8266, thường sử dụng ứng dụng kết nối Wifi, IoT nay, mạch sản xuất hãng Ai-Thinker với quy trình thiết kế, gia công, đo kiểm kỹ cho chất lượng mạch tốt độ ổn định cao Hình 5: Module Wifi Mạch thu phát Wifi SoC ESP8266 ESP-12F Ai-Thinker có kích thước nhỏ gọn, chân đầy đủ IC ESP8266, mạch thiết kế gia công chất lượng tốt với vỏ bọc kim loại chống nhiễu anten Wifi PCB tích hợp cho khoảng cách truyền xa ổn định Thông số kỹ thuật: Thông số Model IC Giá trị ESP-12F Ai-Thinker Wifi SoC ESP8266 Điện áp sử dụng: 3.0V~3.6V(Optimal 3.3V) Cường độ dòng ≈70mA(170mA MAX), standby＜200uA Deep sleep holding điện làm việc current 10 uA, shutdown current of less than uA 30 pins (10 GPIO, every GPIO can be PWM, I2C, 1-wire) MCU Frequency 80-160 MHz, 32-bit micro MCU SRAM size 36 KB Thông số ROM size Transmission data rate Dải tần Wifi Kích thước Trọng lượng Giá trị MB (SPI External Flash) Antena on PCB 110-460800bps 10 bit precision ADC pinout on board (0~1V) WiFi @ 2.4 GHz, supports WPA / WPA2 security mode Wi-Fi Connectivity (802.11 b/ g/ n) Support UART/GPIO data communication interface Support STA/AP/STA+AP working modes Built-in TCP/IP protocol stack, maximum clients Working temperature: -400C～＋1250C Dài: 24mm, Rộng: 16mm, Cao: 3mm 4g Mơ hình kiến trúc tổng thể hệ thống Sau nhóm chúng em lựa chọn thiết bị phù hợp cho hệ thống, phù hợp với hệ thống điện lưới Việt Nam Chúng em xây dựng hệ thống gồm cơng tơ điện cho hộ gia đình sử dụng Hình 6: Mơ hình hệ thống IV Tiến hành nghiên cứu Thiết kế lưu đồ thuật toán hoạt động hệ thống - Bước 1: Bắt đầu phiên làm việc - Bước 2: Khởi tạo thông số hệ thống (hệ thống mạng, kết nối thiết bị…) - Bước 3: Đọc điện áp, dòng thiết bị 1, 2, 3, - Bước 4: Tổng hợp phân tích liệu - Bước 5: Gửi liệu lên máy chủ - Bước 6: Nếu có ngắt từ người dùng, kết thúc phiên làm việc Hình 7: Lưu đồ thuật toán hệ thống Thiết kế bảng sở liệu Bảng tbl_congto: Tên Id_congto Volt Kwh Thoigian Kiểu liệu Varchar(10) Float Float Datetime Diễn giải Mã số định danh công tơ Hiệu điện Chỉ số công tơ Thời gian cập nhật Bảng tbl_khuvuc: Tên Id_khuvuc Tenkhuvuc Kiểu liệu Int(11) Text Diễn giải Mã số định danh khu vực Tên khu vực Bảng tbl_nguoidung: Tên Id_nguoidung Matkhau Hoten Diachi Kiểu liệu Varchar(8) Text Text Text Diễn giải Tài khoản người dùng Mật người dùng Họ tên người dùng Địa người dùng 10 Tên Sodienthoai Id_congto Quyenhan Id_khuvuc Kiểu liệu Varchar(10) Varchar(10) Int Int(11) Diễn giải Số điện thoại Mã số định danh công tơ Quyền hạn người dùng Mã khu vực Kiểu liệu Int(11) Varchar(10) Float Datetime Diễn giải Số thứ tự ghi Thời gian ghi nhận Chỉ số công tơ Thời gian lưu Bảng tbl_chiso: Tên Id_chiso Id_congto Kwh Thoigian Ngơn ngữ lập trình Để đáp ứng nhu cầu quản lí liệu tốt nhóm chúng em lựa chọn ngơn lập trình PHP để viết chương trình quản hệ thống Dưới đoạn code chương trình: