Trong cuộc sống hiện đại, năng lương là yếu tố quyết định trong mọi quá trình sản xuất, lao động cũng như sinh hoạt của con người. Từ công nghiệp, nông nghiệp, dịch vụ thậm chí đến nghiên cứu khoa học, khám phá thiên nhiên đều cần năng lượng, đặc biệt là năng lượng điện. Ngày nay, hầu hết các thiết bị trong hộ gia đình đều sử dụng nguồn năng lượng điện. Chính vì vậy, nhu cầu sử dụng điện năng trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hàng ngày. Trong quá trình sử dụng điện năng tiêu thụ cho các thiết bị điện trong gia đình khó kiểm soát được các vấn đề không mong muốn như điện năng tiêu thụ tăng cao so với bình thường hoặc các thiết bị vượt quá công suất cho phép hay thậm chí là các sự cố về điện… Xây dựng một hệ thống giám sát các sự cố về quá dòng hay quá áp cũng như quản lý sự thay đổi điện năng tiêu thụ là hết sức cần thiết. Trong học phần đồ án 2, nhóm chúng em đã lựa chọn đề tài thực hiện: “Thiết kế hệ thống giám sát điện năng tiêu thụ trong hộ gia đình”
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP TIỂU LUẬN HỌC PHẦN: ĐỒ ÁN MÃ HỌC PHẦN: Giảng viên: Lớp: Nhóm sinh viên: MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG CHƯƠNG CÁC TÀI NGUYÊN CỦA HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ TRONG HỘ GIA ĐÌNH .5 1.1 Tổng quan hệ thống giám sát điện tiêu thụ hộ gia đình 1.1.1 Mơ tả quy trình đo điện 1.1.2 Mơ tả quy trình giám sát cảnh báo 1.2 Giới thiệu phần cứng 1.2.1 Module đo điện AC đa PZEM004T 1.2.2 Module Wifi NodeMCU ESP8266 12 1.3 Chuẩn giao tiếp UART 20 1.4 Giới thiệu phần mềm 22 1.4.1 Phần mềm lập trình Arduino IDE 22 1.4.2 Phần mềm Blynk 25 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG .28 2.1 Phần cứng 28 2.1.1 Sơ đồ kết nối toàn mạch 28 2.1.2 Sơ đồ khối hệ thống .28 2.2 Phần mềm 30 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC HIỆN 39 3.1 Mơ hình hệ thống giám sát điện tiêu thụ hộ gia đình 39 3.2 Kết đo, giám sát điện tiêu thụ hộ gia đình 41 KẾT LUẬN 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 LỜI MỞ ĐẦU Trong sống đại, lương yếu tố định trình sản xuất, lao động sinh hoạt người Từ công nghiệp, nơng 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 nguồn lượng điện Chính vậy, nhu cầu sử dụng điện trở thành phần thiếu sống hàng ngày Trong trình sử dụng điện tiêu thụ cho thiết bị điện gia đình khó kiểm sốt vấn đề khơng mong muốn điện tiêu thụ tăng cao so với bình thường thiết bị vượt q cơng suất cho phép hay chí cố điện… Xây dựng hệ thống giám sát cố dòng hay áp quản lý thay đổi điện tiêu thụ cần thiết Trong học phần đồ án 2, nhóm chúng em lựa chọn đề tài thực hiện: “Thiết kế hệ thống giám sát điện tiêu thụ hộ gia đình” Được hướng dẫn tận tình cô giúp đỡ thầy cô môn điện tự động công nghiệp cung cấp kiến thức, kinh nghiệm quý báu để chúng em hồn thành đề tài Trong trình làm đồ án, cố gắng khả có hạn nên thiết kế khơng thể tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận bảo đóng góp bạn để đề tài hồn thiện Em xin chân thành cảm ơn! DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Hình ảnh thực tế module PZEM004T Hình 2: Sơ đồ kết nối dây module PZEM004T 10 Hình 3: Sơ đồ khối chức PZEM-004T-100A 10 Hình 4: Module ESP8266 NodeMCU V3 .11 Hình 5: Sơ đồ chân module ESP8266 NodeMCU 12 Hình 6: Chip ESP8266 13 Hình 7: Sơ đồ chân ESP8266 14 Hình 8: Mạch nguyên lý ESP8266 NodeMCU 18 Hình 9: Kết nối UART hai vi điều khiển 19 Hình 10: Quá trình truyền – nhận liệu UART 20 Hình 11: Truy nhập vào trang chủ Arduino IDE .22 Hình 12: Tải phần mềm Arduino IDE máy 22 Hình 13: Giải nén phần mềm Arduino IDE .23 Hình 14: Giao diện phần mềm Arduino phiên 1.8.16 .23 Hình 15: Nền tảng Blynk 24 Hình 16: Cài đặt thư viện hỗ trợ module ESP8266 26 Hình 17: Sơ đồ kết nối toàn mạch 27 Hình 18: Sơ đồ khối tồn hệ thống 28 Hình 19: Sơ đồ kết mối mạch PZEM004T VÀ NodeMCU ESP8266 .28 Hình 20 : Hình ảnh mạch thực hệ thống giám sát điện tiêu thụ hộ gia đình 39 DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Thông số kỹ thuật PZEM004T Bảng 2: Bảng giao thức giao tiếp module PZEM004T Bảng 3: Thông số kỹ thuật ESP8266 NodeMCU 13 Bảng 4: Chức chân ESP8266 16 Bảng : Khai báo biến hiển thị giao diện website Blynk .36 CHƯƠNG CÁC TÀI NGUYÊN CỦA HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ TRONG HỘ GIA ĐÌNH 1.1 Tổng quan hệ thống giám sát điện tiêu thụ hộ gia đình Hệ thống giám sát điện tiêu thụ đo thông qua cảm biến dòng, áp (module đo điện AC đa PZEM004T) kết nối với Internet thông qua module wifi ESP8266 Các thơng tin dịng điện, điện áp, công suất, điện tiêu thụ đưa lên phần mềm Bylnk để giám sát trình hoạt động 1.1.1 Mơ tả quy trình đo điện Q trình đo cảm biến dịng cảm biến áp đo hai thơng số dịng điện điện áp Từ hai thơng số dịng điện điện áp tính tốn cơng suất điện tiêu thụ (sử dụng thời gian thực Blynk cloud sever), lưu trữ phần mềm Blynk Dữ liệu đưa Blynk cloud sever bảo vệ kết nối wifi thông qua EEPROM, kết nối wifi liệu lưu vào EEPROM kết nối wifi trở lại liệu cập nhật tiếp tục mà không liệu cũ 1.1.2 Mơ tả quy trình giám sát cảnh báo Những thơng tin dịng điện, điện áp, cơng suất điện tiêu thụ giám sát người sử dụng thông qua phần mềm Blynk Dữ liệu thông số cập nhật liên tục theo ngưỡng mong muốn người sử dụng, có cố trường hợp sử dụng mức công suất cho phép hệ thống cảnh báo cho người sử dụng trường hợp để người sử dụng xử lý 1.2 Giới thiệu phần cứng Hệ thống thiết kế có sử dụng module, thiết bị sau: - Thiết bị đầu vào dòng điện điện áp đọc từ module đo điện AC đa PZEM004T - Thiết bị xử lý trung tâm module NodeMCU ESP 8266 - Thiết bị không dây truyền nhận module wifi ESP 8266 - Chuẩn liệu UART - Thiết bị lưu trữ nhớ EEPROM 24LC512 - Thiết bị giao diện giám sát phần mềm Blynk laptop 1.2.1 Module đo điện AC đa PZEM004T Hình 1: Hình ảnh thực tế module PZEM004T a Chức - Chức đo thơng số điện (điện áp, dịng điện, công suất hoạt động, lượng) - Chức báo động tải (trên ngưỡng báo động điện, đèn flash nguồn cịi kêu bíp báo động) - Chức cài đặt ngưỡng báo động nguồn (có thể cài đặt ngưỡng cảnh báo nguồn) - Chức cài đặt lại phím lượng - Lưu trữ liệu tắt nguồn (lưu trữ lượng tích lũy trước tắt nguồn) - Chức giao tiếp nối tiếp (với giao tiếp TTL, giao tiếp với loạt thiết bị đầu cuối thông qua chân, đọc thiết lập thông số) b Thông số kỹ thuật Bảng 1: Thơng số kỹ thuật PZEM004T THƠNG SỐ Điện áp đo hoạt động Dòng điện đo hoạt động GIÁ TRỊ Dải đo: 80 ~ 260VAC / 50 ~ 60Hz Sai số: 0,01 Dải đo: ~ 100A Dòng đo khởi động: 0,02A Sai số: 0,01 Công suất đo hoạt động Dải đo: ~ 23kW Năng lượng đo hoạt động Dải đo: ~ 9999kWh Giao tiếp ngoại vi Giao diện truyền thông UART mức logic TTL 5VDC, baudrate mặc định 9600, 8, (tốc độ truyền 9600, bit liệu, bit dừng, khơng có chẵn lẻ) Tiến hành tạo giao diện website Blynk: - Bước 1: Tạo Project Tên hình: + Đặt tên: DO AN + Chọn HARDWARE: ESP8266 + Chọn CONNECTION TYPE: Wifi - Bước 2: Tạo Datastreams 38 + Chọn New datastream khai báo Name, PIN, Data type Bảng 2.5 : Khai báo biến hiển thị giao diện website Blynk Name Data type PIN LED CONNECT Integer V0 DIEN AP Double V1 DONG DIEN Double V2 39 CONG SUAT Double V3 TAN SO Double V4 HOM NAY Double V5 HOM QUA Double V6 THANG NAY Double V7 THANG TRUOC Double V8 TONG DIEN NANG Double V9 NGAY CHOT SO Integer V10 40 - Bước 3: Tạo giao diện Web Dashboard + Thiết lập cho label led theo biến khai báo + Cho Led chọn V0 41 + Cho dòng điện chân V2 +Cho điện áp chân V1 + Tương tự với tần số, công suất, điện năng,… 42 Tiến hành tạo giao diện điện thoại Tải app Blynk IoT điện thoại tiến hành đăng nhập Vào mục Widget box chọn nút ấn lable 43 Thiết lập cho button lable theo biến khai báo 44 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC HIỆN 3.1 Mơ hình hệ thống giám sát điện tiêu thụ hộ gia đình Mạch đo điện tiêu thụ hộ gia đình Chú thích 1, Kit wifi ESP8266 2, Module đo điện Pzem 004T 3, Cảm biến đo dòng điện 4, Ổ điện để cắm phụ tải 5, Phích cắm vào nguồn điện 45 Kết nối mơ hình vào mạng điện gia đình Các phụ tải bao gồm: - Nồi cơm điện công suất 700W - Tivi cơng suất 75W - Bóng đèn cơng suất 18W (2 bóng) - Quạt điện cơng suất 50W - Các thiết bị khác: đèn ngủ, sạc điện thoại, máy tính, bình đun nước siêu tốc, modem wifi,… 46 Kết đo phụ tải gồm: Tivi bóng đèn + Kết theo dõi máy tính + Kết theo dõi điện thoại 47 Giá trị điện áp xấp xỉ 222V Giá trị dòng điện xấp xỉ 0.55A Giá trị tần số 49.9Hz Giá trị cơng suất xấp xỉ 105W Điện tiêu thụ tính đến thời điểm 0.7kWh Tiến hành cắm thêm phụ tải nồi cơm quạt điện, lúc phụ tải bao gồm: nồi cơm, quạt điện, tivi, bóng đèn + Kết theo dõi máy tính + Kết theo dõi điện thoại 48 Giá trị điện áp xấp xỉ 216V Giá trị dòng điện xấp xỉ 4.13A Giá trị tần số xấp xỉ 50Hz Giá trị công suất xấp xỉ 888W Nhận xét: Khi cắm thêm phụ tải giá trị dịng điện cơng suất tăng lên, giá trị điện áp giảm xuống Tiến hành đo ngày liên tục 49 Kết ngày hôm qua Kết hôm Giá trị điện tiêu thụ “hôm nay” hết ngày lưu thành “hôm qua” để dễ dàng theo dõi, so sánh Lượng điện tiêu thụ lưu theo tháng với giá trị ngày tính hết tháng cài đặt qua giá trị “ngày chốt số” 50 KẾT LUẬN Sau khoảng thời gian tìm hiểu, với hướng dẫn cơ, chúng em hồn thành thiết kế mơ hình cho đề tài: “Thiết kế hệ thống giám sát điện tiêu thụ hộ gia đình” Bài thiết kế nhóm chúng em đáp ứng yêu cầu như: đo cường độ dòng điện, điện áp, công suất điện tiêu thụ thiết bị hộ gia đình; quản lý giám sát liệu thu thập website; hoàn thiện mơ hình thực tế Tuy nhiên, thiết kế nhóm chúng em dựa ứng dụng, tiện ích có sẵn (thư viện đám mây Blynk) chưa có đủ kiến thức khả thiết kế giao diện giám sát trực tiếp máy tính mà giảng viên góp ý Chúng em mong bạn góp ý để chúng em hoàn thiện thiết kế thiết kế khác tương lai liên quan đến ngành chúng em theo học Chúng em xin chân thành cảm ơn! 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO Datasheet module PZEM004T Datasheet module ESP8266 NodeMCU Kiến thức ứng dụng IoT website https://blynk.vn/ Kiến thức lập trình website https://www.arduino.cc/ 52 ... CỦA HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ TRONG HỘ GIA ĐÌNH 1.1 Tổng quan hệ thống giám sát điện tiêu thụ hộ gia đình Hệ thống giám sát điện tiêu thụ đo thơng qua cảm biến dịng, áp (module đo điện. .. CỦA HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ TRONG HỘ GIA ĐÌNH .5 1.1 Tổng quan hệ thống giám sát điện tiêu thụ hộ gia đình 1.1.1 Mơ tả quy trình đo điện 1.1.2 Mô tả quy trình giám sát. .. 30 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG 2.1 Phần cứng Đề tài ? ?Thiết kế hệ thống giám sát điện tiêu thụ hộ gia đình? ??, đo thơng số điện AC mạch điện dòng điện, điện áp, tần số, công suất lượng tiêu thụ hai hay