Thiết bị điều khiển, giám sát điện gia đình, phát hiện và cảnh báo cháy nổ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN, GIÁM SÁT ĐIỆN GIA ĐÌNH, PHÁT HIỆN VÀ CẢNH BÁO CHÁY NỔ MÃ SỐ: SV2021-79 CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: UÔNG TRẦN TRUNG ĐỘ SKC 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN, GIÁM SÁT ĐIỆN GIA ĐÌNH, PHÁT HIỆN VÀ CẢNH BÁO CHÁY NỔ SV2021-79 Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật SV thực :Uông Trần Trung Độ Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Kinh Lớp, khoa:CLC Năm thứ:3/Số năm đào tạo:4 Ngành học: Công nghệ kỹ thuật máy tính ng Trần Trung Độ Nguyễn Anh Tuấn Vương Nhật Nam Người hướng dẫn: PGS.TS Trương Ngọc Sơn TP Hồ Chí Minh, 10/2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Thông tin chung: - Tên đề tài: Thiết bị điều khiển, giám sát điện gia đình, phát cảnh báo cháy nổ - Chủ nhiệm đề tài: Uông Trần Trung Độ - Lớp: 18119CL1A Mã số SV: 18119066 Khoa: CLC - Thành viên đề tài: Stt Họ tên MSSV Lớp Khoa Nguyễn Anh Tuấn 18119098 18119CL1B CLC Vương Nhật Nam 18119129 18119CL1A CLC - Người hướng dẫn: PGS TS Trương Ngọc Sơn Mục tiêu đề tài: Thiết kế hệ thống giám sát điện tiêu thụ hộ gia đình, hệ thống có ứng dụng công nghệ IoT cho phép người dùng điều khiển bật tắt ứng dụng điện thoại, tự động tắt có lượng cơng suất lớn mức đặt trước, giám sát điện tiêu thụ nơi có internet Tính sáng tạo: ứng dụng công nghệ IoT cho phép người dùng điều khiển ứng dụng Smart Phone thời gian thực Kết nghiên cứu: nhóm tiến hành thiết kế thi công sản phẩm thực thành công yêu cầu đo dịng điện, điện áp, cơng suất, tần số lượng điện tiêu thụ hộ gia đình, giám sát điều khiển thơng qua ứng dụng điện thoại di động Nhóm thực thi cơng mơ hình sản phẩm có thẩm mỹ định, dễ dàng sử dụng Đóng góp mặt giáo dục đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng khả áp dụng đề tài: Hệ thống ứng dụng hộ gia đình, chung cư giúp người sử dụng biết họ sử dụng điện để quản lí tốt Cơng bố khoa học SV từ kết nghiên cứu đề tài (ghi rõ tên tạp chí có) nhận xét, đánh giá sở áp dụng kết nghiên cứu (nếu có): Thiết kế thi công hệ thống giám sát điện tiêu thụ hộ gia đình Ngày tháng năm SV chịu trách nhiệm thực đề tài (kí, họ tên) LỜI CẢM ƠN Nhóm em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp HCM tạo điều kiện môi trường cho nhóm tham gia nghiên cứu đề tài Nhóm em xin cảm ơn đến thầy cô Khoa Điện – Điện tử đặc biệt thầy Trương Ngọc Sơn hướng dẫn tận tình giúp đỡ để nhóm hồn thành tốt đề tài Nhóm gửi lời cảm ơn đến bạn lớp 18119CL1 chia trau dồi kiến thức kinh nghiệm quý giá thời gian thực đề tài Xin chân thành cảm ơn ! Người thực đề tài Uông Trần Trung Độ Vương Nhật Nam Nguyễn Anh Tuấn MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH i DANH MỤC BẢNG iii MỞ ĐẦU v Lý chọn đề tài v Một số nghiên cứu liên quan v Mục tiêu đề tài v Giới hạn đề tài v Phương pháp nghiên cứu vi Đối tượng phạm vi nghiên cứu vi CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 QUY TRÌNH THỰC HIỆN THIẾT BỊ 1.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 1.3 CÁC CHUẨN GIAO TIẾP 12 1.4 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM 19 CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ 21 2.1 GIỚI THIỆU 21 2.2 TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ 21 CHƯƠNG 3: THI CÔNG HỆ THỐNG 28 3.1 GIỚI THIỆU 28 3.2 THI CÔNG HỆ THỐNG 28 3.3 LẮP RÁP MÔ HÌNH 28 3.4 LẬP TRÌNH CHO MƠ HÌNH 30 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ 43 4.1 KẾT QUẢ KHẢO SÁT 43 4.2 KẾT QUẢ THỰC NHIỆM 44 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 48 5.1 KẾT LUẬN 48 5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Mạch đo dịng điện, điện áp PZEM004T Hình 3: Vi điều khiển STM32F407VET6 Hình 4: Màn hình TFT ILI9341 Hình 5: Sơ đồ xung hoạt động ghi SPI Hình 6: Tên chân TFT Hình 7: Hình Raspberry pi zero Hình 8: Sơ đồ chân Raspberry Pi Zero [5] Hình 9: Mặt trước DS3231 Hình 10: Mặt sau DS3231 Hình 11: Sơ đồ chân DS3231 10 Hình 12: Hình ảnh mơ tả ngun lý hoạt động relay 11 Hình 13: Hình coi báo động buzzer 11 Hình 14: Sơ đồ giao tiếp thiết bị UART 12 Hình 15: Sơ đồ kết nối Master với Slave [6] 14 Hình 16: Hình kết nối Master với nhiều Slave [6] 15 Hình 17: Dạng sóng mode làm việc SPI [6] 16 Hình 18: Sơ đồ kết nối Master với nhiều Slave [7] 17 Hình 19: Dạng sóng điều kiện bắt đầu [7] 18 Hình 20: Dạng sóng điều kiện kết thúc [7] 19 Hình 21: Phần mềm STM32CubeMX 20 Hình 22: Phần mềm Android Studio 20 Hình 1: Sơ đồ khối hệ thống 21 Hình 2: Sơ đồ kết nối sử dụng PZEM004T [4] 22 Hình 4: Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến 24 Hình 5: Sơ đồ khối khối xử lí trung tâm 25 Hình 6: Sơ đồ khối mạch ứng dụng điện áp ngõ cố định 5V 3A [8] 26 Hình 7: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 26 Hình 1: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 29 Hình 2: Mơ hình sau lắp ráp 30 Hình 3: Lưu đồ hệ thống 31 Hình 4: Sơ đồ cấu hình xung Clock hệ thống 32 Hình 5: Cấu hình chân sử dụng STM32 33 Hình 6: Cấu hình hệ thống 34 Hình 7: Cài đặt tổng hợp code 34 Hình 8: Tạo project Android Studio 36 Hình 9:Tạo tên ứng dụng, package, đường dẫn lưu project, ngơn ngữ lập trình SDK Android 36 Hình 10: Giao diện sau tạo thành công project 37 Hình 11: Giao diện xây dựng frontend 38 i Hình 12: Giao diện giám sát 39 Hình 13: Giao diện điều khiển 39 Hình 14: Giao diện đăng nhập 39 Hình 15: Giao diện đăng kí 39 Hình 16: Dịch vụ Firebase google 40 Hình 17: Kết nối tới Firebase thành công 41 Hình 18: Đoạn code lấy liệu từ Firebase 41 Hình 19: Đoạn code gửi liệu từ ứng dụng lên Firebase 42 Hình 1: Sơ đồ khối PZEM004T 43 Hình 2: Vận hành mơ hình 44 Hình 3: Hiển thị trạng thái thiết bị 45 Hình 4: Kết nối thiết bị bật thiết bị 46 Hình 5: Dữ liệu hiển thị ứng dụng Firebase 47 ii DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Bảng thông số kỹ thuật PZEM004T Bảng 2: Bảng thông số kỹ thuật STM32F407VET6 Bảng 3: Thông số kĩ thuật TFT ILI9341 Bảng 4: Bảng chức chân TFT Bảng 5: Bảng thông số kĩ thuật Raspberry Pi Zero Bảng 6: Thông số kỹ thuật DS3231 Bảng 7: Bảng chức chân DS3231 10 Bảng 8: Bảng thông số kỹ thuật buzzer 12 Bảng 1: Bảng tính tốn dịng điện cho mơ hình 26 Bảng 1: Bảng linh kiện hệ thống 28 iii Hình 8: Tạo project Android Studio Empty Activity activity cho ứng dụng, số activity khác có thêm chức đặc biệt tùy vào activity khác Hình 9:Tạo tên ứng dụng, package, đường dẫn lưu project, ngôn ngữ lập trình SDK Android 36 Tạo tên, package, đường dẫn lưu project, ngôn ngữ SDK ứng dụng, phía số thiết bị chạy với SDK chọn, với trường hợp hình 94.1% thiết bị, nên chọn SDK có API nhỏ để số thiết bị chạy lớn Hình 10: Giao diện sau tạo thành công project Bố cục thư mục project gồm file thư mục jav chứa file java thực chức ứng dụng hay gọi phần backend Thư mục res/layout chứa file xml, để xây dựng giao diện người dùng, hay gọi frontend, res/drawable chứa file ảnh, icon để thêm vào giao diện, res/value chứa mã màu hay chuỗi khai báo Bước 2: Xây dựng giao diện người dùng 37 Hình 11: Giao diện xây dựng frontend Android Studio cho phép sử dụng chức kéo thả để thiết kế giao diện dễ dàng hơn, cần phải biết kiến trúc file xml để thiết kế giao diện linh động Một số layout thông dụng Linear Layout, Constraint Layout, để xây dựng úng dụng để giám sát điện hộ gia đình, ta sử dụng cardview, cardview cho phép giám sát giá trị sử dụng cardview để xây dựng giao diện điều khiển, cardview chứa thiết bị Ngồi thiết kế thêm giao diện cho người dùng đăng nhập, đăng kí để hỗ trợ phát triển để nhiều người sử dụng 38 Hình 12: Giao diện giám sát Hình 13: Giao diện điều khiển Hình 14: Giao diện đăng nhập Hình 15: Giao diện đăng kí 39 Bước 3: Xây dựng chức ứng dụng Kết nối ứng dụng với Firebase Vào Tools – Firebase Android Studio tạo danh sách dịch vụ Google Firebase, ứng dụng ta sử dụng Realtime Database để lưu liệu Authentication để phục vụ chức đăng nhập đăng kí ứng dụng Hình 16: Dịch vụ Firebase google Chọn Get startred with Realtime Database làm theo hướng dẫn để kết nối ứng dụng tới Firebase 40 Hình 17: Kết nối tới Firebase thành công Ở file java, tạo đối tượng, để tham chiếu tới firebase để tham chiếu tới liệu chứa realtime database Sau tiến hành lấy liệu liệu bị thay đổi sau: Hình 18: Đoạn code lấy liệu từ Firebase 41 Ở phần điều khiển, ứng dụng gửi tín hiệu lên Firebase Raspberry đọc tín hiệu gửi cho STM32 để điều khiển thiết bị phần cứng Hình 19: Đoạn code gửi liệu từ ứng dụng lên Firebase 42 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ 4.1 KẾT QUẢ KHẢO SÁT  Cảm biến Trong đề tài, nhóm sử dụng PZEM004T để đo dịng điện, điện áp, tần số, cơng suất lượng bên có tích hợp vi điều khiển có khả tiếp nhận liệu từ cảm biến đo dòng áp bên trong, thực lọc nhiễu tính tốn giá trị đo lưu lại vào nhớ Việc giao tiếp chuẩn truyền nối tiếp UART khiến đọc giá trị điện chở nên dễ dàng giá trị đọc đáng tin tưởng Hình 1: Sơ đồ khối PZEM004T  Vi điều khiển STM32 vi điều khiển sử dụng vi xử lý dòng ARM, vi điều khiển phổ biến doanh nghiệp hệ thống nhúng ô tô nhờ giá thành rẻ hiệu suất cao Hệ sinh thái phần mềm đa dạng miễn phí STM32Cube giúp người sử dụng dễ dàng tiếp cận  Raspberry pi zero Với yêu cầu phải tổng hợp lượng lớn liệu gửi lên internet với tốc độ cao nên nhóm sử dụng Raspberry pi zero Nhóm thực giao tiếp thành công cập nhật liệu lên google firebase, tốc độ cập nhật gần realtime  Màn hình TFT Sử dụng hình TFT cung cấp cho người dùng nhìn trực quan giám sát, đồng thời dễ dàng điều khiển hệ thống với chức cảm ứng hình 43  Phần mềm STM32CubeMX Để tối ưu sử dụng board STM32, STM32Cube cung cấp phần mềm cho phép ta cấu hình phần cứng sử dụng cho STM32 để tối ưu nhất, ngõ phần mềm phần mềm tổng hợp cấu hình người dùng thành thư viện, firmware hỗ trợ người dùng thực lập trình lớp ứng dụng  Phần mềm Android Studio Android Studio phát triển Google phần mểm phổ biến xây dựng ứng dụng Android hỗ trợ nhiều dịch vụ, dễ dàng xây dựng ứng dụng kiểm tra với hỗ trợ máy ảo với đầy đủ kích thước, phiên SDK 4.2 KẾT QUẢ THỰC NHIỆM Hình 2: Vận hành mơ hình 44 Sau khởi động mơ hình, chưa có thiết bị kết nối nên chưa có dịng điện cơng suất Đèn đỏ biểu thị cho nguồn cung cấp cho mơ hình, đèn vàng biểu thị trạng thái làm việc mơ hình đèn xanh biển thị mơ hình chạy Màn hình TFT hiển thị giá trị đọc đèn xanh phía biểu bị trạng thái thiết bị kết nối với hệ thống, có đèn biểu diễn cho thiết bị đèn biểu diễn cho toàn thiết bị Nút nhấn màu đỏ để tắt coi cảnh báo có cố, nút nhấn màu xanh cho phép hệ thống hoạt động bình thường cố khắc phục Hình 3: Hiển thị trạng thái thiết bị 45 Hình 4: Kết nối thiết bị bật thiết bị Kết nối thiết bị kiểm tra chức hiển thị trạng thái thiết bị kết nối với hệ thống All Device bật cho phép thiết bị khác bật, All Device tắt thiết bị khác khơng bật Hệ thống hoạt động chức yêu cầu 46 Hình 5: Dữ liệu hiển thị ứng dụng Firebase Dữ liệu đưa lên Realtime database Firebase hiển thị điện thoại 47 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 KẾT LUẬN Sau q trình nghiên cứu, nhóm tiến hành thiết kế thi công sản phẩm thực thành cơng u cầu đo dịng điện, điện áp, công suất, tần số lượng điện tiêu thụ hộ gia đình, giám sát điều khiển thơng qua ứng dụng điện thoại di động Nhóm thực thi cơng mơ hình sản phẩm có thẩm mỹ định, dễ dàng sử dụng Tuy nhiên hệ thống giám sát thời gian thực, chưa thể xem lại hệ thống điện qua hay ngày qua 5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN Hệ thống phát triển thành hệ thống lớn, giám sát công suất điện thiết bị mở rộng từ giám sát hộ gia đình lên thành hộ chung cư, nhà máy có mơ hình lớn Ứng dụng điện thoại xây dụng giao diện đẹp mắt, dễ dàng sử dụng hơn, thêm sơ đồ giám sát giá trị theo tháng để người sử dụng dễ dàng giám sát có nhìn trực quan hệ thống điện Có thể tối ưu phần cứng để giảm chi phí kích thước mơ hình 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đ A Tuấn and T Đ Cường, "Xây dựng mơ hình giám sát điện tiêu thụ online máy tính sử dụng biến tần để điều khiển tốc độ động nhằm mục đích tiết kiệm lượng," Ho Chi Minh, 2014 [2] T Đ h C n H Nội, "Nghiên cứu xây dựng mô hình hệ thống giám sát, theo dõi tiêu thụ lượng cơng trình xây dựng hữu, hướng tới sử dụng lượng hiệu tiết kiệm," Ha Noi, 2013 [3] Đ H Anh, "Nghiên cứu xây dựng mơ hình hệ thống giám sát, theo dõi tiêu thụ lượng cơng trình xây dựng hữu, hướng tới sử dụng lượng hiệu tiết kiệm," Ha Noi, 2018 [4] PZEM-004T User Manual [5] Sparkfun,72017.[Online].Available: https://learn.sparkfun.com/tutorials/gettingstarted-with-the-raspberry-pi-zero-wireless/all [Accessed 29 2021] [6] Đ T C BẢN, "Đam mê điện tử," [Online] http://dammedientu.vn/chuan-giao-tiep-spi-va-cach-ket-noi/ Available: [Accessed 30 September 2021] [7] Đ T C BẢN, "Đam mê điện tử," [Online] Available: http://dammedientu.vn/gioi-thieu-chuan-giao-tiep-i2c/ [Accessed 30 September 2021] [8] T Intruments, "LM2576xx Series SIMPLE SWITCHER® 3-A Step-Down Voltage Regulator," 2013, p 22 49 ... GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN, GIÁM SÁT ĐIỆN GIA ĐÌNH, PHÁT HIỆN VÀ CẢNH BÁO CHÁY NỔ SV2021-79... GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Thông tin chung: - Tên đề tài: Thiết bị điều khiển, giám sát điện gia đình, phát cảnh báo cháy nổ - Chủ... Đề tài thiết kế thiết bị đo điện toàn hệ thống điện gia đình, thơng giá giám sát điện áp, cường độ dịng điện, tần số, cơng suất tức thời điện tiêu thụ toàn hệ thống điện, thực bật tắt thiết thị