Thiết kế mô hình thu thập dữ liệu, giám sát năng lượng sử dụng truyền thông ethernet

Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mơ hình thu thập liệu, giám sát lượng sử dụng truyền thông Ethernet MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT ii MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Ý nghĩa đề tài 1.3 Giới hạn đề tài nghiên cứu .9 1.4 Mục tiêu nghiên cứu .9 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10 2.1 Tổng quan ADE7753 10 2.1.1 Giới thiệu tổng quan ADE7753 10 2.1.2 Sơ đồ khối tính ADE7753 11 2.1.2.1 Sơ đồ khối ADE7753 11 2.1.2.2 Tính ADE7753 11 2.1.3 Quá trình lấy mẫu thực ADE7753 12 2.1.3.1 ADC kênh trình lấy mẫu kênh 12 2.1.3.2 ADC kênh trình lấy mẫu kênh 14 2.1.4 Tính tốn cơng suất hoạt động ADE7753 17 2.1.5 Quá trình ngắt ADE7753 19 2.1.5.1 Sử dụng ngắt với MCU 19 2.1.5.2 Thời điểm ngắt 20 2.1.6 Giao diện nối tiếp ADE7753 20 2.1.6.1 Hoạt động ghi nối tiếp ADE7753 21 2.1.6.2 Hoạt động đọc nối tiếp ADE7753 22 2.2 Tổng quan họ vi điều khiển PIC 22 2.2.1 Một số đặc tính Vi điều khiển PIC 22 Trương Dỗn Nam & Nguyễn Chí Kỳ Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mơ hình thu thập liệu, giám sát lượng sử dụng truyền thơng Ethernet 2.2.2 Những đặc tính ngoại vi 23 2.2.3 Đặc điểm tương tự 24 2.2.5 Công nghệ CMOS 24 2.3 Tổng quan Ethernet 25 2.3.1 Cấu trúc khung tin Ethernet 25 2.3.2 Cấu trúc địa Ethernet 25 2.3.3 Các loại khung Ethernet 26 2.3.3.1 Khung unicast 26 2.3.3.2 Khung broadcast 26 2.3.3.3 Khung multicast 26 2.4 Họ giao thức TCP/IP 26 2.4.1 Tầng Ứng Dụng(Application Layer) 27 2.4.2 Tầng Giao Vận(Transport Layer) 28 2.4.3 Tầng Internet(Internet Layer) 31 2.4.4 Lớp giao tiếp mạng 35 2.5 MicrochipTCP/IP Stack 35 2.6 Chuẩn truyền thông SPI 37 CHƯƠNG 3: THUẬT TOÁN THAO TÁC 42 3.1 Thuật toán cập nhật liệu 42 3.2 Thuật toán lưu trữ liệu 42 3.3 Thuật toán đọc liệu 42 3.4 Module vẽ đồ thị 51 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 66 VÀ LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT 66 4.1 Thiết kế phần cứng 66 4.1.1 Sơ đồ khối tổng quát Slave 66 4.1.1.1 Khối ade7753 67 4.1.1.2 Khối nguồn 70 4.1.1.3 Khối chống nhiễu 71 4.1.1.4 Khối hiển thị điều khiển 72 Trương Dỗn Nam & Nguyễn Chí Kỳ Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mơ hình thu thập liệu, giám sát lượng sử dụng truyền thông Ethernet 4.1.2 Vi Mạch Ethernet ENC28J60 72 4.1.2.1 Sơ đồ chân sơ đồ khối ENC28J60 73 4.1.2.2 Sơ đồ ghép nối vi điều khiển với ENC28J60 74 4.1.2.3 Sơ đồ nguyên lý Module Ethernet 75 4.1.2.4 Module Ethernet 76 4.2 Lưu đồ giải thuật 78 4.2.1 Lưu đồ hoạt động hệ thống 78 4.2.1.1 Dữ liệu vào 79 4.2.1.2 Xử lí liệu 79 4.2.1.3 Khối điều khiển trung tâm 79 4.2.1.4 Đưa liệu lên Webserver 79 CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 80 5.1 Kết đạt 80 5.2 Kết luận: 82 5.3 Hướng phát triển đề tài 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO 84 Trương Dỗn Nam & Nguyễn Chí Kỳ Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mơ hình thu thập liệu, giám sát lượng sử dụng truyền thông Ethernet DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Tên viết tắt IP PGA ADC DSP SPI MCU LPF IEEE Nghĩa tiếng việt Giao thức Internet Bộ khuếch đại lập trình Chuyển đổi tương tự sang số Xử lý tín hiệu số Truyền thơng nối tiếp Đơn vị quản lý trung tâm Bộ lọc thông thấp Viện kỹ sư điện điện tử RF Tên tiếng anh Internet Protocol Programmable Gain Amplifier Analog to Digital Converter Digital Signal Processing Serial Peripheral Interface Management Center Unit Low Pass Filter Institute of Electrical and Electronics Engineers Media Access Control HyperText Transfer Protocol User Datagram Protocol Transmission Control Protocol Acknowledgement Simple Network Management Protocol Radio Frequency LAN Local Area Network Mạng máy tính cục MAC HTTP UDP TCP ACK SNMP Trương Dỗn Nam & Nguyễn Chí Kỳ Điều khiển truy nhập môi trường Giao thức truyền tải siêu văn Giao thức gói liệu người dùng Giao thức điều khiển truyền thơng Tín hiệu báo nhận Giao thức quản lý mạng đơn giản Tần số vô tuyến Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mơ hình thu thập liệu, giám sát lượng sử dụng truyền thơng Ethernet DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ khối tổng qt mơ hình 10 Hình 1.2: Sơ đồ khối tổng quát Node mạng 101 Hình 2.1: Sơ đồ chân ADE7753 10 Hình 2.2: Sơ đồ khối chức ADE7753 11 Hình 2.3: Q trình xử lí tín hiệu kênh ADE7753 12 Hình 2.4: Thời gian lấy mẫu ADE7753 12 Hình 2.5: Q trình tính tốn IRMS kênh 13 Hình 2.6: Q trình xử lí tín hiệu kênh ADE7753 14 Hình 2.7: Đáp ứng pha lọc thông thấp LPF1 15 Hình 2.8: Q trình tính tốn URMS kênh 16 Hình 2.9: Minh họa hiệu chỉnh pha 0,10 ADE7753 17 Hình 2.10: Cơng suất hoạt động ADE7753 18 Hình 2.11: Q trình xử lí tính tốn cơng suất hoạt động ADE7753 18 Hình 2.12: Biểu đồ thời gian quản lí ngắt ADE7753 19 Hình 2.13: Giao diện nối tiếp ADE7753 21 Hình 2.14: Hoạt động ghi nối tiếp ADE7753 21 Hình 2.15: Hoạt động đọc nối tiếp ADE7753 22 Hình 2.16: Cấu trúc họ giao thức TCP/IP 27 Hình 2.17: Cấu trúc gói TCP 28 Hình 2.18: Lưu đồ trạng thái kết nối TCP 30 Hình 2.19: Cấu trúc gói tin IP 32 Hình 2.20: Cấu trúc gói tin ARP 34 Hình 2.21: Cấu trúc Stack 36 Hình 2.22: So sánh cấu trúc TCP/IP tham khảo cấu trúc Stack Microchip 36 Hình 2.23: SPI chip Master chip Slave thơng qua đường38 Hình 2.24: Q trình truyền gói liệu thực module SPI 39 Hình 2.25: Quá trình đọc ghi điều khiển Ethernet 39 Trương Doãn Nam & Nguyễn Chí Kỳ Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mơ hình thu thập liệu, giám sát lượng sử dụng truyền thơng Ethernet Hình 2.26: Quá trình đọc ghi điều khiển MAC 40 Hình 2.27: Quá trình ghi vào ghi lệnh 40 Hình 2.28: Quá trình ghi vào đệm lệnh 40 Hình 2.29: Quá trình ghi vào lệnh hệ thống 41 Hình 3.1: Sơ đồ thuật tốn dùng để cập nhật liệu từ vi xử lý lên máy chủ 42 Hình 3.2: Website nội tải lên từ chip xử lý 43 Hình 3.3: Trang giám sát thơng số tải từ website nội chip 44 Hình 3.4: Dữ liệu lưu CSDL xuất bảng 44 Hình 3.5: Sơ đồ thuật tốn lưu trữ liệu từ sở liệu thành tập tin lưu trữ 436 Hình 3.6: Sơ đồ thư mục chứa máy chủ 46 Hình 3.7: Bảng tập tin *.csv 47 Hình 3.8: Các tập tin *.csv tạo hệ thống máy chủ 48 Hình 3.9: Sơ đồ thuật toán vẽ đồ thị từ sở liệu 48 Hình 3.10: Thuật toán đọc liệu từ tập tin lưu trữ máy chủ 49 Hình 3.11: Sơ đồ thuật toán vẽ đồ thị từ sở liệu 515 Hình 3.12: Sơ đồ thuật toán vẽ đồ thị với tập tin lưu trữ máy chủ 536 Hình 3.13: Kết module Corechart Google 557 Hình 3.14: Vùng làm việc notepad++ 58 Hình 3.15: Vùng làm việc Intype 58 Hình 3.16: Vùng làm việc phpDesigner 59 Hình 3.17: Vùng làm việc Dreamweaver – Đây phiên rút gọn Macromedia Dreamweaver 8.0 60 Hình 3.18: Vùng làm việc E-Texteditor 60 Hình 3.19: Lập trình php Dreamweaver 61 Hình 3.20: Viết Cascading Style Sheet Dreamweaver 62 Hình 3.21: Thiết kế website HTML Dreamweaver 62 Hình 4.1: Sơ đồ khối Slave 663 Hình 4.2 Sơ đồ nguyên lý khối ade7753 67 Trương Dỗn Nam & Nguyễn Chí Kỳ Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mơ hình thu thập liệu, giám sát lượng sử dụng truyền thơng Ethernet Hình 4.3: Thiết kế khối kênh dòng 68 Hình 4.4: Thiết kế khối kênh áp 69 Hình 4.5: Sơ đồ khối nguồn 70 Hình 4.6: Sơ đồ chống nhiễu nguồn cho ADE7753 71 Hình 4.7: Ảnh hưởng nhiễu nối mass chung 72 Hình 4.8: Sơ đồ chân ENC28J60 73 Hình 4.9: Sơ đồ khối ENC28J60 73 Hình 4.10: Sơ đồ ghép nối vi điều khiển với ENC28J60 74 Hình 4.11: Khối hiển thị giao tiếp máy tính 74 Hình 4.12: Sơ đồ nguyên lý Module Ethernet 75 Hình 4.13: Mặt trước Module Ethernet 76 Hình 4.14: Mặt sau Module Ethernet 76 Hình 4.15 lưu đồ hoạt động hệ thống 78 Hình 5.1: Kết Node mạng 80 Hình 5.2: Trang chủ web cục 81 Hình 5.3: Webserver giám sát tập trung 81 Hình 5.4: Webserver thống kê liệu 82 Trương Dỗn Nam & Nguyễn Chí Kỳ Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mơ hình thu thập liệu, giám sát lượng sử dụng truyền thông Ethernet CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề Ngày với phát triển mạnh mẽ ngành khoa học kỹ thuật, công nghệ kỹ thuật điện tử mà lĩnh vực thu thập liệu cộng với công nghệ web nhúng web server quản lý tập trung đặt hàng loạt toán ứng dụng thực tiễn cho Do sinh viên chuyên ngành điện - điện tử phải biết nắm bắt vận dụng cách có hiệu nhằm góp phần vào phát triển khoa học kỹ thuật nước nhà nói chung phát triển kỹ thuật điện tử nói riêng Như biết, gần thiết bị tự động nhà máy, đời sống gia đình ngày hoạt động độc lập với nhau, thiết bị có quy trình sử dụng khác tuỳ thuộc vào thiết lập, cài đặt người sử dụng Chúng chưa có liên kết với mặt liệu Nhưng hệ thống thu thập liệu quản lý tập trung hồn tồn khác Ở đây, liệu từ sensor ghi nhận thực tế, thông qua môi trường truyền dẫn ethernet, liệu định tuyến để đến trạm đích lưu trữ sở liệu webserve Những liệu sở để đưa định điều khiển tự động hay để theo dõi giám sát đại lượng biến động theo thời gian Từ yêu cầu thực tế, đòi hỏi ngày cao sống, chúng em chọn đề tài: “Thiết kế mơ hình thu thập liệu, giám sát lượng sử dụng truyền thông Ethernet” Để đáp ứng nhu cầu ngày cao người góp phần vào tiến bộ, văn minh, đại nước nhà Với đề tài chúng em thực việc hệ thống theo hướng chính:  Thu thập liệu từ sensor, đặc biệt thông số nguồn IC chuyên dụng ADE7753  Dữ liệu tổng hợp từ node mạng xử lý gửi toàn lên webserver theo địa định tuyến 1.2 Ý nghĩa đề tài Ngày với tiến khoa học kỹ thuật, thiết bị điện tử đời ngày nhiều chủng loại tính sử dụng Bên cạnh nhu cầu sử dụng thiết bị cách tự động ngày cao, người ngày muốn có nhiều thiết bị giải trí thiết bị sinh hoạt với kỹ thuật cơng nghệ ngày cao Có thể Việt Nam chưa phát triển mạnh mẽ lĩnh giới, quốc gia thuộc Châu Âu hay Mỹ mơ hình quản lý, giám sát giao diện Webserver phổ biến Trương Dỗn Nam & Nguyễn Chí Kỳ Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mơ hình thu thập liệu, giám sát lượng sử dụng truyền thơng Ethernet Đề tài có tính ứng dụng cao rộng rãi nhiều lĩnh vực Ví dụ ứng dụng quản lý nhà thông minh Và đặc biệt ứng dụng nước ta triển khai thực tế hệ thống thu thập, quản lý số công tơ điện Hệ thống đánh giá mang lại hiệu kinh tế cao, tiết kiệm chi phí nhân cơng nhiều cho ngành điện lực Việc sử dụng đường truyền Internet có thuận lợi tiết kiệm chi phí, mang tính cạnh tranh động cao Ngồi sản phẩm đề tài mang tính mở, nâng cấp tăng số lượng Node mạng tùy ý, cịn áp dụng cho nhiều đối tượng khác dân dụng công nghiệp 1.3 Giới hạn đề tài nghiên cứu Để thực thi hệ thống thu thập liệu quản lý tập trung với quy mơ lớn nói phức tạp tốn Để xây dựng nên hệ thống thực tế địi hỏi phải có lượng thời gian để thử nghiệm nhiều kiến thức liên quan lĩnh vưc điện tử viễn thông Bên cạnh cịn vấn đề tài chính, nên với lượng thời gian kiến thức có hạn, đề tài chúng em thực thi phần hệ thống Với trình bày trên, chúng em tiến hành nghiên cứu, khảo sát, thực dự kiến đạt mục tiêu đặt sau:  Thiết lập Node mạng có tính độc lập, Node mạng Sensor IC chuyên dụng ADE7753 có nhiệm vụ thu thập liệu vị trí Trong đề tài tập trung quản lý thông số nguồn lưới liệu thu nhận Node đại lượng điện áp, dòng điện, tần số cơng suất  Sau có liệu, Node mạng tiến hành gửi liệu lên webserver để lưu trữ để tiện theo dõi 1.4 Mục tiêu nghiên cứu  Đồ án nghiên cứu thực với mục đích áp dụng kiến thức học nhà trường để thiết kế, tạo hệ thu thập quản lý liệu tập trung  Nghiên cứu trình xử lý ADC ADE7753 để đo thông số nguồn lưới  Nghiên cứu tạo giao diện Websever để thực quản lý qua mạng Ethernet với chuẩn giao tiếp TCP/IP  Nghiên cứu sử dụng chip vi điều khiển PIC Mircochip Đặc biệt PIC18F4620 sử dụng đề tài Trương Dỗn Nam & Nguyễn Chí Kỳ Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mơ hình thu thập liệu, giám sát lượng sử dụng truyền thông Ethernet CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan ADE7753 2.1.1 Giới thiệu tổng quan ADE7753  ADE7753 hãng Analog Device Mỹ sản xuất chế tạo  ADE7753 Có độ xác cao, tn theo chuẩn IEC 61036 IEC 1268  Tích hợp tích phân số cho phép giao diện trực tiếp tới cảm biến dòng điện đầu tỷ lệ với di/dt  Mạng lưới chân (PGA) kênh dòng điện cho phép giao diện trực tiếp tới shunt biến đổi dòng điện  Là IC chuyên dùng để đo lượng hoạt động lượng biểu kiến, dạng sóng giá trị hiệu dụng dịng điện điện áp Sai số nhỏ 0.1% phép đo lượng  Cho phép nguời dùng đặt chương trình ngưỡng cho tăng vọt điện áp dây kiểm tra giá trị hiệu dụng (SAG) phận cung cấp công suất (PSU)  Cho phép hiệu chuẩn số cho nguồn, pha bù đầu vào Lập trình tần số xung ngõ  Giao diện trực tiếp với thiết bị ngoại vi thông qua chuẩn giao tiếp SPI  Có ADC cấu trúc sigma – delta DSP cho liệu với độ xác cao điều kiện môi trường thời gian biến động mạnh  Nguồn nuôi 5V, công suất thấp (25mW) Hình 2.1: Sơ đồ chân ADE7753 Trương Dỗn Nam & Nguyễn Chí Kỳ 10 Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mơ hình thu thập liệu, giám sát lượng sử dụng truyền thông Ethernet chuoi1[15] = ':' ; // add separator WordToStr(remotePort, chuoi1 + 16) ; chuoi[21] = '[' ; WordToStr(destPort, chuoi1 + 22) ; chuoi[27] = ']' ; chuoi[28] = ; len = 28 + reqLength; SPI_Ethernet_putBytes(chuoi1, 28) ; while(reqLength ) { SPI_Ethernet_putByte(toupper(SPI_Ethernet_getByte())) ; } return(len) ; } ////****CAC HAM GIAO TIEP PIC18F4620 & ADE7753****//// void write_ade(unsigned long value, unsigned char addr, unsigned char length) //Ham ghi du lieu vao ghi cua ade7753 { addr|=0x80; //Ghi du lieu vao ghi dich CS_ = 0; SPI1_Write(addr); //Gui dia chi cua ghi can ghi switch(length) { case 8: SPI1_Write(value) ; break; //Ghi vao ghi bit case 16: SPI1_Write((value & 0xFF00)>>8) ; SPI1_Write(value & 0x00FF) ; break; //Ghi vao ghi 16 bit case 24: SPI1_Write((value & 0xFF0000)>>16); SPI1_Write((value & 0x00FF00)>>8) ; SPI1_Write(value & 0x0000FF) ; break; //Ghi vao ghi 24 bit } CS_ = 1; } long Read_ade(unsigned char address,unsigned char length) //Ham doc du lieu tu ghi cua ade7753 { unsigned long temp ,kq; CS_ = ; SPI1_Write(address); //Ket thuc viec chon ghi duoc doc switch(length) { case 8: kq = SPI1_Read(0x00) ;break ; Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mơ hình thu thập liệu, giám sát lượng sử dụng truyền thông Ethernet case 16: kq = SPI1_Read(0x00) ; kq