Nghiên cứu, thi công hệ thống thu nhập dữ liệu và giám sát điện năng

MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ii LỜI CAM ĐOAN v LỜI CẢM ƠN vi MỤC LỤC vii LIỆT KÊ HÌNH VẼ ix LIỆT KÊ BẢNG xi TÓM TẮT xii 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 2.1 GIỚI THIỆU MODULE ESP8266 NODEMCU V1.0 2.1.1 Sơ đồ chân 2.1.2 Thông số phần cứng 2.1.3 Chuẩn giao tiếp SPI 2.1.4 Một số loại ESP8266 bán thị trường 2.2 Giới thiệu module PZEM-004T 2.3 MODULE hiển thị 2.3.1 Module LCD 20x4 2.3.2 Module chuyển đổi giao tiếp I2C 10 2.4 Khái quát mạng không dây 11 2.4.1 Giới thiệu 11 2.4.2 Nguyên tắc hoạt động 12 2.4.3 Một số chuẩn WiFi 12 2.5 Webserver sở liệu 14 2.5.1 Phần mêm mô trang web XAMPP 14 2.5.2 Tổng quan webserver ngơn ngữ lập trình trang web 14 2.5.3 Tổng quan hệ quản trị sở liệu MySQL 17 2.5.4 Amazon Web Services 19 Chương TÍNH TỐN THIẾT KẾ 22 vii 3.1 Giới thiệu 22 3.2 Tính tốn thiết kế 22 3.2.1 Sơ đồ khối hệ thống 22 3.2.2 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 29 3.2.3 Thiết kế mơ hình thiết bị 31 Chương THI CÔNG HỆ THỐNG 33 4.1 Giới thiệu 33 4.2 Thi công hệ thống 33 4.2.1 Thi công board mạch 33 4.2.2 Sắp xếp linh kiện cho tủ điện 34 4.2.3 Lắp ráp kiểm tra 35 4.3 Đóng gói thi cơng mơ hình 37 4.3.1 Đóng gói điều khiển 37 4.3.2 Thi cơng mơ hình 38 4.4 Lập trình hệ thống 40 4.4.1 Lưu đồ giải thuật 40 4.4.2 Phần mềm lập trình 41 4.4.3 Cài đặt Amazon EC2 48 4.4.4 Tạo tên miền 57 4.4.5 Thiết lập Cloud Server 61 4.4.6 Đưa liệu lên Cloud Server 67 4.5 Hướng dẫn sử dụng 69 Chương KẾT QUẢ, NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ 71 5.1 Kết đạt 71 5.1.1 Kết phần cứng 72 5.1.2 Kết phần mềm 76 5.2 Nhận xét đánh giá 81 5.2.1 Về phần cứng 81 5.2.2 Về phần mềm 81 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 82 6.1 KẾT LUẬN 82 6.4 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 PHỤ LỤC 85 viii LIỆT KÊ HÌNH VẼ Hình Trang Hình 2.1 Sơ đồ chân module NodeMCU ESP8266 Hình 2.2 Sơ đồ khối minh họa chuẩn truyền SPI Hình 2.3 Module đo điện AC PZEM-004T Hình 2.4 Sơ đồ nối dây PZEM thiết bị Hình 2.5 Hình ảnh LCD 20x4 Hình 2.6 Module chuyển đổi giao tiếp I2C 11 Hình 2.7 Sơ đồ mô tả nguyên tắc hoạt động WiFi 12 Hình 2.8 Bảng điều khiển XAMPP 14 Hình 2.9 Sơ đồ tương tác hệ quản trị CSDL với người dùng 18 Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 22 Hình 3.2 Sơ đồ nối dây khối cảm biến dòng khối đo điện năng, vi điều khiển 25 Hình 3.3 Sơ đồ nối dây khối hiển thị 28 Hình 3.4 Sơ đồ ngun lý tồn mạch 30 Hình 3.5 Tủ điện 31 Hình 3.6 Mặt trước tủ điện 32 Hình 4.1 Sơ đồ mạch in 33 Hình 4.2 Sắp xếp, bố trí linh kiện 35 Hình 4.3 Cố định linh kiện 36 Hình 4.4 Mặt sau nắp tủ điện 37 Hình 4.5 Đóng gói điều khiển 38 Hình 4.6 Mặt trước mơ hình thiết bị 39 Hình 4.7 Mặt đáy mơ hình thiết bị 39 Hình Lưu đồ giải thuật cho ESP8266 40 Hình 4.9 Lưu đồ giải thuật xử lý trang web 41 Hình 4.10 Chọn tải Arduino IDE 42 Hình 4.11 Chọn tải phần mềm 42 Hình 4.12 Giao diện khởi động 43 Hình 4.13 Thêm đường dẫn cài đặt board ESP8266 44 Hình 4.14 Cài đặt board ESP8266 cho phần mềm 44 Hình 4.15 Cài drive kết nối với board ESP8266 45 Hình 4.16 Tự động cập nhật drive 46 Hình 4.17 Cách thêm thư viện Arduino IDE 47 Hình 4.18 Chọn thư mục chứa thư viện tải 47 Hình 4.19 Chọn board lập trình 48 Hình 4.20 Trang Amazon web services 49 Hình 4.21 Tạo tài khoản AWS 49 Hình 4.22 Tạo tài khoản AWS 50 Hình 4.23 Nhập thẻ visa 50 Hình 4.24 Đăng nhập vào bảng điều khiển 51 Hình 4.25 Chọn phương thức đăng nhập 51 Hình 4.26 Nhập mật đăng nhập 52 Hình 4.27 Bảng điều khiển 52 Hình 4.28 Chọn dịch vụ EC2 53 ix Hình 4.29 Tạo Instances 53 Hình 4.30 Chọn Instance 54 Hình 4.31 Chọn loại Instance 54 Hình 4.32 Cấu hình cho phép truy cập 55 Hình 4.33 Thêm quyền truy cập 55 Hình 4.34 Khởi tạo Instance 56 Hình 4.35 Tạo file đăng nhập máy ảo – key pair 56 Hình 4.36 Tải key pair 57 Hình 4.37 Instance sau khởi tạo 57 Hình 4.38 Đăng kí tên miền 58 Hình 4.39 Kiểm tra tên miền 58 Hình 4.40 Chọn tên miền muốn đăng kí 59 Hình 4.41 Bắt đầu tốn 59 Hình 4.42 Chọn miễn phí 12 tháng 59 Hình 4.43 Bắt đầu thiết lập DNS cho tên miền 60 Hình 4.44 Nhập DNS 60 Hình 4.45 Hồn tất đăng kí 60 Hình 4.46 Giao diện khởi động Proderosa 61 Hình 4.47 Cấu hình đăng nhập vào máy ảo 62 Hình 4.48 Giao diện máy ảo 62 Hình 4.49 Chuyển người dùng 63 Hình 4.50 Cài đặt Apache 63 Hình 4.51 Cài đặt telnet 64 Hình 4.52 Chạy Apache web 64 Hình 4.53 Cấu hình kết nối sở liệu 67 Hình 4.54 Giao diện quản lý database Navicat 67 Hình 4.55 Đăng nhập vào WinSCP 68 Hình 4.56 Quản lý thư mục WinSCP 69 Hình 4.57 Kết hiển thị Website 69 Hình 5.1 Thử nghiệm mơ hình 72 Hình 5.2 Hiển thị LCD 73 Hình 5.3 Bên thiết bị 73 Hình 5.4 Quạt điện dùng tải kiểm tra 74 Hình 5.5 Kết thử nghiệm giá trị điện áp 74 Hình 5.6 Kết đo giá trị dòng điện 75 HÌnh 5.7 Kết đo giá trị công suất 75 Hình 5.8 Giao diện giám sát tổng quát chưa có báo động 77 Hình 5.9 Giao diện giám sát tổng quát có báo động 77 Hình 5.10 Email báo động người dùng 78 Hình 5.11 Giao diện giám sát chi tiết, biểu đồ 78 Hình 5.12 Giao diện cài đặt 79 Hình 5.13 Giao diện hiển thị điện thoại 80 Hình 5.14 Menu dạng thu nhỏ 80 x LIỆT KÊ BẢNG Bảng Trang Bảng 2.1 Thông số chân LCD 20x4 10 Bảng 2.2 Một số chuẩn WiFi 13 Bảng 3.1 Giao tiếp ngoại NodeMCU PZEM-004T 24 Bảng 3.2 So sánh ESP8266 ( ESP-12E ) ESP32 25 Bảng 3.3 Giao tiếp ngoại vi NodeMCU LCD 20x4 I2C 27 Bảng 3.4 Các thông số nguồn cung cấp cho thiết bị 28 Bảng 4.1 Danh sách linh kiện 34 Bảng 5.1 Kết đo thông số mơ hình 76 xi TÓM TẮT Đề tài “Nghiên cứu – thi công hệ thống thu thập liệu giám sát điện năng” cho phép người dùng kiểm soát thông số điện điện áp, dịng điện, cơng suất cơng suất tiêu thụ Hệ thống cho phép người theo dõi thông số cài đặt chúng thông qua thiết bị điện thoại di động, hay máy tính Hệ thống báo động người dùng thơng qua chế gửi mail tự động có thiết bị hoạt động bất thường Nội dung đồ án nhóm sâu vơ tìm hiểu cách trao đổi liệu vi điều khiển module ESP8266 với module đo điện PZEM-004T module I2C Cách sử dụng thư viện PZEM-004T Cách lập trình để tạo nên hệ thống trang web cách sử dụng cơng nghệ điện tốn đám mây Amazon Web Services xii CHƯƠNG TỔNG QUAN Chương TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày công nghệ truyền thông không dây nghiên cứu phát triển mạnh mẽ để ứng dụng vào công nghiệp sống hàng ngày từ lĩnh vực dân dụng, giao thông công nghiệp, nông nghiệp, y tế… Vì cơng nghệ có ưu điểm tần số làm việc thấp, công suất truyền lớn, hiệu suất truyền cao, giá thành rẻ an toàn với người Trên hết có nhiều loại chuẩn truyền khác từ IR, RF, Bluetooth, 3G, LoRa…[5] Từ cho thấy cơng nghệ truyền thơng khơng dây đem lại tiện lợi thay đổi sống người theo hướng đại hóa tương lại gần Truyền dẫn qua mạng Wifi công nghệ truyền không dây sử dụng phổ biến, cơng nghệ có ưu điểm truyền khoảng cách xa qua mạng Wifi tiết kiệm lượng truyền dể dàng áp dụng cho cho đâu vùng phủ sóng Wifi Để hiểu rõ vấn đề nhóm chúng tơi chọn đề tài “Nghiên cứu, thi công hệ thống thu thập liệu giám sát điện năng” định hướng dẫn giáo viên hướng dẫn Thạc sĩ Trương Ngọc Anh Trên cở sở tìm hiểu nghiên cứu giám sát điện thông số khác hệ thống điện từ xa qua internet, nhu cầu có thật tăng cao thời gian gần Đặc biệt sau đợt giá điện, với thiết bi ̣ quan sát điện từ xa Chúng ta nhìn thấy thông số hệ thống điện công suất, dịng điện, điện áp… Chúng ta dùng máy vi tính thiết bị di động có hổ trợ trình duyệt web giám sát mức tiêu thụ điện phòng học, phòng thực tập… Qua giúp quản lý đánh giá tiêu thụ điện để thực biện pháp tiết kiệm chi phí lượng Dựa sở đề tài trước làm giám sát điện trước dùng module sim kết hợp RS232 qua cổng truyền thông RS485 theo phương thức truyền thông Modbus RTU [1], giám sát điện sử dụng PLC S7-400 thơng qua BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH CHƯƠNG TỔNG QUAN giao diện WINCC [2], dùng phần mềm Acuview giám sát điện thông qua đồng hồ đo điện đa Mutimeter ACUVIM [3] Thì chúng tơi nhận thấy số hạn chế giá thành cao, khả giám sát không đạt hiệu cao Để khắc phục nhược điểm nhóm nghiên cứu việc giao tiếp với thiết bị điện qua Internet dùng cơng nghệ IoT, góp phần hỗ trợ cho công tác giám sát quản lý điện từ xa, sử dụng vi điều khiển kết hợp với việc truyền liệu qua WIFI hiển thị giao diện Web 1.2 MỤC TIÊU Xây dựng hệ thống thu thập liệu giám sát lượng điện tiêu thụ, đo đạc thông số, cho phép hiển thị chúng website người dùng tiện việc giám sát mức tiêu thụ lượng thiết bị, có chức cảnh báo người dùng có thiết bị điện tiêu thụ mức, từ đưa giải pháp phòng ngừa, tiết kiệm lượng điện 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU  NỘI DUNG 1: Tìm hiểu tham khảo tài liệu, giáo trình, nghiên cứu chủ đề, nội dung liên quan đến đề tài  NỘI DUNG 2: Kết nối mạch phần cứng module PZEM004T, ESP8266  NỘI DUNG 3: Lập trình giao tiếp với module PZEM004T để đo thông số điện  NỘI DUNG 4: Lập trình cho module wifi ESP8266 Arduino IDE  NỘI DUNG 5: Thiết kế thi cơng mơ hình thiết bi ̣ hồn thiện  NỘI DUNG 6: Xây dựng giao diện web, giám sát, hiển thị  NỘI DUNG 7: Chạy thử nghiệm cân chỉnh hệ thống  NỘI DUNG 8: Viết báo cáo thực  NỘI DUNG 9: Bảo vệ luận văn 1.4 GIỚI HẠN Với đề tài “Nghiên cứu – thi công hệ thống thu thập liệu giám sát điện năng” có giới hạn sau: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CHƯƠNG TỔNG QUAN  Tổng dòng giám sát tối đa 20A  Hai mơ hình tương đương với việc giám sát hai phòng thực tập  Website có chức giám sát báo động, khơng có chức điều khiển 1.5 BỐ CỤC  Chương 1: Tổng Quan Chương đặt vấn đề dẫn nhập đến lý chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, giới hạn, thông số bố cục đồ án  Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết Chương trình bày chi tiết lý thuyết liên quan đến vấn đề mà đề tài sử dụng để thiết kế thi công  Chương 3: Thiết Kế Tính Tốn Chương trình bày bước thiết kế, tính tốn phần cứng lựa chọn linh kiện, module thích hợp, thiết kế phần mềm để phù hợp với yêu cầu đề tài  Chương 4: Thi công hệ thống Chương trình bày chi tiết trình thi công phần cứng phần mềm, mô kiểm tra trình hoạt động hệ thống  Chương 5: Kết quả, nhận xét, đánh giá Chương trình bày kết đạt sau hoàn thành hệ thống so với mục tiêu ban đầu đề ra, đưa nhận xét ,đánh giá kết đạt  Chương 6: Kết Luận Hướng Phát Triển Chương trình bày kết luận tổng thể hệ thống từ phần cứng phần mềm từ đưa hướng phát triển cải thiện hệ thống BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 GIỚI THIỆU MODULE ESP8266 NODEMCU V1.0 Module nodeMCU ESP8266 dịng vi điều khiển có tích hợp WiFi 2.4Ghz lập trình phát triển công ty Espressif Systems, nhà sản xuất Trung Quốc có trụ sở Thượng Hải Với tích hợp với giá thành rẻ, module nodeMCU ESP8266 cho phép lập trình viên sử dụng để tiếp cận đến cơng việc liên quan đến internet hóa thứ cách dễ dàng Chip ESP8266 phát triển Espressif để cung cấp giải pháp giao tiếp wifi cho thiết bị IoT Điểm đặc biệt dịng ESP8266 tích hợp mạch RF balun, antenna switches, TX power amplifier RX filter bên chip với kích thước nhỏ 5x5mm nên board sử dụng ESP8266 khơng cần kích thước board lớn khơng cần nhiều linh kiện xung quanh ESP8266 có cộng đồng nhà phát triển giới lớn giới, cung cấp nhiều Module lập trình mã nguồn mở giúp nhiều người tiếp cận xây dựng ứng dụng nhanh[13] 2.1.1 Sơ đồ chân Sơ đồ chân module nodeMCU ESP8266 hiển thị chi tiết thơng qua hình ảnh sau: BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH PHỤ LỤC PHỤ LỤC  Chương trình ESP8266 #include #include #include #include #include #include #include PZEM004Tv30 pzem(13, 12); // rx,tx LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 20, 4); const char* ssid = "realme Pro"; const char* password = "123456789"; char host[] = "18.136.205.59"; WiFiClient client; void setup() { Serial.begin(115200); Wire.begin(2, 0); lcd.clear(); lcd.begin(); lcd.backlight(); lcd.home(); Serial.println(); Serial.println(); Serial.print("Connecting to "); Serial.println(ssid); WiFi.begin(ssid, password); while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) { delay(500); Serial.print("."); } Serial.println(""); Serial.println("WiFi connected"); BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 85 PHỤ LỤC // Start the server Serial.println("Server started"); Serial.print(WiFi.localIP()); delay(1000); Serial.println("connecting "); } void loop() { float voltage = pzem.voltage(); if ( !isnan(voltage) ) { Serial.print("Voltage: "); Serial.print(voltage); Serial.println("V"); lcd.setCursor(0, 0); lcd.print("U= "); lcd.print(voltage); lcd.print("V"); } else { Serial.println("Error reading voltage"); lcd.setCursor(0, 0); lcd.print("U.Error!"); } float current = pzem.current(); if ( !isnan(current) ) { Serial.print("Current: "); Serial.print(current); Serial.println("A"); lcd.print(" I= "); lcd.print(current); lcd.print("A"); } else { Serial.println("Error reading current"); lcd.print("I.Error!"); } float power = pzem.power(); if ( !isnan(power) ) { Serial.print("Power: "); Serial.print(power); Serial.println("W"); lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("P= "); lcd.print(power); lcd.print("W"); } else { Serial.println("Error reading power"); lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("P.Error!"); } BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 86 PHỤ LỤC float energy = pzem.energy(); if ( !isnan(energy) ) { Serial.print("Energy: "); Serial.print(energy, 3); Serial.println("kWh"); lcd.print(" E= "); lcd.print(energy); lcd.print("kWh"); } else { Serial.println("Error reading energy"); lcd.print("E0.Error!"); } float frequency = pzem.frequency(); if ( !isnan(frequency) ) { Serial.print("Frequency: "); Serial.print(frequency, 1); Serial.println("Hz"); } else { Serial.println("Error reading frequency"); } float pf = pzem.pf(); if ( !isnan(pf) ) { Serial.print("PF: "); Serial.println(pf); } else { Serial.println("Error reading power factor"); } Serial.println(); delay(1000); if (client.connect(host, 80)) { Serial.println("connected"); client.print(String("GET https://")+host+("/dataEsp8266/insert.php?voltage=") + voltage + ("¤t=") + current + ("&power=") + power + ("&energy=") + energy + ("&id=1")+ " HTTP/1.1\r\n" + "Host: " + host + "\r\n" + "Connection: close\r\n\r\n"); } else { Serial.println("connection failed"); } delay(9000); } BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 87 PHỤ LỤC  Chương trình xử lý liệu để đưa lên sở liệu Tên file : insert.php BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 89 PHỤ LỤC  Chương trình trang điều hướng Tên file : index.php  Chương trình trang giám sát tổng quát Tên file : home.php overload { background: #dc3545 !important; } overload-rsp { background: #dc3545 !important; } Giám sát tổng quát BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 90 PHỤ LỤC

Công suất tiêu thụ :

kW.h

Điện áp : V

Dòng điện : A

kW.h BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 91 PHỤ LỤC