(Đồ án hcmute) ứng dụng iot vào hệ thống giám sát năng lượng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA ỨNG DỤNG IOT VÀO HỆ THỐNG GIÁM SÁT NĂNG LƯỢNG GVHD: LÊ MỸ HÀ SVTH: NGUYỄN THÀNH ĐẠT MSSV: 14151127 SVTH: TRẦN VIỆT KHANG MSSV: 14151050 SKL 0 Tp Hồ Chí Minh, 2018 an MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ii NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN iii NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN iv DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vii MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Hướng giải CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA HỆ THỐNG GIÁM SÁT NĂNG LƯỢNG 2.1 Nền tảng IoT 2.1.1 Định nghĩa 2.1.2 Khái niệm IoT 2.1.3 IoT từ góc nhìn kỹ thuật 2.1.4 Đặc tính 2.1.5 Yêu cầu mức high-level hệ thống IoT 10 2.1.6 Ứng dụng IoT 11 2.2 Các giá trị hiệu dụng, công suất hệ số công suất 11 2.3 Chuẩn giao tiếp UART 12 2.4 Mạng lưới cảm biến không dây (WSN) 13 2.5 Giao thức MQTT 17 2.5.1 Giới thiệu MQTT 17 2.5.2 Đặc điểm giao thức MQTT 17 a an 2.5.3 Cấu trúc giao thức MQTT 17 2.5.4 Tầng ứng dụng (Quanlities of Server) 18 2.5.5 Bảo mật 19 2.6 Môi trường lập trình Node Red 19 2.7 Hệ thống máy chủ ảo (Virtual Private Server - VPS) 20 2.8 Điện toán đám mây 21 2.9 Đo lường lượng 21 2.10 Lưu trữ liệu 24 2.11 Thuật toán K-nearest Neighbors (KNN) 25 2.12 Ngơn ngữ lập trình Python 28 2.13 Kiểu định dạng liệu JSON 29 2.14 Công nghệ Wifi 31 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 33 3.1 Thiết kế sơ đồ khối 33 3.2 Module đo lường thông tin lượng PZEM-004T 34 3.3 Module WiFi ESP8266 35 3.4 Arduino IDE 1.8.5 ESP8266 Library 38 3.5 Chương trình ESP8266 38 3.6 Giao tiếp hai mức điện áp 38 3.7 Nguồn hoạt động 39 3.8 Thuật toán KNN 44 3.9 Chương trình python xử lý KNN 45 3.10 Mơi trường lập trình Node-Red 46 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 47 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 53 b an 5.1 Vấn đề làm 53 5.2 Vấn đề chưa làm 53 5.3 Ưu điểm 53 5.4 Nhược điểm 53 5.5 Hướng phát triển 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 c an LỜI CAM ĐOAN Nhóm xin cam đoan đề tài nhóm tự thực dựa số tài liệu báo trước Các thơng tin, liệu đề tài nhóm thu thập từ tài liệu hướng dẫn, tham khảo tài liệu liên quan kèm theo mơ hình thực tế Từ đó, nhín nghiên cứu phát triển để thực đề tài i an LỜI CẢM ƠN Để hồn thành đồ án này, nhóm chúng tơi vận dụng kiến thức tích lũy q trình học tập Đồng thời, chúng tơi nhận nhiều giúp đỡ Xin gửilời cảm ơn chân thành đến thầy Lê Mỹ Hà tận tình giúp đỡ hướng dẫn để chúng tơi bám sát mục tiêu đề đồ án Chúng cảm ơn người bạn lớp giúp đỡ, chia sẻ tài liệu, kiến thức trình học tập thực đồ án Cũng xin cảm ơn tác giả báo, luận văn mà tham khảo Nếu khơng có viết đó, chúng tơi khó mà khồn thành đồ án Trong trình nghiên cứu thực đồ án, thời gian trình độ có giới hạn nên khơng tránh khỏi thiếu sót Vì thế, nhóm hy vọng nhận đóng góp quý báu từ Thầy Cô, bạn bè người quan tâm đến đề tài hoàn thiện Một lần xin cảm ơn giúp đỡ từ người! ii an NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN Chữ ký GVHD iii an NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN Để giúp cho việc đánh giá giáo viên bám sát mục tiêu q trình thực hiện, nhóm đặt nhiệm vụ đồ án sau đây: Nghiên cứu thiết kế hồn thành ổ cắm thơng minh Nhận dạng thiết bị điện sử dụng Giám sát thơng số điện dịng điện, điện áp, công suất tiêu thụ lượng tiêu thụ điện ổ cắm Điều khiển bật tắt thiết bị từ xa Lưu liệu sử dụng ổ cắm tạo dataset cho thiết bị điện nhằm mục đích nghiên cứu cao sau iv an DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT IoT: Internet of Things PF: Power Factor UART: Universal Asynchronous Receive and Transmit WSM: Wireless Sensor Networks MQTT: Message Queuing Telemetry Transport QoS: Quality of Service VPS: Virtual Private Server KNN: K-nearest Neighbors v an DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 2.1: Kết nối vật Hình 2.2: Hệ thống IoT từ góc nhìn kỹ thuật Hình 2.3: Các loại thiết bị khác mối quan hệ Hình 2.4: Các thành phần WSN 15 Hình 2.5: Dạng publish/subscribe 18 Hình 2.6: Mơ hình giao tiếp Node-Red 20 Hình 2.7: Sơ đồ giao tiếp khối MQTT Cloud 25 Hình 2.8: Lưu đồ giải thuật dự đoán đưa định 29 Hình 3.1: Sơ đồ khối làm việc hệ thống 33 Hình 3.2: Module PZEM-004T 35 Hình 3.3: Sơ đồ cấu tạo module PZEM-004T 35 Hình 3.4: Module wifi Esp8266 12E 37 Hình 3.5: Sơ đồ chân module Esp8266 12E 37 Hình 3.6: Cài đặt công cụ biên dịch cho ESP8266 40 Hình 3.7: Cài đặt thư viện Esp8266 41 Hình 3.8: Tùy chỉnh board Node MCU 41 Hình 3.9: Lưu đồ giải thuật sử dụng Esp8266 42 Hình 3.10: Module chuyển đổi tín hiệu 3.3V 5V dùng BSS138 43 Hình 3.11: Nguồn khơng vỏ 5V 44 Hình 3.12: Lưu đồ giải thuật xử lý KNN Python 46 Hình 3.13: Mơi trường lập trình Node-Red 46 Hình 4.1: Bên mơ hình sản phẩm 47 Hình 4.2: Mơ hình sản phẩm ổ cắm thông minh dựa công nghệ IoT 48 Hình 4.3: Kết nhận cắm quạt vào ổ cắm 49 Hình 4.4: Kết nhận cắm t vào ổ cắm 50 Hình 4.5: Kết nhận cắm bếp vào ổ cắm 51 vi an Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý mạch giao tiếp 3.3V 5V dùng Mosfet BSS138 Hình 3.10: Module chuyển đổi tín hiệu 3.3V 5V dùng BSS138 43 an Hình 3.11: Nguồn khơng vỏ 5V 3.8 Thuật tốn KNN Thuật tốn KNN sử dụng mơ hình với chức nhận diện thiết bị sử dụng Thuật toán thể đây: Classify(X, Y, x) // X: liệu huấn luyện, Y: kết tương ứng với liệu huấn luyện, x: mẫu thử chưa nhận diện For i = to m do// m mẫu liệu huấn luyện X Tính tốn khoảng cách d(Xi, x) End So sánh tìm khoảng cách d(Xi, x) nhỏ Return: kết tương ứng với liệu huấn luyện 44 an 3.9 Chương trình python xử lý KNN Chương trình python có chức subscribe topic MQTT mà Module ESP8266 gửi lên, nhận diện thiết bị gửi lên lại server MQTT dạng chuỗi JSON Sơ đồ khối thuật toán giới thiệu hình 3.13 Đầu tiên, hệ thống khai báo để sử dụng server MQTT Bước tiếp theo, đăng ký cho chúng Sau nhận thông tin publish lên, chúng tách lấy liệu lượng thực thuật toán KNN để nhận dạng thiết bị sử dụng Cuối cùng, kết publish lên MQTT Server trở lại Bắt đầu Khai báo kết nối server MQTT Subcribe Topic MQTT Tách lấy thơng tin lượng Thuật tốn KNN Publish kết KNN Kết thúc 45 an Hình 3.12: Lưu đồ giải thuật xử lý KNN Python 3.10 Mơi trường lập trình Node-Red Mơi trường có chức tạo website đơn giản để hiển thị giá trị điện áp, dòng điện, cơng suất tổng điện tiêu thụ Hình 3.14 giao diện lập trình website để hiển thị liệu bảng điều khiển hệ thống Trong mơi trường lập trình Node-Red, hệ thống lập trình để đọc liệu gửi từ ESP8266 VPS theo phương thức MQTT Với phương thức này, tín hiệu gửi theo dạng Publish/Subcribe Như vậy, thiết bị mà sử dụng đời sống ngày cắm vào hệ thống ổ cắm thông minh, module PZEM-004T đo đạc giá trị hiệu dụng điện áp, dòng điện, cơng suất Từ giá trị này, tính hệ số cơng suất cosφ Sau đó, khác thơng tin “publish”, tức gửi thông tin lên “broker” Tại đây, gói thơng tin gửi đến điều khiển chúng đăng kí trước Dưới mơi trường lập trình Node-Red để thông tin đo đạc gửi lên Google Cloud gửi đến điều khiển Hình 3.13: Mơi trường lập trình Node-Red 46 an CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Đối với toán ổ cắm thông minh sử dụng công nghệ Iot, thiết kế mơ hình sản phầm có khả hoạt động đặt Trong phần cứng mơ hình sản phẩm này, sử dụng module trình bày chương Esp8266, PZEM-004T,… Bên cạnh đó, cịn trang bị thêm cho hệ thống hình LCD để hiển thị thông tin lượng điện áp, dịng điện, cơng suất hệ số cơng suất Ngồi ra, cịn cho phép hiển thị thêm gói liệu gửi lên Google Cloud Nhờ vậy, quan sát trình hoạt động hệ thống gần mà không cần dùng tới điện thoại di động Đồng thời, việc làm cịn giúp phát lỗi trình xử lý tín hiệu hay gửi thơng tin lên mạng để kịp thời sửa chữa hệ thống Với module sử dụng mơ hình để có kích thước nhỏ nên mơ hình tạo nên khơng lớn, nhỏ gọn dễ lắp đặt Với thơng số kích thước hình 4.2 Hình 4.1: Bên mơ hình sản phẩm 47 an Hình 4.2: Mơ hình sản phẩm ổ cắm thông minh dựa công nghệ IoT Trong mơi trường lập trình Node-Red, hệ thống lập trình để gửi tín hiệu lên Google Cloud theo phương thức MQTT Với phương thức này, tín hiệu gửi theo dạng Publish/Subcribe Như vậy, thiết bị mà sử dụng đời sống ngày cắm vào hệ thống ổ cắm thông minh, module PZEM-004T đo đạc giá trị hiệu dụng điện áp, dòng điện, cơng suất Từ giá trị này, tính hệ số cơng suất cosφ SAu đó, khác thơng tin “publish”, tức gửi thông tin lên “broker” Tại đây, gói thơng tin gửi đến điều khiển chúng đăng kí trước Dưới mơi trường lập trình Node-Red để thông tin đo đạc gửi lên Google Cloudvà gửi đến điều khiển Với thiết bị khác nhau, giá trị đo khác Chính vậy, nhận biết thiết bị thiết bị Sau nhận biết thiết bị thiết bị nào, người sử dụng điều khiển ngắt nguồn thiết bị cách nhấp vào nút tắt giao diện điều khiển Như hình 4.3, có thơng số thiết bị quạt điện 48 an Hình 4.3: Kết nhận cắm quạt vào ổ cắm Chiếc quạt sử dụng gia đình thơng thường có mức điện áp định mức 220V Khi cắm vào ổ cắm thông minh, điện áp hiệu dụng cấp cho quạt đo 220.7V Chiếc quạt tiêu tốn lượng cơng suất 22W Đồng thời, dịng điện chạy dây quạt 0.1A Từ thơng số này, dễ dàng tìm hệ số công suất quạt theo công thức (1), ta có hệ số cơng suất quạt PF= 22/(220.7*0.1) = 0.997 Dựa vào thông số này, hệ thống nhận dạng thiết bị tên thiết bị lên kết hình 4.3 Ngồi ra, giao diện hiển thị thêm bảng lượng theo thời gian thực (hình bên trái) Với biểu đồ này, theo dõi q trình sử dụng lượng thiết bị Ban đầu, nguồn lượng khơng, sau đó, thiết bị quạt cắm vào, nguồn lượng tăng dần tăng vọt 15,48s Vì thời điểm này, quạt cần dòng điện lớn để khởi động quạt động điện Sau khởi động xong, quạt bắt đầu quay lại trạng thái làm việc bình thường 15,53s nên tổng lượng sử dụng tăng theo thời gian Trên giao diện cịn có thêm nút tắt (Off plug in) Với nút này, tác động vào relay, relay ngắt nguồn điện cấp vào cho ổ cắm Từ đó, thiết bị bị ngắt nguồn khơng cịn hoạt động 49 an Hình 4.4: Kết nhận cắm t vào ổ cắm Tương tự, ta có với tủ lạnh hình 4.4 Chúng ta thu thơng số điện áp, dịng điện hiệu dụng cơng suất, cịn hệ số cơng suất dễ dàng tính theo cơng thức Từ thơng số này, điều khiển nhận thiết bị sử dụng lượng thiết bị Bên cạnh đó, có đồ thị tổng lượng tiêu thụ đáp ứng thời gian thực Với đồ thị này, thấy thời điểm 17,8s, lượng sử dụng tăng cao đột ngột Tại thời điểm đó, tủ bắt đầu bơm lạnh nên cần nguồn lượng lớn để cung cấp Sau đó, tủ cần trì lạnh nên lượng sử dụng giảm thời điểm 18,2s tổng lượng tăng Cũng giống thiết bị trên, thiết bị bếp từ, thông tin lượng thu thập dùng chúng để nhận biết thiết bị xài điện bếp từ hình 4.5 Cũng tương tự tủ lạnh Bếp từ cần lượng lượng lớn để đun nóng đến nhiệt độ đặt trước Vì vậy, đồ thị tổng lượng đáp ứng thời gian thực, lượng tiêu thụ tăng cao thời điểm 15,48s đến 16,31s Nhưng khoảng thời gian từ 16,31s đến 17,30s, lượng tiêu thụ không tăng thêm, có nghĩa bếp khơng dùng lượng lượng nhiệt giảm bớt Tiếp theo, bếp dùng thêm lượng để đưa nhiệt độ bếp lại nhiệt độ đặt trước 50 an Hình 4.5: Kết nhận cắm bếp vào ổ cắm Ta có bảng 2, 3, bảng so sánh thông tin nhận thiết bị sử dụng ổ cắm đo thực thiết bị hoạt động Bảng 2: So sánh kết quạt máy đo thực tế ổ cắm Quạt Đo thực tế Thông tin nhận Sai số (%) U (V) 220.4 220.7 0.135 I(A) 0.102 0.1 P(W) 21,8 22 0.91 Bảng 3: So sánh kết tủ lạnh máy đo thực tế ổ cắm Tủ lạnh Đo thực tế Thông tin nhận Sai số(%) U (V) 226.1 225.9 0.08 I(A) 1.11 1.1 0.91 P(W) 142,5 142 0.35 51 an Bảng 4: So sánh kết bếp từ máy đo thực tế ổ cắm Bếp từ Đo thực tế Thông tin nhận Sai số(%) U (V) 219.5 219.4 0.05 I(A) 7.01 6.98 0.29 P(W) 1205 1203 0.17 Từ bảng đây, thấy kết nhận từ module Esp8266 gần xác với kết nhận từ đồng hồ đo Các sai số 1% Vì vậy, độ tin cậy hệ thống cao Nhìn vào sai số, nhận thấy với thiết bị có cơng suất lớn, sai số nhỏ cịn thiết bị có cơng suất nhỏ lại có sai số lớn Nguyên nhân dẫn đến sai số q trình đo lường thơng tin lượng gây Module PZEM004T có tầm đo lớn nên dùng để đo thông số nhỏ dễ gây sai số Điều tầm đo lớn, giá trị nhỏ, byte thập phân không đủ cao để thể đầy đủ giá trị Trong bảng số 2, thấy dòng điện đo thực tế lại thể dạng có chữ số thập phân Trong đó, module PZEM-004T lại đo với chữ số thập phân 52 an CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 5.1 Vấn đề làm - Đã thiết kế thành cơng mơ hình ổ cắm thơng minh - Xây dựng thuật toán nhận biết thiết bị gia dụng - Giám sát thông số thiết bị điện - Lưu trữ data thiết bị điện 5.2 Vấn đề chưa làm - Điều khiển bật/tắt thiết bị 5.3 Ưu điểm - Phần cứng thiết kế nhỏ gọn - Được thiết kế đơn giản phí sản xuất khơng cao - Mơ hình chạy tương đối ổn - Với khả điều khiển từ xa nên tiện dụng việc quản lý, điều khiển mà không cần gần phần cứng - Thiết kế giao diện đơn giản, dễ sử dụng, phù hợp với người sử dụng - Có thể giám sát trình sử dụng lượng thiết bị nhằm đưa giải pháp tiếp kiệm - Nhận diện số thiết bị gia dụng - Giao diện lập trình mơi trường Node Red nên dễ dàng thay đổi, tuỳ biến 5.4 Nhược điểm - Một số thiết bị có cơng suất nhỏ sạc điện thoài, đèn ngủ,… chưa nhận diện - Tốc độ lấy mẫu chậm(4s) - Các thiết bị có cơng suất đặc tính gần giống thiết bị điện nhiệt: bàn ủi, bình đun nước,… nhận biết sai - Phần cứng thiết kế chưa đẹp bắt mắt người tiêu dùng 5.5 Hướng phát triển Ổ cắm thông minh xây dựng dựa tảng công nghệ IoT nên chúng có tiềm sử dụng ngơi nhà thông minh Trong nhà thông minh, thiết bị điều khiển đóng ngắt từ xa Thay phải mua thiết bị gia dụng đèn, quạt, bếp,… tích hợp để điều khiển từ xa, sử dụng thiết bị sử dụng ổ cắm để 53 an đóng ngắt nguồn điện từ xa Nhờ đó, thiết bị hoạt động theo ý muốn mà không cần phải lại gần ấn nút khởi động tắt Khi thiết bị điện gặp cố chắn cố thể giá trị điện áp, dòng điện cơng suất, từ hồn tồn chuẩn đốn bệnh thiết bị điện/điện cơng nghiệp, đưa cảnh báo tắt thiết bị Đi sâu hướng giám sát nhận biết hộ có người hay khơng nhờ dựa thiết bị giám sát hộ gia đình nêu kết quả, cách chăm sóc người già chí giám sát tội phạm 54 an TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] F Xia, L.T Yang, L Wang, and A Vinel, “Internet of things,” International Journal of Communication Systems, vol 25, pp 1101- 1102, 2012 [2] Jan Axelson; Lakeview Research,"Serial Port Complete: COM Ports, USB Virtual COM Ports, and Ports for Embedded Systems" [3] D Culler, D Estrin, M Srivastava, "Overview of Sensor Networks", IEEE Computer, USA, vol 37, pp 41-49, August 2004 [4] IEEE LAN/MAN Standards Committee, “IEEE Standard 802.15.4, Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY), Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs),” http://www.ieee802.org/15/pub/TG4.html, 2003 [5] MQTT.ORG, http://mqtt.org/ [6] Z Chaczko, R Braun, “Learning Data Engineering: Creating IoT Apps using the Node-RED and the RPI Technologies”,Information Technology Based Higher Education and Training (ITHET), 2017 16th International Conference on [7] Phạm Thanh Duy, “Nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ ảo hóa máy chủ” [8] Google Cloud, https://console.cloud.google.com [9] Node_RED, node-red cookbook, https://cookbook.nodered.org/mqtt/, viewed: 12-04-2018 [10] Bax, E (2000) "Validation of nearest neighbor classifiers", IEEE Trans Inform Theory, 46: 2746–2752 [11] Bermejo, T & Cabestany, J (2000) "Adaptive soft k-Nearest Neighbor classifiers", Pattern Recognition, 33: 1999-2005 [12] Guido van Rossum,” Programming at Python Speed”, A Conversation with Guido van Rossum, Part III 55 an [12] What is Python? Executive Summary Python documentation Python Software Foundation Retrieved 2011-08-1, https://www.python.org/doc/ [13] Introducing JSON, http://www.json.org/ [14] Chen Wenzhou WIFI technology research and application, [j] Data communications, (2008) 25-27 56 an an ... bị sử dụng công nghiệp đời sống người, dùng nguồn lượng điện để hoạt động Bởi vậy, việc giám sát lượng việc giám sát lượng điện tiêu thụ thiết bị Bên cạnh đó, việc giám sát giúp bảo vệ hệ thống. .. nghệ IoT hồn tồn cho phép ta thực điều an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA HỆ THỐNG GIÁM SÁT NĂNG LƯỢNG Để xây dựng hệ thống yều cầu đặt ra, cần phải tìm hiểu số khái niệm, sở liên quan đến hệ thống. .. tiết kiệm lượng bảo vệ thiết bị hệ thống điện Muốn nhận biết thiết bị, cần phải sử dụng đến thuật toán K-nearest Neighbors Thuật toán cho phép dự đoán tên thiết bị sử dụng dựa vào thơng số lượng