Thiết kế thiết bị giám sát tiêu thụ điện năng trong gia đình và cảnh báo an toàn điện

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - - BÀI TẬP LỚN THIẾT KẾ THIẾT BỊ GIÁM SÁT TIÊU THỤ ĐIỆN NĂNG TRONG GIA ĐÌNH VÀ CẢNH BÁO AN TỒN ĐIỆN Giảng viên hướng dẫn: TS NGUYỄN NGỌC MINH Sinh viên thực hiện: NGUYỄN THANH BÌNH – B17DT021 NGUYỄN BÁ HIẾU – B17DT072 Môn: ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÚNG Nhóm: 13 Hệ: ĐẠI HỌC CHÍNH QUY Hà Nội, 2021 LỜI CẢM ƠN Trong trình nghiên cứu thực đề tài nhóm em nhận giúp đỡ, đóng góp ý kiến bảo nhiệt tình thầy cơ, gia đình bạn bè Đầu tiên, nhóm em xin gửi lời cảm ơn đến Ban lãnh đạo Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông tạo cho em môi trường rèn luyện tốt để em học tập tiếp thu kiến thức quý báu năm qua Chúng em xin cảm ơn tất thầy giáo tận tình dạy kiến thức quý báu để chúng em hồn thành đồ án hành trang cần thiết để em bước đường nghiệp sau Nhóm em xin gửi lời cảm ơn đến Thầy Nguyễn Ngọc Minh, trực tiếp hướng dẫn em thực đề tài nghiên cứu Mặc dù công việc bận rộn Thầy dành thời gian hướng dẫn bảo tận tình để em hồn thành tốt đề tài Mặc dù cố gắng xong khơng tránh khỏi thiếu sót Chúng em mong nhận thông cảm bảo tận tình q thầy bạn để chúng em hồn thành tốt báo cáo Cuối chúng em xin kính chúc thầy, cơ, gia đình bạn bè dồi sức khỏe thành công nghiệp MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC MỤC LỤC HÌNH ẢNH .5 LỜI MỞ ĐẦU .7 CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 Tầm quang trọng quản lý giám sát lượng .8 1.2 Giới thiệu số hệ thống giám từ xa thực tế: 1.2.1 Hệ thống giám sát quản lý lượng từ xa qua sóng vơ tuyến RF 1.2.2 Hệ thống giám sát quản lý lượng từ xa qua truyền tải tín hiệu thơng qua đường dây điện 1.3 Công nghệ IOT .11 1.3.1 Mô tả hoạt động mạng IoT 11 1.3.2.Giao thức truyền tải liệu 14 1.4.Ý tưởng thiết kế 15 1.4.1.Giới thiệu 15 1.4.2 Đề xuất ý tưởng thiết kế 15 1.5 Kết luận chương 16 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỀ TÀI 17 2.1 Vi điều khiển ESP8266 17 2.1.1 Giới thiệu ESP8266 17 2.1.2 Giới thiệu ESP8266 NodeMCU 17 2.2 Các Module khối chức 18 2.2.1 Điện áp xoay chiều 18 2.2.2 Cảm biến dòng 21 2.2.3 Cảm biến nhiệt độ DHT11 28 2.2.4 Màn hình LCD 16x2 giao tiếp I2C 29 2.2.5 Mạch chuyển đổi tương tự ADS1115 30 2.2.6 Module phím cảm ứng chạm TTP223 31 2.3 Tìm hiểu cách hiển thị data lên Web 31 2.3.1 Tìm hiểu kết nối MQTT 31 2.3.2 Tìm hiểu nodejs 33 2.3.3 Tìm hiểu CSDL mysql 34 2.3.4 Tìm hiểu HTML CSS 37 2.4 Kết luận chương 38 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ SẢN PHẨM 39 3.1 ESP8266 với module 40 3.1.1 Đo điện áp xoay chiều 40 3.1.2 Cảm biến dòng 42 3.1.2 DHT11 42 3.2 ESP8266 với Wifi, MQTT 43 3.2.1 Kết nối wifi 43 3.2.2 MQTT 43 3.2.2.1 Kết nối MQTT 43 3.2.2.2 Public tin ESP lên Broker 44 3.3 Lấy data từ MQTT lưu vào CSDL Mysql 45 3.2.1 Tạo CSDL Mysql 45 3.2.2 Lấy data lưu vào CSDL 45 3.4 Hiện thị Web 46 3.4.1 Đẩy liệu lên Web 46 3.4.2 Thiết kế Web thị liệu 47 3.4.2.1 Xây dựng giao diện thị HTML/CSS/BOOTSTRAP4 47 3.4.2.2 Giao diện 57 3.5 Thiết kế mạch 57 3.5.1 Nguyên lý 57 3.5.2 PCB 58 3.7 Kết luận chương 58 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ KHẢO SÁT, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ 59 4.1 Kết khảo sát 59 4.1.1 Khảo sát đo điện áp 59 4.1.2 Khảo sát đo dòng điện 59 4.2 Nhận xét đánh giá 60 4.3 Kết luận chương 61 KẾT LUẬN 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Một số loại cảm biến………………………………………… ……… …12 Hình 1.2 Bluetooth……………………………………………………………… …13 Hình 1.3 WiFi…………………………………………………………………… .13 Hình 1.4 Giao diện người dùng………………………………………………….… 14 Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống IOT……………………………………………… 15 Hình 1.6 Giao thức truyền MQTT…………………………………………… 15 Hình 2.1 Sơ đồ chân ESP8266 NodeMCU …………………………… … 18 Hình 2.2 Cảm biến dịng………………………………………………………… .18 Hình 2.3 Cuộn dây Rogowski………………………………………………… … 20 Hình 2.4 Hiệu ứng điện từ……………………………………………………… ….21 Hình 2.5 Hiệu ứng Hall…………………………………………………………… 22 Hình 2.6 Các dạng hiệu ứng Hall…………………………………………………….23 Hình 2.7 Cảm biến dịng ASC712…………………………………………….….… 23 Hình 2.8 Cảm biến dịng khơng tiếp xúc…………………………………………… 24 Hình 2.9 Dịng điện xoay chiều…………………………………………………… 25 Hình 2.10 So sánh dịng điện chiều xoay chiều…………………………… … 26 Hình 2.11 Bộ khuếch đại so sánh ………………………………………………… 28 Hình 2.12 Cảm biến DHT11……………………………………………………… 29 Hình 2.13 Sơ đồ chân LCD 16x2…………………………………………….… 30 Hình 2.14 Module ADS1115…………………………………………………………30 Hình 2.15 Module phím cảm ứng chạm TTP223…………………………………….31 Hình 2.16 Vị trí giao thức MQTT hệ thống IOT……………….…………32 Hình 2.17 Sơ đồ giao thức MQTT………………………………………………… 33 Hình 2.18 Hình ảnh biểu tượng NodeJS………………………………….…… 34 Hình 2.19 Hình ảnh biểu tượng MySQL………………………………… …… 35 Hình 2.20 Mơ hình Client-Server MySQL………………………………… … 36 Hình 2.21 Sơ đồ MySQL vận hang …………………………………………… … 37 Hình 2.22 Hình ảnh biểu tượng HTML CSS……………………….…… …37 Hình 3.1 Sơ đồ kết nối hệ thống lưu đồ thuật tốn ………… …….…… .…39 Hình 3.2 Giảm điện áp sử dụng Op-Amp…………………………………………….41 Hình 3.3 Sơ đồ mạch đo điện áp xoay chiều…………………………………………42 Hình 3.4 Kết nối WiFI địa WiFi………………………………………………43 Hình 3.5 Kết nối MQTT………………………………………… …………….… 44 Hình 3.6 Pub liệu ESP………………………………………………………… 45 Hình 3.7 Dữ liệu CSDL MySQL………………………………………………46 Hình 3.8 Bố cục Web……………………………………………………………… 47 Hình 3.9 Trạng thái liệu giám sát…………………………………………………49 Hình 3.10 Đồ thị nhiệt độ độ ẩm……………………………………………… 50 Hình 3.11 Biểu đồ cường độ cơng suất……………………………………… …52 Hình 3.12 Giao diện thị liệu…………………………………………………57 Hình 3.13 Nguyên lý mạch điện………………………………………………… …57 Hình 3.14 PCB mạch điện……………………………………………………………58 Hình 4.1 Khảo sát đo dòng điện……………………………………………… ……60 LỜI MỞ ĐẦU Nhu cầu quản lý, giám sát kiểm soát việc đo điện năng, thơng số: điện áp, dịng điện, tiêu chất lượng điện từ xa cần thiết cho nhà quản lý, công ty điện lực cá nhân Mặc dù đạt đến mức độ thành công định, nhiên hệ thống quản lý giám sát điện chi phí cao hạn chế việc truy cập từ xa Ngoài ra, xu hướng sử dụng thiết bị thông minh: điện thoại smart phone, máy tính bảng …để truy cập giám sát từ xa Trong xu này, hệ thống hỗ trợ việc quản lý, giám sát việc đo điện thông số hệ thống điện từ xa Internet cần thiết để tìm hướng tiện nghi kinh tế phục vụ nhà quản lý,các công ty điện lực Với mong muốn giải đươc phần khó khăn tìm mơt hướng mớ i cho ngành điên Việt Nam, chúng em bắt tay vào nghiên cứu thưc hiêṇ đề tài “Giám sát điện qua internet” Trên sở tìm hiểu IoT nhằm giám sát điện thông số khác hệ thống điện từ xa qua internet, qua viêc ̣ truy cập vào trang web, người dùng giám sát từ xa moi nơi lúc Điểm nổi bât đề tài giám sát điên đồng thời hai hay nhiều thiết bi ̣điên thông qua ̣internet, kiểm sốt thơng qua viêc đo, lưu trữ thơng số điện liên tục thời điểm ngày CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 Tầm quang trọng quản lý giám sát lượng Quản lý giám sát lượng chìa khóa để tiết kiệm lượng tổ chức thương mại, cơng nghiệp phủ năm gần phải chịu áp lực to lớn kinh tế môi trường Giám sát quản lý lượng giúp giảm phu ̣t huộc vào nhiên liệu hóa thạch ngày trở nên cạn kiệt Khi tiêu thu ̣ n hiều lượng, doanh nghiêp hộ gia đình sẽ phải đối mặt với tình trạng thiếu nguồn cung cấp nghiêm trọng kèm theo nguy tăng giá lượng dẫn đến ảnh hưởng tới lợi nhuận tổ chức, việc quản lý lượng doanh nghiệp hơ ̣g ia đình giảm nguy cách kiểm sốt nhu cầu lượng, tiết kiệm điện dây chuyền sản xuất bước tăng hiệu việc đầu tư vào giá thành cho sản phẩm Lợi ích đem lại sử dụng ̣t hống giám sát quản lý lượng : - Giảm thời gian chi phí nhân công để ghi lại liệu từ đồng hồ đo, nhập vào file excell báo cáo tháng - Giảm sai sót q trình thu thập liệu tay - Kiểm soát liệu điện liên tục 24 trạm làm việc - Giảm thời gian xử lý cố liêu thu thập đầy đủ, có ghi lại dạng sóng nguồn điên cố xảy Đây đề tài tìm hiểu nghiên cứu nhiều để đưa giải pháp giúp ngành điện Việt Nam giải đươc khó khăn nêu 1.2 Giới thiệu số hệ thống giám từ xa thực tế: 1.2.1 Hệ thống giám sát quản lý lượng từ xa qua sóng vơ tuyến RF Hệ thống đọc số cơng tơ từ xa sóng vơ tuyến RF bao gồm khối chức sau:  Công tơ điện tử có tích hợp tính thu phát tín hiệu vô tuyến RF lắp hộ khách hàng sử dụng điện, có chức đo đếm, lưu trữ lượng vào nhớ không dây truyền thu thập tín hiệu di động nhận lệnh  Bộ thu thập tín hiệu di động (Handheld Unit) bao gồm: máy tính cầm tay (Handheld Unit) tích hợp module thu phát tín hiệu vơ tuyến RF bên trong, với chương trình thu thập số liệu Cơng ty tự phát triển Trên máy tính cầm tay sẽ giúp người ghi lệnh đọc số công tơ phạm vi phủ sóng dựa vào danh sách số liệu khách hàng sử dụng điện tao ̣ từ sở liệu kinh doanh điện Toàn liệu ghi sẽ ghép nối vào sở liệu kinh doanh điện cách tự động mà không cần phải tốn nhiều thao tác thủ cơng trước Giải pháp có ưu điểm:  Không phụ thuộc vào khoảng cách, khơng phụ thuộc vào vị trí điểm đầu, điểm cuối có thay đởi vị trí lắp đặt cơng tơ, hay vị trí trung tâm khơng bị thay đổi thiết bị  Thiết bị modem gọn nhẹ, thông dụng, dễ dàng lắp kèm với công tơ  Cước phí tính theo lưu lượng (KB) thấp, phù hợp với hệ thống không yêu cầu truyền theo thời gian thực Nhược điểm:  Do sử dụng đường truyền khơng dây, truyền qua mạng di động, nên tín hiệu bị ảnh hưởng thời tiết xấu, cần cân nhắc chọn dịch vụ nhà cung cấp mạng có mật độ phủ sóng rộng, chất lượng tín hiệu tốt 1.2.2 Hệ thống giám sát quản lý lượng từ xa qua truyền tải tín hiệu thơng qua đường dây điện Hệ thống đo đếm công tơ từ xa truyền qua đường dây điện CollectricTM hệ thống đo lượng điện tiêu thụ theo thời gian thực Với hệ thống này, không cần cử nhân viên ghi số công tơ hộ gia đình Hệ thống Collectric gồm thiết bị sau:  RTU: thiết bị đầu cuối chiều lắp đặt bên bên ngồi cơng tơ vị trí thuận tiện RTU sẽ đếm vịng quay đĩa, biến thành tín hiệu điện, điều chế tín hiệu, truyền số liệu thu thông tin khác thiết bị tâp trung  TRPU: thiết bị đầu cuối hai chiều, vừa có tính RTU vừa có chức thông tin hai chiều bao gồm lệnh quản lý bảng thời gian sử dụng để tính mức giá khác thiết bị tập trung, TRPU truyền thơng tin xếp theo bảng chữ hay chữ số nhận từ thiết bị tâp trung ̣ tới khách hàng, cịn lặp tín hiệu lặp, có lắp đặt thêm điều khiển tải tự động đóng cắt tải theo lệnh từ trung tâm  CONCENTRATOR: thiết bị tâp trung ̣ lắp đặt lưới điện hạ ứng với trạm Thiết bị thu thập xử lý liệu cho 1250 công tơ Dữ liệu từ thiết bị đầu cuối tập trung trung tâm truyền máy tính trung tâm qua cách khác Thiết bị tập trung truyền lệnh quản lý thị khác tới thiết bị đầu cuối hai chiều  MICROTERMINAL: thiết bị thu thập liệu cầm tay cầu nối thiết bị tập trung với máy tính trung tâm, nhận liệu từ trung tâm truyền máy tính trung tâm Nó cịn dùng để lập trình cho thiết bị tâp trung, RTU, TRPU, đọc số liệu từ thiết bị để đưa vào máy tính  MAIN COMPUTER: chứa phần mềm cần thiết cho trình vận hành hệ thống Colletric Nó thu nhận liệu từ trung tâm để sử dụng cho mục đích ngành điện Kĩ thuật truyền thông: sử dụng công nghệ PLC truyền thông tin thông qua lưới điện hạ (từ trạm biến áp đến hộ gia đình) Tại trạm biến áp (vốn có nhiệm vụ chuyển dịng điện cao thành hạ đưa đến hộ tiêu dùng), modem tốc độ cao HE (HeadEnd) sẽ nối đường hạ hệ thống cáp quang truyền thông backbone Nhiệm vụ modem HE điều chế tín hiệu truyền thơng cáp quang thành tín hiệu thơng tin có tần số 1,6 - 80 Mhz ( Tùy vào hãng mà sử dụng dãy tần số khác nhau) để truyền vào lưới điện hạ ngược lại Các tín hiệu thơng tin sau điều chế sẽ truyền song song với tín hiệu điện lưới điện hạ đến nhà Tại đây, modem PLC (CPE lắp đặt gia đình) sẽ nhận tín hiệu thơng tin, giải điều chế, tái tạo lại tín hiệu thơng tin ban đầu để sử dụng Internet dùng điện thoại, fax Moderm PLC đảo ngược q trình để gửi tín hiệu thông tin điều chế đến modem HE Ưu điểm:  Mạng lưới điện có mặt hầu khắp nơi  Mạng điện hạ dùng để thiết lập sở hạ tầng mạng sẵn có cho hàng triệu khách hàng, doanh nghiệp riêng biệt tồn giới, có đường dẫn tới tận ổ cắm điện phục vụ cho thiết bị gia đình thiết bị điện cơng nghiệp  PLC cung cấp khả truy cập tốc độ cao, tốc độ truyền thông đạt tới hành trăm Mb/s - Mạng lưới đường dây điện xây dựng nên có lợi chi phí đầu tư bản, sở hạ tầng đường dây điện có sẵn, nên cho phép cạnh tranh với giá rẻ kỹ thuật truy cập viễn thông nội vùng khác (thường yêu cầu vốn đầu tư lớn) Nhược điểm:  Đường dây truyền tải điện thiết kế để dành cho truyền liệu, có nhiều vấn đề cần khắc phục Công suất nhiễu đường dây điện lực tập hợp tất nguồn nhiễu khác thâm nhập vào đường dây vào máy thu Các tải kết nối vào mạng ti vi, máy tính, máy hút bụi phát nhiễu lan truyền qua đường dây điện; hệ thống truyền thông khác đưa thêm nhiễu vào máy thu  Đường dây điện đời phục vụ cho việc truyền lượng điện khơng nhằm mục đích truyền thơng tin Khi đưa thơng tin truyền đó, ta sẽ gặp phải nhiều yếu tố gây nhiễu cho tín hiệu Tuy nhiên, sống thời đại kỹ thuật số, phổ biến internet thiết bị di động thông minh tạo nên khái niệm IoT (Internet of Things – Internet vạn vật), vấn đề ứng dụng thành tựu vào việc giám sát điều khiển thứ cách dễ dàng đươc ̣ áp dụng vào thưc tế sống Đồ Thị Nhiệt Độ Và Độ Ẩm Biểu Đồ Cường Độ Công Suất Bước 2: Tạo thành phần chi tiết cho khung tạo Hình 3.9 Trạng thái liệu giám sát Temperature 0 *C Bước 3: Vẽ đồ thị nhiệt độ độ ẩm Hình 3.10 Đồ thị nhiệt độ độ ẩm Đồ Thị Nhiệt Độ Và Độ Ẩm var temp_arr = [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]; var humi_arr = [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]; function chart_update(chart) { chart.data.datasets[0].data = temp_arr; chart.data.datasets[1].data = humi_arr; chart.update(); } var ctx = document.getElementById('myChart').getContext('2d'); var myChart = new Chart(ctx, { type: 'line', data: { labels: ['0s', '1s', '2s', '3s', '4s', '5s', '6s', '7s', '8s', '9s', '10s', '11s', '12s'], datasets: [{ label: 'Nhiệt độ', data: [], borderColor: ["red"], borderWidth: }, { label: 'Độ ẩm', data: [], borderColor: ["blue"], borderWidth: } ] }, options: { scales: { y: { beginAtZero: true } } } }); Bước 4: Vẽ biểu đồ cường độ cơng suất Hình 3.11 Biểu đồ cường độ công suất 0 0 A 500 var Val_cdo = [0,0]; function chart_update1(chart) { chart.data.datasets[0].data = Val_cdo; chart.update(); } var ctx = document.getElementById("myChart1"); var myChart1 = new Chart(ctx, { type: 'doughnut', data: { labels: ["Cường Độ",], datasets: [{ data: [], backgroundColor: [ 'rgba(255, 99, 132, 1)', 'rgba(54, 162, 235, 0.2)', ], borderColor: [ 'rgba(255,99,132,1)', 'rgba(54, 162, 235, 0.1)', ], borderWidth: }] }, options: { circumference: 1.0 * Math.PI, rotation: 1.0 * Math.PI, layout: { padding: } } }); 0 0 W 500 var Val_csuat = [0,0]; function chart_update2(chart) { chart.data.datasets[0].data = Val_csuat; chart.update(); } var ctx = document.getElementById("myChart2"); var myChart2 = new Chart(ctx, { type: 'doughnut', data: { labels: ["Công Suất",], datasets: [{ data: [], backgroundColor: [ 'rgba(255,0, 0, 1)', 'rgba(54, 162, 235, 0.2)', ], borderColor: [ 'rgba(255,0,0,1)', 'rgba(54, 162, 235, 0.1)', ], borderWidth: }] }, options: { circumference: 1.0 * Math.PI, rotation: 1.0 * Math.PI, layout: { padding: } } });