Nghiên cứu công nghệ truyền thông qua Đường dây Điện lực Ứng dụng cho hệ thống Điều khiển và giám sát Đèn Đường từ xa

Công nghệ truyền thông tin trên đường dây điện lực PLC (Power Line Communication) mở ra hướng phát triển mới trong lĩnh vực thông tin. Với việc sử dụng các đường dây truyền tải điện để truyền dữ liệu, công nghệ PLC cho phép kết hợp các dịch vụ truyền tin và năng lượng. Trước đây, những thành tựu của khoa học kỹ thuật từ những năm 50 của thế kỷ 20 đã cho phép sử dụng đường dây điện lực để truyền các tín hiệu đo lường, giám sát, điều khiển. Cùng với tốc độ phát triển nhanh chóng của các công nghệ khác trong lĩnh vực viễn thông và công nghệ thông tin, hiện nay công nghệ PLC đã cho phép cung cấp dịch vụ truyền tải điện kết hợp với truyền dữ liệu trực tiếp tới người sử dụng. Với mong muốn áp dụng công nghệ PLC trong cuộc sống để giải quyết các bài toán thực tế tại Việt Nam, đề tài nghiên cứu này đi sâu vào việc xử lý các vấn đề trong việc truyền nhận dữ liệu tại lớp vật lý của mạng PLC, từ đó tận dụng được các ưu điểm sẵn có và tìm ra các nhược điểm cần khắc phục khi thực hiện truyền thông trên đường tải điện. Sản phẩm “Tán gẫu trên đường tải điện” – COP (Chat Over Power Line) là thành quả trong quá trình nghiên cứu của để tài. Sản phẩm bao gồm mạch kết nối với đường điện và gói phần mềm chạy trên máy tính cá nhân cho phép các máy tính có thể trao đổi các đoạn văn bản cho nhau một cách dễ dàng. Với phương pháp thiết kế tạo hướng mở, sản phẩm dễ dàng mở rộng thêm các chức năng như chuyển thành thiết bị khảo sát một số đặc tính đường truyền, thêm các lớp quản lý lớp trên, v…v

Đặc tính kênh

2.1 Nhiễu trên đường dây điện lực

Các mạng truyền thông đường dây điện, ban đầu được thiết kế để truyền tải điện, tạo ra một môi trường thù địch cho các hệ thống thông tin liên lạc.Tiếng ồn đường dây điện, phát sinh từ các thiết bị khác nhau được kết nối với lưới điện như trong Hình 2.1, là một yếu tố đáng kể góp phần vào môi trường thù địch này Phần này mô tả các công cụ cần thiết để phân tích nhiễu PLC trong nhiều tình huống và tóm tắt các đặc tính khác nhau của nhiễu PLC dựa trên các phép đo được thực hiện trong các hệ thống PLC băng rộng ngoài trời và trong nhà Xử lý của chúng tôi bao gồm các mô hình nhiễu thống kê và các ứng dụng khả thi của chúng trong thiết kế hệ thống thông tin liên lạc.

Hình 1.2 : Nhiều nguồn nhiễu khác nhau trong mạng truyền thông đường dây điện gây nhiễu tín hiệu liên lạc tại một máy thu nhất định.

PLC cho tự động hóa gia đình và công nghiệp

"Chi phí truyền thông" thấp cho công nghệ truyền thông đường dây điện (PLC) làm cho nó phù hợp với mục đích tự động hóa gia đình và công nghiệp. PLC sử dụng cơ sở hạ tầng đã có trong mọi nhà và cơ sở công nghiệp, giúp loại bỏ chi phí không cần thiết và những khó khăn của lắp đặt dây mới để đạt được độ thâm nhập tín hiệu cao Điều này cho phép kiểu cắm và chạy sử dụng các hệ thống hỗ trợ PLC.

3.2 Tự động hóa gia đình và công nghiệp sử dụng PLC

Tự động hóa gia đình và công nghiệp là một phần chính của cuộc sống hiện đại giúp kiểm soát và giám sát nhiều loại thiết bị gia dụng và công nghiệp như điều hòa không khí, làm lạnh hoặc chiếu sáng các hệ thống Ngoài chức năng và sự thoải mái mà các hệ thống này cung cấp, chúng cũng giúp nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng của các thiết bị và thiết bị điện khác Sự phát triển nhanh chóng công nghệ truyền thông đã thúc đẩy việc tích hợp các hệ thống tự động hóa vào các mạng điều khiển học cho phép quản lý các hệ thống này từ xa, nhưng mặt khác, các để có các biện pháp cải tiến nhằm đảm bảo an ninh và cả quyền riêng tư PLC cung cấp một loạt các tần số giao tiếp và các hệ thống được phân loại rộng rãi thành hai loại PLC băng hẹp được sử dụng chủ yếu để tự động hóa theo nghĩa chung, và PLC băng thông rộng cho phép các ứng dụng mạng gia đình (đa phương tiện).

Hình 1.3 : Minh họa về tự động hóa gia đình dựa trên PLC.

3.3 Các giao thức tự động hóa gia đình phổ biến

X10 là một giao thức PLC băng hẹp để giao tiếp giữa các thiết bị điện tử để tự động hóa gia đình Giao thức X10 truyền tín hiệu giữa các máy phát và máy thu qua hệ thống dây điện của ngôi nhà Các tín hiệu này là các chùm tần số vô tuyến ngắn (RF) đại diện cho thông tin được truyền đi và điều khiển các thiết bị điện, chẳng hạn như hệ thống chiếu sáng và thiết bị âm thanh / video X10 được phát triển vào năm 1975 bởi Pico Electronics của Glenrothes, Scotland, và còn được gọi là công nghệ mạng domotics Nó vẫn là công nghệ phổ biến nhất hiện có cho các hệ thống tự động hóa gia đình vì hàng triệu đơn vị được lắp đặt trên toàn thế giới và giá thành các đơn vị mới thấp.

Hình 1.4 : Tổng quan về các tiêu chuẩn tự động hóa gia đình và công nghiệp PLC

3.3.2 Tiêu chuẩn KNX / EIB PL 110

KNX / EIB là một tiêu chuẩn mở được sử dụng trong các hệ thống xe buýt tự động hóa gia đình và tòa nhà Tiêu chuẩn này dựa trên giao thức truyền thông mạng OSI của EIB nhưng được sửa đổi với các lớp vật lý, chế độ cấu hình và trải nghiệm ứng dụng của BatiBUS và Hệ thống gia đình Châu Âu (EHS) Nó được tối ưu hóa cho các ứng dụng điều khiển tốc độ thấp như hệ thống chiếu sáng KNX / EIB được chỉ định trên nhiều phương tiện vật lý khác nhau, bao gồm đường dây điện (KNX PL 110), cặp xoắn, radio, hồng ngoại và Ethernet, và được thiết kế để độc lập với bất kỳ nền tảng phần cứng cụ thể nào.

PLC cho lưới điện thông minh

Lưới điện thông minh vẫn còn là một khái niệm tương đối mới đối với nhiều công ty tiện ích trên toàn thế giới Mặc dù không có định nghĩa chung thống nhất về lưới điện thông minh, nhiều tiện ích hiện đang tham gia vào quá trình điều chỉnh lưới điện của họ để tích hợp những tiến bộ gần đây trong điện tử và công nghệ thông tin và truyền thông (ICT), để cải thiện chất lượng cung cấp năng lượng dựa trên việc giám sát và kiểm soát từ xa các tài sản lưới điện khác nhau Đo lường thông minh là ứng dụng nhận được sự hỗ trợ lớn nhất từ ngành công nghiệp và các tiện ích, giúp tìm kiếm cơ hội xây dựng nền tảng cho lưới điện thông minh phạm vi lớn hơn đồng thời thu được một số lợi ích tức thì về tiết kiệm và cơ hội thương mại từ khả năng truy cập theo thời gian thực đồng hồ thông minh của khách hàng Truyền thông đường dây điện (PLC) là một công nghệ truyền thông tự nhiên cho lưới điện thông minh, vì nó sử dụng cáp điện hiện có Trong hơn một trăm năm, thông tin liên lạc dựa trên sóng mang điều chế biên độ (AM) đã được các nhà khai thác mạng điện sử dụng để chuyển trạng thái và thông báo cảnh báo giữa các nhà máy điện và trạm biến áp Công nghệ này hoạt động trên tần số sóng dài (LW), ví dụ: trong dải từ 24 kHz đến 500 kHz Đó là một hệ thống đường dài bao phủ khoảng cách vài trăm km Nó đã được sử dụng rộng rãi trên các đường dây cao áp (HV) Băng thông khả dụng của một vài kHz là đủ cho những điều trên các ứng dụng Nó cũng đã được sử dụng như một nhà điều hành của điện thoại nội bộ Những triển khai này có thể được coi là hệ thống PLC đầu tiên. Khi thông tin liên lạc quang dựa trên sợi quang trở nên sẵn có, các nhà khai thác bắt đầu lắp đặt các liên kết sợi quang trong cáp ngầm và trên không bằng cách sử dụng các cột hiện có Điều này làm tăng băng thông đáng kể Nó hiện là tiêu chuẩn trên các đường truyền HV và do tốc độ dữ liệu cao, nó cho phép bán dung lượng thông tin liên lạc cho các nhà khai thác khác Trong mạng trung thế (MV), sợi quang hiếm khi được đưa vào hệ thống cáp điện Mặc dù hiện tại, các trạm biến áp MV được kết nối với mạng truyền thông chủ yếu thông qua đường dây thuê bao kỹ thuật số (DSL), cáp thí điểm riêng (cặp đồng), hoặc kỹ thuật vô tuyến di động, thông tin liên lạc đến trạm biến áp có thể được thực hiện bằng PLC.

4.2 Phân loại công nghệ PLC

 Băng thông siêu hẹp (Ultra-Narrowband – UNB): Hệ thống hoạt động từ gần 300 Hz đến 3 kHz (băng tần SLF và ULF) Hệ thống ‘kiểm soát Ripple’ là một ví dụ về việc sử dụng các tần số này; hầu hết chúng được thiết kế để liên lạc một chiều Các hệ thống này truyền tải tốc độ dữ liệu rất thấp (thường dưới 100 bps) trong hàng chục hoặc thậm chí hàng trăm km.

 Băng thông hẹp ( Narrowband – NB) : Hệ thống hoạt động ở tần số từ 3 kHz đến khoảng 500 kHz Chúng bao gồm các băng tần được quy định như băng tần CENELEC A đến D được định nghĩa trong EN 50065-1 (Châu Âu, 3–148,5 kHz), các quy định của FCC trong khoản 15.113 của Tiêu đề 47 của Bộ luật Quy định Liên bang (Hoa Kỳ, 9–490 kHz) ), băng tần được chỉ định trong ARIB STD-T84 (Nhật Bản, 10–450 kHz) và băng tần Trung Quốc (3–500 kHz) Các hệ thống này thường hiển thị phạm vi tín hiệu, tùy thuộc vào lưới điện, theo thứ tự từ hàng trăm mét đến vài km.

Hệ thống NB PLC có thể được chia thành:

- Tốc độ dữ liệu thấp (Low Data Rate - LDR): sử dụng điều chế sóng mang đơn cho thông lượng hàng trăm bps đến vài kbps

- Tốc độ dữ liệu cao ( High Data Rate - HDR): sử dụng nhiều điều chế sóng mang cho thông lượng lên đến hàng trăm kb / giây.

 Băng thông rộng (Broadband - BB): Hệ thống sử dụng băng tần ở bất kỳ đâu từ 1,8 MHz đến 250 MHz, bao phủ khoảng cách từ hàng trăm mét đến vài km và với tốc độ dữ liệu từ vài Mbps đến hàng trăm Mbps

Lưới điện là cơ sở hạ tầng cơ bản hỗ trợ các loại PLC khác nhau. Tiếp tục phần thảo luận sơ bộ ở trên, chúng tôi cung cấp một số phân tích về cách tổ chức lưới điện phân phối, để hiểu rõ hơn về các ứng dụng PLC có thể có trong từng phân đoạn của lưới điện Điều này đặc biệt quan trọng khi các hệ thống PLC khác nhau được triển khai trên cùng một lưới điện và các công nghệ khác được sử dụng bổ sung để tạo ra một mạng viễn thông hoàn chỉnh Hơn nữa, các đặc điểm quốc gia và khu vực khác nhau của lưới có ảnh hưởng đến mức độ PLC có thể được xem xét cho lưới thông minh khi so sánh với các giải pháp thay thế viễn thông khác.

Lưới điện là cơ sở hạ tầng cơ bản hỗ trợ các loại PLC khác nhau Tiếp tục phần thảo luận sơ bộ ở trên, chúng tôi cung cấp một số phân tích về cách tổ chức lưới điện phân phối, để hiểu rõ hơn về các ứng dụng PLC có thể có trong từng phân đoạn của lưới điện Điều này đặc biệt quan trọng khi các hệ thống PLC khác nhau được triển khai trên cùng một lưới điện và các công nghệ khác được sử dụng bổ sung để tạo ra một mạng viễn thông hoàn chỉnh Hơn nữa, các đặc điểm quốc gia và khu vực khác nhau của lưới có ảnh hưởng đến mức độ PLC có thể được xem xét cho lưới thông minh khi so sánh với các giải pháp thay thế viễn thông khác.

Hình 1.5 : Lưới phân phối điện MV và LV

Phân đoạn MV là một phần của lưới điện giữa các đường dây HV và các máy biến áp MV / LV (có thể được tìm thấy được che chắn bên trong các trạm biến áp thứ cấp hoặc trên các cột) Các dòng MV có thể là trên cao hoặc ngầm; cả hai đều hoạt động khác nhau đối với hiệu suất của kênh PLC vì trở kháng là khác nhau và sự lan truyền thường được tìm thấy là tốt hơn trong các cấu trúc liên kết trên không Nếu hệ thống lắp đặt trên cao và lắp đặt dưới mặt đất được trộn lẫn với nhau (ví dụ như để băng qua đường cao tốc) thì có thể quan sát thấy sự suy giảm mạnh Điều này là do trở kháng sóng không phù hợp giữa cáp trên không và cáp ngầm Việc tiêm tín hiệu cũng cần được điều chỉnh cho phù hợp với từng trường hợp vì việc lắp đặt bộ ghép nối phụ thuộc vào loại cáp và cơ sở hạ tầng Cuối cùng, kiến trúc lưới điện khác nhau vì đường dây điện trên không tuân theo cấu trúc liên kết xe buýt với cơ khí chuyển mạch trong các phần của lưới, trong khi các mạng ngầm thường cấu hình cấu trúc liên kết điểm-điểm trong đó các nút là máy biến áp MV đến LV Đây là một khía cạnh thú vị hỗ trợ việc triển khai PLC trong phân phối MV ngầm, vì các kết nối điểm-điểm dễ thiết lập, vận hành và duy trì hơn.

Bất kỳ tiện ích nào, muốn kết nối khách hàng với lưới điện thông minh cần một mạng truyền thông đáng tin cậy, có băng thông và độ trễ được chỉ định, đồng thời an toàn trước các cuộc tấn công và nghe trộm.

 Tốc độ dữ liệu (Data Rate) : Dữ liệu đo sáng bao gồm một vài byte ở cấp ứng dụng và được chuyển, (ví dụ: cứ sau 15 phút không yêu cầu liên kết tốc độ dữ liệu cao) Điều tương tự cũng xảy ra đối với các lệnh điều khiển để chuyển đổi hệ thống quang điện (PV) từ xa Gần đây, các yêu cầu về cơ chế mã hóa để bảo vệ dữ liệu nhạy cảm đã làm tăng tốc độ dữ liệu Khi PLC được sử dụng làm xương sống cho một số các khu vực của lưới điện thông minh, khối lượng lớn lưu lượng Ethernet thường được vận chuyển và các yêu cầu về liên kết điểm-điểm giữa các trạm biến áp nằm trong khoảng từ hàng trăm kb / giây lên đến khoảng 40 Mbps.

 Độ trễ (Latency) : Sự ổn định của lưới điện đòi hỏi nhu cầu và sản lượng điện phải được cân bằng liên tục Do năng lượng được tạo ra bởi các nguồn tái tạo là không liên tục và thường không có bộ đệm như pin hoặc động lượng quay của máy phát điện, nên phải thực hiện các vòng điều khiển nhanh Hiện tại, thời gian phản ứng trong phạm vi của một sóng đầy đủ ở tần số 50 Hz (hoặc 60 Hz) đang được thảo luận Do đó, có thể phải nhận ra độ trễ end-to-end (một chiều) là 10 ms Trong hệ thống phân cấp vòng điều khiển, yêu cầu này có thể được nới lỏng trong phạm vi vài giây. Một lần nữa, đối với trường hợp PLC băng thông rộng được sử dụng để vận chuyển các dịch vụ lưới điện thông minh giữa các trạm biến áp, các yêu cầu về độ trễ thấp đối với VoIP và luồng video tốc độ thấp phải được đáp ứng (tối đa khoảng hàng trăm ms) và điều đặc biệt quan trọng là phải kiểm soát jitter (tức là phương sai của độ trễ).

 Quyền riêng tư và bảo mật (Privacy and security) : Mức tiêu thụ năng lượng trong một hộ gia đình, đặc biệt là đường cong tiêu thụ năng lượng điện hàng ngày thuộc về dữ liệu cá nhân chỉ có thể được sử dụng bởi công ty đo lường và ở đây chỉ ở dạng tổng hợp Các lệnh điều khiển để quản lý theo yêu cầu (DSM) hoặc để phát điện phân tán phải đến đích mà không bị can thiệp bởi những kẻ xâm nhập cuối cùng Do đó cần có các kỹ thuật mã hóa để đảm bảo tính bảo mật.

 Tính khả dụng và độ tin cậy( Availability and reliability) : Bất cứ khi nào(một phần của) lưới điện bị sự cố, phải có các cơ chế khởi động lại các máy phát điện và cả các hộ tiêu thụ điện theo một trình tự có trật tự.

Chuỗi này có thể được chạy riêng biệt trong các đảo điện trước khi các đảo này được kết nối lại Do đó mạng lưới giao tiếp lưới điện thông minh phải có nguồn điện riêng để hỗ trợ các tình huống bắt đầu đen rong nhiều thập kỷ, các hệ thống PLC hoạt động bằng pin đã nổi tiếng là có thể tiếp tục liên lạc bình thường ngay cả trong trường hợp có sự cố lưới điện trên các đường dây tải điện của chính nó Tuy nhiên nó là khó dự đoán khi nào lỗi đường truyền sẽ cản trở việc truyền và nhận PLC hay không.

Các tiện ích có một số ứng dụng yêu cầu phải có mạng truyền thông:

 Đo lường thông minh(Smart metering) : Tùy thuộc vào các quy định cụ thể của quốc gia, đồng hồ đo thông minh đã được triển khai rộng rãi Máy đo thường được kết nối với mạng LV Ở Châu Âu, hầu hết PLC được sử dụng làm công nghệ truyền thông vì PLC có thể đến tầng hầm của một tòa nhà dễ dàng hơn so với công nghệ vô tuyến trong khi ở Châu Mỹ và Châu Á, vô tuyến di động hoặc một số hệ thống vô tuyến đặc biệt được ưa chuộng hơn.

 Kiểm soát các nguồn điện phân tán(Control of distributed power sources): Các nguồn năng lượng tái tạo (tuabin gió, PV) được cấp vào mọi cấp điện áp của mạng lưới điện Các tuabin gió lớn có thể được kết nối với lớp HV và các tuabin nhỏ hơn với lớp MV Các hệ thống PV lớn được kết nối với các đường dây MV trong khi nhiều hệ thống PV trên mái nhà riêng cấp vào mạng LV Thông tin liên lạc ở lớp HV ngày nay được cung cấp bởi các sợi được triển khai trong dây đất Thông tin liên lạc đến các trạm biến áp tại MV có thể được thực hiện bằng cáp quang, DSL hoặc vô tuyến di động do các nhà khai thác viễn thông công cộng cung cấp Một lần nữa PLC là một công nghệ phù hợp để tiếp cận các ngôi nhà trên lưới điện LV.

Kết luận chung

Công nghệ truyền thông qua đường dây điện lực khá mới mẻ tại ViệtNam, công nghệ này có khả năng truyền tải thông tin đi xa giúp tiết kiện chi phi thông qua đường điện lực có sẵn Trong quá trình truyền tải dữ liệu thường bị nhiễu do các thiết bị khác.

SƠ ĐỒ HỆ THỐNG VÀ TÍNH CHỌN THIẾT BỊ

1 Sơ đồ khối hệ thống

Hình 2.1 : Sơ đồ khối hệ thống

 Master(PC) : Master gửi lệnh tới các slave đồng thời nhận các dữ liệu từ slave truyền về hiển thị lên giao diện phần mềm quản lí

 Slave (Tủ điện) : Nơi xử lí tín hiệu nhận từ máy chủ rồi gửi đến các đối tượng , cũng nhận các dữ liệu gửi về bộ điều khiển từ của các đối tượng.

 Object(Đối tượng) : Thực thi tác vụ được gửi từ slave thông qua lệnh của máy chủ, đồng thời gửi tín hiệu về để giám sát trạng thái hoạt động.

2.1 Lựa chọn bộ điều khiển cho Gateway, Slave, Object

Sử dụng KIT Arduino Nano làm bộ điều khiển cho Gateway, Slave,Object.

Hình 2.2 : Sơ đồ tổng quan về KIT Arduino Nano

 KIT Arduino Nano sử dụng vi điều khiển Atmega328P là bộ xử lí

 Điện áp hoạt động : 5VDC

 Tần số hoạt động : 16MHz

 Cổng Analog : 6 chân độ phân giải 10 bit

 Cổng Digital : 14 chân ( 6 chân PWM)\

ATmega328P là một bộ vi điều khiển tiên tiến và nhiều tính năng Nó là một trong những vi điều khiển nổi tiếng của Atmel vì nó được sử dụng trong bo mạch arduino UNO Nó là một bộ vi điều khiển thuộc vi điều khiển megaMVR của Atmel (Cuối năm 2016, Atmel được Microchip Technology Inc mua lại). Các vi điều khiển được sản xuất trong megaMVR của chúng được thiết kế để xử lý các bộ nhớ lớn của chương trình và mỗi vi điều khiển trong chúng bao gồm dung lượng ROM, RAM, chân I/O và các tính năng khác nhau và được sản xuất xuất với các chân đầu ra khác nhau, từ 8 chân đến hàng trăm chân.

Mạch bên trong của ATmega328P được thiết kế với tính năng tiêu thụ dòng điện thấp Con chip này chứa 32 kilobyte bộ nhớ flash trong, 1 kilobyte EEPROM và 2 kilobyte SRAM EEPROM và bộ nhớ flash là bộ nhớ lưu thông tin và thông tin đó vẫn thoát ra mỗi khi nguồn điện bị ngắt nhưng SRAM là bộ nhớ chỉ lưu thông tin cho đến khi có điện và khi ngắt nguồn điện tất cả thông tin được lưu trong SRAM sẽ bị xóa.

Hình 2.3 : Sơ đồ chân vi điều khiển Atmega328p

 Bộ vi điều khiển 8-bit AVR® hiệu suất cao, công suất thấp

 Kiến trúc RISC nâng cao

 131 lệnh mạnh mẽ - thực hiện hầu hết các chu kỳ đồng hồ đơn lẻ

 32x8 thanh ghi làm việc đa năng

 Hoạt động hoàn toàn tĩnh

 Thông lượng lên đến 16MIPS ở 16 MHz

 Hệ số nhân 2 chu kỳ trên chip

 Phân đoạn bộ nhớ không biến động có độ bền cao

 32K byte bộ nhớ chương trình flash tự lập trình trong hệ thống

 Chu kỳ ghi/xóa: 10.000 flash/100.000 EEPROM

 Phần mã khởi động tùy chọn với các bit khóa độc lập

 Lập trình trong hệ thống bằng chương trình khởi động trên chip

 Thao tác đọc-trong khi-ghi thực sự

 Khóa lập trình để bảo mật phần mềm

 Các tính năng ngoại vi

 Hai Bộ định thời/Bộ đếm 8 bit với Chế độ so sánh và Bộ chia trước riêng biệt

 Một Bộ định thời/Bộ đếm 16-bit với Bộ chia tỷ lệ trước, chế độ so sánh và chụp riêng biệtcách thức

 Bộ đếm thời gian thực với bộ tạo dao động riêng

 ADC 10 bit 8 kênh trong gói TQFP và QFN/MLF

 USART nối tiếp có thể lập trình

 Giao diện nối tiếp SPI chính/phụ

 Giao diện nối tiếp 2 dây hướng byte (Phillips I2C tương thích)

 Bộ hẹn giờ giám sát có thể lập trình với bộ tạo dao động trên chip riêng biệt

 Bộ so sánh tương tự trên chip

 Ngắt và đánh thức khi thay đổi pin

 Các tính năng vi điều khiển đặc biệt

 Đặt lại khi bật nguồn và phát hiện mất điện có thể lập trình

 Bộ tạo dao động hiệu chỉnh bên trong

 Nguồn ngắt bên ngoài và bên trong

 Sáu chế độ ngủ: Không hoạt động, giảm nhiễu ADC, tiết kiệm năng lượng, tắt nguồn, chờ và chờ mở rộng

 23 dòng I/O có thể lập trình

 TQFP 32 đầu và QFN/MLF 32 đầu

 Nhiệt độ hoạt động : –40°C đến +125°C

 0 đến 8MHz ở 2,7 đến 5,5V (phạm vi nhiệt độ ô tô: –40°C đến +125°C)

 Sự tiêu thụ ít điện năng

 Chế độ hoạt động: 1,5mA ở 3V - 4MHz

 Chế độ tắt nguồn: 1àA ở 3V

2.1.1 Sơ đồ khối điều khiển

Hình 2.4 : Sơ đồ khối điều khiển Atmega328p

Sơ đồ khối của vi điều khiển Atmega328p gồm các khối:

 Khối bộ nhớ chứa chương trình.

 Khối bộ nhớ chứa dữ liệu EPROM.

 Khối bộ nhớ file thanh ghi RAM.

 Khối giải mã lệnh và điều khiển.

 Khối thanh ghi đặc biệt.

 Khối giao tiếp nối tiếp.

 Khối chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số.

 Khối các PORT xuất nhập.

2.2 Lựa chọn Module truyền thông

2.2.1 Module thu phát RF NRF24L01

NRF24L01 là một trong những bộ giao tiếp RF hợp pháp cho các ứng dụng hiện đại NRF24L01 là loại rẻ nhất và có nhiều tính năng tuyệt vời Một mô-đun duy nhất giao tiếp ở tần số 2,4 GHz khiến nó trở nên hợp pháp Nó có thể truyền và nhận dữ liệu bằng một mô-đun duy nhất Truyền nhận không phải là khả năng duy nhất của nó, nó có thể giao tiếp với tổng cộng 6 mô-đun NRF24L01 tương tự khác cùng một lúc Thiết bị giao tiếp với ứng dụng Arduino và bao gồm tất cả các loại ứng dụng điều khiển từ xa Mô-đun không dây này sử dụng giao thức truyền thông SPI và cung cấp tốc độ dữ liệu 10 MB với dải địa chỉ 125 khiến nó trở thành mô-đun RF đáng tin cậy nhất Mô-đun RF sử dụng mô-đun GFSK để thu phát dữ liệu.

Hình 2.5 : Module thu phát RF NRF24L01

Cấu hình sơ đồ chân NRF24L01

Trong NRF24L01 không có bất kỳ chân đặc biệt nào, tất cả các chân mà nó cung cấp để giao tiếp đều có trong tất cả các bộ vi điều khiển và bo mạch Thiết bị sẽ giao tiếp với một vi điều khiển/Arduino bên ngoài thông qua các chân này để hoạt động Nó bao gồm 8 chân Tất cả các chân có sẵn là:

Hình 2.6 : Cấu hình sơ đồ chân NRF24L01

 VCC : Chân nguồn của mô-đun là VCC, tự kết nối với nguồn điện.

 GND : nRF24L01 hoạt động với một bộ vi điều khiển khác và nó sẽ cần một điểm chung để hoạt động với nó GND pin sẽ giải quyết các yêu cầu của mặt bằng chung.

 CE : Chân kích hoạt, kích hoạt việc truyền/nhận mô-đun Nó sẽ chỉ kích hoạt thiết bị khi có trạng thái CAO trên chính nó.

 CSN : Chân này dùng để kích hoạt việc nghe và xử lý dữ liệu từ vi điều khiển Để giữ cho giao tiếp dữ liệu giữa vi điều khiển và mô-đun, nó phải ở mức CAO.

 SCK : Chân xung clock của giao tiếp SPI trong nRF24L01 Dữ liệu sẽ di chuyển giữa module và vi điều khiển theo xung đồng hồ trên chân SCK.

 MOSI : Dữ liệu truyền từ vi điều khiển qua chân SPI sẽ được nRF24L01 nhận tại chân MOSI.

 MISO : Các hướng dẫn được truyền từ nRF24L01 bằng các chân SPI sẽ được bộ vi điều khiển nhận ở chân MISO.

 Chân ngắt IRQ : IRQ là một chân ngắt, nó tạo ra sự kiện bất cứ khi nào có dữ liệu mới cho các chân SPI Nó giúp gửi phản hồi đến máy phát.

Tính năng mô-đun RF NRF24L01

 Hoạt động ở tần số 2,4 GHz khiến nó trở nên hợp pháp ở hầu hết mọi quốc gia.

 Một mô-đun duy nhất có thể hoạt động như một máy phát và máy thu.

 Ăng-ten tích hợp có thể gửi dữ liệu lên đến 100 mét.

 Một mô-đun nRF24L01 có thể giao tiếp với tối đa 6 mô-đun khác cùng một lúc.

 Nó cần 3,3 vôn để hoạt động nhưng điện áp chỉ có thể kéo dài đến 3,6V nếu không nó sẽ không mất nhiều thời gian để làm nóng và đốt cháy.

 Thiết bị được tích hợp sẵn bộ dao động 16MHz.

 Tốc độ truyền của nRF24L01 là 256kbps đến 2Mbps.

 Thiết bị có dải 125 kênh mang đến tính năng vận hành 125 mạng khác nhau tại một địa điểm.

 Các tần số kênh thay đổi từ 2400 MHz đến 2525 MHz. Ứng dụng NRF24L01

 Trong việc tạo ra một mạng lưới nhỏ, nRF24L01 là sự lựa chọn tốt nhất để sử dụng.

 Các ứng dụng điều khiển từ xa để phát triển và thương mại hoạt động tuyệt vời với nRF24L01.

 Hầu hết các ứng dụng IoT ở cấp độ gia đình đều có mô-đun không dây này nhưng chỉ ở cấp độ nhỏ.

Cách sử dụng Mô-đun giao tiếp NRF24L01 nRF24L01 có thể sử dụng được với tất cả các bộ vi điều khiển và bo mạch thông minh nhưng để sử dụng nó, cần hiểu một số thông tin về chân và dữ liệu Để sử dụng mô-đun, hãy kết nối nó với một bộ vi điều khiển khác bằng giao thức SPI. Đầu tiên, cung cấp đầu vào nguồn cho các thiết bị và sau đó gắn các chân SPI của chúng theo mạch đã cho.

Hình 2.7 : Sơ đồ kết nối với vi điều khiển

Sau khi gắn, hãy nhớ rằng nRF24L01 có thể hoạt động theo hai cách Cái đầu tiên là máy phát và cái thứ hai và máy thu Để giao tiếp như một máy phát và máy thu, bộ vi điều khiển phải biết trước.

2.2.2 Module Power Line Communication KQ-330

Hình 2.6 : Module truyền thông Power Line Communication KQ-330

Thứ tự chân từ dưới lên trên

 3P: Nguồn 5V (260mA) khi sử dụng truyền

 5P: Nguồn 5V/3.3V (11mA) khi sử dụng nhận

 6P: RX kết nối với TX của vi điều khiển

 7P: TX kết nối với RX của vi điều khiển

 8P: Mode - lựa chọn chế độ, thả nổi hoặc kết nối với 5V ở mức cao, mức thấp

 9P: RC/RST - Chế độ pin đặt lại (thấp hoạt động) chỉ được sử dụng khi chuyển đổi thường xuyên tại nơi làm việc Không cần tính năng này, không nên kết nối pin

 Tần số hoạt động: 120 ~ 135KHz

Hình 2.7 : Sơ đồ nguyên lý module Power Line Communication

PLC Modem ( Modem đường dây điện )

Thiết kế Modem đường dây điện

Hình 2.8 : Sơ đồ khối modem

 Modem là thiết bị điều chỉnh tín hiệu UART bằng tần số vô tuyến. Phương pháp điều chế tín hiệu là CW, tần số là 1,84 MHz (160 m) Tốc độ UART là 2400-19200 bps.

Sơ đồ khối hệ thống

Hình 2.1 : Sơ đồ khối hệ thống

 Master(PC) : Master gửi lệnh tới các slave đồng thời nhận các dữ liệu từ slave truyền về hiển thị lên giao diện phần mềm quản lí

 Slave (Tủ điện) : Nơi xử lí tín hiệu nhận từ máy chủ rồi gửi đến các đối tượng , cũng nhận các dữ liệu gửi về bộ điều khiển từ của các đối tượng.

 Object(Đối tượng) : Thực thi tác vụ được gửi từ slave thông qua lệnh của máy chủ, đồng thời gửi tín hiệu về để giám sát trạng thái hoạt động.

Lựa chọn thiết bị