nghiên cứu phát triển và tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ cho đồng hồ đo nước thông minh sử dụng năng lượng mặt trời

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐẠI HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN VÀ TỐI ƯU HÓA NĂNG LƯỢNG TIÊU THỤ CHO ĐỒNG HỒ ĐO NƯỚC THÔNG MINH SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG

MẶT TRỜI

Giảng viên hướng dẫn: ThS PHẠM VĂN PHÁT Nhóm sinh viên: HỨA NGUYÊN PHÚC MAI CÔNG THÀNH Mã sinh viên: 1911505120229

1911505120250 Lớp: 19D2

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐẠI HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN VÀ TỐI ƯU HÓA NĂNG LƯỢNG TIÊU THỤ CHO ĐỒNG HỒ ĐO NƯỚC THÔNG MINH SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG

MẶT TRỜI

Giảng viên hướng dẫn:ThS PHẠM VĂN PHÁT Nhóm sinh viên: HỨA NGUYÊN PHÚC MAI CÔNG THÀNH Mã sinh viên: 1911505120229

1911505120250 Lớp: 19D2

Đà Nẵng, tháng 11 năm 2023

(Dành cho người hướng dẫn)

Tên đề tài: NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN VÀ TỐI ƯU HÓA NĂNG LƯỢNG TIÊU THỤ CHO ĐỒNG HỒ ĐO NƯỚC THÔNG MINH SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI”

Họ và tên sinh viên 1: HỨA NGUYÊN PHÚC Mã sinh viên: 1911505120229

Họ và tên sinh viên 2: MAI CÔNG THÀNH Mã sinh viên: 1911505120250

Lớp sinh hoạt: 19D2 Trong bối cảnh sự phát triển không ngừng của các đô thị và nhu cầu quản lý tài nguyên nước ngày một tăng cao, việc sử dụng đồng hồ đo nước ngày càng trở nên càng quan trọng Trước đây, đồng hồ nước đòi hỏi phải có người đến đọc chỉ số thủ công, điều này không chỉ dễ gây ra sai sót mà còn đặt ra thách thức lớn về quản lý công việc Đặc biệt, khi thời gian sử dụng kéo dài, đồng hồ nước cơ có thể trở nên khó đọc và độ chính xác suy giảm

Hơn nữa, sự khó tích hợp với các hệ thống quản lý thông tin và công nghệ thông tin hiện đại khiến cho việc theo dõi và quản lý tiêu thụ nước trở nên rắc rối Điều này đặt ra thách thức cho việc tích hợp đồng hồ nước vào các hệ thống thông tin hiện đại đang được triển khai

Đối mặt với những thách thức trên, nhóm nghiên cứu đã đặt ra mục tiêu thực hiện một đồng hồ nước thông minh sử dụng nguồn năng lượng mặt trời Điều này giúp giảm sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng từ điện lưới, đồng thời giảm bớt áp lực về chi phí và tạo ra một giải pháp thân thiện với môi trường

Đồng thời, thiết bị cũng được thiết kế với khả năng kết nối với mạng thông tin, cho phép dữ liệu đo lường được truyền tải về trung tâm quản lý Điều này giúp quản lý và đánh giá tình trạng tiêu thụ nước một cách hiệu quả và nhanh chóng Đề tài cũng đưa ra một phương thức truy cập dễ dàng, cho phép người tiêu dùng theo dõi lượng nước đã tiêu thụ và kiểm sát tiêu thụ của họ một cách linh hoạt và thuận tiện Đồng thời, việc này còn giúp tạo ra sự nhận thức và thúc đẩy ý thức về tiết kiệm nước trong cộng đồng Vì vậy nhóm đã thực hiện đề tài: “NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN VÀ TỐI ƯU HÓA NĂNG LƯỢNG TIÊU THỤ CHO ĐỒNG HỒ ĐO NƯỚC THÔNG MINH SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI”

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn: ThS Phạm Văn Phát Sinh viên thực hiện: Hứa Nguyên Phúc Mã SV: 1911505120229 Mai Công Thành Mã SV: 1911505120250

1 Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN VÀ TỐI ƯU HÓA NĂNG LƯỢNG TIÊU THỤ CHO ĐỒNG HỒ ĐO NƯỚC THÔNG MINH SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

-Tài liệu tổng quan về đề tài: Lập trình Arduino IDE, kỹ thuật truyền thông giao tiếp

-Tài liệu về thông số kỹ thuật Arduino Nano, ESP32, module RF, cảm biến đo lưu lượng nước, bộ nhớ ngoại vi EEPROM

-Tài liệu xây dựng một nền tảng web

3 Nội dung chính của đồ án:

- Cải tiến và tối ưu mạch sạc và đo lường lượng sử dụng nguồn của hệ thống bộ thu thập dữ liệu Bên cạnh đó phát triển một hệ thống thu thập dữ liệu trực tuyến để tự động thu thập và truyền dữ liệu từ đồng hồ đo nước tới một nền tảng trực tuyến, giúp dễ dàng quản lý và theo dõi tiêu dùng nước

- Hoàn thành báo cáo đồ án đảm bảo đúng quy định và tiến độ

4 Các sản phẩm dự kiến:

- Báo cáo tổng kết đồ án tốt nghiệp - Mô hình thực tế: Đồng hồ đo nước thông minh sử dụng năng lượng mặt trời với hệ thống thu thập dữ liệu trực tuyến và tiết kiệm năng lượng

5 Ngày giao đồ án: 25/8/2023 6 Ngày nộp đồ án: 25/12/2023

Đà Nẵng, 7 ngày 9 tháng năm 2023

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Ngày giao đồ án: 25/8/2023 Ngày nộp đồ án: 25/12/2023

2 Mục tiêu:

Đề tài: “Phát triển và tối ưu hóa đồng hồ đo nước thông minh sử dụng năng lượng mặt trời với hệ thống thu thập dữ liệu trực tuyến và tiết kiệm năng lượng” là đề tài mang tính nền tảng, cơ bản để từ đó có thể ứng dụng được trong cuộc sống thường ngày cũng như phát triển để có thể ứng dụng trong thực tế và có thể mang lại nhiều lợi ích quan trọng Mục tiêu cần đạt được sau khi hoàn thành đồ án là:

- Tối ưu hóa mô hình: Nghiên cứu và phát triển một mô hình đồng hồ đo nước thông minh hiệu quả về năng lượng, đảm bảo rằng nó hoạt động hiệu quả trong điều kiện năng lượng mặt trời hạn chế

- Tiết kiệm năng lượng: Đảm bảo rằng đồng hồ đo nước tiêu thụ ít năng lượng mặt trời hơn trong quá trình hoạt động và lưu trữ

- Tích hợp hệ thống thu thập dữ liệu trực tuyến: Phát triển một hệ thống thu thập dữ liệu trực tuyến để tự động thu thập và truyền dữ liệu từ đồng hồ đo nước tới một nền tảng trực tuyến, giúp dễ dàng quản lý và theo dõi tiêu dùng nước

- Kích thước nhỏ gọn: Thiết kế đồng hồ đo nước có kích thước nhỏ gọn và thân thiện với người dùng để dễ dàng lắp đặt và sử dụng trong các môi trường khác nhau

- Bảo mật Dữ Liệu: Đảm bảo tính bảo mật của dữ liệu nước và thông tin người dùng trong quá trình thu thập và truyền tải

- Trau dồi kỹ năng làm việc, hoạt động nhóm cũng như kỹ năng tìm kiếm tài liệu

- Tìm hiểu về lập trình Arduino Nano, ESP32 - Truyền thông giao tiếp vô tuyến và xây dựng một website - Tìm hiểu về kỹ thuật, tối ưu mạch sạc và đo lường sử dụng nguồn - Tối ưu hóa mô hình

- Chạy thử nghiệm và cân chỉnh - Viết báo cáo đồ án tốt nghiệp

Nhóm mong muốn đạt được những thành tựu nhất định thông qua việc nghiên cứu, tìm hiểu các đối tượng liên quan đến đề tài, có thể đưa ra được một mô hình thực tế hoàn chỉnh, tinh gọn nhẹ đáp ứng được yêu cầu đặt ra từ lúc đầu Cụ thể như sau:

- Hiểu và vận dụng được những vấn đề cơ bản của kỹ thuật - Nghiên cứu và sử dụng các Kit và module, cảm biến ứng dụng vào trong đồ án tốt nghiệp

- Tính toán, thi công hoàn chỉnh hệ thống giám sát thời gian thực cho việc sử dụng nước

- Hoàn thành báo cáo đồ án tốt nghiệp đúng tiến độ và yêu cầu đặt ra

4 Tuần 4 Tìm hiểu nguyên lý hoạt động

5 Tuần 5 Thiết kế sơ đồ khối, sơ đồ

nguyên lý

Nghiên cứu thiết kế, lập trình mô

hình 6 Tuần 6 Nghiên cứu kiểm tra các chức

năng điều khiển trên bo mạch

Nghiên cứu thiết kế, lập trình mô

hình 7 Tuần 7 Nghiên cứu kiểm tra các chức

năng điều khiển trên bo mạch

Nghiên cứu thiết kế, lập trình mô

hình

năng điều khiển trên bo mạch hình 9 Tuần 9 Nghiên cứu kiểm tra các chức

năng điều khiển trên bo mạch

Nghiên cứu thiết kế, lập trình mô

hình 10 Tuần 10 Nghiên cứu kiểm tra các chức

năng điều khiển trên bo mạch

Nghiên cứu thiết kế, lập trình mô

hình 11 Tuần 11 Thi công phần cứng, lắp ráp mô

12 Tuần 12 Thi công phần cứng, lắp ráp mô

13 Tuần 13

Chạy thử nghiệm và cân chỉnh toàn hệ thống Đánh giá kết quả đạt được, viết báo cáo

Thử nghiệm và đánh giá mô hình

14 Tuần 14

Chạy thử nghiệm và cân chỉnh toàn hệ thống Đánh giá kết quả đạt được, viết báo cáo

Thử nghiệm và đánh giá mô hình

15 Tuần 15 Hoàn thiện báo cáo, sản phẩm Nộp báo cáo, video sản phẩm

Đà Nẵng, ngày 7 tháng 9 năm 2023

BỘ MÔN DUYỆT NGƯỜI HƯỚNG DẪN SINH VIÊN

i Sau quãng thời gian 4,5 năm theo học tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật-Đại Học Đà Nẵng cuối cùng chúng em cũng đã hoàn thành báo cáo tốt nghiệp chuyên ngành Kỹ Thuật Điện Tử Với sự cố gắng, nỗ lực của cả thành viên trong nhóm và sự hướng dẫn tận tình, chi tiết từ giảng viên hướng dẫn và sự giúp đỡ của các cá nhân khác

Lời đầu tiên, chúng em xin gửi lời chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Điện Tử đã mang đến các kiến thức nền tảng, nội dung chuyên môn để chúng em từ đó có thể thực hiện được đề tài tốt nghiệp của mình

Điện-Và đặc biệt, chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy ThS Phạm Văn Phát, người đã định hướng đề tài cho nhóm chúng em, thầy đã tận tình chỉ bảo và giúp đỡ chúng em trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp Trong quá trình làm đồ án thầy thường xuyên đưa ra những lời khuyên, hướng dẫn nhóm giải quyết các khó khăn gặp phải từ đó giúp chúng em có thể hoàn thành đề tài của mình

Trong quá trình hoàn thiện đề tài vẫn không thể tránh khỏi các thiếu sót mong thầy cô và các bạn góp ý để chúng em phát triển thêm Cuối cùng chúng em xin chúc các thầy cô sức khỏe và thành công trong công việc giảng dạy cũng như trong cuối sống

Một lần nữa chúng em xin chân thành cảm ơn!

Người thực hiện đề tài

Hứa Nguyên Phúc – Mai Công Thành

ii

Tên đề tài: NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN VÀ TỐI ƯU HÓA NĂNG LƯỢNG

TIÊU THỤ CHO ĐỒNG HỒ ĐO NƯỚC THÔNG MINH SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Giáo viên hướng dẫn: ThS PHẠM VĂN PHÁT Họ và tên sinh viên 1: HỨA NGUYÊN PHÚC Mã sinh viên: 1911505120229

Họ và tên sinh viên 2: MAI CÔNG THÀNH Mã sinh viên: 1911505120250

Lớp sinh hoạt: 19D2 Chúng em xin cam đoan các kết quả được trình bày trong đồ án này là thành quả nghiên cứu của em trong suốt thời gian qua và chưa từng xuất hiện trong công bố hay sao chép của tác giả khác dưới sự định hướng và hướng dẫn của thầy ThS Phạm Văn Phát Các thông tin trích dẫn trong đồ án được chỉ rõ, nguồn gốc rõ ràng và được phép công bố Các kết quả đạt được chính xác và trung thực Nếu có bất kỳ vi phạm nào, em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm và chịu mọi sự kỷ luật của khoa và nhà trường

Sinh viên thực hiện {Chữ ký, họ và tên sinh viên}

HỨA NGUYÊN PHÚC MAI CÔNG THÀNH

iii NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN TÓM TẮT

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN ĐỀ CƯƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

LỜI NÓI ĐẦU i

1.2 Tính cấp thiết của đề tài 2

1.2.1 Chuyển động cách mạng công nghiệp 4.0 2

1.2.2 Chuyển Đổi Số trong Đo Đếm 2

1.3 Mục tiêu của đề tài 5

1.4 Nội dung nghiên cứu 5

1.5 Giới hạn nghiên cứu 5

1.6 Tổng quan hệ thống đồng hồ đo nước hiện nay 6

1.6.1 Tổng quan đồng hồ đo nước 6

1.6.2 Cấu tạo của đồng hồ nước 6

1.6.3 Một số loại đồng hồ đo nước hiện nay 10

1.7 Hệ thống quản lý dữ liệu của công ty cấp nước tại Đà Nẵng hiện nay 11

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 13

2.2 Chuẩn giao tiếp truyền dữ liệu 28

2.2.1 Chuẩn giao tiếp I2C 28

2.2.2 Chuẩn giao tiếp SPI 30

2.2.3 Chuẩn giao tiếp WiFi 32

3.5 Xây dựng cơ sở dữ liệu 55

3.5.1 Xây dựng cơ sở dữ liệu 55

3.5.2 Web hosting 60

3.5.3 Quá trình chuyển đổi trạng thái của các tác vụ trên web 61

3.5.4 Giao diện trang web hệ thống 61

v

2 Hướng phát triển 69TÀI LIỆU THAM KHẢO 71PHỤ LỤC

vi

Bảng 2.1 Tóm tắt những chuẩn WiFi phổ biến hiện nay 33

Bảng 3.1 Danh sách linh kiện bộ truyền dữ liệu 46

Bảng 3.2 Danh sách linh kiện bộ thu dữ liệu 47

…….……

Hình 1.1 Leo trụ ghi chép thủ công trước đây 3

Hình 1.2 Hệ thống theo dõi đo xa điện năng thông minh 3

Hình 1.3 Giải pháp ghi chỉ số và quản lý đồng hồ nước thông minh EZWATER 4

Hình 1.4: Đồng hồ nước ngoài thực tế 6

Hình 1.5 Cấu tạo đồng hồ nước cơ 7

Hình 1.6 Cấu tạo đồng hồ nước điện từ 8

Hình 1.7 Cấu tạo đồng hồ nước siêu âm 9

Hình 1.8 Công nghệ truyền dữ liệu qua mạng lora-RF 9

Hình 1.9 Công nghệ truyền dữ liệu qua mạng Internet 10

Hình 1.10 Đồng hồ đo nước đa bánh xe cánh quạt 10

Hình 1.11 Đồng hồ nước lora thông minh AMR 11

Hình 1.12 Đồng hồ nước sinh hoạt GPRS thông minh AMR 11

Hình 1.13 Các tiện ích của hệ thống dành cho khách hàng trên Zalo 12

Hình 2.1 Nguyên lý hoạt động salar cell 13

Hình 2.2 Tấm pin năng lượng mặt trời 5V 14

Hình 2.3 Module và IC B6289U 15

Hình 2.4 Kích thước và chân kết nối Module ổn áp DC-DC B6289U 15

Hình 2.5 Module và sơ đồ nguyên lý mạch sạc TP 4056 16

Hình 2.6 Sơ đồ kết nối Module sạc tích hợp tăng áp TP4056 17

Hình 2.7 Các thành phần pin lithium-ion 17

Hình 2.8 Pin lithium-ion 3.7V 2200mA 18

Hình 2.9 Module và sơ đồ mạch nguyên lý ổn áp AMS1117 3.3V 19

Hình 2.10 Cảm biến lưu lượng S201 và thành phần 20

Hình 2.11 Tổng quan về cảm biến lưu lượng S201 dùng sensor Hall 20

vii

Hình 2.18 Sơ đồ chân ESP32 DEVKIT – DOIT V1 26

Hình 2.19 IC24C08 và sơ đồ chân kết nối 27

Hình 2.20 Nguyên tắc kết nối Master-Slave của chuẩn giao tiếp I2C 28

Hình 2.21 Các thiết bị giao tiếp với Bus I2C 29

Hình 2.22 Phương thức truyền dữ liệu tới Slave 29

Hình 2.23 Phương thức đọc dữ liệu từ Slave 29

Hình 2.24 Chuẩn giao tiếp SPI 30

Hình 2.25 Nguyên tắc kết nối Master-Slave của chuẩn giao tiếp SPI 31

Hình 2.26 Dạng sóng tiêu biểu của các tín hiệu dùng trong giao tiếp SPI 31

Hình 2.27 Sơ đồ mạng WiFi 32

Hình 2.28 PhpMyAdmin 34

Hình 2.29 Cấu trúc dữ liệu trong phpMyAdmin 34

Hình 2.30 MySQL 35

Hình 2.31 Quá trình client yêu cầu server cho phép tải một tập tin lên web 36

Hình 3.1 Sơ đồ kết nối của hệ thống 38

Hình 3.2 Sơ đồ khối thiết bị đo nước 39

Hình 3.3 Sơ đồ khối bộ thu dữ liệu 40

Hình 3.4 Sơ đồ kết nối các thiết bị ngoại vi với Arduino Nano của thiết bị đo nước 41

Hình 3.5 Sơ đồ kết nối khối nguồn của bộ truyền 42

Hình 3.6 Sơ đồ kết nối khối nguồn của bộ thu dữ liệu 43

Hình 3.7 Sơ đồ kết nối các thiết bị ngoại vi với ESP32 của bộ thu dữ liệu 44

Hình 3.8 Phần mềm vẽ mạch EasyEDA 44

Hình 3.9 Sơ đồ mạch pcb thiết bị đo nước 45

Hình 3.10 Sơ đồ mạch 3D thiết bị đo nước 45

Hình 3.11 Sơ đồ mạch pcb bộ thu 45

Hình 3.12 Sơ đồ mạch 3D bộ thu 46

Hình 3.13 Mạch thiết bị đo nước 47

Hình 3.14 Mạch sau khi được lắp vào hộp 48

Hình 3.15 Thiết bị thu nhận dữ liệu (gateway) 48

Hình 3.16 Mô hình hoàn thiện của hệ thống 48

Hình 3.17 Lưu đồ thuật thiết bị đo nước 49

Hình 3.18 Lưu đồ thuật toán bộ thu dữ liệu (gateway) 51

Hình 3.20 Phần mềm visual studio code 54

Hình 3.21 Tạo mới cơ sở dữ liệu 55

Hình 3.22 Các đối tượng dữ liệu 56

viii

Hình 3.24 Chọn kiểu dữ liệu cho tên khách hàng 56

Hình 3.25 Xác định khóa chính cho bảng dữ liệu 57

Hình 3.26 Xác định khóa phụ tham chiếu đến khóa chính bảng khác 57

Hình 3.27 Dữ liệu được thêm thủ công để kiểm tra hệ thống 57

Hình 3.28 URL dẫn đến một tệp PHP xử lý dữ liệu và định dạng dữ liệu 58

Hình 3.29 Chuỗi dữ liệu POST 58

Hình 3.30 Gửi yêu cầu HTTP POST 58

Hình 3.31 Dữ liệu khi được xử lý và thêm vào bảng dữ liệu 58

Hình 3.32 PhpMySQL 59

Hình 3.33 Kết nối đến cơ sở dữ liệu 59

Hình 3.34 Truy vấn dữ liệu từ cơ sở dữ liệu dựa trên tên idDH 60

Hình 3.35 Truy vấn và hiển thị từng hàng dưới dạng một hàng trong bảng HTML 60

Hình 3.36 Web hosting 000webhost 60

Hình 3.37 Giao diện đăng nhập của khách hàng 61

Hình 3.38 Giao diện dữ liệu của người dùng 62

Hình 3.39 Giao diện cho Admin 62

Hình 4.1 Mô hình trong trạng thái hoạt động 64

Hình 4.2 Giao diện đăng nhập của hệ thống 64

Hình 4.3 Dữ liệu chỉ số nước-pin của khách hàng 65

Hình 4.4 Tổng lượng nước sử dụng theo ngày trong tháng 65

Hình 4.5 Thông tin hồ sơ khách hàng 65

Hình 4.6 Giao diện quản lý chung của Admin 66

Hình 4.7 Thêm người dùng mới 66

Hình 4.8 Chỉnh sửa Thông tin người dùng 67

ix

CPU: Central Processing Unit RAM: Random Access Memory UART: Universal Asynchronous Receiver-Transmitter SPI: Serial Peripheral Interface

I2C: Inter-Integrated Circuit EasyEDA: Easy Electronics Design Automation CSS: Cascading Style Sheets

HTML: HyperText Markup Language PHP: Hypertext Preprocessor

EEPROM: Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory SQL: Structured Query Language

HTTP: Hypertext Transfer Protocol

MỞ ĐẦU

Sự bùng nổ của Internet of Things có tác động mạnh mẽ tới hoạt động sản xuất kinh doanh, đời sống và xã hội Tác động của IoT rất đa dạng, trên nhiều lĩnh vực: Quản lý hạ tầng, y tế, xây dựng và tự động hóa, giao thông…IoT cung cấp các giải pháp thông minh để tự động hóa trong hoạt động kinh doanh Iot cho phép các công ty tự động hóa các quy trình và giảm chi phí nhân công, cải thiện các dịch vụ của công ty, tạo sự minh bạch trong các giao dịch với khách hàng

Như chúng ta đã biết, hiện nay nhu cầu về nguồn nước nhất là nước sạch đang là rất lớn, các công ty, xí nghiệp, nhà máy nước dần hình thành và đi vào hoạt động Số hộ sử dụng nước sạch vì thế cũng ngày càng tăng Các đường ống nước sạch dần hình thành, kết nối đến từng hộ gia đình, các loại đồng hồ nước cũng rất đa dạng, nhưng nhìn chung chủ yếu vẫn là các đồng hồ nước dạng cơ Hàng tháng các công ty, xí nghiệp phải cử một lượng lớn nhân viên đến từng hộ để ghi lại chỉ số nước sử dụng, ngoài ra đồng hồ cơ cần bảo trì và vệ sinh thường xuyên gây tốn nguồn nhân lực để kiểm tra, đặc biệt sau thời gian dài sử dụng độ chính xác của đồng hồ có thể bị giảm do đường ống tắc nghẽn, cáu bẩn tích tụ…

Nắm bắt được điều này, vận dụng kiến thức đã học, chúng em đã tiến hành thực hiện đề tài có tên “NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN VÀ TỐI ƯU HÓA NĂNG LƯỢNG TIÊU THỤ CHO ĐỒNG HỒ ĐO NƯỚC THÔNG MINH SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI” để làm Đồ án tốt nghiệp, ngành Điện - Điện tử, chuyên ngành Điện Tử tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng

Nội dung đồ án gồm 4 chương:

Chương I Tổng quan đề tài Chương II Cơ sở lý thuyết Chương III Thiết kế và thi công hệ thống Chương IV Kết quả và nhận xét hệ thống

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Đặt vấn đề

Với sự phát triển của khoa học công nghệ như hiện nay, việc hàng tháng các công ty phải cử một lượng lớn nhân viên đến từng hộ gia đình để ghi lại chỉ số nước sử dụng là không còn phù hợp, nhất là trong bối cảnh tỷ lệ sử dụng nước sạch của nước ta đang ngày càng gia tăng, không chỉ ở thành thị mà các vùng nông thôn, vùng sâu vùng xa cũng đã tiếp cận được với nước sạch Nhân viên nếu đến từng hộ sẽ rất vất vả và khó khăn, đặc biệt là những hộ ở sâu trong các con hẻm, trong các thôn xóm…Không kể tính chính xác khi ghi bằng tay sẽ bị người dân hoài nghi nếu chẳng may nhân viên bất cẩn ghi sai chỉ số Điều đó đã thôi thúc nhóm em nghiên cứu và phát triển một thiết bị có thể giải quyết được các vấn đề trên

1.2 Tính cấp thiết của đề tài

1.2.1 Chuyển động cách mạng công nghiệp 4.0

Hiện nay, sự phát triển nhanh chóng trong lĩnh vực khoa học công nghệ đang mở ra một loạt các ứng dụng mới và đạt được nhiều thành tựu quan trọng, đặc biệt là trong bối cảnh cách mạng công nghiệp 4.0 Các tiến bộ này không chỉ hỗ trợ mà còn thúc đẩy hoạt động sản xuất kinh doanh, nhằm mục tiêu tối ưu hóa chi phí, nâng cao hiệu quả quản lý và tăng cường năng suất lao động

Một trong những đặc điểm quan trọng của cách mạng công nghiệp 4.0 là sự kết hợp mạnh mẽ giữa thế giới thực và thế giới số thông qua Internet of Things (IoT), trí tuệ nhân tạo (AI), big data, và máy học (machine learning) Điều này giúp tạo ra môi trường sản xuất thông minh, linh hoạt và tự động hóa, từ đó giảm thiểu lỗi lạc và tăng khả năng đáp ứng nhanh chóng với biến động thị trường

Cách mạng công nghiệp 4.0 không chỉ là một bước tiến về công nghệ mà còn là một chiến lược toàn diện giúp doanh nghiệp tối ưu hóa tất cả các khía cạnh của hoạt động sản xuất kinh doanh, từ quy trình sản xuất đến quản lý thông tin và nhân sự Điều này không chỉ mang lại lợi ích về chi phí mà còn nâng cao hiệu suất và cạnh tranh của doanh nghiệp trong thị trường ngày càng cạnh tranh hiện nay

1.2.2 Chuyển Đổi Số trong Đo Đếm

❖Chuyển Đổi Số trong Đo Đếm Điện Năng Trong 10 - 15 năm trở lại đây, ngành điện đã chứng kiến sự chuyển đổi số đáng kể thông qua việc áp dụng công nghệ hiện đại vào đo đếm điện năng (điện kế điện tử) Quá khứ với việc ghi chỉ số công tơ điện bằng tay đặt ra nhiều rủi ro và độ nguy hiểm Các thách

thức này có thể ảnh hưởng đến tính chính xác của dữ liệu, gây mất an toàn cho những người thực hiện công việc và tăng nguy cơ sai sót

Ngày nay với sự chuyển đổi sang hệ thống điện kế điện tử và việc áp dụng công nghệ số không chỉ giảm bớt các nguy cơ trên mà còn tăng cường chính xác, tính liên tục, và an toàn trong quá trình đo đếm điện năng Từ đó người dân, công ty và cơ quan có thể dễ dàng giám sát lượng điện tiêu thụ hàng ngày, hằng giờ thông qua các thiết bị kết nối trực tuyến Sự chuyển đổi này không chỉ giảm chi phí và tăng cường hiệu quả vận hành mà còn mang lại một loạt các lợi ích đối với ngành điện

Điều quan trọng là sự linh hoạt mà công nghệ hiện đại mang lại, khiến cho quá trình theo dõi và quản lý trở nên dễ dàng hơn bao giờ hết Việc này không chỉ giúp tối ưu hóa chi phí vận hành mà còn thúc đẩy khả năng đáp ứng linh hoạt với biến động của thị trường Đồng thời, sự minh bạch trong việc thu thập và phân tích dữ liệu cũng đã tạo ra một nền tảng vững chắc cho quyết định chiến lược và phát triển bền vững trong ngành điện

Hình 1.1 Leo trụ ghi chép thủ công trước đây

Hình 1.2 Hệ thống theo dõi đo xa điện năng thông minh

❖Tiềm Năng Tự Động Hóa Trong Đo Đếm Lượng Nước Trong lĩnh vực đo lường lượng nước, việc ghi chép chỉ số tiêu thụ hàng tháng tại các hộ gia đình vẫn phụ thuộc chủ yếu vào công việc thủ công, đòi hỏi sự hiện diện của nhân viên để thực hiện Phương pháp truyền thống này không chỉ tốn kém về nhân công mà còn có thể không chính xác, gây bất tiện và vất vả cho nhân viên Có những thách thức như ghi nhầm thông tin, không thể liên lạc được với chủ nhà, và việc ước tính chỉ số nước khi không thể ghi được

Một giải pháp tiến bộ tại Thành phố Hồ Chí Minh là sử dụng phần mềm EzWater trên thiết bị di động Công nhân sử dụng điện thoại thông minh để chụp hình đồng hồ nước, kèm QR code và chỉ số nước Phần mềm nhận diện mã khách hàng và chỉ số nước từ ảnh chụp, sau đó gửi dữ liệu về hệ thống quản lý thông qua mạng di động Mặc dù có cải tiến, hệ thống này vẫn yêu cầu sự tham gia của nhân viên công ty và chưa thể tự động đo xa hoàn toàn như hệ thống đo điện của ngành điện lực

Hình 1.3 Giải pháp ghi chỉ số và quản lý đồng hồ nước thông minh EZWATER

Để vượt qua những hạn chế này, nhóm đề xuất đề tài thử nghiệm " NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN VÀ TỐI ƯU HÓA NĂNG LƯỢNG TIÊU THỤ CHO ĐỒNG HỒ ĐO NƯỚC THÔNG MINH SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI" Phương pháp này sẽ xem xét triển khai các giải pháp đo đếm tự động hoàn toàn, không cần sự tham gia của con người Giải pháp này sử dụng các công nghệ như cảm biến, truyền thông vô tuyến… để đo đếm nước tự động, giảm sự phụ thuộc vào nhân công và cung cấp dữ liệu chính xác Thể hiện tiềm năng và động lực cho việc nghiên cứu và phát triển các giải pháp tự động hóa trong lĩnh vực đo đếm nước Nếu được triển khai đúng hướng, nhóm hy vọng hệ thống này có thể mang lại nhiều lợi ích cho cả cộng đồng và công ty quản lý nước

1.3 Mục tiêu của đề tài

Với mục tiêu 65% hộ gia đình trên cả nước có nước sạch vào năm 2030 theo “Chiến lược quốc gia về cấp nước sạch và vệ sinh môi trường nông thôn đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2045” thì số hộ được sử dụng nước sạch là rất lớn, cùng với đó số lượng đồng hồ đo nước sử dụng cũng rất lớn, nếu chúng ta không có giải pháp để giải quyết những bất cập của đồng hồ đo nước dạng cơ thì sẽ gây lãng phí rất lớn về nguồn nhân lực

Mục tiêu của đề tài là tạo ra một loại đồng hồ đo nước, có chức năng đo chỉ số nước sử dụng của từng hộ gia đình, các chỉ số sử dụng nước của khách hàng sẽ được hiển thị lên 1 màn hình OLED trên thiết bị, sau đó các thông tin về chỉ số nước sử dụng sẽ được đưa lên trên một nền tảng web cho phép khách hàng và người quản lý có thể tra cứu mọi thông tin về chỉ số nước sử dụng, tạo sự minh bạch và tin cậy với người dùng Thiết bị với một tấm pin năng lượng mặt trời có nhiệm vụ tích trữ năng lượng sạc pin cung cấp nguồn năng lượng cho hoạt động của toàn bộ thiết bị Sản phẩm đáp ứng đầy đủ các yêu cầu của xã hội hiện nay, bắt kịp những tiến bộ mà khoa học kỹ thuật mang lại, với giá thành phù hợp với người tiêu dùng Việt

1.4 Nội dung nghiên cứu

Nội dung 1: Nghiên cứu về công nghệ IoT trong đồng hồ đo nước Nội dung 2: Phát triển hệ thống thu thập và truyền nhận dữ liệu vô tuyến Nội dung 3: Thiết kế, lập trình cho hệ thống điều khiển, chạy thử nghiệm Nội dung 4: Tối ưu hóa năng lượng mặt trời và hệ thống sạc

Nội dung 5: Thiết kế mô hình, giao diện web tạo hệ thống người dùng quản lý Nội dung 6: Thực hiện thử nghiệm và đánh giá kết quả

1.5 Giới hạn nghiên cứu

Đề tài tập trung vào nghiên cứu cơ sở lý thuyết và nguyên tắc hoạt động của hệ thống đồng hồ đo nước thông minh sử dụng năng lượng mặt trời, bao gồm cả cách thu thập và lưu trữ dữ liệu

Nghiên cứu về hiệu suất và ổn định của nguồn năng lượng mặt trời, xác định cách tối ưu hóa sử dụng năng lượng từ ánh sáng mặt trời để cung cấp năng lượng cho đồng hồ đo nước

Phát triển mô hình đồng hồ đo nước thông minh với kích thước nhỏ gọn và trọng lượng nhẹ, đảm bảo tính di động và dễ lắp đặt trong mọi không gian gia đình

Tập trung vào phát triển giao diện người dùng đơn giản và hiệu quả, giúp người dùng theo dõi và quản lý tiêu thụ nước một cách thuận lợi

Đặt ra mức sai số chấp nhận được trong quá trình đo lường và xác định các biện pháp để đảm bảo độ chính xác cần thiết

1.6 Tổng quan hệ thống đồng hồ đo nước hiện nay

1.6.1 Tổng quan đồng hồ đo nước

Đồng hồ nước, tên tiếng anh là “water flow meter” hay còn gọi là đồng hồ đo lưu lượng nước, đồng hồ áp suất nước là một thiết bị vật tư chuyên dụng dùng để thống kê, đo đếm lưu lượng nước đầu vào và đầu ra một cách chính xác Cấu tạo đồng hồ nước sạch sẽ dùng để đếm, xác định được lưu lượng nước chảy qua ống dẫn trong một khoản thời gian nhất định và nó được hiển thị bằng các con số trên mặt đồng hồ nước Từ đó chúng ta lấy kết quả đo này sử dụng cho các mục đích khác nhau

Ngoài những đồng hồ đo lưu lượng nước hộ gia đình, công ty thì những đồng hồ nước size lớn dùng để đo nước tổng, nước đầu nguồn, đo lưu lượng nước thải,…

Hình 1.4: Đồng hồ nước ngoài thực tế

1.6.2 Cấu tạo của đồng hồ nước

Đồng hồ nước có 2 loại: cơ và điện tử

1.6.2.1 Cấu tạo của đồng hồ nước dạng cơ

Đồng hồ cơ sử dụng công nghệ đo lưu lượng nước dựa trên nguyên lý truyền động cơ học Khi nước chảy qua đồng hồ, cánh quạt sẽ quay theo dòng chảy Cánh quạt được gắn với một trục quay, trục quay này sẽ truyền chuyển động đến các bánh răng Các bánh răng sẽ quay và truyền chuyển động đến bộ hiển thị

a) Bánh xe turbo

Bánh xe Turbo nằm trong phần thân đồng hồ nước, là bộ phận dùng để nhận biết dòng chảy và chuyển động dòng chảy của nước Đây là nơi nước chảy qua với lưu lượng mạnh nên phần bánh xe turbo thường được làm từ chất liệu chịu nhiệt và áp lực cao Đối với các đồng hồ nước thải, bộ phận bánh xe turbo được thay thế bằng lẫy Do trong quá trình hoạt động, dòng chảy thường cuốn theo nhiều loại rác và tạp chất dễ gây kẹt cánh quạt

b) Trục chuyển động

Đây là bộ phận quan trọng của bộ đếm chuyển động để hiển thị lên mặt số đồng hồ sau khi có dòng nước chảy qua bánh xe turbo Tuỳ vào mỗi loại đồng hồ nước, cơ chế trục số được tính toán và lắp đặt để đồng hồ có độ chính xác cao nhất

c) Phần thân của đồng hồ nước

Phần thân của đồng hồ nước đóng vai trò bảo vệ các bộ phận khác của đồng hồ Vì thế, phần thân thường được làm từ các vật liệu có độ bền cao, chịu được ngoại lực tốt chẳng hạn như nhựa ABS, gang hoặc đồng tuỳ vào môi trường và nhu cầu người sử dụng Đồng hồ nước có hai kiểu kết nối khác nhau như kết nối ren và kết nối mặt bích

d) Bộ đếm của đồng hồ nước

Bộ đếm của đồng hồ nước là phần mặt trên của đồng hồ để quan sát số khi lưu lượng của nước chảy qua đồng hồ Tuỳ vào dạng đồng hồ và cơ chế hoạt động của trục số mà mặt đồng hồ có một số dạng hiển thị khác nhau

Hình 1.5 Cấu tạo đồng hồ nước cơ

1.6.2.2 Cấu tạo của đồng hồ nước điện tử

Khác với đồng hồ nước dạng cơ, đồng hồ điện tử thường sử dụng chủ yếu công nghệ điện từ và công nghệ siêu âm để đo lưu lượng nước

a) Công nghệ điện từ

Công nghệ điện từ được sử dụng trong đồng hồ điện tử để đo lưu lượng nước dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ Nguyên lý này dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, khi dòng điện chạy qua một cuộn dây dẫn sẽ tạo ra một từ trường Khi dòng nước chảy qua từ trường này, sẽ tạo ra một dòng điện cảm ứng trong dòng nước Cường độ dòng điện cảm ứng tỷ lệ thuận với tốc độ dòng chảy của nước

❖Cấu tạo đồng hồ điện tử sử dụng công nghệ điện từ • Thân đồng hồ: Là bộ phận bên ngoài bảo vệ các bộ phận bên trong, thường được làm bằng gang, inox hoặc nhựa

• Lớp lót đồng hồ: Là phần tiếp xúc trực tiếp với dòng chảy nước, thường được làm từ vật liệu chống ăn mòn như Teflon PTFE, FEP

• Mắt cảm biến: Là bộ phận cảm nhận dòng chảy nước và tạo ra dòng điện cảm ứng Mắt cảm biến thường được làm bằng inox SUS316 với độ nhạy cao

• Cuộn dây dẫn: Dùng để truyền tín hiệu từ mắt cảm biến lên bảng mạch điện tử

• Bảng mạch điện tử: Là bộ phận xử lý tín hiệu từ mắt cảm biến và hiển thị kết quả đo

• Màn hình hiển thị: Hiển thị kết quả đo, có thể là màn hình LCD hoặc LED ❖Ưu điểm của đồng hồ điện tử sử dụng công nghệ điện từ:

• Độ chính xác cao

• Khả năng chống chịu ăn mòn tốt

• Dễ dàng lắp đặt và bảo trì ❖ Nhược điểm của đồng hồ điện tử sử dụng công nghệ điện từ:

• Chỉ áp dụng được cho các chất lỏng dẫn điện

• Có thể bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và áp suất

Hình 1.6 Cấu tạo đồng hồ nước điện từ

b) Công nghệ siêu âm

Công nghệ siêu âm được sử dụng trong đồng hồ điện tử để đo lưu lượng nước dựa trên nguyên lý Doppler Nguyên lý này dựa trên sự thay đổi tần số của sóng âm khi nó phản xạ từ vật thể đang chuyển động Khi sóng siêu âm truyền qua chất lỏng đang chảy, sẽ bị phản xạ lại bởi các hạt chất lỏng Sự thay đổi tần số của sóng siêu âm phản xạ tỷ lệ thuận với tốc độ dòng chảy của chất lỏng

❖Cấu tạo của đồng hồ điện tử sử dụng công nghệ siêu âm:

• Thân đồng hồ: Là bộ phận bên ngoài bảo vệ các bộ phận bên trong, thường được làm bằng gang, inox hoặc nhựa

• Lớp lót đồng hồ: Là phần tiếp xúc trực tiếp với dòng chảy nước, thường được làm từ vật liệu chống ăn mòn như Teflon PTFE, FEP

• Mắt phát sóng siêu âm: Là bộ phận phát ra sóng siêu âm Mắt phát sóng siêu âm thường được làm bằng vật liệu chống ăn mòn và chịu được nhiệt độ cao

• Mắt thu sóng siêu âm: Là bộ phận thu sóng siêu âm phản xạ lại từ chất lỏng đang chảy Mắt thu sóng siêu âm thường được làm bằng vật liệu chống ăn mòn và chịu được nhiệt độ cao

• Bảng mạch điện tử: Là bộ phận xử lý tín hiệu từ mắt phát và mắt thu sóng siêu âm và hiển thị kết quả đo

• Màn hình hiển thị: Hiển thị kết quả đo, có thể là màn hình LCD hoặc LED

❖Ưu điểm của đồng hồ điện tử sử dụng công nghệ siêu âm:

• Có thể đo được cả chất lỏng dẫn điện và chất lỏng không dẫn điện

• Không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và áp suất ❖Nhược điểm của đồng hồ điện tử sử dụng công nghệ siêu âm:

• Độ chính xác thấp hơn so với đồng hồ điện tử sử dụng công nghệ điện từ

• Khó lắp đặt hơn đồng hồ điện tử sử dụng công nghệ điện từ

Hình 1.7 Cấu tạo đồng hồ nước siêu âm

c) Phương pháp đo xa hiện nay

Cả hai loại đồng hồ điện tử sử dụng công nghệ điện từ và công nghệ siêu âm có đính kèm phương pháp đo xa

Phương pháp đo xa này sử dụng các thiết bị đo xa để đo lượng nước tiêu thụ của từng hộ gia đình Các thiết bị này thường được lắp đặt ở trên đường ống cấp nước Khi có nước chảy qua, thiết bị sẽ tự động ghi lại lượng nước tiêu thụ Phương pháp này có ưu điểm là giảm thiểu thời gian và chi phí cho việc đọc đồng hồ nước

❖Có hai loại thiết bị đo xa phổ biến hiện nay, đó là: •Thiết bị đo xa dựa trên công nghệ sóng vô tuyến: Thiết bị này sử dụng sóng vô tuyến để truyền dữ liệu về lượng nước tiêu thụ Dữ liệu này được thu thập bởi các thiết bị thu thập dữ liệu (data collector) được lắp đặt ở khu vực Thiết bị có nhiệm vụ thu thập dữ liệu từ các thiết bị đo

Hình 1.8 Công nghệ truyền dữ liệu qua mạng lora-RF

•Thiết bị đo xa dựa trên công nghệ truyền dữ liệu qua mạng Internet: Thiết bị này sử dụng mạng Internet để truyền dữ liệu về lượng nước tiêu thụ Dữ liệu này có thể được truy cập trực tiếp từ máy chủ của nhà cung cấp nước

Hình 1.9 Công nghệ truyền dữ liệu qua mạng Internet

1.6.3 Một số loại đồng hồ đo nước hiện nay

Hiện nay, trên thị trường có rất nhiều loại đồng hồ đo nước hộ gia đình sinh hoạt Các loại đồng hồ này được sản xuất bởi nhiều thương hiệu khác nhau, có nguồn gốc từ nhiều quốc gia trên thế giới Dưới đây là một số loại đồng hồ đo nước điện hộ gia đình sinh hoạt phổ biến hiện nay:

a) Đồng Hồ Đo Nước Đa Bánh Xe Cánh Quạt

Đồng hồ đo nước đa tia quay số khô dành cho ứng dụng dân dụng với kích thước 15mm-50mm dành cho nước lạnh/nóng Việc lựa chọn nguyên liệu chất lượng cao và kỹ thuật sản xuất hoàn hảo đảm bảo chất lượng sản phẩm

❖Những đặc điểm chính •Cấu trúc đơn giản

•Dễ dàng sản xuất và bảo trì, chi phí thấp •Yêu cầu chất lượng nước bền, thấp •Độ nhạy tốt

•Yêu cầu thấp đối với ống thẳng

b) Đồng hồ nước sinh hoạt LoRa thông minh AMR

Đồng hồ nước thông minh LoRa AMR phù hợp cho việc quản lý nước dân dụng Để giải quyết hiệu quả các vấn đề về phương pháp đọc và thu thập đồng hồ hộ gia đình

Hình 1.10 Đồng hồ đo nước đa

bánh xe cánh quạt

❖ Những đặc điểm chính •Giao tiếp thời gian thực, truyền dữ liệu chủ động, kiểm soát cấp nước

•Vì thuộc công nghệ truyền thông khoảng cách ngắn nên tốc độ truyền tương đối thấp nên mức tiêu thụ điện năng nhỏ

•Do dải tần của LoRa thuộc dải tần công cộng miễn phí nên không có chi phí đầu vào dài hạn

•Việc kết nối dữ liệu có thể được thực hiện và các chức năng đọc và điều khiển của đồng hồ nước có thể được gửi đến nền tảng của khách hàng

Thành phần cơ bản của đồng hồ nước thông minh truyền dẫn từ xa không dây LoRa: Nó bao gồm các mô-đun giao tiếp không dây và các bảng cơ sở Nó sử dụng đồng hồ đo nước khô hoặc ướt làm bàn đo cơ sở Có các chức năng như đo lường, tính toán, lưu trữ, chẩn đoán và truyền từ xa không

c) Đồng hồ nước sinh hoạt GPRS thông minh AMR

Đồng hồ nước không dây GPRS thuộc loại đồng hồ nước thông minh công nghệ cao, sử dụng công nghệ truyền dẫn không dây tiên tiến Nó truyền thông tin đo của đồng hồ nước cơ học thông thường đến máy chủ đám mây thông qua GPRS

❖ Những đặc điểm chính •Đọc từ xa: Tải lên dữ liệu đọc đồng hồ định kỳ và thời gian •Hệ thống cảnh báo: Điện áp pin yếu, đọc dữ liệu bất thường •Điều khiển van: Điều khiển van từ xa (tùy chọn)

•Bộ nhớ lưu trữ lớn: Lưu tối đa dữ liệu tháng cho dữ liệu 24 tháng và dữ liệu hàng ngày trong 31 ngày

1.7 Hệ thống quản lý dữ liệu của công ty cấp nước tại Đà Nẵng hiện nay

Công ty Cổ phần cấp thoát nước Đà Nẵng (DAWACO) là đơn vị kinh tế nhà nước, được thành lập ngày 02/03/2007, trên cơ sở sắp xếp, đổi mới và nâng cao hiệu quả hoạt động của các đơn vị cấp nước trên địa bàn thành phố Đà Nẵng Hệ thống quản lý dữ liệu đo, dịch vụ khách hàng của Công ty Cổ phần cấp thoát nước Đà Nẵng (DAWACO) là hệ thống thông tin tích hợp, được xây dựng trên nền tảng công nghệ hiện đại

Hệ thống ghi chỉ số nước bằng cách nhân viên ghi chỉ số nước sẽ đến tận nhà khách hàng Sau đó nhân viên ghi chỉ số nước sẽ chụp ảnh chỉ số ghi được và gửi về DAWACO để xác nhận DAWACO sử dụng công nghệ AI để nhận dạng chỉ số nước từ ảnh chụp

Hình 1.12 Đồng hồ nước sinh

hoạt GPRS thông minh AMR

Hình 1.11 Đồng hồ nước lora thông minh AMR

của nhân viên ghi chỉ số nước Nếu chỉ số nước hợp lệ, DAWACO sẽ cập nhật chỉ số nước vào hệ thống và gửi hóa đơn nước cho khách hàng Giúp tiết kiệm thời gian và chi phí ghi chỉ số nước truyền thống

Hệ thống quản lý dữ liệu đo lưu trữ và quản lý dữ liệu từ các đồng hồ nước điện tử, bao gồm: chỉ số nước, thời gian ghi chỉ số, trạng thái đồng hồ nước,

Hệ thống dịch vụ cung cấp các dịch vụ khách hàng trực tuyến, bao gồm: ghi chỉ số nước qua Zalo, tra cứu hóa đơn nước, thanh toán tiền nước, Hệ thống này được triển khai từ năm 2022, đã mang lại nhiều lợi ích cho DAWACO và khách hàng Tiết kiệm thời gian và chi phí ghi chỉ số nước truyền thống, đồng thời giúp khách hàng tiết kiệm thời gian và chi phí thanh toán tiền nước, tăng cường độ chính xác của việc ghi chỉ số nước và quản lý dữ liệu đo

Hình 1.13 Các tiện ích của hệ thống dành cho khách hàng trên Zalo

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

b) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Silicon, một chất bán dẫn quan trọng, đóng vai trò trong cấu trúc của pin năng lượng mặt trời Nguyên tử silicon sắp xếp chặt chẽ và có thể thêm các nguyên tố khác để tạo ra hai loại: loại n (âm) và loại p (dương) Chất bán dẫn loại n có electron dẫn chính, trong khi chất bán dẫn loại p dẫn điện bằng lỗ trống Khi kết hợp trong một tấm pin mặt trời, electron từ loại n chuyển sang loại p, tạo ra một điện trường trên tấm pin Điều này làm cho silicon loại n tích điện dương và silicon loại p tích điện âm

Hình 2.1 Nguyên lý hoạt động salar cell

c) Phân loại pin năng lượng mặt trời

Cho tới hiện tại thì vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời là các silic tinh thể, nó được chia thành 3 loại:

• Đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski Đơn tinh thể loại này có hiệu suất lên tới 16%

• Đa tinh thể: làm từ các thỏi đúc-đúc từ silic nung chảy cẩn thận sau đó được làm nguội và làm rắn

• Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể

e) Thông số kỹ thuật

• Điện áp cực đại (Vmp): 5V •Dòng : 400mA

•Công suất cực đại (Pmax): 2 W •Điện áp mạch mở (VOC): 6.8V •Dòng điện cực đại (Imp): 0,4A • Kích thước: 100x80mm

Hình 2.2 Tấm pin năng lượng mặt trời 5V

2.1.2 Module ổn áp DC-DC B6289U a) Đặc điểm

Mạch ổn áp DC-DC Buck Boost Converter B6289U 5V DC 0.6A là một loại mạch điện tử được sử dụng để chuyển đổi điện áp DC từ nguồn cung cấp ban đầu sang một mức điện áp khác Mạch này có thể chuyển đổi điện áp từ 2.5V đến 15V thành 5V với dòng đầu ra tối đa là 0.6A Mạch này có hiệu suất chuyển đổi cao, lên đến 85%

b) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Mạch ổn áp DC-DC Buck Boost Converter B6289U bao gồm các thành phần sau: •IC điều khiển: IC B6289U là một IC điều khiển chuyển đổi buck boost IC này chịu trách nhiệm điều khiển các transistor để chuyển đổi điện áp

•Transistor công suất: Transistor công suất chịu trách nhiệm chuyển đổi điện áp thực tế

•Các linh kiện điện trở, tụ điện và điện trở: Các linh kiện này cung cấp điện áp và dòng điện cho IC điều khiển và transistor công suất

Mạch ổn áp DC-DC Buck Boost Converter B6289U hoạt động theo nguyên lý chuyển đổi điện áp buck-boost Sử dụng một transistor công suất, nó chuyển đổi điện áp DC từ nguồn cung cấp ban đầu (có thể từ 2.5V đến 15V) thành 3.3V hoặc 5V, được điều khiển bởi IC B6289U

IC B6289U có hai chế độ hoạt động: chế độ buck (giảm điện áp đầu ra khi cần) và chế độ boost (tăng điện áp đầu ra khi cần) IC tự động chuyển đổi giữa hai chế độ này để duy trì điện áp đầu ra ổn định

c) Thông số kỹ thuật

• IC chính: B6289U • Nguồn đầu vào: 2.5~15VDC • Nguồn đầu ra: 5VDC

• Dòng đầu ra tối đa: 0.6A •Tần số làm việc: 16 MHz (tiêu chuẩn) hoặc 32 MHz (tùy chọn) • Dòng nghỉ: <50mA

• Hiệu suất chuyển đổi: 85% • Kích thước: 17 x 13 x 4.2mm

Hình 2.4 Kích thước và chân kết nối Module ổn áp DC-DC B6289U

2.1.3 Mạch sạc tích hợp tăng áp TP4056 a) Đặc điểm

Mạch này có khả năng sạc pin 18650 và cung cấp điện áp đầu ra từ 4.3V đến 27V, tạo ra sự linh hoạt cho nhiều ứng dụng Sử dụng IC TP4056, một IC sạc pin 1S đáng tin

Hình 2.3 Module và IC B6289U

cậy với các tính năng bảo vệ như quá dòng, quá áp, và ngắn mạch, đảm bảo an toàn cho pin và mạch Điều chỉnh điện áp đầu ra có thể được thực hiện bằng cách điều chỉnh điện trở 10K ohm, cho phép tùy chỉnh mạch để đáp ứng nhu cầu cụ thể

b) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

IC TP4056 là điều khiển sạc pin 1S, chịu trách nhiệm quản lý quá trình sạc pin Transistor công suất thực hiện chuyển đổi điện áp từ pin 18650 thành điện áp đầu ra Linh kiện điện trở, tụ điện và điện trở cung cấp điện áp và dòng điện cho IC và transistor

Hình 2.5 Module và sơ đồ nguyên lý mạch sạc TP 4056

IC điều khiển TP4056 nhận đầu vào điện áp và điều khiển transistor công suất để chuyển đổi nó thành điện áp đầu ra Hoạt động của TP4056 bao gồm kiểm sát dòng sạc và điện áp sạc, cũng như tính năng bảo vệ pin như quá dòng và quá áp

Transistor công suất được điều khiển bởi TP4056, khi bật, tạo ra điện áp trong cuộn cảm, sau đó được chuyển đổi thành điện áp đầu ra bằng diode.Điện áp đầu ra của mạch sạc pin 18650 1s tích hợp tăng áp 27V có thể được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh điện trở 10K ohm Khi điện trở 10K ohm được giảm xuống, điện áp đầu ra sẽ tăng lên Khi điện trở 10K ohm được tăng lên, điện áp đầu ra sẽ giảm xuống

c) Thông số kỹ thuật

• Điện áp đầu vào: 4,5-8V • Điện áp đầu ra: điều chỉnh liên tục 4.3-27V (Chỉnh bằng biến trở)

• Điện áp sạc: 4.2V • Dòng sạc: lên tới 1A • Dòng xả: tối đa 2A • Dòng tối đa tham chiếu đầu ra: 5V 1.4A, 9V 0.8A, 12V 0.6A • Dòng tĩnh: khoảng 0,5 mA

•Tần số làm việc: 1.2 MHz (tiêu chuẩn) hoặc 2.4 MHz (tùy chọn)

Hình 2.6 Sơ đồ kết nối Module sạc tích hợp tăng áp TP4056

2.1.4 Pin lithium-ion 3.7V a) Đặc điểm

Pin lithium hay còn được biết đến với tên gọi là pin Li-on hay pin Lithi-on và được viết tắt là LIB, thuộc loại pin sạc Pin lithium là một tổ hợp gồm nhiều tế bào như axit chì và nhiều loại pin khác hợp thành Đây là loại pin sử dụng kim loại lithium hoặc hợp kim từ lithium làm vật liệu cho điện cực âm và sử dụng dung dịch điện giải không dính Hiện nay, pin lithium được chia làm hai loại chính là pin lithium kim loại và pin Lithium-Ion (pin Li-Ion) Trong đó, pin lithium-ion sẽ không chứa kim loại lithium và chúng có thể sạc lại được

b) Cấu tạo Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Hình 2.7 Các thành phần pin lithium-ion

•Điện cực: Các đầu tích điện dương và âm của tế bào •Chất điện giải: Chất lỏng hoặc gel dẫn điện

•Bộ thu dòng điện: Các lá dẫn điện ở mỗi điện cực của pin được kết nối với các cực của tế bào Các cực của tế bào truyền dòng điện giữa pin, thiết bị và nguồn năng lượng cung cấp năng lượng cho pin

• Chất phân tách: Một màng polyme xốp ngăn cách các điện cực đồng thời cho phép trao đổi các ion lithium từ bên này sang bên kia

❖Nguyên lý hoạt động của pin lithium-ion •Quy trình xả

Quá trình xả pin ion-liti bắt đầu khi ion liti mang điện dương di chuyển từ cực âm qua dung dịch điện ly đến cực dương, tạo ra dòng điện trong mạch ngoài Đồng thời, mỗi ion liti tạo ra một electron di chuyển từ cực âm sang cực dương, duy trì sự cân bằng điện tích giữa hai cực

•Quy trình sạc Quá trình sạc pin ngược lại với quá trình xả Dưới điện áp sạc, electron bị buộc chạy từ cực dương về cực âm, trong khi ion liti tách khỏi cực dương và di chuyển trở lại cực âm của pin Trong quá trình sạc và xả, pin hoạt động theo nguyên tắc tạo ra dòng điện và duy trì cân bằng điện tích giữa cực âm và cực dương

Trong các chu kỳ phóng điện, ion liti ở cực dương có thể bị ion hóa và tách khỏi các điện tử, sau đó di chuyển qua chất điện phân và tái hợp lại với các điện tử tại cực âm, trung hòa về điện

Hình 2.8 Pin lithium-ion 3.7V 2200mA

c) Thông số kỹ thuật

•Model: 5C 2500mAh •Kích thước: 18x65mm •Điện áp sạc: 4.2V •Điện áp thường: 3.7V •Điện dung danh định: 2200 mAh

•Dòng sạc tối đa (MAX): 2A •Dòng xả tối đa (MAX): 10A •Điện áp cắt:2.75V

2.1.5 Module ổn áp AMS 1117 3.3V a) Đặc điểm

Module ổn áp AMS1117-3.3V là một thiết bị điện tử có chức năng cung cấp điện áp đầu ra ổn định là 3.3V từ điện áp đầu vào có dải rộng từ 4.75V đến 12V Module này có dòng điện đầu ra tối đa là 1A, nhiệt độ hoạt động rộng: -40°C đến +125°C, phù hợp

với nhiều môi trường khác nhau, đủ đáp ứng nhu cầu của nhiều ứng dụng

b) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Chân VOUT: Chân này cung cấp điện áp đầu ra ổn định là 3.3V Chân GND: Chân này nối với mass

Chân IN: Chân này nhận điện áp đầu vào, tối thiểu là 4.75V Điện áp sụt của ổn áp AMS1117 là khoảng 1,2V khi hoạt động ở dòng điện tối đa Hệ số suy giảm là tỷ lệ giữa điện áp đầu ra và điện áp đầu vào khi dòng điện đầu ra thay đổi Hệ số suy giảm của ổn áp AMS1117 là khoảng 0,1%

Module ổn áp AMS1117-3.3V hoạt động dựa trên nguyên lý của ổn áp có phản hồi âm Khi điện áp đầu vào thay đổi, điện áp đầu ra của module sẽ tự động thay đổi theo để duy trì điện áp đầu ra ở mức 3.3V

Hình 2.9 Module và sơ đồ mạch nguyên lý ổn áp AMS1117 3.3V

b) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Đầu đo: Đầu đo của cảm biến là một cánh quạt nhỏ, được gắn trên trục quay Khi có dòng nước chảy qua, cánh quạt sẽ quay, tạo ra tín hiệu từ trường

Cảm biến từ Hall: Cảm biến từ Hall được sử dụng để cảm nhận tín hiệu từ trường từ cánh quạt

Bộ xử lý tín hiệu: Bộ xử lý tín hiệu sẽ chuyển đổi tín hiệu từ cảm biến từ Hall thành tín hiệu điện áp, tương ứng với lưu lượng nước

Khi có dòng nước chảy qua, cánh quạt của cảm biến sẽ quay Chuyển động quay của cánh quạt sẽ tạo ra một từ trường biến thiên Cảm biến từ Hall sẽ cảm nhận từ trường này và tạo ra một tín hiệu điện áp Tín hiệu điện áp này sẽ được bộ xử lý tín hiệu chuyển đổi thành tín hiệu điện áp, tương ứng với lưu lượng nước Được quan sát bằng tín hiệu dạng xung ở đầu ra của cảm biến từ Hall ( Chu kỳ làm việc Duty Cycle)

Duty Cycle = on time / ( ontime + off time)

c) Thông số kỹ thuật

• Điện áp làm việc: 5V – 24VDC • Loại ngõ ra: 5V TTL

• Dòng điện cao nhất: 15mA (5V) • Mức độ dòng chảy: từ 1 đến 30 L/phút • Vận hành ở nhiệt độ: -25ºC – 80ºC

Hình 2.10 Cảm biến lưu lượng S201 và thành phần

Hình 2.11 Tổng quan về cảm biến lưu lượng S201 dùng sensor

Hall

• Nhiệt độ dòng chảy: <120ºC • Áp lực nước tối đa: 2Mpa • Vận hành ở độ ẩm: 35% - 80% RH • Sai số: 10%

• Số xung trên lít: 450 • Thời gian xung ngõ ra ở mức cao: 0,04μs • Thời gian xung ngõ ra ở mức thấp: 0,18 μs Với các tín hiệu xung ra là một dải xung vuông đơn giản, ta có thể dễ dàng đọc và tính được lưu lượng nước bằng việc đếm xung từ ngõ ra của cảm biến theo công thức sau:

• Tần số xung (Hz) / 7,5 = tốc độ dòng chảy (L / phút) 2.1.7 Màn hình OLED SSD 128x64

a) Đặc điểm

OLED SSD 128x64 là một loại màn hình OLED (Organic Light-Emitting Diode) có kích thước 128 pixel chiều ngang và 64 pixel chiều dọc Màn hình này sử dụng công nghệ SSD (Serial Data) để truyền dữ liệu, giúp giảm độ trễ và tăng tốc độ hiển thị

b) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Mạch nền: Cung cấp nguồn điện và điều khiển hoạt động của màn hình Màn hình OLED: Cấu tạo từ các lớp vật liệu hữu cơ có khả năng phát sáng khi có dòng điện chạy qua

Mạch giao tiếp: Chuyển đổi dữ liệu từ vi xử lý sang màn hình ❖Các chân giao tiếp của OLED SSD 128x64 gồm: • VCC: Chân cấp nguồn cho màn hình

• GND: Chân nối với mass • SCL: Chân dữ liệu đồng hồ • SDA: Chân dữ liệu

OLED SSD 128x64 sử dụng giao tiếp I2C để giao tiếp với các thiết bị khác

Hình 2.12 Màn hình OLED SSD128x64

OLED SSD 128x64 là một thiết bị slave trong giao tiếp I2C Khi thiết bị chủ gửi tín hiệu đồng hồ (SCL), OLED SSD 128x64 sẽ nhận dữ liệu (SDA) từ thiết bị chủ

OLED SSD 128x64 hoạt động dựa trên nguyên lý phát sáng của các lớp vật liệu hữu cơ Khi có dòng điện chạy qua, các lớp vật liệu này sẽ phát sáng, tạo ra hình ảnh và văn bản trên màn hình

c) Thông số kỹ thuật

• Điện áp sử dụng: 2.2~5.5VDC • Công suất tiêu thụ: 0.04w • Góc hiển thị: lớn hơn 160 độ • Số điểm hiển thị: 128x64 pixel • Độ rộng màn hình: 0.96 inch • Màu hiển thị: Trắng / Xanh Dương • Giao tiếp: I2C

• Driver: SSD1306 •Công nghệ: OLED •Công nghệ truyền dữ liệu: SSD •Tốc độ phản hồi: 120Hz

2.1.8 Module NRF24L01 a) Giới thiệu

NRF24L01, một thiết bị giao tiếp sóng RF phổ biến, hoạt động ở tần số 2.4GHz Nó có khả năng truyền và nhận dữ liệu qua một module, và có thể giao tiếp với 6 module NRF24L01 khác cùng một lúc Được kết nối với Arduino, nó tạo ra nhiều ứng dụng điều khiển từ xa Sử dụng giao thức truyền thông SPI với tốc độ truyền dữ liệu 10MBs và module GFSK để thu phát dữ liệu, NRF24L01 trở thành module RF đáng tin cậy

Hình 2.13 Module NRF24L01

b) Cấu tạo sơ đồ chân NRF24L01

Tất cả các chân của module để giao tiếp đều có trong các bộ vi điều khiển và bo mạch Module có tổng cộng 8 chân: