điều khiển các thiết bị từ xa qua mạng internet

Điều khiển thiết bị điện từ xa qua mạng Internet Phạm Duy Hƣng Trƣờng Đại học Công nghệ Luận văn Thạc sĩ ngành: Kỹ thuật điện tử; Mã số: 60 52 70 Ngƣời hƣớng dẫn: PGS.TS Trần Quang Vinh Năm bảo vệ: 2012 Abstract: Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển từ xa thiết bị điện qua mạng internet Tìm hiểu cảm biến đo dòng điện sử dụng hiệu ứng Hall Mô tả vi điều khiển PIC16F877A Nghiên cứu khối giao tiếp truyền liệu E2U (Ethernet to UART) Các phƣơng pháp đo dòng điện xoay chiều Tiến hành thực nghiệm: bƣớc thực kết Keywords: Kỹ thuật điện tử; Thiết bị điện; Cảm biến điện; Mạng INTERNET Content PHẦN 1: LÝ THUYẾT CHƢƠNG 1: NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỪ XA THIẾT BỊ ĐIỆN QUA MẠNG INTERNET 1.1 Nguyên lý hoạt động hệ thống Dƣới hình trình bày sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống điều khiển đóng ngắt thiết bị tòa nhà qua mạng Internet Module điều khiển TV Tủ lạnh Ngƣời dùng Máy giặt Căn hộ – Port 1024 Mạng Ethernet Lò vi sóng HW Đèn Module điều khiển Internet Ngƣời dùng TV Tƣờng lửa Router IP: 203.113.130.218 Tủ lạnh Máy giặt Căn hộ – Port 1026 Lò vi sóng Ngƣời dùng HW Đèn Module điều khiển TV Tủ lạnh Máy giặt Căn hộ – Port 1028 Hình 1.1: Sơ đồ hoạt động hệ thống điều khiển thiết bị qua mạng Internet Trong sơ đồ này, thiết bị hộ tòa nhà nhƣ bóng đèn, máy giặt, tivi, tủ lạnh, lò vi sóng đƣợc kết nối đến đầu vào/ra điều khiển Bộ điều khiển sau đƣợc kết nối tới định tuyến (Router) tòa nhà thông qua mạng Ethernet LAN từ kết nối với Internet Mỗi điều khiển tòa nhà đƣợc xác định cặp địa IP-Port router , máy tính mạng Internet kết nối xác tới điều khiển Ngƣời dùng, với phần mềm đƣợc cài máy tính, kết nối với Internet truy cập vào hệ thống tƣơng tác điều khiển thiết bị cách dễ dàng Việc điều khiển hai chiều, đó, ngƣời dùng không đơn gửi lệnh điều khiển đóng ngắt mà giám sát đƣợc thiết bị nhờ thông tin phản hồi từ thiết bị trạng thái làm việc Chi tiết cấu trúc phần cứng phần mềm hệ thống sẽ trình bầ y sau 1.2 Nguyên lý làm việc module điều khiển Mô đun điều khiển từ xa qua mạng Internet đƣợc trình bày hình 1.2 dƣới đây: Khối PaC Khổi E2U Ethernet RJ45 HR911105A Vi điều khiển PIC18F67J60-I/PT Vi điều khiển PIC16F887A Tầng công suất Thiết bị cần điều khiển Khối phản hồi Hì nh 1.2: Sơ đồ chức điều khiển qua mạng Internet Theo sơ đồ, điều khiển bao gồm khối: khối E2U (Ethernet to UART) giao tiếp với mạng internet truyền liệu đầu theo chuẩn RS232, khối PaC ( Process and Control) thực việc xử lý liệu xuất tín hiệu điều khiển thiết bị qua tầng công suất, khối phản hồi sử dụng vi xử lý ACS712 Hệ thống đƣợc mô tả nhƣ sau:  Module Ethernet làm nhiệm vụ chuyển ký tự nhận đƣợc từ Ethenet (đúng IP Port) cổng UART module ngƣợc lại  PIC 16F887 nhận ký tự từ module Ethernet, phân tích ký tự đƣa định đóng mở rơ le tƣơng ứng  IC ULN2003 làm nhiệm vụ đệm dòng điều khiển rơ le  Module phản hồi dùng cảm biến ACS712 làm nhiệm vụ nhận biết dòng điện vào thiết bị, đƣa tín hiệu hệ thống 1.3 Phân tích tính phản hồi hệ thống Hệ thống yêu cầu thiết bị phải có phản hồi trạng thái đầu trung tâm cách cảm nhận dòng điện tiêu thụ lối CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU VÀ TÌM HIỂU CẢM BIẾN ĐO DÒNG ĐIỆN SỬ DỤNG HIỆU ỨNG HALL 2.1 Lý thuyết hiệu ứng Hall: Hiệu ứng Hall hiệu ứng vật lý đƣợc thực áp dụng từ trƣờng vuông góc lên làm kim loại hay chất bán dẫn hay chất dẫn điện nói chung (thanh Hall) có dòng điện chạy qua Lúc ngƣời ta nhận đƣợc hiệu điện (hiệu Hall) sinh hai mặt đối diện Hall Tỷ số hiệu Hall va dòng điện chạy qua Hall gọi điện trở Hall, đặc trƣng cho vật liệu làm nên Hall Hiệu ứng đƣợc khám phá Edwin Herbert Hall vào năm 1879 2.2 Giới thiệu vi mạch Hall cảm biến dòng ACS712 IC cảm biến dòng tuyến tính dựa vào hiệu ứng Hall, đƣợc tích hợp đầy đủ với chất dẫn dòng điện trở thấp độ cách điện 2.1kV RMS Dạng đóng gói sơ đồ khối ACS712 đƣợc đóng gói theo dạng SOIC-8 Hình 2.3: Vi mạch ACS712 Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến ACS172 Nhìn sơ đồ ta thấy bên cảm biến đƣợc tích hợp sẵn bù offset khuyếch đại tín hiệu Tụ lọc CF kết hợp với trở nội tạo thành lọc RC trƣớc đệm đầu giúp giảm suy hao sụt áp lọc Đồng thời tụ CF xác định bandwidth cảm biến Đặc điểm:  Đƣờng tín hiệu analog độ nhiễu thấp  Băng thông thiết bị đƣợc thiết định thông qua chân FILTER  Thời gian tăng ngõ để đáp ứng với dòng ngõ vào 5µs  Băng thông 80kHz  Tổng lỗi ngỏ TA = 25°C 1.5%  Dạng đóng gói SOIC8 với chân nhỏ  Điện trở dây dẫn 1.2mΩ  Điện áp cách điện tối thiểu 2.1kV RMS từ chân 1-4 đến chân 5-8  Nguồn vận hành đơn 5V  Độ nhạy ngõ từ 66 đến 185mV/A  Điện áp ngõ tƣơng ứng với dòng DC AC  Điện áp offset (lệch) ngõ ổn định  Sự trễ từ gần zero  Ngõ tỉ lệ trực tiếp với ngõ vào từ nguồn cung cấp Mô tả IC: ACS712 Allegro cung cấp giải pháp kinh tế xác cho việc cảm ứng dòng AC DC hệ thống công nghiệp, thƣơng mại liên lạc Dạng đóng gói thiết bị cho phép ngƣời sử dụng dễ dàng lắp đặt Ứng dụng tiêu biểu bao gồm điều khiển động cơ, quản lý phát tải, nguồn cung cấp chế độ switch, bảo vệ lổi dòng Thiết bị không sử dụng cho ứng dụng ô tô Thiết bị bao gồm mạch điện Hall tuyến tính, độ lệch thấp xác với đƣờng dây dẫn đồng đƣợc đặt gần bề mặt lớp vỏ Dòng điện đƣợc cung cấp qua phần dây đồng tạo trƣờng điện từ mà IC chuyển đổi thành điện áp tƣơng ứng Thiết bị đƣợc tối ƣu hóa cách xác thông qua tín hiệu từ gần đến biến đổi Hall Một điện áp tƣơng ứng (proportional), xác đƣợc cung cấp IC Hall BiCMOS độ lệch thấp, tạo xung đƣợc ổn định mà đƣợc lập trình xác sau đóng gói Ngõ thiết bị có cạnh (sƣờn) dƣơng (> VIOUT(Q)) tăng dòng điện qua phần dây đồng thứ cấp (từ chân 2, đến chân 4), phần đƣợc dùng để lấy mẫu dòng điện Điện trở phần dẫn điện 1.2mΩ, tiêu thụ nguồn thấp Bề dày dây đồng cho phép thiết bị chịu đƣợc đến lần điều kiện dòng Các đầu phần dẫn điện đƣợc cách điện với đầu tín hiệu (chân đến chân 8) Điều cho phép ACS712 đƣợc dùng ứng dụng đƣợc yêu cầu cách điện mà không dung opto cách điện kỹ thuật cách điện đắt tiền khác ACS712 đƣợc cung cấp dạng đóng gói SOIC8 dáng bề mặt nhỏ Các khung chân thiết bị đƣợc mạ với 100% thiếc mà phù hợp với tiêu chuẩn RoSH Thiếc bị đƣợc hiệu chuẩn đầy đủ nhà máy trƣớc xuất xƣởng CHƢƠNG 3: VI ĐIỀU KHIỂN PIC16F877A Vi điều khiển PIC16F877A đƣợc sử dụng luận văn đóng vai trò IC điều khiển toàn thiết bị Các tài liệu chi tiết vi điều khiển đƣợc nhà sản xuất cung cấp đầy đủ trang chủ hãng [5] Đặc điểm họ vi điều khiển PIC16F877A Dòng PIC16F877A có nhiều chức mạnh, nhƣng giới hạn đề tài, tập trung tìm hiểu về: - Đặc điểm tổng quát - Sơ đồ khối, sơ đồ chân, chức chân - Các đặc điểm bật cổng vào - Cách tổ chức nhớ, giới thiệu ghi hay dùng trình lập trình - Bộ chuyển đổi tín hiệu tƣơng tự sang số - Các giao tiếp truyền thông SPI, UART 3.1 Đặc điểm tổng quát vi điều khiển PIC16F877A PIC16F877A dòng vi điều khiển bít Microchip đời năm 2007 với đặc điểm điển hình nhƣ sau: Vùng hoạt động: - Điện áp nuôi thấp: từ 3,0 đến V - Xung nhịp hỗ trợ từ đến MIPS - Dải nhiệt độ hoạt động từ -40oC đến 125oC Vi điều khiển hiệu suất cao: - Có kiến trúc Harvard - Tập lệnh tối ƣu cho trình biên dịch ngôn ngữ C - bítdữ liệu, 24 bít cho lệnh - Bộ nhớ chƣơng trình định địa lên tới bốn triệu từ lệnh - Bộ nhớ liệu: 64 kbyte - 83 tập lệnh sở, hầu hết xử lý chu kỳ - Hai tích lũy 40 bít - Hỗ trợ phép nhân chia bít Truy cập nhớ trực tiếp: - Hỗ trợ đến tám kênh - Kbyte nhớ đệm - Hầu hết ngoại vi hỗ trợ truy nhập nhớ trực tiếp Bộ định thời / Bộ so sánh/ Bộ điều chế độ rộng xung - Có đến năm định thời bít, cho phép ghép hai thành định thời 32 bít - Một định thời chạy với thạnh anh 32,768 kHz - Bốn FIFO cho bắt tín hiệu - Bộ so sánh bít Bộ điều khiển ngắt: - Độ trễ năm chu kỳ máy - Hỗ trợ 53 nguồn ngắt, ba ngắt ngoài, bẩy mức ƣu tiên lập trình đƣợc Cổng vào số: - Cho phép chọn chức ngoại vi chân - 31 chân cho phép đánh thức vi điều khiển phát thay đổi điện áp - Các chân lối vào hỗ trợ đến 5V - Các chân lối hỗ trợ nguồn 5V chế độ cực góp hở Flash SRAM: - Flash kbyte - SRAM: 256 byte - Bộ nhớ flash chia thành phần Boot, Secure, General Security Quản lý hệ thống: - Có nhiều chế độ lấy xung dao động - Bộ ổn nguồn 2,5V đƣợc đặt vi điều khiển Bộ chuyển đổi tƣơng tự sang số: - 10 bít: Tốc độ 1,1 Msps - 12 bít: Tốc độ 500 ksps - kênh ADC, nhận ADC chế độ ngủ Bộ chuyển đổi số sang tƣơng tự: - bít, hai kênh - Tốc độ lấy mẫu tối 100 ksps Công nghệ CMOS: - Tiêu thụ lƣợng thấp, công nghệ Flash tốc độ nhanh Các ngoại vi giao tiếp: - SPI: bit, bít, hộ trợ tất định dạng đồng hồ nối tiếp - I2C: Cho phép định địa bít, 10 bít Khả dò phân xử xung đột đƣờng truyền - UART: có hai bộ, độ rộng FIFO bốn ký tự - CAN: 32 đệm nhận, 16 lọc nhận, ba mặt nạ - PMP: Hỗ trợ tám bộ, bítdữ liệu, bítđƣờng địa - CRC: Có byte hàng đợi, 16 bit cho liệu đầu vào 3.2 Sơ đồ khối, sơ đồ chân, chức chân 3.3 Các cổng vào 3.4 Các module giao tiếp 3.5 Tổ chức nhớ 3.6 Cấu hình dao động PIC16F877A CHƢƠNG 4: KHỐI GIAO TIẾP INTERNET VÀ TRUYỀN DỮ LIỆU E2U Khối E2U đƣợc thiết kế chủ yếu bao gồm đầu nối RJ45 HR911105A [1] hãng Hanrun vi điều khiển PIC16F67J60-I/PT [2] hãng Microchip Hình 4.1: Sơ đồ mạch nguyên lý khối E2U CHƢƠNG 5: CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU 5.1 Phân loại phƣơng pháp đo dòng điện xoay chiều có phương pháp là: - Đo trực tiếp: dùng dụng cụ đo dòng điện nhƣ ampe kế, để đo trực tiếp đọc kết thang chia độ dụng cụ đo - Đo gián tiếp: dùng volt kế đo điện áp rơi điện trở chuẩn mắc mạch có dòng điện chạy qua, thông qua phƣơng pháp tính toán có đƣợc giá trị dòng điện cần đo - Phƣơng pháp so sánh: so sánh dòng điện cần đo với dòng điện mẫu, trạng thái cân dòng điện cần đo dòng điện mẫu, đọc đƣợc kết mẫu Dựa vào đặc tính dòng điện ta có loại phương pháp đo dòng sau: - Phƣơng pháp đo sụt điện trở shunt Điện trở thƣờng có độ xác cao Điện áp sụt qua điện trở tỷ lệ thuận với dòng điện cần đo Điện trở Shunt Dòng điện cần đo Hình 5.1: Nguyên tắc đo dòng điện trở Shunt 5.2 Thuật toán đo dòng điện xoay chiều hiệu dụng Điện áp cảm biến tuyến tính từ 0V đến +5V tƣơng ứng với dòng vào từ -20A đến +20A (Dòng vào 0A +2.5V) Viout = + 2.5 (Vol)  I = 8*Viout – 20 (Ampe) Đầu cảm biến đƣợc nối vào ADC vi điều khiển nên điện áp Viout đƣợc tính nhƣ sau: Viout = 5* (Vol) Trong Vref ADC +5V, độ phân giải ADC 10 bit Dòng điện hiệu dụng đƣợc tính theo công thức: IRMS = Trong I(i) mẫu dòng điện xoay chiều N số mẫu lấy chu kỳ, N lớn kết xác Thuật toán đo dòng hiệu dụng cho lƣới điện 50Hz: i=0 Delay 1ms I(i) = read ADC i ++ i = 20 Sai Đúng IRMS = N N i=0 I²(i) 10 PHẦN II: THỰC NGHIỆM CHƢƠNG 6: CÁC BƢỚC THỰC HIỆN VÀ KẾT QUẢ 6.1 Thiết kế chế tạo phần cứng hệ thống Hình 6.1: Sơ đồ mạch hệ thống Mô tả hệ thống:  Các lối xoay chiểu đƣợc nối tiếp với cảm biến ACS712 Các cảm biến đƣợc cấp bằn nguồn +5VDC tính hiệu lối tỉ lệ tuyến tính với dòng điện qua cảm biến  Các đầu điện áp cảm biến đƣợc đọc ADC vi điều khiển PIC 16F887 Từ vi điều khiển biết đƣợc giá trị dòng điện tải (I PEAK IRMS)  Giá trị dòng điện đo đƣợc đƣợc so sánh với ngƣỡng để định nội dung gói tin phản hồi trung tâm 11  Nếu sử dụng thêm biến áp hạ nối vào 220VAC để vừa cấp nguồn chiều cho mạch, vừa hỗ trợ đo điện áp lƣới điện xoay chiều ta tính đƣợc công suất tiêu thụ tải với độ xác định Đóng gói thiết bị Hình ảnh cụ thể bo mạch sau đƣợc lắp ráp linh kiện hộp thiết bị đƣợc trình bày hình 6.9, 6.10, 6.11, 6.12 Hình 6.9: Mặt bo mạch thiết bị Hình 6.10: Mặt bo mạch thiết bị 12 Hình 6.11: Hình chi tiết vị trí cảm biến ACS712 6.2 Thuật toán cho phần mềm điều khiển 6.3 Phần mềm giao diện điều khiển máy tính PC Phần mềm giao diện đƣợc viết ngôn ngữ VB6 Bao gồm số chức bản: - Nhập địa IP PORT thiết bị cần kết nối - Hiển thị giá trị dòng điện nhận đƣợc từ thiết bị - Có nút bật – tắt bốn thiết bị tƣơng ứng 13 6.3.1 Giao diện chƣơng trình Hình 6.13: Giao diện chương trình 6.3.2 Giao diện chƣơng trình hoạt động Hình 6.14: Giao diện mở tải bóng đèn 25W Kết thực nghiệm điều khiển thiết bị điện từ xa qua mạng Internet nhƣ sau: 14 - Thiết bị đáp ứng lệnh điều khiển từ máy tính thời gian dƣới giây (thử nghiệm kết nối từ xa qua mạng Internet VDC qua 3G Mobifone) Thực phép đo dòng điện tiêu thụ thiết bị phần mềm điều khiển cho giá trị sai số dƣới 4% so với giá trị đo đƣợc đồng hồ Multimeter PHẦN 3: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI CHƢƠNG 7: NHỮNG VẤN ĐỀ ĐÃ GIẢI QUYẾT VÀ NGHIÊN CỨU ĐƢỢC QUA LUẬN VĂN Sau trình thực luận văn, tìm hiểu giải đƣợc vấn đề là: - Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển từ xa thiết bị điện qua mạng internet có tính phản hồi trạng thái hoạt động thiết bị - Tìm hiểu phƣơng pháp đo dòng điện xoay chiều Sử dụng đƣợc IC đo dòng điện chuyên dụng nhƣ ACS712 Đo đƣợc giá trị dòng điện xoay chiều khoảng thời gian dài - Tìm hiểu cấu trúc phần cứng nhƣ lập trình kiểm soát vi điều khiển PIC16F877A Từ xây dựng thành công hệ thống đo dòng điện xoay chiều với độ tin cậy đạt đƣợc thời gian dài - Tìm hiểu lập trình giao tiếp với mô đun ETHERNET TO UART qua cổng giao tiếp nối tiếp không đồng UART - Từ kiến thức nghiên cứu, hệ thống đo dòng điện đƣợc xây dựng bao gồm phần cứng phần mềm quản lý với tính sau: 1.1 Về phần cứng: + Thiết bị cho phép nguồn nuôi có điện áp vào dải rộng, lên tới 60V + Có linh kiện bảo vệ thiết bị ngƣời dùng cắm ngƣợc nguồn + Nhờ việc hộ trợ giao thức truyền thông ethernet, thiết bị dễ dàng ghép nối vào mạng điều khiển công nghiệp + Hỗ trợ cổng gỡ rối, thuận tiện cho kỹ sƣ phát triển sửa chữa, nâng cấp firmware 1.2 Về phần mềm: + Phần mềm đơn giản, trực quan, thân thiện với ngƣời dùng Nó thể qua việc bố trí nút bấm chức năng, đồ thị hiển thị 1.3 Những vấn đề tồn đề tài hƣớng giải Giảm thiểu sai số phép đo:Nguyên nhân sai số xuất phát từ hai yêu tố - Bản thân thiết bị đo có sai số trình lấy mẫu ADC - Cảm biến đo dòng gây sai số đặc biệt với dòng diện có giá trị nhỏ Cách khắc phục: Sử dụng nhiều đầu đo lấy giá trị trung bình đầu đo Trên đầu đo, phần mềm đƣợc tích hợp thêm phần lọc nhiễu ADC cách lấy nhiều mẫu chia trung bình, sử dụng lọc thông thấp bậc ba với nghìn mẫu đầu vào Bảo mật liệu đảm bảo tính toàn vẹn liệu Nguyên nhân: - Mạng Ethernet không ổn định, làm gói tin trình kết nối - Dữ liệu đƣợc gửi dƣới dạng văn Cách khắc phục: - Tích hợp thêm chế sửa lỗi báo nhận với tin tin đƣợc gửi nhiều lần - Mã hóa tin trƣớc gửi thuật toán đảo mã ký tự 15 - Chèn thêm thông tin tính CRC, checksum v v… 1.4 Hƣớng phát triển luận văn Đề tài xây dựng đƣợc tảng ban đầu việc giám sát truyền liệu thông số điện thông qua mạng ethernet Trong tƣơng lai, để áp dụng vào thực tế, thiết bị cần tối ƣu hóa phần cứng, giảm thiểu sai số đo lƣờng, loại bỏ khối chức không cần thiết để hạ giá thành sản phẩm Đồng thời sản phẩm phải hỗ trợ hạ tầng mạng tiên tiến nhƣ GPRS/3G, đảm bảo tốc độ nhanh không bị liệu, chi phí rẻ Giải pháp sau đƣợc hoàn thiện có khả thay giải pháp ghi số liệu điện truyền thống Đồng thời xây dựng đƣợc sở liệu lớn phục vụ cho việc phát triển dịch vụ giá trị gia tăng khác Phần mềm quản lý phải đƣợc viết lại dƣới dạng ứng dụng web hỗ trợ chạy tảng di động để phục vụ số đông ngƣời dùng Ngoài ra, phần mềm đƣợc tích hợp thêm tính nhƣ dự đoán công suất tiêu thụ, đƣa giải pháp tiết kiệm điện cho khách hàng dựa sở liệu thói quen sử dụng khách hàng References Tran Quang Vinh, Pham Manh Thang, Phung Manh Duong, “Controlling Communication Network in the Building Automation System,” Journal of Science,Vietnam National University, pp.129-140, Vol.26, 2010 Nguyễn Kim Giao (2004), Kỹ Thuật Số, NXB ĐHQG Trần Quang Vinh, đề tài “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo cấu kiện hệ thống tự động hóa phục vụ giám sát, điều khiển, điều hành cho tòa nhà cao tầng (nhà công ích dân dụng)”, mã số: KC.03.12/06-10 Website: http://www.alldatasheets.com http://www.microchip.com http://www.picvietnam.com http://www.hanrun.com/hren/product.asp?id=322 16