nghiên cứu bộ đo và thiết kế mạch giám sát điện năng từ xa

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ====o0o==== BÁO CÁO ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU BỘ ĐO VÀ THIẾT KẾ MẠCH GIÁM SÁT NĂNG LƯỢNG TỪ XA” GVHD: ThS Nguyễn Trường Giang Người thực hiện: Nguyễn Hồng Duy Hoàng Văn Nhật Trần Thị Ngà Hà Nội, 10/2016 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT CTS[10] (Clear To Send): DCE báo cho DTE biết nhận data, chân số DTE[3] (Data Terminal Equipment) :thiết bị cuối xử lý số liệu (hoặc liệu) DCE[6] (Data circuit terminal Equipment):thiết bị làm nhiệm vụ nối DTE với đường truyền thơng DTR[7] (Data Terminal Ready): tín hiệu báo hiệu DTE cho DCE biết DTE hoạt động, chân số 20 DSR[8] (Data Set Ready): tín hiệu báo hiệu DCE cho DTE biết DCE hoạt động, chân số 6 I2C[12]( Inter – Intergrated Circuit): đường Bus giao tiếp IC với nhau, sử dụng cho truyền thông tốc độ thấp I2S[14]:( Inter Intergrated _ circuit Sound): sử dụng cho truyền thông nối tiếp đồng , liệu âm ADC , DSP , DAC khơng phải đường bus , điểm tới điểm NFC[2] (Near-Field Communications):cơng nghệ kết nối không dây phạm vi tầm ngắn khoảng cách cm PLC[4] (Programmable logic Controller): thiết bị điều khiển lập trình 10 PC[5] (Personal Computer): Máy tính cá nhân 11 RFID[1]: (Radio Frequency Identification): cơng nghệ nhận dạng đối tượng sóng vơ tuyến 12 RTS[9] (Request To Send): DTE báo cho DCE biết nhận data, chân số 13 RAM[32]( Random Access Memory): nhớ khả biến cho phép đọc ghi ngẫu nhiên 14 ROM[33( Read Only Memory): Bộ nhớ đọc 15 SPI[11] (Serial Peripheral Bus): chuẩn truyền thông nối tiếp tốc độ cao 16 TCP/IP[13]: giao thức kiểm soát truyền tải (Transmis sion Control Protocol)-giao thức internet ( Internetn protocol –IP) 17 TTL[34]( Transistor- Transistor Logic): Là lớp mạch kỹ thuật số xây dựng từ transistor lưỡng cực( BJT) 18 UART[11] (Universal Asynchronous Receiver – Transmitter): mạch tích hợp sử dụng việc truyền dẫn liệu nối tiếp máy tính thiết bị ngoại vi DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 2.1: Hệ thống giám sát quản lý lượng từ xa qua sóng vơ tuyến RF Hình 2.2: Hệ thống giám sát quản lý lượng từ xa sử dụng hệ thống dây điện có sẵn PLC (Power Line Communication) Hình 2.3: Ghép nối trực tiếp Hình 2.4 hình ảnh modul wifi ESP 8266 V12 Hình 2.5 Sơ đồ khối ESP8266 Hình 2.6 Sơ đồ chân ESP8266 Hình 2.7 : Sơ đồ chân ngõ ESP-12 Hình 2.8 Đồng hồ PZEM-004T Hình 2.9 Sơ đồ đấu nối dây đồng hồ Pzem-004T Hình 2.10: Phần mềm Blynk cài IOS, Android Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý làm việc Blynk Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống Hình 3.2: Sơ đồ đấu dây phụ tải Hình 3.3: Đồng hồ PZEM-004T hiển thị thơng số q trình đo Hình 3.4: Sơ đồ đấu nối giao tiếp PZEM-004T ESP8266 Hình 3.5: Sơ đồ chuyển đổi Blynk ESP 8266 Hình 3.6: Màn hình hiển thị thơng số thu thập app Blynk Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý module thu, phát liệu ESP 8266 Hình 3.8: Sơ đồ dây Hình 3.9: Mạch in 3D Hình 3.10: Mạch in file PDF Hình 3.11: Sản phẩm hoàn thiện DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: Chức chân ESP 8266 Bảng 2.2: Mô tả giao tiếp Bảng 2.3: Thông số chung Bảng 2.4: Chế độ hoạt động chân LỜI CẢM ƠN Lời đầu chúng em xin chân thành cám ơn Th.s: Nguyễn Trường Giang – Trưởng Phòng Thí Nghiệm Bộ Mơn Kỹ thuật điện – Điện tử Trường Đại H ọc M ỏ Địa chất, người thầy hết lòng dẫn, truyền đạt ki ến th ức chuyên môn kinh nghiệm liên quan cho chúng em su ốt trình nghiên cứu đề tài Xin chân thành cám ơn đến tất Quý Thầy, Cơ nhà trường nói chung thầy mơn Kỹ thuật điện – Điện tử nói riêng Trường Đại Học M ỏ Đị a ch ấ t giảng dạy, trang bị cho cho chúng em kiến thức bổ ích quí báu suốt q trình học tập để chúng em áp dụng nghiên cứu hoàn thành đề tài Xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu, Ban chủ nhiệm khoa Cơ - Điện, B ộ môn Kỹ thu ậ t ệ n – Đi ệ n t Trường Đại Học Mỏ - Địa chất tạo điều kiện tốt vật chất lẫn tinh thần để chúng em hoàn thành tốt đề tài LỜI CAM ĐOAN Chúng em xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng chúng em cố gắng thành viên nhóm đạt Các số liệu, kết nêu đề tài trung thực chưa công bố cơng trình khác Chúng em xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực đề tài cảm ơn thông tin trích dẫn đề tài rõ nguồn gốc LỜI MỞ ĐẦU Ngày với phát triển không ngừng khoa học kĩ thu ật, làm cho sống ngày nâng cao m ọi m ặt c ả sinh ho ạt hàng ngày sản xuất Với xu hướng tự động hoá mục tiêu tăng suất lao động nhiều thiết bị máy móc mạch ện tử đ ược nghiên cứu cho đời để ứng dụng vào thực tế Với đ ời m ạch ện tử làm tăng đáng kể suất lao động làm gi ảm sức lao đ ộng c người trình sản xuất Vì vậy, ứng dụng mang tính tự động ngày sử dụng rộng rãi Trong có đóng góp không nhỏ lĩnh vực công nghệ thông tin, internet, điện tử truyền thơng, tạo m ối liên k ết gi ữa máy tính với liên kiết với mạch điện tử vi ều ển đ ể điều thiết bị đối tượng từ xa điều khiển robot, điều ển tivi,vv… Các ứng dụng liên kết internet với vi ều ển liên tục đ ược c ải ti ến s dụng ngày phổ biến mặt đời sống xã hội Hầu h ết thi ết b ị ứng dụng từ thiết bị tự động cho văn phòng đến gia đình hay nhà xưởng dùng thiết bị điều khiển từ xa đem lại s ự ti ện nghi cho người thời đại cơng nghiệp hóa, đại hóa CHƯƠNG :TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1 Lý chọn đề tài Năng lượng điện nguồn lượng sản xuất từ việc chuy ển đổi nguồn lượng khác như: nước, than đá, dầu, khí tự nhiên m ột s ố nguồn tự nhiên khác cung cấp trạm phát ện sau truyền qua dây đồng tùy thuộc vào khoảng cách dài hay ngắn đ ể s d ụng ện triệt để Năng lượng điện coi nguồn lượng quan trọng ngành công nghiệp, dịch vụ, tổ chức hộ gia đình vừa ngành sản xuất vừa ngành kết cấu hạ tầng cho toàn kinh tế - xã hội, Chính ngành lượng có ý nghĩa quan trọng tiến trình phát triển bền vững kinh tế quốc dân đời sống dân sinh Trong giới công nghệ cao ngày nay, lượng điện sử dụng khắp nơi xung quanh Tuy nhiên hữu thực tế nguồn lượng truyền thống cạn kiệt dần tỷ lệ thuận với tốc độ phát triển kinh tế với hàng năm ngành điện nước ta bỏ số tiền không nhỏ để chi trả cho công việc ghi số, sửa công tơ điện mà cần thang nh ất công nhân th ực Nhiều công đoạn sản suất kinh doanh v ẫn thô s ơ, t ốn nhi ều nhân công nguyên nhân khiến suất lao đ ộng ngành điện Việt Nam 40% Thái Lan , 60% Malaysia th ậm chí 10% Singapore Với công nghệ lạc hậu, thiết bị cũ kỹ, ý thức tiết kiệm sử dụng lượng đơn vị cá nhân xã hội chưa thành tiềm thức, tự giác nguyên nhân dẫn đến hiệu sử dụng lượng nước ta thấp Đối với nguồn lượng điện nay, công tác kiểm tra mức tiêu thụ điện khách hàng doanh nghiệp sử dụng ph ương pháp thủ công Phương pháp bộc lộc nhiều nhược điểm như: nhi ều th ời gian, thời điểm khơng thể kiểm sốt mức tiêu thụ điện hộ tiêu thụ doanh nghiệp, khơng ki ểm sốt đ ược m ức tiêu thụ pha, gây khó khăn việc xây dựng kế hoạch cân b ằng pha tương lai, khó phát hành vi gian lận điện Vấn đề “cái thang đọc số điện” s ố vấn đề mà ngành ện cần giải quyết.Ngồi nhiều vấn đề ngành điện doanh nghiệp gặp phải như: - Làm giảm thiểu nhân công mà suất đảm bảo - Làm quản lý, vận hành khoa học - Làm nâng cao hiệu làm việc thiết bị - Giảm lãng phí,hao hụt - Minh bạch đo lường,độ xác cao - Đảm bảo an tồn lao động Đó vấn đề mà ngành điện Việt Nam doanh nghi ệp nước quan tâm Với mong muốn giải phần khó khăn tìm m ột hướng cho ngành điện Việt Nam, nhóm chúng em bắt tay vào nghiên cứu thực đề tài: “ NGHIÊN CỨU BỘ ĐO VÀ THIẾT KẾ MẠCH GIÁM SÁT NĂNG LƯỢNG TỪ XA” 1.1.1 Giám sát lượng Giám sát lượng việc kiếm soát theo dõi thông s ố lượng để tổ chức thực sử dụng lượng cách tiết kiệm hiệu nhằm đạt lợi nhuận cao (chi phí thấp nhất) Sử dụng lượng tiết kiệm hiệu không đồng nghĩa với việc cắt giảm lượng dù bị thiếu hụt Sử dụng lượng tiết kiệm hiệu việc áp dụng biện pháp quản lý kỹ thuật nhằm giảm tổn thất, giảm mức tiêu thụ lượng phương tiện, thiết bị mà đảm bảo nhu cầu, mục tiêu đặt trình sản xuất đời sống 1.1.2 Tầm quan trọng Quản lý giám sát lượng Quản lý giám sát lượng chìa khóa để tiết kiệm lượng Các tổ chức thương mại, cơng nghiệp phủ, năm gần 10 3.6 Chương trình điều khiển #include #include #include #include "EEPROM.h" #define BLYNK_PRINT Serial // Comment this out to disable prints and save space #include #include #include // Arduino IDE = 0.0){ Blynk.virtualWrite(V2, i); Serial.print(i);Serial.print("A; "); } float p = pzem.power(ip); if(p >= 0.0){ Blynk.virtualWrite(V3, p); Serial.print(p);Serial.print("W; ");} float e = pzem.energy(ip); if(e >= 0.0){ Blynk.virtualWrite(V4, e); Serial.print(e);Serial.print("Wh; ");} float pf; // power factor if((v >= 0.0) && (i >= 0.0) && (p >= 0.0)) { pf = ((1000 * p) / (v * i) / 1000); // pf = ((1000 * 1000 * p) / (v * i) * 100); * 100 e.g 98.17 rather than 9817 Blynk.virtualWrite(V5, pf); Serial.print(pf); Serial.print("%; "); } float total; //gia tien dien evn: 1786k 1kw if((e >= 0.0)) { 56 total = ((e * 1786)/1000); Blynk.virtualWrite(V6, total); Serial.print(total); Serial.print("vnđ; "); } Serial.println(); } // thong bao mat dien tren man hinh // hien thi wifi void sendWifi() { Blynk.virtualWrite(V7, map(WiFi.RSSI(), -105, -40, 0, 100) ); } void setup() { Serial.begin(9600); ArduinoOTA.begin(); //Delay 5m, Red blink pinMode(13, OUTPUT); pinMode(15, OUTPUT); for (int i = 1; i < 3; i++) { digitalWrite(15, HIGH); delay(500); digitalWrite(15, LOW); 57 delay(500); } EEPROM.begin(512); delay(10); Serial.println("Startup"); // read eeprom for ssid, pass and blynk Serial.println("Reading EEPROM ssid"); String esid; for (int i = 0; i < 32; ++i) { esid += char(EEPROM.read(i)); } Serial.print("SSID: "); Serial.println(esid.c_str()); esid.trim(); Serial.println("Reading EEPROM pass"); String epass = ""; for (int i = 32; i < 96; ++i) { epass += char(EEPROM.read(i)); } Serial.print("PASS: "); Serial.println(epass.c_str()); epass.trim(); Serial.println("Reading EEPROM blynk"); String eblynk = ""; for (int i = 96; i < 128; ++i) 58 { eblynk += char(EEPROM.read(i)); } Serial.print("BLYNK: "); Serial.println(eblynk.c_str()); eblynk.trim(); if ( esid.length() > ) { WiFi.begin(esid.c_str(), epass.c_str()); if (testWifi()) { launchWeb(0); WiFi.disconnect(); char * auth_ = new char[eblynk.length() + 1]; eblynk.toCharArray(auth_, eblynk.length() + 1); Blynk.begin(auth_, esid.c_str(), epass.c_str()); EEPROM.end(); return; } } setupAP(); EEPROM.end(); } bool testWifi(void) { int c = 0; Serial.println("Xin vui long doi ket noi WIFI"); 59 while ( c < 20 ) { if (WiFi.status() == WL_CONNECTED) { return true; } delay(1000); Serial.print(WiFi.status()); c++; } Serial.println(""); Serial.println("Thoi gian ket noi cham, Mo AP"); return false; } void launchWeb(int webtype) { Serial.println(""); Serial.println("WiFi ket noi"); Serial.print("Dia chi IP: "); Serial.println(WiFi.localIP()); Serial.print("SoftAP IP: "); Serial.println(WiFi.softAPIP()); createWebServer(webtype); // Start the server server.begin(); Serial.println("May chu bat dau"); } void setupAP(void) 60 { WiFi.mode(WIFI_STA); WiFi.disconnect(); delay(100); int n = WiFi.scanNetworks(); Serial.println("Tim hoan tat"); if (n == 0) { Serial.println("no networks found"); } else { Serial.print(n); Serial.println(" networks found"); for (int i = 0; i < n; ++i) { // Print SSID and RSSI for each network found Serial.print(i + 1); Serial.print(": "); Serial.print(WiFi.SSID(i)); Serial.print(" ("); Serial.print(WiFi.RSSI(i)); Serial.print(")"); Serial.println((WiFi.encryptionType(i) == ENC_TYPE_NONE) ? " " : "*"); delay(10); } } Serial.println(""); st = "

"; for (int i = 0; i < n; ++i) 61 { // Print SSID and RSSI for each network found st += "
1. "; st += WiFi.SSID(i); st += " ("; st += WiFi.RSSI(i); st += ")"; st += (WiFi.encryptionType(i) == ENC_TYPE_NONE) ? " " : "*"; st += "
"; } st += "

"; delay(100); Serial.println("softap"); Serial.println(ssid); Serial.println(passphrase); WiFi.softAP(ssid, passphrase, 6); launchWeb(1); Serial.println("over"); } void createWebServer(int webtype) { if ( webtype == ) { server.on("/", []() { IPAddress ip = WiFi.softAPIP(); String ipStr = String(ip[0]) + '.' + String(ip[1]) + '.' + String(ip[2]) + '.' + String(ip[3]); 62 content = "\r\nBLYNK.VN"; //content += ipStr; //content += "Wifi && qpass.length() > 0) { EEPROM.begin(512); Serial.println("clearing eeprom"); for (int i = 0; i < 128; ++i) { EEPROM.write(i, 0); } EEPROM.commit(); Serial.println(qsid); Serial.println(""); Serial.println(qpass); Serial.println(""); Serial.println(qblynk); Serial.println(""); Serial.println("writing eeprom ssid:"); for (int i = 0; i < qsid.length(); ++i) { EEPROM.write(i, qsid[i]); Serial.print("Wrote: "); Serial.println(qsid[i]); } Serial.println("writing eeprom pass:"); for (int i = 0; i < qpass.length(); ++i) { EEPROM.write(32 + i, qpass[i]); Serial.print("Wrote: "); Serial.println(qpass[i]); 64 } Serial.println("writing eeprom blynk:"); for (int i = 0; i < qblynk.length(); ++i) { EEPROM.write(96 + i, qblynk[i]); Serial.print("Wrote: "); Serial.println(qblynk[i]); } EEPROM.commit(); EEPROM.end(); //Chop den xanh sau khu lam xong pinMode(13, OUTPUT); digitalWrite(13, LOW); digitalWrite(13, HIGH); delay(500); digitalWrite(13, LOW); content = "{\"Success\":\"Da luu he thong Ban can Khoi dong lai\"}"; statusCode = 200; } else { content = "{\"Error\":\"404 not found\"}"; statusCode = 404; Serial.println("Sending 404"); } server.send(statusCode, "application/json", content); }); } else if (webtype == 0) 65 { server.on("/", []() { IPAddress ip = WiFi.localIP(); String ipStr = String(ip[0]) + '.' + String(ip[1]) + '.' + String(ip[2]) + '.' + String(ip[3]); server.send(200, "application/json", "{\"IP\":\"" + ipStr + "\"}"); }); server.on("/cleareeprom", []() { content = "\r\n"; content += "BLYNK.VN

Clearing the EEPROM

"; server.send(200, "text/html", content); Serial.println("clearing eeprom"); for (int i = 0; i < 128; ++i) { EEPROM.write(i, 0); } //Chop den xanh sau lam xong pinMode(13, OUTPUT); digitalWrite(13, LOW); digitalWrite(13, HIGH); delay(500); digitalWrite(13, LOW); EEPROM.commit(); }); } pzem.setAddress(ip); 66 timer.setInterval(5000L, pzm); timer.setInterval(3000L, sendWifi); } void loop() { ArduinoOTA.handle(); server.handleClient(); Blynk.run(); timer.run(); } 67 KẾT LUẬN  Kết đạt được: Sau trình nghiên cứu tìm hiểu v ới h ướng dẫn nhi ệt tình c Th.S Nguyễn Trường Giang, nhóm em thu số kết quả:  Thiết kế thành công mạch giám sát điện tiêu thụ từ xa sử dụng đồg hồ đo điện pha, hiển thị rõ ràng số liệu ứng dụng Blynk phục vụ cho trình theo dõi lượng điện tiêu thụ hộ gia đình, phân xưởng, nhà máy…  Đã viết chương trình điều khiển, chương trình tạo webserver để đăng nhập vào mạng wifi cần kết nối  Lập trình thêm thơng số hệ số cơng suất phản kháng tự động tính tiền điện cho lượng điện tiêu thụ  Mạch chạy tốt, có khả ứng dụng cao vào thực tế  Phương hướng phát triển: - Do kiến thức hạn hẹp, kinh nghiệm chưa nhiều nên đề tài ch ỉ t ạm dừng mức thu thập giám sát điện pha từ xa qua mạng wifi k ết nối với phần mềm Blynk điện thoại - Phương hướng mở rộng, phát triển chúng em nghiên cứu, phát tri ển thêm để ứng dụng mạng điện pha -Từ bước làm chúng em ti ếp tục xây dựng, phát tri ển thêm đưa liệu thu thập lên google sheets phút cập nhật lần để lưu trữ liệu phát cố xảy trình vận hành, v ới google sheet dựa vào thơng số đưa lên đến cuối tháng tự đ ộng tính s ố điện cho doanh nghiệp, hộ gia đình, phân xưởng… để so với hóa đơn ện mà điện lực gửi 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO  Tài liệu tham khảo từ internet: [1] https://vi.wikipedia.org/ [2] http://www.hocavr.com/ [3] http://blynk.vn/ [4] http://arduino.vn/  Các E-book tài liệu tham khảo [1] Hồng Minh Sơn, “Mạng truyền thơng cơng nghiệp”, NXB khoa học kỹ thuật, Hà Nội-2004 [2]Datasheet Pzem-004T [3]Datasheet Esp8266v12 69