Ứng dụng công nghệ IoT thiết kế hệ thống giám sát điện năng: Áp dụng cho phụ tải điện hạ áp 220VAC

Công nghệ IoT trên nền tảng Thingspeak cloud được nghiên cứu ứng dụng trong bài báo này để thiết kế hệ thống giám sát điện năng đối với mạng điện hạ áp 220VAC. Phần cứng của hệ thống được thiết kế bằng cách sử dụng các môđun bao gồm: PZEM004T, Wemos D1 R1 Arduino có tích hợp môđun ESP8266.

JOURNAL OF SCIENCE Q U Y N H O N U N I V E RS I T Y An IoT application for power monitoring system: A case study of 220VAC low voltage load Ho Van Trinh1,2, Le Van Tho3, Ngo Minh Khoa4,* Graduate student course 21, Faculty of Engineering and Technology, Quy Nhon University, Vietnam Binh Dinh College (Campus - Hoai Nhon), Vietnam Undergraduate student course 38, Faculty of Engineering and Technology, Quy Nhon University, Vietnam Faculty of Engineering and Technology, Quy Nhon University, Vietnam Received: 18/12/2019; Accepted: 10/02/2020 ABSTRACT An IoT technology based on Thingspeak cloud is studied in this paper to design a power monitoring system of 220VAC low voltage networks The hardware unit of this system is designed by using modules including PZEM004T, Wemos D1 R1 Arduino with ESP8266 module This system can easily measure, acquire and monitor electrical quantities including voltage, current, active power and consumption energy of 220VAC low voltage loads The system in this paper shows the application of Thingspeak cloud for power monitoring at two different locations of low voltage loads via Internet Keywords: IoT, control and monitoring, electric energy, PZEM004T, Wemos D1 R1 Corresponding author Email: ngominhkhoa@qnu.edu.vn * Journal of Science - Quy Nhon University, 2020, 14(1), 79-86 79 TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN Ứng dụng công nghệ IoT thiết kế hệ thống giám sát điện năng: Áp dụng cho phụ tải điện hạ áp 220VAC Hồ Văn Trình1,2, Lê Văn Thơ3, Ngô Minh Khoa4,* Học viên cao học K21, Khoa Kỹ thuật Công nghệ, Trường Đại học Quy Nhơn, Việt Nam Trường Cao đẳng Bình Định (Cơ sở - Hoài Nhơn), Việt Nam Sinh viên K38, Khoa Kỹ thuật Công nghệ, Trường Đại học Quy Nhơn, Việt Nam Khoa Kỹ thuật Công nghệ, Trường Đại học Quy Nhơn, Việt Nam Ngày nhận bài: 18/12/2019; Ngày nhận đăng: 10/02/2020 TĨM TẮT Cơng nghệ IoT tảng Thingspeak cloud nghiên cứu ứng dụng báo để thiết kế hệ thống giám sát điện mạng điện hạ áp 220VAC Phần cứng hệ thống thiết kế cách sử dụng môđun bao gồm: PZEM004T, Wemos D1 R1 Arduino có tích hợp mơđun ESP8266 Hệ thống dễ dàng đo lường, thu thập giám sát thơng số như: điện áp, dịng điện, cơng suất tác dụng, điện tiêu thụ phụ tải điện hạ áp 220VAC Hệ thống báo thể ứng dụng Thingspeak để giám sát điện hai vị trí phụ tải điện hạ áp khác thơng qua Internet Từ khóa: Cơng nghệ IoT, điều khiển giám sát, điện năng, PZEM004T, Wemos D1 R1 ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, công nghệ IoT xu phát triển tập đồn cơng nghệ giới IoT kết nối thiết bị với Internet, thiết bị điện phải giao tiếp với giao tiếp với máy tính bảng với Internet để tạo thành hệ thống thông minh trao đổi liệu, điều khiển lẫn IoT trở thành xu hướng công nghệ ảnh hưởng ngày lớn tới đời sống giới có ứng dụng vơ rộng rãi nhiều lĩnh vực tương lai, có ngành điện Trong hệ thống điện, việc ứng dụng cơng nghệ IoT cải thiện đáng kể hiệu khả vận hành lưới điện thơng minh nay.1,2 Trong đó, hai cơng trình trình bày tổng quan vai trị, tác động thách thức việc ứng dụng công nghệ IoT hệ thống điện1 hệ thống cảm biến đại hệ thống điện tương lai.2 Liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu báo, hệ thống thu thập liệu điện tiêu thụ nhà thông minh truyền liệu đến server trung tâm để phục vụ xử lý phân tích sau đó.3 Hệ thống giám sát điện áp dịng điện thơng minh đề xuất;4 giám sát hệ thống điện ba pha sử dụng Arduino vi điều khiển để đọc điện áp dòng điện từ cảm biến, sau truyền khơng dây liệu đo lường để giám sát kết đo sử dụng ứng dụng Android Một hệ thống quản lý nhà điều khiển thiết bị di động cách tích hợp Arduino với AppInventor.5 Trong đó, phương pháp để giám sát Tác giả liên hệ Email: ngominhkhoa@qnu.edu.vn * 80 Tạp chí Khoa học - Trường Đại học Quy Nhơn, 2020, 14(1), 79-86 JOURNAL OF nguồn cung cấp hai mạch tải (tải 1.1 tải 1.2) Các tín hiệu dịng điện điện áp mạch nguồn thu thập môđun PZEM004T đưa xử lí trung tâm (Wemos D1 R1) hệ thống vị trí SCIENCE Q U Y N H O N U N I V E RS I T Y tham số chất lượng điện cách sử dụng Ethernet dựa đo đếm điện thông minh.6 Dữ liệu điện tiêu thụ truyền đến server thiết bị đo lượng thông minh lưu trữ đó; chương trình LabVIEW sử dụng để phân tích liệu từ server thơng số chất lượng điện tính tốn Bo mạch Arduino nghiên cứu ứng dụng để thiết kế hệ thống đo đếm điện thông minh.7,8 Như việc ứng dụng công nghệ IoT việc thiết kế hệ thống giám sát chất lượng điện hướng quan tâm nghiên cứu Bài báo nghiên cứu đề xuất ứng dụng công nghệ IoT dựa tảng Thingspeak để thiết kế hệ thống giám sát điện vị trí phụ tải điện hạ áp 220VAC khác Cấu trúc phần cứng hệ thống sử dụng thiết bị PZEM004T, bo mạch Wemos D1 R1 Arduino, môđun rơle,… để thực tính thu thập, xử lý, tính tốn hiển thị thơng số vị trí giám sát + Vị trí 2: phần mạch lực gồm có mạch nguồn cung cấp mạch tải (tải 2.1, tải 2.2 tải 2.3) Các tín hiệu điện áp, dịng điện mạch 2.3 (giả định mạch tải quan trọng vị trí nguồn cung cấp mạch tải 2.3 (giả định cần giám sát điện năng) hai mạch tải quan trọng vịđược trí thu cần thập giámbằng sát điện năng) thu thập môđun PZEM004T đưahai vềmơđun xử PZEM004T lí trung tâm đưa vềD1 bộR1) xử lícủa trung tâm (Wemos (Wemos hệ thống vị tríD1 R1) hệ thống vị trí Sauthukhithập thuđược thập đượcgiácác điện áp, Sau trị giá điệntrịáp, dịng dịng điện, cơng suất tác dụng, điện tiêu thụ điện, công suất tác dụng, điện tiêu thụ cáccác vị trí giámgiám sát, hệ trí vị cần trí cần sát,thống hệ thống tạivịmỗi vị gửi giá trị lên Thingspeak cloud, sau trí gửi giá trị lên Thingspeak cloud, từ Thingspeak cloud gửi lên Webpage sau từ Thingspeak thơng gửi lên Thingspeak hiển thịcloud kết sốWebpage giám sát Thingspeak hiển thị kết thông số giám sát phụ tải dạng đồ thị phụ tải dạng đồ thị Tải 1.1 Trong báo này, tác giả tập trung vào thiết kế hệ thống giám sát điện vị trí khác dựa Webpage Thingspeak cho đối tượng phụ tải điện pha 220VAC Phần mạch lực hệ thống thiết kế thể hình Hai vị trí cần giám sát điện hệ thống mơ tả sau: + Vị trí 1: phần mạch lực gồm có mạch nguồn cung cấp hai mạch tải (tải 1.1 tải 1.2) Các tín hiệu dịng điện điện áp mạch nguồn thu thập môđun PZEM004T đưa xử lí trung tâm (Wemos D1 R1) hệ thống vị trí + Vị trí 2: phần mạch lực gồm có mạch nguồn cung cấp mạch tải (tải 2.1, tải 2.2 tải 2.3) Các tín hiệu điện áp, dịng điện mạch nguồn cung cấp mạch tải PZEM004T Hệ thống điều khiển giám sát điện vị trí (ESP8266) Tải 1.2 Tải 2.2 Mạch đo PZEM-004T dụng để đo thông số suất điệ giao tiếp U tới vi điề ứng dụn điện AC đa 004T nhỏ g cách ly an 100A, mạch tốt, độ bề PZEM004T • PZEM004T PZEM004T 2.2 Mơđun • Thingspeak cloud Nguồn 220VAC Tải 2.1 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG Thingspeak cloud Nguồn 220VAC Hình Mơđ Hệ thống điều khiển giám sát điện vị trí (ESP8266) • • Tải 2.3 Hình Sơ đồ hệ thống điều khiển, giám sát điện Hìnhqua Sơ đồ hệ thống điều khiển, giám sát điện năng Thingspeak • • Phần cứng hệ thống thiết kế dựa Phần cứng hệcủa thống được thiết kế dựa mơ trình trên.mơđun Các mơđun phầnphần mơ tả đãtảtrình bày ởbày trên.ở Các hệcủa thống trình nhưbày sau.như sau: hệ thống đượcbày trình • qua Thingspeak 2.1.Môđun Môđun Wemos Wemos D1 2.1 D1 R1 R1Arduino Arduino Wemos D1 R1 Arduino thể hình Wemos D1mạch R1 Arduino thể hiệnMơđun board phát triển dựa hình boardvàmạch triển dựa ESP8266-12E đượcđược thiết phát kế theo tiêu chuẩn board mạch Arduino UNO,thiết tương với Môđun ESP8266-12E kế thích theo tiêu chuẩn board mạch Arduino UNO, tương thích với Arduino IDE NodeMCU Wemos D1 R1 Arduino tích hợp Wifi, dễ dàng thực ứng dụng thu thập liệu điều khiển thiết bị thơng qua Wifi Nó có khả chuyển đổi điện áp board, cho phép cấp điện áp DC 9-24V để chuyển đổi thành 5V với dòng tối đa 1A Journal of Science - Quy Nhon University, 2020, 14(1), 79-86 81 Chứ dòng Chứ báo kíp b Chứ nguồ Chứ lượn Lưu Chứ điện Chứ tiếp thơn số) TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN Hình Mơđun Wemos D1 R1 Arduino 2.2 Môđun PZEM004T Mạch đo điện AC đa 100A giao tiếp UART PZEM-004T thể hình sử dụng để đo theo dõi gần hoàn tồn thơng số điện năng: điện áp, dịng điện, công suất điện tiêu thụ Môđun sử dụng giao tiếp UART dễ dàng kết nối truyền liệu tới vi điều khiển máy tính, thích hợp cho ứng dụng giám sát điện năng, IoT, Mạch đo điện AC đa 100A giao tiếp UART PZEM-004T nhỏ gọn, dễ lắp đặt, sử dụng cách đo dịng cách ly an tồn khả đo dịng lên đến 100A, mạch có chất lượng gia công linh kiện tốt, độ bền cao Các chức PZEM004T: Hình Hình ảnh PZEM004T thực tế 2.3 Môđun rơle kênh Môđun rơle kênh 5V gồm rơle hoạt động điện áp 5VDC chịu hiệu điện lên đến 250VAC 10A Môđun rơle kênh 5V thiết kế chắn, khả cách điện tốt Trên mơđun có sẵn mạch kích rơle sử dụng transistor IC cách ly quang giúp cách ly hoàn toàn mạch điều khiển (vi điều khiển) với rơle bảo đảm vi điều khiển hoạt động ổn định tiện dụng kết nối với vi điều khiển Môđun rơle kênh sử dụng chân kích mức thấp (0V), có tín hiệu 0V vào chân IN rơle nhảy qua thường hở rơle • Chức đo thơng số điện (điện áp, dịng điện, cơng suất, điện năng) • Chức báo động tải (trên ngưỡng báo động điện, đèn flash nguồn cịi kêu kíp báo động) • Chức cài đặt ngưỡng báo động nguồn • Chức cài đặt lại phím lượng • Lưu trữ liệu tắt nguồn • Chức hiển thị số màu đỏ (hiển thị điện áp, dịng điện, cơng suất, điện năng) • Chức giao tiếp nối tiếp (có thể giao tiếp với loạt thiết bị đầu cuối thông qua chân, đọc thiết lập thơng số) 82 Hình Mơđun rơle kênh 2.4 Tổng thể phần cứng Sau thiết kế sơ đồ lắp ráp chi tiết, tác giả tiến hành lắp ráp hệ thống thực nghiệm hình Tạp chí Khoa học - Trường Đại học Quy Nhơn, 2020, 14(1), 79-86 JOURNAL OF SCIENCE Q U Y N H O N U N I V E RS I T Y Hình Kết giám sát thơng số mạch nguồn vị trí hiển thị Thingspeak Hình 10 Kết thơng số mạch tải 2.3 vị trí hiển thị Thingspeak KẾT LUẬN Hệ thống giám sát điện năng: Áp dụng cho phụ tải điện hạ áp 220VAC thiết kế báo thực chức giám sát thời gian thực thơng số: điện áp, dịng điện, công suất tác dụng, điện tiêu thụ,… cách hiển thị thơng số lên hình PZEM004T, giám sát nhiều vị trí giám sát thơng số thơng qua máy tính smartphone có kết nối với hệ thống thơng qua phương thức Journal of Science - Quy Nhon University, 2020, 14(1), 79-86 85 TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN truyền thơng mạng Internet Wifi Do đó, khách hàng truy cập nơi nào, thời điểm miễn truy cập Internet, 3G, 4G người vận hành quản lý giám sát hệ thống Với tính theo dõi lượng điện tiêu thụ phụ tải, xuất báo cáo thông số đo đến khách hàng sử dụng điện Các kết hình giám sát hiển thị đồ thị để giúp khách hàng dễ dàng theo dõi tình trạng làm việc hệ thống cập nhật liên tục theo thời gian thực Thiều Minh Đức, Nguyễn Hoàng Nam, Bùi Đăng Thảnh, Nguyễn Huy Phương, Trịnh Công Đồng Ứng dụng kiến trúc mở Arduino thiết kế thiết bị giám sát điện khơng dây, Hội nghị tồn quốc lần thứ Điều khiển Tự động hóa - VCCA, 2015 Mohannad Jabbar Mnati, Alex Van den Bossche and Raad Farhood Chisab Smart Voltage and Current Monitoring System for Three Phase Inverters Using an Android Smartphone Application, Sensors 2017, 17(4) TÀI LIỆU THAM KHẢO Bùi Đăng Thảnh, Giang Hồng Quân, Nguyễn Hoàng Nam Lưới điện thông minh khả ứng dụng Việt Nam, Tạp chí tự động hóa ngày nay, 2016, 178-179 Nguyễn Đức Khoát, Khổng Cao Phong Hệ thống quản lý & giám sát tiêu thụ điện năng, Tạp chí tự động hóa ngày nay, Số 153 (10/2013) Nguyễn Trung Kiên Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát, luận văn thạc sĩ, Trường ĐHBK Hà Nội, 2013 86 P Srividyadevi, D.V Pusphalatha and P.M Sharma Measurement of Power and Energy Using Arduino, Research Journal of Engineering Sciences, 2013, 2(10), 10-15 K N Ramli, A Joret and N H Saad Development of Home Energy Management System Using Arduino, 2014 P.P Machado Jr, T.P Abud, M.Z Fortes, B.S.M.C Borba Power factor metering system using Arduino, 2017 IEEE Workshop on Power Electronics and Power Quality Applications, Bogota, Colombia, 31 May-2 June 2017 Tạp chí Khoa học - Trường Đại học Quy Nhơn, 2020, 14(1), 79-86 ... NHƠN Ứng dụng công nghệ IoT thiết kế hệ thống giám sát điện năng: Áp dụng cho phụ tải điện hạ áp 220VAC Hồ Văn Trình1,2, Lê Văn Thơ3, Ngơ Minh Khoa4,* Học viên cao học K21, Khoa Kỹ thuật Công nghệ, ... thập giám sát thông số như: điện áp, dịng điện, cơng suất tác dụng, điện tiêu thụ phụ tải điện hạ áp 220VAC Hệ thống báo thể ứng dụng Thingspeak để giám sát điện hai vị trí phụ tải điện hạ áp khác... nghiên cứu đề xuất ứng dụng công nghệ IoT dựa tảng Thingspeak để thiết kế hệ thống giám sát điện vị trí phụ tải điện hạ áp 220VAC khác Cấu trúc phần cứng hệ thống sử dụng thiết bị PZEM004T, bo