Ứng dụng công nghệ m2m phát triển hệ thống tự động hóa quá trình đo lường thu thập số liệu và tính cước cho ngành điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - TRẦN ĐÌNH NGHĨA ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ M2M PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA QUÁ TRÌNH ĐO LƯỜNG, THU THẬP SỐ LIỆU VÀ TÍNH CƯỚC CHO NGÀNH ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Hà Nội – Năm 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - TRẦN ĐÌNH NGHĨA TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ M2M PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA QUÁ TRÌNH ĐO LƯỜNG, THU THẬP SỐ LIỆU VÀ TÍNH CƯỚC CHO NGÀNH ĐIỆN CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT VIỄN THÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Nguyễn Xuân Dũng Hà Nội – Năm 2016 Ứng dụng công nghệ M2M phát triển hệ thống tự động hóa q trình đo lường, thu thập số liệu tính cước cho ngành điện LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu khoa học riêng Các số liệu kết luận văn hoàn toàn trung thực chưa cơng bố cơng trình khoa học khác Hà Nội, ngày tháng năm 2016 Học viên Trần Đình nghĩa GVHD: TS.Nguyễn Xuân Dũng HV: Trần Đình Nghĩa Ứng dụng cơng nghệ M2M phát triển hệ thống tự động hóa q trình đo lường, thu thập số liệu tính cước cho ngành điện LỜI CẢM ƠN Trong trình nghiên cứu nhận hướng dẫn, giúp đỡ tận tình thầy cô viện Điện tử - viễn thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, thầy giáo hướng dẫn, bạn bè, người thân đồng nghiệp, tơi hồn thành luận văn Nhân đây, tơi xin gửi lời cảm ơn Viện Điện tử - viễn thông, Viện Đào tạo sau đại học trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, tạo điều kiện thuận lợi, động viên giúp đỡ tơi hồn thành nghiên cứu Và đặc biệt, tơi xin gửi lời cảm ơn đến thầy giáo TS Nguyễn Xuân Dũng, người định hướng, giúp đỡ, bảo cho tận tình, chu đáo giai đoạn mà tơi nghiên cứu, đảm bảo hoàn thành luận văn tiến độ đảm bảo yêu cầu đề Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn người thân, bạn bè, đồng nghiệp, người bên cạnh, động viên, động lực giúp tơi hồn thành luận văn Tác giả luận văn GVHD: TS.Nguyễn Xuân Dũng HV: Trần Đình Nghĩa Ứng dụng cơng nghệ M2M phát triển hệ thống tự động hóa q trình đo lường, thu thập số liệu tính cước cho ngành điện MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH SÁCH HÌNH VẼ MỞ ĐẦU Giới thiệu đề tài Mục tiêu nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Nội dung nghiên cứu 10 Chương 12 TỔNG QUAN VỀ M2M 12 1.1 Giới thiệu M2M 12 1.1.1 Định nghĩa 12 1.1.2 Kiến trúc M2M 12 1.2 Chuỗi cung ứng dịch vụ M2M 13 1.3 Cơ hội thách thức cho thị trường M2M 15 1.3.1 Cơ hội cho thị trường M2M 16 1.3.2 Thách thức cho thị trường M2M 17 1.4 Xu hướng công nghệ kết nối M2M 18 1.4.1 Xu hướng chung 18 1.4.2 Các lĩnh vực áp dụng mơ hình M2M 22 1.4.3 Tình hình chung thị trường M2M Việt Nam 23 1.5 Mơ hình M2M ngành điện lực Việt Nam 26 1.5.1 Mục tiêu Đề án phát triển lưới điện thông minh 26 1.5.2 Lộ trình phát triển lưới điện thơng minh Việt Nam 28 1.5.3 Tình hình thực tế triển khai lưới điện thông minh Việt Nam 32 Chương 35 GVHD: TS.Nguyễn Xuân Dũng HV: Trần Đình Nghĩa Ứng dụng cơng nghệ M2M phát triển hệ thống tự động hóa q trình đo lường, thu thập số liệu tính cước cho ngành điện PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG 35 2.1 Hệ thống thông tin di động GSM 35 2.1.1 Các hệ thống thông tin di động 35 2.1.2 Hệ thống thơng tin di động tồn cầu GSM 37 2.1.3 Các đặc điểm hệ thống thông tin di động GSM 37 2.1.4 Dịch vụ vơ tuyến gói chung GPRS 39 2.2 Phương thức truyền liệu 41 2.2.1 Bộ giao thức TCP/IP 41 2.2.2 Phương thức truyền liệu GET POST HTML 44 2.3 Sơ đồ phân cấp chức hệ thống 45 2.3.1 Sơ đồ khối tổng quan hệ thống 45 2.3.2 Sơ đồ phân cấp chức hệ thống 46 2.4 Thiết kế bảng sở liệu 46 2.4.1 Bảng người dùng: user 46 2.4.2 Bảng thông tin khách hàng: thong_tin_KH 47 2.4.3 Bảng tiêu thụ điện dien_nang 47 2.4.4 Bảng tiền điện sử dụng tien_dien 49 Chương 50 XÂY DỰNG HỆ THỐNG 50 3.1 Xây dựng phần cứng 50 3.1.1 Cơng tơ điện tích hợp mạch đếm xung 50 3.1.2 Bộ thu phát liệu 52 3.2 Xây dựng phần mềm 61 3.2.1 Lưu đồ thuật toán 61 a Chức xử lý gửi liệu lên server 61 b Chức cập nhật liệu từ client 62 c Chức gửi thông báo cước 62 3.2.2 Lập trình điều khiển hệ thống 63 a Lập trình cho phía client 63 b Lập trình cho phía server 65 GVHD: TS.Nguyễn Xuân Dũng HV: Trần Đình Nghĩa Ứng dụng công nghệ M2M phát triển hệ thống tự động hóa q trình đo lường, thu thập số liệu tính cước cho ngành điện Chương 67 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 67 4.1 Mơ hình hệ thống 67 4.1.1 Mô hình phía client 67 4.1.2 Giao diện trang dành cho khách hàng 68 4.1.3 Giao diện chức quản trị 69 4.2 Vận hành kiểm thử 69 4.3 Đánh giá kết 71 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 PHỤ LỤC 74 GVHD: TS.Nguyễn Xuân Dũng HV: Trần Đình Nghĩa Ứng dụng công nghệ M2M phát triển hệ thống tự động hóa q trình đo lường, thu thập số liệu tính cước cho ngành điện DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt M2M ETSI PAN 2G, 3G BSS BTS CBGV CDMA CEPT Tiếng Anh Machine to Machine European Telecommunications Standards Institute Personal Area Network Second Generation, Third Generation, Base Station Subsystem Base Transceiver Station Thế hệ thứ 2, Code Division MultiAccess European Conference of Postal and Telecommunications Administrations Đa truy nhập phân chia theo mã ETSI Equipment Identity Register European Telecommunications Standards Institute FDMA Frequency Division MultiAccess GPRS General Packet Radio Service Global System for Mobile Communications GSM IMSI ISDN Tổ chức bưu viễn thơng châu Âu Bộ nhận dạng thiết bị Tổ chức Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu Đa truy nhập phân chia theo tần số Dịch vụ vơ tuyến gói chung Mạng di động toàn cầu Học sinh sinh viên HSSV IMEI Phân hệ trạm gốc Trạm gốc Cán giáo viên (giảng viên) Cơ sở liệu CSDL EIR Tiếng Việt International Mobile Equipment Identity International mobile subscriber identity Integrated Services for Digital Network LMSI Local Mobile Subscriber Identity MS MSC PDU PLMN SIM SMS Mobile Station Mobile Switching Center Protocol Data Unit Public Land Mobile Network Subscriber Identity Module Short Message Service GVHD: TS.Nguyễn Xuân Dũng Số liệu nhận dạng di động quốc tế Bộ nhận dạng máy di động quốc tế Mạng số tích hợp đa dịch vụ số nhận dạng thuê bao di động nội Máy di động Trung tâm chuyên mạch di động Đơn vị liệu giao thức Mạng di động mặt đất Thẻ đăng ký Dịch vụ tin ngắn HV: Trần Đình Nghĩa Ứng dụng công nghệ M2M phát triển hệ thống tự động hóa q trình đo lường, thu thập số liệu tính cước cho ngành điện DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1: Kiến trúc mơ hình M2M 12 Hình 1.2: Chuỗi cung ứng dịch vụ M2M 14 Hình 1.3: Các công nghệ kết mối M2M 19 Hình 1.4: Xu hướng công nghệ mạng WAN M2M 20 Hình 1.5: Mơ hình chuyển đổi IMSI qua OTA 20 Hình 1.6: Cơ chế thay đổi IMSI cho SIM M2M 21 Hình 1.7: Các lĩnh vực áp dụng mơ hình M2M 22 Hình 1.8: Số lượng kết nối M2M theo ngành vào năm 2020 23 Hình 1.9: Dự báo số lượng kết nối M2M Việt Nam 24 Hình 1.10: Các lĩnh vực ứng dụng M2M Việt Nam 24 Hình 2.1: Khái quát giáo thức TCP/IP 44 Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ thống 45 Hình 2.3: Sơ đồ tổng quát chức hệ thống 46 Hình 2.4: Bảng người dùng 46 Hình 2.5: Bảng thơng tin khách hàng 47 Hình 2.6: Bảng danh sách khách hàng 47 Hình 2.7: Bảng điện 48 Hình 2.8: thơng tin sử dụng điện khách hàng 48 Hình 2.9: Bảng tiền điện 49 Hình 2.10: Bảng giá cước tiền điện hàng tháng 49 Hình 3.1: Cơng tơ điện pha 51 Hình 3.2: Cảm biến thu phát hồng ngoại 51 Hình 3.3: Mạch thu thập liệu 52 Hình 3.4: Một số chân chức mạch arduino Uno R3 54 Hình 3.5: Phần mềm lập trình cho mạch Arduino 55 Hình 3.6: IC SIM 900A module SIM 900A 58 Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý IC Sim 900A 58 GVHD: TS.Nguyễn Xuân Dũng HV: Trần Đình Nghĩa Ứng dụng công nghệ M2M phát triển hệ thống tự động hóa q trình đo lường, thu thập số liệu tính cước cho ngành điện Hình 3.8: Sơ đồ chân Breakout SIM900A 59 Hình 3.9: Lưu đồ thuật tốn xử lý gửi liệu lên server 61 Hình 3.10: Lưu đồ thuật tốn cập nhật liệu từ client 62 Hình 3.11: Lưu đồ thuật tốn gửi thông báo cước 63 Hình 3.12: Minh họa lập trình cho phía client 64 Hình 3.13: Minh họa lập trình cho phía Server 66 Hình 4.1: Mơ hình client 67 Hình 4.2: Giao diện trang chủ 68 Hình 4.3: Giao diện thơng tin tiền cước khách hàng 68 Hình 4.4: Chức quản lý khách hàng 69 Hình 4.5: Kết thử nghiệm hệ thống 70 GVHD: TS.Nguyễn Xuân Dũng HV: Trần Đình Nghĩa Ứng dụng cơng nghệ M2M phát triển hệ thống tự động hóa q trình đo lường, thu thập số liệu tính cước cho ngành điện 4.1.3 Giao diện chức quản trị Hình 4.4: Chức quản lý khách hàng Chức dành cho người quản trị, sau đăng nhập vào trang bao gồm tính năng: - Chức quản lý khách hàng:  Hiển thị danh sách khách hàng theo nhóm cá nhân doanh nghiệp  Nhập thêm khách hàng sử dụng  Chỉnh sửa thông tin khách hàng có thay đổi  Xóa khách hàng khỏi danh sách - Chức thông tin cước: Liệt kê danh sách khách hàng sử dụng điện tiền điện sử dụng tháng, tính in hóa đơn cho khách hàng - Chức gửi SMS: gửi tin nhắn thông báo cước tiền điện hàng tháng đến khách hàng có đăng ký sử dụng dịch vụ Đây dạng tin nhắn văn 160 ký tự, gửi đến số điện thoại di động khách hàng đăng ký trước 4.2 Vận hành kiểm thử Về mặt kết nối, phía client sử dụng sim Viettel có đăng ký dịch vụ 3G với gói cước MI10 (10.000 đồng/tháng) Phía server, khách hàng truy cập vào website www.shopcuamoa.com Mỗi cần gửi giữ liệu, phía client thiết lập kết nối GPRS với server gửi giữ liệu qua giao thức TCP/IP GVHD: TS.Nguyễn Xuân Dũng 69 HV: Trần Đình Nghĩa Ứng dụng công nghệ M2M phát triển hệ thống tự động hóa q trình đo lường, thu thập số liệu tính cước cho ngành điện Hình 4.5: Kết thử nghiệm hệ thống Hình thể lượng điện tiêu thụ khách hàng Nguyễn Văn A, có tổng số điện tiêu thụ tháng tính từ đầu tháng 319.32 kWh ( 319 số điện) Quá trình thử nghiệm: TT Thời gian (ngày) 10 Trễ truyền lệnh AT (giây) 10 1,5 60 10 10 Chu kì Số lần truyền DL truyền DL (phút) 60 240 Số lần DL Tỉ lệ DL 2,08% 240 0,8% 60 240 0,4% 30 480 0,6% 10 2,5 30 480 0,4% 10 2,5 30 480 0,6% 10 2,5 30 480 0,4% 10 30 480 0,2% 10 30 480 0% GVHD: TS.Nguyễn Xuân Dũng 70 HV: Trần Đình Nghĩa Ứng dụng cơng nghệ M2M phát triển hệ thống tự động hóa q trình đo lường, thu thập số liệu tính cước cho ngành điện Trong bảng kết thử nghiệm thực tế hệ thống Tổng thời gian thử nghiệm tháng chia thành giai đoạn, giai đoạn 10 ngày, chu kì truyền liệu 60 phút gửi lần Giai đoạn 1: với việc đặt thời gian trễ truyền lệnh AT module Sim giây Thì tổng số lần gửi liệu không thành công lần (2,08%) Giai đoạn 2: với việc đặt thời gian trễ truyền lệnh AT module Sim 1,5 giây Thì tổng số lần gửi liệu khơng thành công lần (0,8%) Giai đoạn 3: với việc đặt thời gian trễ truyền lệnh AT module Sim giây Thì tổng số lần gửi liệu không thành công lần (0,8%) Cứ giai đoạn thứ 9, giai đoạn có điều chỉnh thời gian trễ lần gửi lệnh AT Như vậy, đặt khoảng thời gian trễ lần gửi lệnh ngắn Hệ thống khơng kịp đáp ứng, tỷ lệ lỗi gửi liệu cao 4.3 Đánh giá kết Mơ hình hệ thống M2M thu thập, giám sát điện tiêu thụ hoàn thành thử nghiệm thời gian tháng Với số kết thử nghiệm trình bày phần cho thấy hệ thống hoạt động ổn định, đồng thời đáp ứng u cầu đề Mơ hình nhỏ gọn, dễ quan sát, dể thao tác làm thí nghiệm, có giao diện thân thiện, dễ sử dụng, dễ thao tác Điện tiêu thụ liên tục giám sát, khoảng thời gian cập nhật liệu tùy chỉnh Hệ thống thực chức quản lý thông tin khác hàng, số lượng khách hàng lên tới hàng trăm nghìn Khách hàng theo dõi số lượng điện tiêu thụ gia đình Tốc độ truyền liệu từ client lên server tương đối nhanh (trong vòng từ đến giây) Tỉ lệ liệu thấp Đồng thời hệ thống có chế lưu liệu linh hoạt nhằm khắc phục việc liệu gửi Tuy nhiên bên cạnh hệ thống vài hạn chế mặt tổ chức CSDL, chưa thử nghiệm với số lượng lớn client chi phí thiết bị khơng cho phép thực GVHD: TS.Nguyễn Xuân Dũng 71 HV: Trần Đình Nghĩa Ứng dụng công nghệ M2M phát triển hệ thống tự động hóa q trình đo lường, thu thập số liệu tính cước cho ngành điện KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Trên thực tế nay, nhiều ứng dụng ưu việt ngành công nghệ thông tin, điện tử truyền thông biết đến ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực đời sống Luận văn tập trung nghiên cứu ứng dụng số thiết bị điện, điện tử nhỏ gọn để thiết kế mơ hình M2M giám sát điện tiêu thụ hộ gia đình doanh nghiệp Hệ thống dùng thử nghiệm phát huy tốt tinh năng, theo dõi giám sát điện năng, thuận lợi cho người dùng nhà quản lý điện Hệ thống cung cấp thơng tin điện tiêu thụ đến cho khách hàng nhiều hình thức: cung cấp liệu lên website, gửi tin nhắn văn đến số điện thoại di động đăng ký trước, đồng thời in thành hóa đơn gửi đến cho khách hàng Tuy nhiên q trình nghiên cứu, cịn nhiều hạn chế quỹ thời gian kiến thức nên phần nghiên cứu tơi cịn nhiều điểm khiếm khuyết:  Xây dựng giao diện chưa thực chuyên nghiệp  Xây dựng sở liệu chưa hoàn toàn tối ưu  Thiết bị sử dụng loại nhỏ sử dụng cho mơ hình, cần sử dụng thiết bị dùng cơng nghiệp  Chưa tích hợp nhiều cơng tơ hoạt động gửi liệu server  Chưa tối ưu việc lập trình để giảm thời gian trễ truyền dẫn Trong thời gian tới cố gắng phát huy ưu điểm mà hệ thống mang lại, đồng thời khắc phục khiếm khuyết hướng nghiên cứu Đồng thời mong muốn hệ thống M2M biết đến ứng dụng rộng rãi thực tế Nhằm ứng dụng công nghệ vào việc quản lý giám sát cho ngành điện, giảm bớt chi phí đầu tư, chi phí nhân cơng, tạo điều kiện thuận lợi cho việc theo dõi giám sát khách hàng nhà quản lý Giảm bớt phiền hà việc kinh doanh, phát triển ngành điện lực GVHD: TS.Nguyễn Xuân Dũng 72 HV: Trần Đình Nghĩa Ứng dụng cơng nghệ M2M phát triển hệ thống tự động hóa q trình đo lường, thu thập số liệu tính cước cho ngành điện TÀI LIỆU THAM KHẢO Phạm Hữu Khang, SQL Server 2005 - Lập Trình T-SQL, NXB Lao động - Xã hội Hoàng Anh Quang, Phan Ánh Nguyệt, Tự Học SQL Server 2005, NXB Văn hóa Thơng tin Nguyễn Tiến – Nguyễn Văn Hồi, Giáo trình C/C++ lý thuyết tập, nhà xuất Giáo dục Dương Quang Thiện, Lập Trình Web Dùng ASP.NET Và C#, NXB Tổng hợp TP.HCM Vũ Đức Thọ (1997), Thông tin di động số, NXB giáo dục Nguyễn Ngọc Tuấn, Lập Trình Thiết Kế Web Trong ASP.Net Với Các Ví Dụ C#, NXB Thống kê Trường ĐH FPT, Lập trình PHP MySQL, NXB Murach, FPT Polytechnic thuộc Trường Đại học FPT Quyết định số 1670/QĐ - TTg Thủ tướng Chính phủ : Phê duyệt đề án phát triển Lưới điện Thông minh Việt Nam http://vanban.chinhphu.vn/portal/page/portal/chinhphu/hethongvanban?class_i d=2&mode=detail&document_id=164399 https://www.google.com 10 https://machinaresearch.com/ 11 http://www.beechamresearch.com/ 12 http://arduino.vn/ 13 www.ebook.com 14 www.tailieu.vn 15 www.docx.vn GVHD: TS.Nguyễn Xuân Dũng 73 HV: Trần Đình Nghĩa Ứng dụng công nghệ M2M phát triển hệ thống tự động hóa q trình đo lường, thu thập số liệu tính cước cho ngành điện PHỤ LỤC Tập lệnh AT thiết lập kết nối gửi liệu qua GPRS Câu lệnh Ý nghĩa Serial.println(“AT+CIPSHUT”); Lệnh đóng kết nối GPRS Serial.println(“AT+CIPSTART=”TCP”, Lệnh khởi tạo kết nối GPRS cho module sim với website ”shopcuamoa.com”,”80″”); Serial.println(“AT+CIPSEND”); Lệnh khởi tạo trình gửi liệu delay (1000); Lệnh tạo thời gian trễ giây Serial.println(“POST/test.php đoạn code gửi liệu lên web theo HTTP/1.1”); phương thức POST delay (1000); Serial.println(“Host: shopcuamoa.com”); delay (1000); Serial.println(“Content-Type: application/x-www-form-urlencoded”); delay (1000); Serial.println(“Connection: KeepAlive”); delay (1000); Serial.println(“Content-Length: 7”); delay (1000); Serial.println(); delay (1000); Serial.print(“data=”); Serial.println(send_data); GVHD: TS.Nguyễn Xuân Dũng 74 HV: Trần Đình Nghĩa Ứng dụng cơng nghệ M2M phát triển hệ thống tự động hóa q trình đo lường, thu thập số liệu tính cước cho ngành điện delay (1000); Serial.write(26); // Ma Asscii cua crtl Z delay(8000); GVHD: TS.Nguyễn Xuân Dũng 75 HV: Trần Đình Nghĩa Ứng dụng cơng nghệ M2M phát triển hệ thống tự động hóa q trình đo lường, thu thập số liệu tính cước cho ngành điện Code client xử lý truyền liệu int PWK = 9; int Status; int xbuff=0; int answer; int LedConfig = 13; int pulse = 91; int total = 0; int send_data = 0; const int interrupt0 = 0; const int chan2 = 2; const int buffer_size = 160; // Buffer size char buffer[buffer_size]; // Data from UART char number[]="0949389663"; // Your phone number char aux_string[30]; void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(PWK, OUTPUT); digitalWrite (chan2, HIGH); attachInterrupt (interrupt0, int_, RISING); power_on(); init_SIM900A(); // Power on Module SIM900A // Configuration for Module SIM900A erase_buffer(); } void int_() { pulse = pulse + 1; // đếm xung từ mạch cảm biến đưa } void Delay_minute(int n) { for (int i = 0; i

GVHD: TS.Nguyễn Xuân Dũng 83 HV: Trần Đình Nghĩa ... Ứng dụng công nghệ M2M phát triển hệ thống tự động hóa q trình đo lường, thu thập số liệu tính cước cho ngành điện ứng dụng quan trọng mơ hình M2M thúc đẩy phát triển công nghệ M2M lĩnh vực công. .. Nghĩa Ứng dụng cơng nghệ M2M phát triển hệ thống tự động hóa q trình đo lường, thu thập số liệu tính cước cho ngành điện Hình 1.3: Các cơng nghệ kết mối M2M Các kết nối sử dụng công nghệ di động. .. Nghĩa Ứng dụng cơng nghệ M2M phát triển hệ thống tự động hóa q trình đo lường, thu thập số liệu tính cước cho ngành điện PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG 35 2.1 Hệ thống thông tin di động