Thiết kế iot gateway sử dụng máy tính nhúng cho lưới điện thông minh trong hộ gia đình

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN ĐẮC THỊNH THIẾT KẾ IoT GATEWAY SỬ DỤNG MÁY TÍNH NHÚNG CHO LƯỚI ĐIỆN THƠNG MINH TRONG HỘ GIA ĐÌNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Đà Nẵng - Năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN ĐẮC THỊNH THIẾT KẾ IoT GATEWAY SỬ DỤNG MÁY TÍNH NHÚNG CHO LƯỚI ĐIỆN THƠNG MINH TRONG HỘ GIA ĐÌNH Chun ngành : Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Mã số: 852 02 16 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Ngơ Đình Thanh Đà Nẵng – Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tác giả luận văn Nguyễn Đắc Thịnh THIẾT KẾ IoT GATEWAY SỬ DỤNG MÁY TÍNH NHÚNG CHO LƯỚI ĐIỆN THƠNG MINH TRONG HỘ GIA ĐÌNH Ngày nay, cách mạng công nghiệp 4.0 lan tỏa sâu vào đời sống xã hội, gắn liền với phát triển vũ bão giải pháp Internet of Things (IoT) lĩnh vực công nghiệp đời sống Đây viễn cảnh vật cung cấp định danh khả tự động truyền tải liệu qua mạng lưới mà không cần tương tác người với người người với máy tính Nhờ IoT mà tất thiết bị điện thông minh nâng lên tầm cao mới, thông qua việc điều khiển giám sát dễ dàng trực quan thiết bị thông minh qua internet Tuy nhiên thiết bị điện thông minh hộ gia đình sử dụng nhiều giao thức truyền thơng riêng biệt sóng vơ tuyến, MQTT, Zigbee, Bluetooth hãng sản xuất khác nhau, tạo khoảng cách lớn việc giao tiếp thiết bị với Từ đó, giải pháp đề thiết kế IoT gateway cho phép kết nối nhiều giao thức khác thiết bị điện thơng minh hộ gia đình Từ khóa: Cách mạng công nghiệp 4.0, IoT gateway, thiết bị điện thông minh, giao thức truyền thơng, sóng vơ tuyến, MQTT, Zigbee, Bluetooth, giao tiếp thiết bị với nhau, giải pháp IoT DESIGN GATEWAY USING EMBOSSING MACHINE FOR SMART ELECTRIC NETWORK IN THE HOUSE Nowadays, Industry 4.0 has spread and deepened into social life, associated with the stormy development of Internet of Things’s solutions in all areas of industry and life This is a scenario in which everything is provided with identifiers and the ability to automatically transmit data across a network without the need for human interaction with people or people with computers With IoT, all smart electrical devices are raised to new heights, through easy and intuitive control and monitoring by smart devices over the internet However, smart electrical appliances in households use a lot of separate communication protocols such as radio frequency, MQTT, Zigbee, Bluetooth of different manufacturers, creating a huge gap in communicating devices with each other Since then, the proposed solution is to design a IoT gateway to allow connections between many different protocols of smart electrical devices in the household Keywords: Industry 4.0, IoT gateway, smart electrical devices, communication protocols, radio frequency, MQTT, Zigbee, Bluetooth, communicating devices, solution MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu .2 Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn Cấu trúc luận văn CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN THÔNG MINH HỘ GIA ĐÌNH 1.1 Lưới điện thơng minh hộ gia đình 1.2 Internet Of Things 1.2.1 Định nghĩa 1.2.2 Khái niệm 1.2.3 Đặc tính IoT [1], [2] 1.2.4 Yêu cầu hệ thống IoT 1.3 Công tơ điện tử CHƯƠNG THIẾT KẾ IoT GATEWAY 12 2.1 Thiết kế phần cứng 12 2.1.1 Module RF 12 2.1.2 Module Zigbee 12 2.1.3 Module MQTT 13 2.1.4 Máy tính nhúng 13 2.1.5 Ưu điểm máy tính nhúng 14 2.1.6 Giới thiệu Raspberry Pi .18 2.1.7 Mơ hình tổng quan thiết kế phần cứng hệ thống 21 2.2 Thiết kế phần mềm 22 2.2.1 Nền tảng Linux 22 2.2.2 Hệ điều hành Raspbian .23 2.2.3 Mã nguồn mở OpenHAB Framework 25 2.2.4 Xây dựng chương trình nến OpenHAB Framework 27 CHƯƠNG TÍCH HỢP CÁC CHUẨN TRUYỀN THÔNG KHÁC NHAU .29 3.1 Zigbee 29 3.1.1 Thuật toán mã hoá giải mã giao thức ZigBee 33 3.1.2 Kiểm soát truy cập 39 3.1.3 Bảo mật ZigBee 40 3.2 MQTT 42 3.3 RF-Mesh 44 3.4 Giải pháp tích hợp chuẩn truyền thơng khác 45 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 47 4.1 Kiến trúc IoT gateway 47 4.2 Các tính IoT gateway 51 4.3 Hướng phát triển đề tài 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 1.1 Bảng mã OBIS công tơ điện tử 1.2 Bảng mã OBIS lỗi công tơ điện tử 11 2.1 So sánh máy tính nhúng vi điều khiển 16 2.2 So sánh thơng số máy tính nhúng thông dụng 17 2.3 Chức 40 pinout Raspberry Pi 20 2.4 Trạng thái LED Raspberry Pi 20 3.1 Cấu trúc khung truyền liệu giao thức Zigbee 33 3.2 Mức bảo mật khoá bảo mật 38 3.3 Cấu trúc khung truyền liệu giao thức Zigbee 43 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình Tên hình Trang 1.1 Lưới điện thơng minh 1.2 Sơ đồ khối hệ thống 2.1 Raspberry Pi Model B 19 2.2 Mơ hình tổng quan thiết kế phần cứng hệ thống 21 2.3 Linux 23 2.4 Hệ điều hành Raspbian 23 2.5 Giao diện LXDE hệ điều hành Raspbian 24 2.6 Đa dạng giao thức IoT 25 2.7 OpenHAB 26 2.8 Cấu trúc OpenHAB 26 2.9 Eclipse 27 3.1 Mơ hình OSI giao thức MQTT 29 3.2 Mạng Zigbee hình 31 3.3 Mạng Zigbee hình lưới 32 3.4 Mạng Zigbee hình 32 3.5 Kết hợp trạng thái trình mã hố AES 34 3.6 Phép q trình mã hoá AES 35 3.7 Dịch chuyển hàng trình mã hố AES 35 3.8 Dịch chuyển cột q trình mã hố AES 36 3.9 Kết hợp khố q trình mã hố AES 36 3.10 Cấu trúc khung bảo mật liệu giao thức Zigbee 37 3.11 Cấu trúc khoá bảo mật liệu giao thức Zigbee 39 3.12 Chế độ bảo mật dân cư 41 3.13 Chế độ bảo mật thương mại 41 3.14 Mô hình giao thức MQTT 42 3.15 Mơ hình giao thức RF-Mesh 44 3.16 Cấu trúc Eventbus openHAB 46 4.1 Các lớp IoT gateway 48 4.2 Công tơ điện tử EVN CPC module đọc thông số, gửi RF 49 4.3 Module RF Gateway 49 Số hiệu hình Tên hình Trang 4.4 Module đo lường điều khiển giao thức Zigbee 50 4.5 Module Zigbee Gateway 50 4.6 Module giao thức MQTT 51 4.7 Độ thị phụ tải ngày 25 tháng 11 năm 2018 52 4.8 Đồ thị phụ tải ngày 26 tháng 11 năm 2018 52 4.9 Giao diện giám sát điện website 53 4.10 Giao diện giám sát lượng tiêu thụ website 54 4.11 Giao diện giám sát điện app mobile 55 4.12 Giao diện giám sát lượng tiêu thụ app mobile 56 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Ngày nay, cách mạng công nghiệp 4.0 lan tỏa sâu vào đời sống xã hội, gắn liền với phát triển vũ bão giải pháp Internet of Things (IoT) lĩnh vực công nghiệp đời sống IoT thuật ngữ dùng để đối tượng nhận biết tồn chúng kiến trúc mang tính kết nối Đây viễn cảnh vật, vật người cung cấp định danh khả tự động truyền tải liệu qua mạng lưới mà không cần tương tác người với người người với máy tính Nhờ IoT mà tất thiết bị điện sử dụng hộ, tòa nhà nâng lên tầm cao mới, thông qua việc điều khiển giám sát dễ dàng trực quan thiết bị thông minh qua internet, IoT mang đến cho người sử dụng tiện nghi dễ dàng thời đại số Trong bối cảnh đó, Điện lực Việt Nam (EVN) xây dựng đề án phát triển Lưới điện thông minh EVN giai đoạn 2017 đến 2022 trang bị sở hạ tầng công nghệ thông tin cho lưới điện phân phối, điển hình thay cơng tơ công tơ điện tử Đồng thời triển khai ứng dụng Lưới điện thông minh nâng cao khả dự báo nhu cầu phụ tải điện khách hàng lập kế hoạch cung cấp điện, giảm tổn thất điện Từ tạo điều kiện để khách hàng chủ động biết quản lý thông tin chi tiết sử dụng điện chi phí mua điện Hiện thành phố lớn phát triển nước ta Hà Nội, TP Hồ Chí Minh triển khai kết nối đến công tơ tổng hộ tiêu thụ điện quy mô nhỏ, nhiên thiết bị điện thông minh hộ gia đình chưa kết nối với hệ thống lưới điện thơng minh Vấn đề đặt có giải pháp để cơng tơ điện tử giao tiếp với thiết bị thông minh, hệ thống quản lý lượng hộ gia đình, tòa nhà, nhà máy, resort nhằm tạo hệ thống lưới điện thơng minh hồn chỉnh Tuy nhiên thiết bị điện thơng minh hộ gia đình sử dụng nhiều giao thức truyền thông riêng biệt hãng sản xuất khác nhau, tạo khoảng cách lớn việc giao tiếp thiết bị với Câu hỏi đặt có chuẩn truyền thông chung kết nối cho giao thức? Hiện giới chưa có cơng trình nghiên cứu công bố cho giải pháp Giải pháp thực chỉnh sửa lại phần mềm công tơ điện tử để kết nối với thiết bị tiêu thụ điện hộ gia đình Giải pháp không mềm dẻo để thực cho tất hộ gia đình Hơn nữa, có nhiều hãng cung cấp công tơ điện tử với chuẩn giao thức khác Từ đó, giải pháp đề thiết kế gateway cho phép kết nối nhiều 56 Hình 4.12 Giao diện giám sát lượng tiêu thụ app mobile 57 Từ kết số liệu thu được, đồ thị hố trực quan, người dùng chủ động lập kế hoạch sử dụng điện hộ gia đình cách tiết kiệm hiệu Ví dụ sử dụng thiết bị tiêu thụ nhiều điện chẳng hạn máy rửa bát, máy giặt máy sấy quần áo vào thấp điểm; Đối với thiết bị điều chỉnh cơng suất chẳng hạn điều hịa khơng khí, bình nước nóng, máy sưởi hoạt động sớm trước cao điểm công suất cao điểm điều chỉnh cách hợp lý; Đối với thiết bị cần thiết TV, bếp điện đèn chiếu sáng tự động bật tắt số lượng thiết bị cho hợp lý với nhu cầu sử dụng - Kết đề tài ứng dụng vào thực tiễn triển khai đề án phát triển Lưới điện thông minh EVN - Nâng cao khả dự báo nhu cầu phụ tải điện khách hàng lập kế hoạch cung cấp điện, giảm tổn thất điện - Giúp khách hàng chủ động biết quản lý thông tin chi tiết sử dụng điện chi phí mua điện - Cảnh báo sớm cố điện hộ gia đình - Có thể mở rộng nâng cấp dễ dàng cho thiết bị thông minh khác 4.3 Hướng phát triển đề tài - Thiết kế thêm module để tích hợp thêm chuẩn truyền thông khác vào hệ thống - Xây dựng thuật tốn nhằm tối ưu hóa lượng điện tiêu thụ chi phí sử dụng điện TÀI LIỆU THAM KHẢO Luigi Atzori, Antonio Iera, Giacomo Morabito, Internet of Things: A survey, Computer Networks (2010) Dr Ovidiu Vermesan, Dr Peter Friess, Patrick Guillemin, Internet of Things Strategic Research Roadmap, 2009 Strategic Research Agenda, The IoT European Research Cluster - European Research Cluster on the Internet of Things (IERC) Everton Cavalcante, Marcelo Pitanga Alves, An Analysis of Reference Architectures for the Internet of Things, Corba 2015 Sanjana Kadaba Viswanath, Chau Yuen, Wayes Tushar, Wen-Tai Li, ChaoKai Wen, Kun Hu, Cheng Chen, And Xiang Liu, System design of the internet of things for residential smart grid, IEEE Wireless Communications • October 2016 Vasudev Dehalwar, Akhtar Kalam, Mohan Lal Kolhe, Aladin Zayegh, Review of Machine to Machine Communication in Smart Grid, 2016 International Conference on Smart Grid and Clean Energy Technologies Wen-tai Li, Chau Yuen, Naveed Ul Hassan, Wayes Tushar, Chao-kai Wen, Kristin L Wood, Kun Hu, and Xiang Liu, Demand Response Management for Residential Smart Grid: From Theory to Practice Yi Liu, Chau Yuen, Shisheng Huang, Naveed Ul Hassan, Xiumin Wang and Shengli Xie, Peak-to-Average Ratio Constrained Demand-Side Management with Consumer’s Preference in Residential Smart Grid 8.Tarek Khalifa, Kshirasagar Naikand Amiya Nayak, A survey of communication protocols for automatic meter reading applications, Ieee Communications Surveys & Tutorials, Vol.13, No.2, Second Quarter 2011 International Standard, IEC 62056-21 Scanned by CamScanner CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc BÁO CÁO “Về việc bổ sung, sửa chữa luận văn” Họ tên học viên: Nguyễn Đắc Thịnh Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Khóa: K33 Đắk Lắk Ngày bảo vệ luận văn: 29/12/2018 Tên đề tài luận văn: “Thiết kế IoT Gateway sử dụng máy tính nhúng cho lưới điện thơng minh hộ gia đình” Các điểm bổ sung, sửa chữa luận văn theo ý kiến đóng góp Hội đồng chấm luận văn: STT Nội dung cần sửa Nội dung sửa Trang Bổ sung chỉnh sửa theo góp ý phản biện 1 Thể rõ cấu trúc phần thiết kế Đã bổ sung chương 2 Tổ chức lại bố cục chương 3 Trình bày phần tích hợp Đã bổ sung chương Bổ sung mục lục chương Đã bổ sung Thống format phần tài liệu tham khảo Đã chỉnh sửa 21-22 Đã chỉnh sửa 44-45 Mục lục Bổ sung chỉnh sửa theo góp ý phản biện Nâng cao độ phân giải hình ảnh Đã chỉnh sửa Bổ sung hướng phát triển đề tài Đã bổ sung 57 Nêu rõ mơ hình tổng quan thiết bị Đã bổ sung đề tài 21 Các thiết bị điện thông minh nhà sản Đã làm rõ xuất khác có giao tiếp khơng Đề tài xây dựng chương trình gì, Đã bổ sung 27 Đà Nẵng, ngày … tháng năm 2019 Học viên Nguyễn Đắc Thịnh Người hướng dẫn Phòng Đào tạo ... thông minh hộ gia đình - Giới thiệu Lưới điện thơng minh hộ gia đình - Thách thức tích hợp chuẩn giao thức truyền thông hệ thống điện Chương 2: Thiết kế IoT Gateway - Thiết kế phần cứng - Thiết kế. .. thống điện thông minh smart phone Thiết kế IoT Gateway sử dụng máy tính nhúng kết nối thiết bị điện thơng minh hộ gia đình có chuẩn truyền thơng Zigbee MQTT Đối tượng phạm vi nghiên cứu Trong. .. 4 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN THƠNG MINH HỘ GIA ĐÌNH 1.1 Lưới điện thơng minh hộ gia đình Lưới điện thơng minh hệ thống điện lưới có sử dụng cơng nghệ thơng tin truyền thông để tối ưu việc truyền