Xây dựng hệ thống giám sát năng lượng trong cơ quan sử dụng công nghệ iot

BỘ CÔNG THƢƠNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NGƠ HỒNG MINH XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT NĂNG LƢỢNG TRONG CƠ QUAN SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ IOT Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã chuyên ngành: 60520203 LUẬN VĂN THẠC SĨ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2019 Cơng trình đƣợc hồn thành Trƣờng Đại học Cơng nghiệp TP Hồ Chí Minh Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: Tiến sĩ Phạm Trần Bích Thuận Thạc sĩ Nguyễn Duy Khanh Ngƣời phản iện 1: Tiến sĩ Phạm Ngọc Sơn Ngƣời phản iện 2: Tiến sĩ Nguyễn Ngọc Sơn Luận v n thạc sĩ đƣợc ảo vệ Hội đồng chấm ảo vệ Luận v n thạc sĩ Trƣờng Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày 26 tháng 04 n m 2019 Thành phần Hội đồng đánh giá luận v n thạc sĩ gồm: Tiến sĩ Nguyễn Tấn Lũy- Chủ tịch Hội đồng Tiến sĩ Phạm Ngọc Sơn - Phản iện Tiến sĩ Nguyễn Ngọc Sơn- Phản iện Tiến sĩ Trần Trung Duy - Ủy viên Tiến sĩ Ong Mẫu Dũng - Thƣ ký CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƢỞNG KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ BỘ CÔNG THƢƠNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Ngơ Hồng Minh MSHV: 16083451 Ngày, tháng, n m sinh: 20/12/1988 Nơi sinh: Long An Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã chuyên ngành: 60520203 I TÊN ĐỀ TÀI: Xây dựng hệ thống giám sát n ng lƣợng quan sử dụng công nghệ Iot NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Thiết kế ộ giám sát đo lƣờng không dây đo đƣợc giá trị hiệu dụng dịng điện, điện áp, công suất thực công suất phản kháng tìm hiểu lựa chọn giao thức khơng dây phù hợp, thơng số tính tốn cho việc giám sát n ng lƣợng đƣa cảnh áo ất thƣờng thiết ị dựa liệu đo đƣợc II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Quyết định số 2057/QĐ-ĐHCN, ngày 02/10/2018 Trƣờng Đại học Công Nghiệp TPHCM việc giao đề tài cử ngƣời hƣớng dẫn luận v n thạc sĩ III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/04/2019 IV NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: Tiến sĩ Phạm Trần Bích Thuận Thạc sĩ Nguyễn Duy Khanh Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2019 NGƢỜI HƢỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TRƢỞNG KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ LỜI CẢM ƠN Đề tài “Xây dựng hệ thống giám sát lượng quan sử dụng công nghệ IoT” nội dung chọn để nghiên cứu làm luận v n Thạc sĩ sau hai n m theo học chƣơng trình cao học chuyên ngành Kỹ thuật điện tử trƣờng Đại học Cơng Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh Để hồn thành q trình nghiên cứu hồn thiện luận v n này, lời xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến Cơ Tiến sĩ Phạm Trần Bích Thuận Thầy Thạc sĩ Nguyễn Duy Khanh thuộc Khoa Công nghệ điện tử – Trƣờng Đại học Công Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh Thầy, trực tiếp ảo hƣớng dẫn tơi suốt q trình nghiên cứu để tơi hồn thiện luận v n Ngồi tơi xin chân thành cảm ơn Thầy, Cơ Khoa Cơng nghệ điện tử đóng góp ý kiến quý áu cho luận v n Nhân dịp này, xin cảm ơn Khoa Công nghệ điện tử Trƣờng Đại học Công Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh tạo điều kiện thời gian cho tơi suốt q trình nghiên cứu Cuối cùng, tơi xin cảm ơn ngƣời thân, ạn è ên tơi, động viên tơi hồn thành khóa học ài luận v n i TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Gần đây, với gia t ng không ngừng thiết ị sử dụng điện, với việc giá điện đƣợc điều chỉnh t ng theo thời gian làm thu hút nhà nghiên cứu lĩnh vực giám sát n ng lƣợng điện cải tiến hiệu n ng [1] Các nghiên cứu chủ yếu thiết kế ộ giám sát đo lƣờng khơng dây đo đƣợc giá trị hiệu dụng dịng điện, điện áp, cơng suất thực công suất phản kháng Bộ đo ao gồm chức n ng giám sát sóng hài dịng điện tiêu thụ để đƣa đƣợc manh mối quan trọng việc phát sai lỗi hƣ hỏng cho thiết ị [2] Trong luận v n tập trung chủ yếu việc tìm hiểu lựa chọn giao thức không dây phù hợp, thông số tính tốn cho việc giám sát n ng lƣợng đƣa cảnh áo ất thƣờng thiết ị dựa liệu đo đƣợc Dựa vào không gian lắp đặt, thông số module không dây đo kiểm thực tế để iết đƣợc khoảng cách ộ đo thơng minh giao tiếp đƣợc từ chọn module giao tiếp khơng dây phù hợp Các liệu dòng-áp đƣợc chuyển thành dạng số đƣợc lƣu ộ đệm vi điều khiển để xử lý đƣa thông số công suất theo yêu cầu Một We -server giám sát n ng lƣợng đƣợc xây dựng để áo cáo thống kê liệu đo đƣợc theo lịch sử thời gian Hệ thống mạng Zig ee với đặc điểm khoảng cách truyền cao, mức tiêu thụ công suất thấp, khả n ng mở rộng mơ hình với số lƣợng lớn, độ tin cậy khả n ng tự kết nối mà mạng Zig ee đƣợc sử dụng để giao tiếp trạm đo với ộ trung tâm Mạng Wifi đƣợc sử dụng trạm trung tâm để đóng gói liệu trạm đo gửi lên We -server nhằm giám sát liệu theo thời gian Kết nghiên cứu thiết kế đƣợc mơ hình giám sát thơng minh phù hợp với quan xã Long Chữ Cùng với việc giám sát n ng lƣợng thiết ị mà giúp ích cho việc đề xuất giải pháp tiết kiệm điện quan, đồng thời có cảnh áo sớm giúp phát hƣ hỏng thiết ị, giúp cho việc đề phòng cháy nổ đƣợc hiệu quan ii ABSTRACT A SMART ENERGY MONITORING SYSTEM IN ORGANIZATION Recent increases in the demand for and price of electricity has stimulated interest in monitoring energy usage and improving efficiency This research work supports development of a low-cost wireless smart power meter capable of measuring VRMS, IRMS, real power, and reactive power The proposed smart power meter features include matching by-device rate of consumption and usage patterns to assist users in monitoring the connected devices The meter also includes condition monitoring to detect harmonics of interest in the connected circuits which can give vital clues about the defects in machines connected to the circuits In this thesis, the focus is on understanding and selecting appropriate wireless protocols, requirement parameters for energy monitoring and giving warning of device abnormalities based on measured data Based on the deployment space, the parameters of the wireless modules and the actual test to know the distance of the communicable smart meters from which to choose the appropriate wireless communication module Voltage and current data are converted to digital, which is stored microcontroller’s uffer to process and give the power parameters on demand A Web-server of the power meter monitorring was developed to report a statistic of measurement data in past The Zigbee network has good specific: high range distance, low power consumption, scalability, realiable and auto-connect; so that the Zigbee network used for transfer data in system The Wifi network is used for the center controller, then the data is packed, transfer to Web-server for data monitoring in the past The result of this thesis is designed a smart energy monitoring system suitable for Long Chu commune, Long An province This system helped for the local oganization to make plans and solution for saving energy in oganization Addition, this system gave the early warnings helpful for the device error and the fire protection is more effective iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận v n “Xây dựng hệ thống giám sát lượng quan sử dụng công nghệ IoT” sản phẩm thực dƣới hƣớng dẫn Tiến sĩ Phạm Trần Bích Thuận Thạc sĩ Nguyễn Duy Khanh Trong toàn ộ nội dung luận v n, điều đƣợc trình ày nghiên cứu đƣợc từ tài liệu tham khảo Tất tài liệu tham khảo có xuất xứ rõ ràng đƣợc trích dẫn hợp pháp Học viên Ngơ Hồng Minh iv MỤC LỤC MỤC LỤC v DANH MỤC HÌNH ẢNH vii DANH MỤC BẢNG BIỂU xi DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xii MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề Mục tiêu nghiên cứu Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Cách tiếp cận phƣơng pháp nghiên cứu .3 Ý nghĩa thực tiễn đề tài CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan IOT 2.1.1 Định nghĩa .6 2.1.2 Khái niệm IoT 2.1.3 IoT từ góc nhìn kỹ thuật 2.2 Đặc điểm ản yêu cầu mức cao hệ thống IoT .10 2.2.1 Đặc tính ản 10 2.2.2 Yêu cầu mức cao hệ thống IoT .11 2.2.3 Mơ hình hệ thống IoT 12 2.2.4 Lớp ứng dụng 13 2.2.5 Dịch vụ hỗ trợ lớp ứng dụng dịch vụ 13 2.2.6 Lớp mạng .13 2.2.7 Lớp thiết ị 13 2.3 Mạng cảm iến không dây .14 2.3.1 Tổng quan mạng cảm iến 14 2.3.2 Kỹ thuật xây dựng mạng cảm iến 16 2.3.3 Ứng dụng mạng cảm iến không dây .18 v 2.4 Tổng quan Zig ee 34 2.4.1 Khái niệm 34 2.4.2 Đặc điểm 34 2.4.3 Ƣu điểm Zig ee/IEEE 802.15.4 với Bluetooth/IEEE 802.15.1 35 2.4.4 Kiến trúc liên kết mạng 36 CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG .39 3.1 Thiết ị cảm iến 39 3.1.1 Cảm iến nhiệt độ độ ẩm AM2301 39 3.1.2 Cảm iến đo dòng 43 3.2 Giới thiệu module sử dụng đề tài 50 3.2.1 Bo xử lý Arduino 50 3.2.2 Module Zigbee DRF1605 58 CHƢƠNG XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG 60 4.1 Sơ đồ khối hệ thống giám sát điện n ng 60 4.2 Kết thực nghiệm 64 4.2.1 Mơ hình thực nghiệm 64 4.2.2 Kết thực nghiệm .68 4.2.3 We server giám sát hệ thống .71 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 74 Kết luận 74 Kiến nghị 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 PHỤ LỤC .79 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN 92 vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1 Kết nối vật .7 Hình 2.2 Hệ thống IoTs từ góc nhìn kỹ thuật .7 Hình 2.3 Các loại thiết ị khác mối quan hệ Hình 2.4 Mơ hình IOT .12 Hình 2.5 Mơ hình mạng cảm iến thơng thƣờng 16 Hình 2.6 Mơ hình tham khảo OSI cấu trúc lớp liên kết liệu 18 Hình 2.7 Các ứng dụng cơng nghiệp .20 Hình 2.8 Hệ thống HVAC đƣợc đề xuất ởi Renasas [13] 23 Hình 2.9 Tiết kiệm n ng lƣợng đƣợc đề cập mơ hình HVAC [15] 25 Hình 2.10 Cấu tạo chìa khóa RKE [17] 28 Hình 2.11 Mơ hình ch m sóc sức khỏe nhà thông minh [18] 31 Hình 2.12 Cấu trúc liên kết mạng 37 Hình 2.13 Cấu trúc mạng Mesh 37 Hình 2.14 Cấu trúc mạng hình 38 Hình 3.1 Cảm iến AM2301 39 Hình 3.2 Chức n ng chân cảm iến AM2301 .39 Hình 3.3 Sơ đồ kết nối vi xử lý 40 Hình 3.4 Tín hiệu Start 40 Hình 3.5 Giao thức truyền thơng single-bus .41 Hình 3.6 Tín hiệu it 42 Hình 3.7 Tín hiệu it 42 vii [20] [21] YHDC “Split core current transformer SCT013.” Internet: https://poweruc.com/collections/split-core-current-transformers/products/ split-core-current-transformer-sct013-rated-input-5a-100a?gclid=Cj0KC Qjwps_IaAgFMEALw_wcB 15 2018 Wikipedia “Current_transformer.” Internet: https://en.wikipedia.org/wiki/ Current_transformer, 2019 [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] R Wall “Open Energy Monitor.” Internet: https://openenergymonitor.org/ , 2018 Nattachart Tamkittikhun et al “AC Power Meter Design Based on Arduino Multichannel Single-Phase Approach,” IEEE, Nakhon Pathom, Thailand, 2015 M Mahendran et al “Permanent Mismatch Fault Identification Of Photovoltaic Cells Using Arduino,” Ictact Journal On Microelectronics Vol 1, no 2, 2015 Nail ALTINTAŞ and Oğuz FINDIK “Temperature, Humidity and CO2 Information Estimation of Indoor Sports Hall Environment by Using Artificial Neural Nets,” International Journal of Science Culture and Sport Vol 01 no 2, 2016 Vikramsingh R et al “Heartbeat and Temperature Monitoring System for Remote Patients using Arduino,” International Journal of Advanced Engineering Research and Science Vol 4, no 5, 2017 A P U Siahaan et al “Arduino Uno-basedwater turbidity meter using LDR and LED sensors,” International Journal of Engineering & Technology Vol 1, no 2, 2018 Ashish Kumar et al “Resource-efficient Machine Learning in KB RAM for the Internet of Things,” International Conference on Machine Learning, Sydney, Australia, 2017 78 PHỤ LỤC I Hƣớng dẫn kết nối thiết lập module Zigbee DRF1605 Để cấu thành mạng Zigbee cần yếu tố: Coordinator, Router End Divice Hình 0.1 Kiến trúc mạng Zig ee + Coordinator: thành phần quan trọng cấu thành nên mạng Zigbee node muốn gia nhập vào mạng, Coordinator gán cho đại node trở thành node mạng Mỗi mạng Zigbee cần chi Coordinator, vùng mạng có tới Coordinator đƣợc cấp nguồn PAN ID Coordinator tự động thêm PAN ID khác tránh PAN ID tồn để tránh xung đột + Router: Có nhiệm vụ chuyển gói tin ằng cách tìm đƣờng phù hợp mạng Khi node đƣợc thêm vào mạng, node đƣợc gán địa Trong mạng Zigbee có nhiều router, router gởi nhận liệu + End Device: Có nhiệm vụ thu thập liệu gửi cho Router Coordinator Các bước tiến hành thiết lập module Zigbee: 79 Bước 1: Các module đế cắm module Zigbee, ca le giao tiếp UART to COM sử dụng chíp PL2303 Vậy ta phải cài driver PL2303 để máy tính nhận diện giao tiếp với ngoại vi Bước 2: Cắm dây USB vào đế + module Zigbee => thiết lập Coordinator Hình 0.2 Thiết lập Coordinator Cả hai đèn led xanh dƣơng nhấp nháy module dc cấp nguồn ok (hai đèn nhấp nháy nhịp cho iết module đƣợc thiết lập Router) Sau kiểm tra cổng COM nhận hay chƣa: 80 Hình 0.3 Kiểm tra kết nối cổng COM Chạy phần mềm Zigbee Module Configure V51.exe đƣợc giao diện nhƣ sau: 81 Hình 0.4 Giao diện phần mềm Zig ee Đầu tiên mục Select COM chọn cổng COM nhận đế Zigbee máy nhận COM2 => nhấn Connect Sau Connect thành công giao diện áo Baud Rate, (mặc định mua module Zigbee 38400) chấm đỏ xuất cạnh nút Disconnect => Mục PAN ID nhấn nút READ cho ta giá trị PAN ID, tƣơng tự với mục lại READ hết lên Chú ý: chƣa nhấn setting vội, phải xem trƣớc Ban đầu mục Point Type chƣa phải Coodinator nhƣ hình đâu mà Router (mặc định nhà sản xuất) => Bƣớc ta phải thiết lập cho module Zigbee Coordinator ằng nút Setting to Coordinator, sau nhấn Disconnect chƣơng trình Rút cổng USB kết nối với module => Cắm lại cổng USB với máy tính Mở lại chƣơng trình Zigbee Module Configure V51.exe Ta tiến hành chọn cổng COM nhấn Connect nhƣ ƣớc 82 Read hết lên xem lại mục Point Type Coordinator đƣợc Lúc đế có led áo sáng liên tục led nhấp nháy Để lâu khoảng phút khơng có tác động khác hai led sáng liên tục áo hiệu trạng thái nghỉ tiết kiệm n ng lƣợng modue Bước 3: Thiết lập Router Lần ta nhấn nút Disconnect module Zigbee coordinator phần mềm => Rút dây USB tháo module Zigbee đƣợc thiết lập coordinator khỏi đế thay ằng module Zigbee thứ => Cắm lại dây USB ta tiến hành kết nối lại ình thƣờng Mở phần mềm Zigbee Module Configure V51.exe lên Tƣơng tự READ hết giá trị module Ta ý vào mục Point Type thơng thƣờng Router cịn khơng phải nhấn Setting to Router reset lại module ằng cách Disconnect ằng phần mềm nhấn nút reset đế sau Connect lại => Ngồi Point Type ta ý Baud Rate PAN ID Hai thông số phải trùng khớp với module Coordinator trƣớc sau Coordinator tự động nhận Router mạng gán địa Short Address (địa giúp gói tin truyền đến địa nút nhận, đƣợc thêm vào khung truyền Point to Point) cho Sau thiết lập trùng khớp ta reset lại module => Ngắt kết nối module kế nối lại để kiểm tra thông số => Tháo module Zigbee Router kết nối với KIT cáp USB-to-COM 83 Hình 0.5 Sơ đồ chân Zig ee DRF1506 Để cấp nguồn 3.3V cho module Router ta nối chân 11-GND 12-3.3V module Zigbee router tƣơng ứng với cọc 3.3V GND module KIT PIC Hình 0.6 Kết nối Zig ee với o vi xử lý Để giao tiếp với máy tính ta nối: - Xanh Lá (TX-Cable) - (RX-Module) - Trắng (RX-Cable) - (TX-Module) - Đỏ (5V-Cable) - 5V (KIT PIC) - Đen (GND-cable) - GND (KIT PIC) 84 Hình 0.7 Kết nối Zig ee với máy tính Kết nối xong ta cắm USB to COM vào máy tính cấp nguồn cho KIT PIC Module Zigbee  Test mạng Zigbee: Bước 1: Cắm dây USB nối đế + module Zigbee coordinator với máy tính => Ta sử dụng phần mềm Zigbee Sensor monitor TI hỗ trợ Ta chạy file Setup_Zigbee_Sensor_Monitor_1.2.0 để cài đặt Hình 0.8 Cài đặt phần mềm Zig ee Sensor Monitor 85 Sau cài xong mở chƣơng trình ta đƣợc giao diện sau: Hình 0.9 Giao diện phần mềm Zig ee Sensor Monitor Ta chọn cổng COM tƣơng ứng với kết nối module Zigbee coordinator Ấn nút Play giao diện phần mềm Nếu thành công ta đƣợc chấm đỏ áo nốt mạng Coordinator online Bước 2: ƣớc ta cắm USB to COM cấp nguồn cho Zigbee Router Sau kết nối Coordinator với máy tính đại diện vòng tròn đỏ phần mềm test, ta tiến hành cấp nguồn cho node mạng lại, chờ khoảng 3s nguồn ổn định ta kích vào chân số of J2 (Test utton) module Zigbee Router Hình 0.10 Kiểm tra kết nối module Router Coodinator 86 Để gửi gói tin tới Coordinator yêu cầu tham gia mạng sau Coordinator kiểm tra xong kết nối mạng đƣợc thành lập Đƣợc kết sau: Hình 0.11 Kết kết nối module Router Coodinator Mã 0x0001 short address mà coordinator gán cho router mạng, 13:09:59 thời điểm gói tin yêu cầu tham gia mạng đƣợc gửi tới II Code chƣơng trình Arduino o Bộ lọc thơng cao Thuật tốn cho lọc: filtered_value = 0.996 × (last_filtered_value + sample - last_sample) 87 Code ộ lọc: int sample = 0; int last_sample = 0; double a = 0; double filtered_value = 0; void **setup**() { **Serial**.begin(9600); } void **loop**() { // Generate a test signal last_sample = sample; a+=0.1; sample = 512 + sin(a) * 100; // Floating maths implementation of high pass filter takes 36-40 microseconds filtered_value = 0.996 * (filtered_value + sample - last_sample); **Serial**.print(sample); **Serial**.print(' '); **Serial**.println(filtered_value); delay(50); } o Cách thức triển khai số nguyên hàm bitwise Bộ nhân chia cho 256- it với hàm: n × 256 = n > (bitwise right shift by bits = division by 256) n × 255 = n × 256 - n = ((n