(Đồ án tốt nghiệp) thiết kế và thi công công tơ điện tử giám sát được điện năng tiêu thụ qua mạng lora và internet

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG CÔNG TƠ ĐIỆN TỬ GIÁM SÁT ĐƯỢC ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ QUA MẠNG LORA VÀ INTERNET GVHD: PHAN VÂN HOÀN SVTH: CAO THỊ THÚY SVTH: NGUYỄN VĂN NAM SKL007344 Tp Hồ Chí Minh, tháng 08/2020 TRƯỜNG ĐH SPKT TP HỒ CHÍ MINH CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH o0o -Tp HCM, ngày 04 tháng 08 năm 2020 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Chuyên ngành: Hệ đào tạo: Khóa: I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG CÔNG TƠ ĐIỆN TỬ GIÁM SÁT ĐƯỢC ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ QUA MẠNG LORA VÀ INTERNET II NHIỆM VỤ Các số liệu ban đầu: - Các loại vi điều khiển: NODE MCU ESP8266 - Các loại Module: Lora E32-TTL-100, đo điện AC PZEM-004T - Màn hình hiển thị: LCD_TFT 2.4 inch - Nguồn: module hạ áp AC – DC Nội dung thực - Tìm hiểu tham khảo tài liệu, giáo trình, nghiên cứu chủ đề, nội dung liên quan đến đề tài - Tìm hiểu cơng nghệ Lora, IoT - Thiết kế, thi công hệ thống - Thiết kế website hỗ trợ người dùng giám sát trực tiếp quản lý điện - Chạy thử nghiệm hệ thống - Chỉnh sửa lỗi xuất - Đánh giá kết thực - Viết báo cáo luận văn i - Báo cáo đề tài tốt nghiệp III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 01/07/2020 V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:ThS Phan Vân Hoàn CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ii TRƯỜNG ĐH SPKT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Cao Thị Thúy Lớp: 16141DT1A MSSV: 16141295 Họ tên sinh viên 2: Nguyễn Văn Nam Lớp: 16141DT1A MSSV: 16141203 Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG CÔNG TƠ ĐIỆN TỬ GIÁM SÁT ĐƯỢC ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ QUA MẠNG LORA VÀ INTERNET Tuần/ngày Tuần 1,2 18/03-01/04 Tuần 3,4,5 02/04-23/04 Tuần 6,7,8,9 24/04-24/05 Tuần 10,11 25/05-01/06 Tuần 12 02/06-09/06 Tuần 13,14,15 10/06-01/07 iii LỜI CAM ĐOAN Đề tài tự thực dựa vào số tài liệu trước khơng chép từ tài liệu hay cơng trình có trước Người thực đề tài Cao Thị Thúy Nguyễn Văn Nam iv LỜI CẢM ƠN Chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến ThS Phan Vân Hồn trực tiếp hướng dẫn, góp ý, chia sẻ nhiều kinh nghiệm quý báu, tận tình giúp đỡ tạo điều kiện để chúng em hoàn thành tốt đề tài Chúng em xin gửi lời chân thành cảm ơn thầy cô Khoa Điện - Điện Tử tạo điều kiện tốt cho em hoàn thành đề tài Chúng em gửi lời đồng cảm ơn đến bạn lớp 16141DT chia sẻ trao đổi kiến thức kinh nghiệm quý báu thời gian thực đề tài Cảm ơn đến cha mẹ tạo điều kiện tốt kinh tế tinh thần để hoàn thành tốt đề tài Xin chân thành cảm ơn! Người thực đề tài Cao Thị Thúy Nguyễn Văn Nam v MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC LIỆT KÊ HÌNH LIỆT KÊ BẢNG TÓM TẮT Chương TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.2 MỤC TIÊU 1.3 NỘi DUNG NGHIÊN CỨU 1.4 GIỚI HẠN 1.5 BỐ CỤC Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 LoRa LoRaWan 2.1.1 Giới thiệu 2.1.2 Cấu trúc mạng 2.1.3 Giải thuật mở 2.2 Internet Wifi 2.2.1 Giới thiệu Inte 2.2.2 Giới thiệu Wi 2.3 Nguyên lý đo dòng điện xoay chiều sử dụng máy Transformer) 2.4 Chuyển đổi tín hiệu analog sang digital 2.5 Các chuẩn truyền 2.5.1 Chuẩn truyền 2.5.2 Chuẩn truyền 2.6 Phương thức Hypertext Transfer Protocol vi 2.7 Thiết lập kết nối thông qua bước bắt tay (Three Chương TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ 3.1 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG 3.2 THIẾT KẾ TỪNG KHỐI 3.2.1 Khối xử lí điều kh 3.2.2 Khối đo điện 3.2.3 Khối hiển thị 3.2.4 Khối thu phát Lora 3.2.5 Khối nguồn 3.2.6 Sơ đồ nguyên lí Chương THI CÔNG HỆ THỐNG 4.1 GIỚI THIỆU 4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG 4.2.1 Thi công bo mạch 4.2.2 Lắp ráp kiểm tra 4.3 ĐÓNG GĨI VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH 4.3.1 Đóng gói điều kh 4.3.2 Thi cơng mơ hình 4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG 4.4.1 Lưu đồ giải thuật 4.4.2 Phần mềm lập trình 4.4.3 Phần mềm lập trình 4.5 VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THA Chương KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ 5.1 Thiết bị sau hoàn thành 5.2 Kết thực tế 5.3 Nhận xét- đánh giá Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 KẾT LUẬN 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN TÀI LIỆU THAM KHẢO vii LIỆT KÊ HÌNH Hình 2.1 Mơ hình mạng LoRa thực tế Hình 2.2 Mơ hình mạng LoRa .7 Hình 2.3 Giải thuật phạm vi truyền .8 Hình 2.4 Mơ hình Router (bộ thu phát) chuyển tín hiệu khơng dây .9 Hình 2.5 Cấu tạo máy biến dòng 10 Hình 2.6 Nguyên lý máy biến dòng 10 Hình 2.7 Chuẩn truyền thơng UART 12 Hình 2.8 Khung truyền liệu UART 12 Hình 2.9 Khung truyền UART 13 Hình 2.10 Quá trình truyền liệu UART 14 Hình 2.11 Quá trình nhận liệu UART 14 Hình 2.12 Chuẩn truyện nhận liệu SPI 15 Hình 2.13 Mơ hình truyền nhận liệu Master Slave Device 16 Hình 2.14 Mơ hình truyền nhận liệu Master nhiều Slave Device 16 Hình 2.15 Mơ hình giao thức Client- Server giao thức HTTP 17 Hình 2.16 Mơ hình kết nối thơng qua bước bắt tay (Three-way handshake) 18 Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 20 Hình 3.2 ESP-12E Chip 22 Hình 3.3 Các nguồn module NODE MCU ESP8266 22 Hình 3.4 Nút nhấn Led module NODE MCU ESP8266 23 Hình 3.5 Bộ điều khiển CP2102 23 Hình 3.6 Hình ảnh Node MCU ESP8266 24 Hình 3.7 Sơ đồ chân ESP8266 NodeMCU 25 Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lí module Node MCU ESP8266 27 Hình 3.9 Module đo điện PZEM-004T 28 Hình 3.10 Sơ đồ nối dây module đo điện PZEM-004T 29 Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lí giao tiếp NODE MCU ESP 8266 VỚI PZEM-004T 30 Hình 3.12 Màn hình 2.2 Inch 240 * 320 SPI TFT LCD Series ILI9341 5V / 3.3V .31 Hình 3.13 Sơ đồ ngun lí giao tiếp NODE MCU ESP8266 với Màn hình TFT 32 Hình 3.14 Module Lora E32-TTL-100 33 Hình 3.15 Sơ đồ ngun lí giao tiếp NODE MCU ESP8266 với Module Lora E32-TTL-100 36 Hình 3.16 Module nguồn AC-DC Hi-Link HLK-5M05 5VDC5W 37 Hình 3.17 Sơ đồ nguyên lí kết nối Module nguồn AC-DC Hi-Link HLK-5M05 5VDC5W với NODE MCU ESP8266 có mắc thêm led để báo hiệu 39 Hình 3.18 Sơ đồ ngun lí tồn mạch 41 Hình 4.1 Sơ đồ mạch in PCB mạch Điều khiển 42 Hình 4.2 Sơ đồ mạch in PCB mạch nguồn 43 Hình 4.3 Sơ đồ bố trí linh kiện 3D mạch điều khiển Sơ đồ bố trí linh kiện 3D mạch điều khiển 43 viii CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ Hình 5.2 Hình hình cấu hình thiết bị Sau nhấn giữ nút config hộp xuất hình dùng để cầu hình thơng số cần thiết như: thay đổi wifi, địa ip,… Hình 5.3 Hình kết nối Wi-Fi từ LoRa Kết nối với wifi lora để vào trang cấu hình BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 67 CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ Hình 5.4 Hình trang cấu hình Hình 5.5 Màn hình cấu hình Port Address Server Tại thay đổi thơng số như: port, địa ip BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 68 CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ Hình 5.6 Cấu hình mã người dùng Ngồi thay đổi thơng số cịn thay đổi mã người dùng Hình 5.7 Màn hình kết nối Wi-Fi Trang cấu hình giúp kết nối với wifi thích hợp BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ Quá trình giám sát website Trước cấp khách hàng mã cần vào trang đăng kí Hình 5.8 Giao diện trang đăng ký thành viên Sau truy cập vào trang đăng nhập Hình 5.9 Giao diện đăng nhập hệ thống website BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 70 CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ Sau đó, truy cập vào trang khách hàng để xem thơng tin giám sát Hình 5.10 Giao diện hình giám sát điện tiêu thụ ngày Ngoài việc xem giá trị điện tiêu thị người dùng xem điện theo tháng Hình 5.11 Giao diện hình giám sát điện tiêu thụ theo tháng Nếu quản lí, truy cập vào mục quản lí để xem tổng lượng điện khu vực BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 71 CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ Hình 5.12 Giao diện trang quản lý khu vực 5.2 Kết thực tế Sau mơ hình hồn thành, tiến hành chạy thực tế Bảng thông số chạy kiểm nghiệm thực tế sau: Bảng 5.1 Bảng kiểm nghiệm giá trị đo sử dụng thiết bị Số lần đo BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 72 CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ Sai số điện tiêu thụ: Đối với thiết bị quạt : AA̅ = 1+ 2+ 3 = 0.021+0.019+0.022 = 0.02 |AA̅ | = ΔA ΔA = |0.02 – 0.021| = 0.001 ΔA2 = |0.02 – 0.019| = 0.001 ΔA3 = |0.02 – 0.019| = 0.001 Sai số phép đo ̅ ΔA = Do sai số thiết bị 0.01 Nên sai số hệ thống = 0.001 + 0.01 = 0.011 Đối với mỏ hàn linh kiện: AA̅ = |AA̅- 1+ 2+ 3 = 0.014+0.013+0.014 = 0.01367 | = ΔA ΔA1 = |0.01367 – 0.014| = 0.00033 ΔA2 = |0 01367 – 0.013| = 0.00067 ΔA3 = |0 01367 – 0.014| = 0.00033 Sai số phép đo BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 73 CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ ̅ ΔA = Do sai số thiết bị 0.01 Nên sai số hệ thống = 0.00044 + 0.01 = 0.01044 Đối với bóng đèn sợi đốt: AA̅ = |AA̅- 1+ 2+ 3 = 0.004+0.006+0.005 = 0.005 | = ΔA ΔA1 = |0.005– 0.004| = 0.001 ΔA2 = |0.005– 0.006| = 0.001 ΔA3 = |0.005– 0.005| = Sai số phép đo ̅ ΔA = Do sai số thiết bị 0.01 Nên sai số hệ thống = 0.00067 + 0.01 = 0.01067 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 74 CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ Bảng 5.2 Bảng kiểm nghiệm giá trị đo sử dụng đồng hồ đo điện chuyên dụng Số lần đo Bảng 5.3 Thời gian truyền thiết bị sử dụng Lora thời gian truyền lên sở liệu Số lần BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 75 CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ 5.3 Nhận xét- đánh giá Đây thời gian thí nghiệm nên truyền liên tục Lora thiết bị lên sở liệu Thực tế ngày nên cập nhật liệu lên sở liệu lần ngày ❖ Thông qua hai bảng giá trị ta tính tốn sai số kết sau: - Sai số phép đo điện thiết bị: (0.00044 – 0.0001) Qua lần kiểm nghiệm thực tế, thiết bị đạt kết đề ra: - Quan sát thông số hiển thị hình thiết bị - Đo điện áp, dịng điện, cơng suất thiết bị gia đình ❖ - Dữ liệu tải lên sở liệu 10s đáp ứng nhu cầu thực tế - Dữ liệu giử nhận hai thiết bị dùng LoRa đáp ứng nhu cầu thực tế - Hệ thống chạy ổn định 95% BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 76 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 KẾT LUẬN ❖ Ưu điểm: - Đo điện áp pha hai dây dễ dàng lắp đặt không cần tác động đến hệ thống điện có - Hỗ trợ Wifi giúp cập nhập liệu cách nhanh chóng - Hỗ trợ LoRa truyền liệu qua lại thiết bị mạng tăng cường trình gửi nhận liệu - Có khả đo áp: 80-250 V - Có khả đo dịng: 0-100A - Với sai số thiết bị đo dòng đo áp 0.01 - Hỗ trợ tính website: + Đối với khách hàng: Hiển thị trực tiếp web, vào xem tổng chi phí tháng nhanh chóng thuận tiện + Có thể quan sát số liên tục ngày, chốt số tháng + Tính tiền điện hàng tháng so sánh với tháng trước + Đối với quản lý: Lắp đặt hệ thống quản lý theo mã khách hàng, cho phép theo dõi tổng lượng điện tiêu thụ khu vực cụ thể theo tháng ❖ Nhược điểm: - Khả truyền LoRa đáp ứng chậm - Khoảng cách truyền nhận liệu lora : + Thực nghiệm 3m (khoảng cách nhà) + Theo lí thuyết : – 3km khơng có vật chắn 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN - Phát triển hệ thống để scan WiFi cách tự động - Phát triển truyền liệu thiết bị mạng LoRa nhanh - Ở chế độ cấu hình cần có mật để tăng tính bảo mật - Phát triển số tính ứng dụng hỗ trợ người dùng tốn trực tiếp website BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN - Phát triển số ứng dụng cảnh báo người dùng điện gặp cố chi phí tiền điện tăng đột biến ngẫu nhiên tháng BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU THAM KHẢO Sách tham khảo [1] Trần Thu Hà –“Giáo trình Điện tử bản”, NXB Đại học Quốc gia TP.HCM, 2013 [2] Võ Hồng Sơn, Nguyễn Lâm Hoàng Minh Tuấn ,“Thiết kế thi công hệ thống giám sát điện tiêu thụ kết hợp với điều khiển thiết bị điện từ xa thông qua Internet Lora”, Đồ án tốt nghiệp, trường ĐHSPKT, TP.HCM, 2019 Trang web tham khảo [1] www.teachmemicro.com, How to Use the E32-TTL-100 SX1278 LoRa Module,https://www.teachmemicro.com/e32ttl100sx1278loramodule/?fbclid=IwAR3_ vIn2sVz8D35x8L_ZEjp5I2Q9nxWiRZ9Mo8TWRrcBfZDtDUZ8dR1Uc, 1/4/2020 [2] randomnerdtutorials.com, ESP32/ESP8266 Insert Data into MySQL Database using PHP and Arduino IDE, https://randomnerdtutorials.com/esp32-esp8266-mysqldatabase-php/, 1/4/2020 [3] www.w3schools.com, HTML and CSSThe language for building web pages, Learn Php, Learn SQL, https://www.w3schools.com/, 1/5/2020 [4] nshopvn.com, Module Đo Điện AC Đa Năng Giao Tiếp UART PZEM004T, https://nshopvn.com/product/module-do-dien-ac-da-nang-giao-tiep-uart-pzem004t/ , 2/4/2020 [5] stackoverflow.com, How can I get a list of all values in select box?, https://stackoverflow.com/questions/18113495/how-can-i-get-a-list-of-all-values-inselect-box, 10/4/2020 [6] www.totolink.vn, Hệ thống Mesh thiết bị mở rộng sóng khác nào?, https://www.totolink.vn/article/120hethongmeshvathietbimorongsongkhacnhaunhuthenao.html?fbclid=IwAR1eU8mpugJKUc1CoSDntCF8a1LlpJgSexVTA6MmDyX4aVsp 1CAw3JCadm8, 5/4/2020 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO [7]web.mit.edu,TFT_User_Manual.pdf,http://web.mit.edu/6.115/www/document/TFT_ User_Manual.pdf?fbclid=IwAR0nIgLYI3iXCDNCOn7PT5MJepPQbQEzZLOFr6QfWWS3ecQDjfWopDnmdc, 6/4/2020 [8] thegioiic.com, mạch chuyển đổi ac dc, https://www.thegioiic.com/products?search=m %E1%BA%A1ch+chuy%E1%BB%83n +%C4%91%E1%BB%95i+ac+dc, 6/6/2020 [9] lastminuteengineers.com, Getting Date & Time From NTP Server With ESP8266 NodeMCU, https://lastminuteengineers.com/esp8266-ntp-server-date-time-tutorial/, 10/4/2020 [10] github.com, TFTLCD-Library, https://github.com/adafruit/TFTLCD-Library, 10/4/2020 [11] github.com, PZEM-004T-v30, https://github.com/mandulaj/PZEM-004T-v30, 11/4/2020 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 80 ... ? ?Thi? ??t kế thi công công tơ điện tử giám sát điện tiêu thụ qua mạng Lora Internet? ?? có giới hạn sau: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CHƯƠNG TỔNG QUAN - Hệ thống gồm thi? ??t bị chủ thi? ??t bị phụ, thi? ??t. .. liệu qua mạng Internet truyền qua lora máy chủ trực tiếp Internet 1.3 NỘi DUNG NGHIÊN CỨU Để thực Đồ án tốt nghiệp với đề tài Thi? ??t kế thi công công tơ điện tử giám sát điện tiêu thụ qua mạng Lora. .. việc thi cơng hệ thống áp dụng số tính vào cơng tơ truyền thống Hệ thống có tên là: ? ?Thi? ??t kế thi công công tơ điện tử giám sát điện tiêu thụ qua mạng Lora Internet? ?? Với chức đo điện tiêu thụ