(Đồ án tốt nghiệp) thiết kế và thi công hệ thống giám sát điện năng tiêu thụ kết hợp với điều khiển thiết bị điện tử từ xa thông qua internet và lora

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ KẾT HỢP VỚI ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN TỪ XA THÔNG QUA INTERNET VÀ LORA GVHD: Nguyễn Duy Thảo SVTH: Võ Hồng Sơn MSSV: 15141268 SVTH: Nguyễn Lâm Hoàng Minh Tuấn MSSV: 15141320 SKL006104 Tp Hồ Chí Minh, tháng 7/2019 BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ KẾT HỢP VỚI ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN TỪ XA THÔNG QUA INTERNET VÀ LORA GVHD: ThS Nguyễn Duy Thảo SVTH: Võ Hồng Sơn Nguyễn Lâm Hoàng Minh Tuấn Tp Hồ Chí Minh – 07/2019 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 10 tháng 06 năm 2019 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 HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ KẾT HỢP VỚI ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN TỪ XA THÔNG QUA INTERNET VÀ LORA II NHIỆM VỤ Các số liệu ban đầu: - Các loại vi điều khiển: Arm STM32F103, Arduino Nano, Esp 8266 V12 - Các loại Module: Lora – E32 TTL 100, đo điện PZEM004T, sim 800L - Màn hình hiển thị: LCD 16x02, LCD_TFT 2.4 inch - Cảm biến khí gas MQ2 - Điều khiển thiết bị điện: relay, transistor, diode - Nguồn: module hạ áp AC – DC, pin dự phòng mạch sạc pin 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 điều khiển - Thiết kế ứng dụng điều khiển hệ điều hành Android - 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: 10/06/2019 V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:ThS Nguyễn Duy Thảo CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ii TRƯỜNG ĐH SPKT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Võ Hồng Sơn Lớp: Họ tên sinh viên 2: Nguyễn Lâm Hoàng Minh Tuấn Lớp: Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ KẾT HỢP VỚI ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN TỪ XA QUA INTERNET VÀ LORA Tuần/ngày Tuần 1,2 18/02-03/03 Tuần 3,4,5 04/03-24/03 Tuần 6,7,8,9 25/03-21/04 Tuần 10,11 22/04-05/05 Tuần 12 06/05-12/05 Tuần 13,14,15 13/05-09/06 GV HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) 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 Võ Hồng Sơn Nguyễn Lâm Hoàng Minh Tuấn iv LỜI CẢM ƠN Chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến ThS Nguyễn Duy Thảo 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 15141DT 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 Võ Hồng Sơn Nguyễn Lâm Hoàng Minh Tuấn v MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN 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.TẦM QUAN TRỌNG CỦA VIỆC QUẢN 2.2.CÔNG NGHỆ IOT 2.3.GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 2.3.6 2.3.7 2.3.8 2.3.9 2.3.10 2.4 CÁC CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU 2.4.1 2.4.2 2.4.3 CHƯƠNG TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ 3.1 GIỚI THIỆU 3.2 TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐN vi 3.2.1.Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 3.2.2.Tính tốn mạch điện 3.2.3.Thiết kế khối 3.2.4.Sơ đồ ngun lí tồn mạch CHƯƠNG THI CÔNG HỆ THỐNG 4.1.GIỚI THIỆU 4.2.THI CÔNG HỆ THỐNG 4.2.1.Thi công board mạch 4.2.2.Lắp ráp kiểm tra 4.2.3.Thi cơng, đóng gói mơ hình 4.3.LẬP TRÌNH HỆ THỐNG 4.3.1.Lưu đồ giải thuật 4.3.2.Phần mềm lập trình cho vi điều khiển 4.3.3.Phần mềm lập trình giao diện điều khiển 4.4.VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤ 4.4.1.Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng 4.4.2.Qui trình thao tác CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ 5.1.GIỚI THIỆU 5.2.KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 5.3.KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 5.3.1.Cấp nguồn kết nối Wifi cho board mạch (Master) 5.3.2.Kết nối Master với Slave 5.3.3.Đăng nhập ứng dụng điện thoại 5.3.4.Cài đặt thông số cho ứng dụng 5.3.5.Giám sát điều khiển trực tiếp board mạch 5.3.6.Cảnh báo rị rỉ khí Gas qua tin nhắn SMS gọi 5.3.7.Hệ thống hoạt động điện 5.4.NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ 5.4.1.Nhận xét 5.4.2.Đánh giá CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1.KẾT LUẬN 6.2.HƯỚNG PHÁT TRIỂN TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC vii PHỤ LỤC Hình Điều kiện start stop Điều kiện START: chuyển đổi trạng thái từ cao xuống thấp đường SDA đường SCL mức cao (cao = 1; thấp = 0) báo hiệu điều kiện START Điều kiện STOP: chuyển đổi trạng thái từ mức thấp lên cao đường SDA đường SCL mức cao Cả hai điều kiện START STOP tạo thiết bị chủ Sau tín hiệu START, bus I2C coi trạng thái làm việc (busy) Bus I2C rỗi, sẳn sàng cho giao tiếp sau tín hiệu STOP từ phía thiết bị chủ Sau có điều kiện START, trình giao tiếp, có tín hiệu START lặp lại thay tín hiệu STOP bus I2C tiếp tục trạng thái bận Tín hiệu START lặp lại START (Repeated START) có chức giống khởi tạo giao tiếp Truyền liệu: Mỗi xung clock có bit liệu truyền Mức tín hiệu SDA thay đổi xung clock mức thấp, ổn định xung clock mức cao Thiết bị tớ lấy mẫu liệu xung clock mức cao Hình Truyền liệu I2C BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 93 PHỤ LỤC Tính toán mạch 1.1 Tính toán điện trở hạn dịng cho LED Hình Tính trở hạn dịng cho LED Chọn VLED = 2V, dòng điện qua LED: ILED = mA =>R = 1.2 Tính toán phân cực Transistor BJT điều khiển LED báo nguồn Hình LED báo nguồn LED màu xanh LED báo nguồn từ mạch giảm áp, LED hoạt động LED báo thông thường trình bày LED màu đỏ LED mạch chuyển sang dùng nguồn từ pin dự phòng Phần trình tính tốn mạch điều khiển để điều khiển LED Chọn VLED = 2V, dòng điện qua LED: ILED = mA => = LED báo nguồn pin dự phòng sáng khơng có nguồn từ mạch giảm áp Từ u cầu đó, ta chọn Transistor BJT A1015 loại PNP để điều khiển LED - Transistor dẫn bão hòa: VCE = = > Có dịng điện chạy qua cuộn dây từ nguồn +3,7V qua điện trở R1, qua LED đỏ => LED đỏ sáng A1015 dẫn: IBB < 0, VBE = 0,7 Chọn R5 = 100 k Ω BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 94 PHỤ LỤC =− => - Transistor ngưng dẫn: VCE = VCC = 5V => Khơng có dịng điện chạy qua LED => LED tắt A1015 ngưng dẫn: IBB = 0, VBE = Module Lora 2.1 Chế độ hoạt động Module Lora Module cấu hình truyền nhận liệu hai chế độ: - Fixed mode: Module giao tiếp với module khác khác tần số phát với module truyền cần biết địa tần số có hai module truyền nhận với Hình Chế độ Fixed mode - Broadcast mode: Chế độ trái ngược hoàn toàn với fixed mode, module truyền tất module cấu hình chế độ broadcast mode có tần số phát nhận đượ liệu Hình Chế độ Broadcast mode BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 95 PHỤ LỤC 2.2 Phần mềm cấu hình cho Module LORA E32-TTL-100 nhà sản xuất Sau đưa Module Mode (Sleep) ta kết nối Module với USB TTL bật phần mềm lên Nếu kết nối thành công ta thấy giao diện giống hình phía trên: Click chọn “GetParam” để đọc thơng số cấu hình Module Chọn thơng số cần cấu hình như: Address, Channel, tốc độ baudrate, parity,… sau click vào tùy chọn “SetParam” để lưu cấu hình cài đặt vào nhớ Epprom Hình Giao diện phần mềm cấu hình cho Module LORA Khung truyền giao tiếp Module PZEM Bảng Khung truyền giao tiếp với Module PZEM 004T STT Chức Đọc điện áp Phản hồi Đọc dịng điện Phản hồi Đọc cơng suất tiêu thụ Phản hồi BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Đọc điện tiêu thụ 96 PHỤ LỤC Phản hồi Đặt địa module Phản hồi Đặt ngưỡng báo động Phản hồi Khảo sát số tập lệnh AT thường sử dụng Module SIM800L Các lệnh AT hướng dẫn sử dụng để điều khiển modem AT cách viết gọn chữ Attention Mỗi dòng lệnh bắt đầu với “AT” hay “at” Đó lý lệnh modem gọi lệnh AT Nhiều lệnh sử dụng để điều khiển modem quay số sử dụng dây mối (wired dial-up modems), chẳng hạn ATD (Dial), ATA (Answer), ATH (Hool control) ATO (return to online data state) hỗ trợ modem GSM/GPRS điện thoại di động Bên cạnh lệnh AT thông dụng này, modem GSM/GPRS điện thoại di động hỗ trợ lệnh AT đặc biệt cơng nghệ GSM Nó bao gồm lệnh liên quan tới SMS AT+ CMGS (gửi tin nhắn SMS), AT+CMSS (gửi tin nhắn SMS từ vùng lưu trữ), AT+CMGL (chuỗi liệt kê tin nhắn SMS) AT+CMGR (đọc tin nhắn SMS) Ngoài ra, modem GSM hỗ trợ lệnh AT mở rộng Cú pháp lệnh AT phân chia thành loại: cú pháp có cấu trúc bản, cú pháp có cấu trúc tham số S, cú pháp có cấu trúc mở rộng Với cú pháp nêu lệnh hoạt động nhiều chế độ khác Các chế độ thống kê bảng bên sau: Bảng Một số tập lệnh AT cho module SIM800L Loại lệnh Lệnh kiểm tra Lệnh đọc Lệnh thiết lập Lệnh thực thi BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 97 PHỤ LỤC Các lệnh LCD Bảng Các lệnh LCD 16x02 Lệnh NOP Clear display Cursor home Entry mode set Display control Cursor/display shift Function set Set CGRAM addr Set DDRAM addr 10.Buzy flag & Addr 11.Read data 12.Write data Giải thích lệnh: - Lệnh xố hình “Clear Display”: thực lệnh LCD bị xố đếm địa xoá - Lệnh di chuyển trỏ đầu hình “Cursor Home”: thực lệnh đếm địa xố 0, phần hiển thị trở vị trí gốc bị dịch trước Nội dung nhớ RAM hiển thị DDRAM không bị thay đổi - Lệnh thiết lập lối vào “Entry mode set”: lệnh dùng để thiết lập lối vào cho kí tự hiển thị, bit ID = trỏ tự động tăng lên có byte liệu ghi vào hiển thị, ID = trỏ không tăng: liệu ghi đè lên liệu cũ Bit S = cho phép dịch chuyển liệu nhận byte hiển thị BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 98 PHỤ LỤC - Lệnh điều khiển trỏ hiển thị “Display Control”: lệnh dùng để điều khiển trỏ (cho hiển thị bit D = 1, tắt hiển thị bit D = 0), tắt mở trỏ (mở trỏ bit C = 1, tắt trỏ bit C = 0), nhấp nháy trỏ (cho nhấp nháy bit B = 1, tắt bit B = 0) - Lệnh di chuyển trỏ “Cursor /Display Shift”: lệnh dùng để điều khiển di chuyển trỏ hiển thị dịch chuyển (SC = cho phép dịch chuyển, SC = khơng cho phép), hướng dịch chuyển (RL = dịch phải, RL = dịch trái) Nội dung nhớ DDRAM không đổi - Lệnh thiết lập địa cho nhớ RAM phát kí tự “Set CGRAM Addr”: lệnh dùng để thiết lập địa cho nhớ RAM phát kí tự - Lệnh thiết lập địa cho nhớ RAM hiển thị “Set DDRAM Addr”: lệnh dùng để thiết lập địa cho nhớ RAM lưu trữ liệu hiển thị Hai lệnh cuối lệnh đọc lệnh ghi liệu LCD Thống kê linh kiện sử dụng Bảng Thống kê linh kiện sử dụng board mạch STT Tên linh kiện Kit STM32F103C8T6 Kit Arduino Nano ESP8266 v12 Module SIM800L Module LORA E32 TTL Cảm biến khí Gas MQ-2 Module PZEM004T LCD 16x2 LCD TFT 2.4inch 10 Module nguồn 11 Mạch sạc pin 12 Pin sạc 3.7V/2000mAh 13 Relay 5VDC 14 LED màu đơn 3mm 15 LED màu đơn 3mm BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 99 PHỤ LỤC 17 Diode 1N4007 18 Tụ 1000uF/25V 19 Tụ gốm 104 20 Transistor C1815 21 Transistor A1015 22 Mosfet FDN340P 23 IC AMS1117 3.3VDC 24 Terminal HB9500-8P 25 Terminal HB9500-2P 26 Header 27 Dây Bus + đầu 28 Dây Bus + đầu 29 Dây Bus 30 Nút nhấn chân 31 Hàng rào đực, 32 Điện trờ loại 33 Module I2C LCD 34 Buzzer 5VDC Kiểm tra nguồn cung cấp cho mạch điều khiển điều khiển thiết bị Khi relay tác động, đòng điện mạch tăng đột ngột dòng tiêu thụ relay lớn (khoảng 70mA) nên gây tượng sụt áp board mạch Hiện tượng gọi nhiễu ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động mạch Cụ thể đề tài nhóm thực gặp tượng Nhóm nhiều thời gian để khắc phục tượng nhiều cách khác Cuối cùng, nhóm khắc phục nhiễu Kết thực trình hình phía dưới: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 100 PHỤ LỤC Hình 8: Dạng sóng điện áp nguồn cấp cho relay relay đóng Hình 9: Dạng sóng điện áp nguồn cấp cho tồn hệ thống relay đóng Như Hình thể relay đóng, dòng diện tăng đột ngột dẫn đến tượng sụt áp nguồn cung cấp (khoảng 150mV, thời gian 400ms) Hiện tượng sụt áp ảnh hưởng đến toàn hệ thống làm vi điều khiển bị reset, module hoạt động khơng ổn định Nhóm dùng linh kiện có chức cách BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH PHỤ LỤC ly nguồn điện (DC-DC), kết đạt Hình 9, điện áp nguồn cung cấp ổn định nguồn cấp cho relay có thay đổi Tương tự relay cắt, nguồn cung cấp ổn định Hiện tượng sụt áp nguồn làm ảnh hưởng đến phần tử khác mạch khắc phục Hình 10: Dạng sóng điện áp nguồn cấp cho relay relay cắt Hình 11: Dạng sóng điện áp nguồn cấp cho tồn hệ thống relay cắt BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ... bắt tay vào thực đề tài ? ?Thi? ??t kế thi công hệ thống giám sát điện tiêu thụ kết hợp với điều khiển thi? ??t bị điện từ xa thông qua Internet Lora? ?? Điểm bật đề tài cần thi? ??t bị chủ kết nối Internet. .. điện tiêu thụ kết hợp với điều khiển thi? ??t bị điện từ xa thông qua Internet Lora? ?? Người dùng giám sát điều khiển thi? ??t bị điện từ xa nơi lúc miễn điện thoại phải có hệ điều hành Android kết nối Internet. .. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.2 MỤC TIÊU Thi? ??t kế thi công hệ thống giám sát điện tiêu thụ kết hợp với điều khiển thi? ??t bị điện từ xa thơng qua Internet Lora Hệ thống