BÁO cáo TIỂU LUẬN môn học máy TÍNH NHÚNG và ỨNG DỤNG đề tài THIẾT kế CÔNG tơ đo LƯỜNG CÔNG SUẤT TIÊU THỤ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VÀ TRUYỀN THÔNG BÁO CÁO TIỂU LUẬN MƠN HỌC MÁY TÍNH NHÚNG VÀ ỨNG DỤNG Đề tài THIẾT KẾ CÔNG TƠ ĐO LƯỜNG CÔNG SUẤT TIÊU THỤ Nhóm Sinh viên thực hiện: Trần Xuân Hảo Trần Đức Cường Nguyễn Văn Tình Nguyễn Cơng Tuấn Đỗ Hải Long Lớp : VB2.K18I.KTMT.NĐ Giáo viên Giảng dạy: ThS NGUYỄN THANH TÙNG Thái Nguyên, tháng năm 2021 MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Tầm quan trọng quản lí giám sát lượng 1.3 Giới thiệu số hệ thống giám sát, quản lí lượng từ xa thực tế 1.3.1 Hệ thống giám sát quản lý lượng từ xa qua sóng vơ tuyến RF 1.3.2 Hệ thống giám sát quản lý lượng từ xa qua truyền tải tín hiệu thơng qua đường dây điện 10 1.4 Mục tiêu, nhiệm vụ 12 1.4.1 Mục Tiêu 12 1.4.2 Nhiệm vụ 12 1.4 Giới hạn 12 1.5 Bố cục báo cáo 13 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 14 2.1 Công nghệ IOT 14 2.3.1 Giao thức kết nối 14 2.3.2 Giao thức truyền tải liệu 15 2.3.3 Firebase 18 2.2 Các chuẩn truyền liệu 21 2.2.1 Giao tiếp I2C 21 2.2.2 Giao tiếp UART 26 2.3 Giới thiệu phân cứng 28 2.3.1 Module NodeMCU ESP8266 wifi v1.0 28 2.3.2 Module PZEM004T 32 2.3.3 Màn hình LCD 20x4 35 2.3.4 Module chuyển đổi giao tiếp I2C 36 2.4 Giới thiệu phần mềm 38 2.4.1 Phần mềm lập trình Arduino IDE 38 2.4.2 Phần mềm lập trình Android Studio 41 2.4.3 Phần mềm giám sát điện app Blynk 43 CHƯƠNG PHÂN TÍCH THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG 45 3.1 Giới thiệu 45 3.2 Thiết kế hệ thống 45 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 45 3.2.2 Sơ đồ kết nối toàn mạch 49 3.2.3 Nguyên lý hoạt động 50 3.2.4 Lưu đồ giải thuật 50 3.3 Thi công hệ thống 51 3.3.1 Mơ hình thiết bi 51 3.3.2 Danh sách linh kiện 52 3.3.3 Lắp ráp kiểm tra 52 3.4 Lập trình phần cứng phần mềm 55 3.4.1 Chương trình thống phần cứng Arduino IDE 55 Hình ảnh phía số đoạn chương trình sản phẩm: 55 3.4.2 Chương trình app Android Studio 56 3.4.3 Tạo giao diện để xem thông số điện app Blynk 58 3.5 Kết quả, nhận xét 59 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 60 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1 Giao thức truyền MQTT 16 Hình 2.2 Mơ hình sử dụng giao thức CoAP HTTP 17 Hình 2.3 ví dụ XMPP 18 Hình 2.4 Bus I2C thiết bị ngoại vi 21 Hình 2.5 Kết nối thiết bị vào bus I2C chế độ chuẩn (Standard mode) chế độ nhanh (Fast mode) 22 Hình 2.6 Quá trình truyền nhận thiết bi cḥủ (master) tớ (slave) 23 Hình 2.7 Trình tự truyền bit đường truyền 24 Hình 2.8 Điểu kiện để giao tiếp I2C 25 Hình 2.9 Quá trình truyền liệu I2C 26 Hình 2.10 Kết nối UART hai vi điều khiển 27 Hình 2.11 Quá trình truyền liệu UART 27 Hình 2.12 Ảnh ESP8266-12 thực tế sơ đồ chân 29 Hình 2.13 Module Node MCU ESP8266 sơ đồ chân 30 Hình 2.14 Mạch nguyên lý NodeMCU ESP8266 31 Hình 2.15 Hình ảnh thực tế module PZEM004T 32 Hình 2.16 Sơ đồ kết nối dây module PZEM004T 33 Hình 2.17 Sơ đồ chân LCD 20x4 36 Hình 2.18 Hình ảnh thực tế module chuyển đổi I2C 37 Hình 2.19 Mạch nguyên lý module chuyển đổi giao tiếp I2C 38 Hình 2.20 Màn hình làm việc arduino IDE 39 Hình 2.21 Thiết lập đường dẫn cho IDE 39 Hình 2.22 Trình quản lí thiết bị giao tiếp với IDE 40 Hình 2.23 Tiến hành tải boad ESP8266 IDE 40 Hình 2.24 Chọn boad để nạp code 41 Hình 2.25 Màn hình làm việc với file Java 42 Hình 2.26 Màn hình làm việc với file Xml 42 Hình 2.27 Mơ hình hoạt động Blynk 43 Hình 2.28 Giao diện app Blynk 44 Hình 3.1 Sơ đồ khối toàn thống 45 Hình 3.2 Hình ảnh thực tế module PZEM004T 46 Hình 3.3 Một số thiết bị ngõ vào 47 Hình 3.4 Khối xử lí trung tâm 47 Hình 3.5 Khối hiển thị 47 Hình 3.6 Khối nguồn 48 Hình 3.7 Khối Sever firebase 48 Hình 3.8 Mobile app hiển thị liệu theo thời gian thực 49 Hình 3.9 Sơ đồ kết nối toàn mạch 49 Hình 3.10 Lưu đồ tồn hệ thống 50 Hình 3.11 Mơ hình thiết bị 52 Hình 3.12 Mặt sau sản phẩm bên hộp 53 Hình 3.13 Mặt trước sản phẩm 53 Hình 3.14 Vị trí giắc nguồn 5v nút bấm reset 54 Hình 3.15 Vị trí giắc cắm nguồn 220v 54 Hình 3.17 Chương trình hiển thị liệu lên LCD 55 Hình 3.18 Gửi liệu lên Blynk 55 Hình 3.19 Gửi liệu lên Firebase 56 Hình 3.20 Code nhận liệu từ firebbase java 56 Hình 3.21 Code nhận liệu từ firebbase java 57 Hình 3.22 Chương trình giao diện XML 57 Hình 3.23 Kết sau chạy app máy ảo 58 Hình 3.24 Các cơng cụ giao diện hồn thành 58 Hình 3.25 Sản phẩm hoàn thiện 59 Hình 3.26 Giao diện theo dõi điện qua app blynk android .59 LỜI MỞ ĐẦU Nhu cầu quản lý, giám sát kiểm sốt việc đo điện năng, thơng số: điện áp, dòng điện, tiêu chất lượng điện từ xa cần thiết cho nhà quản lý, công ty điện lực cá nhân Mặc dù đạt đến mức độ thành công định, nhiên hệ thống quản lý giám sát điện chi phí cao hạn chế việc truy cập từ xa Ngoài ra, xu hướng sử dụng thiết bị thơng minh: điện thoại smart phone, máy tính bảng …để truy cập giám sát từ xa Trong xu này, hệ thống hỗ trợ việc quản lý, giám sát việc đo điện thông số hệ thống điện từ xa Internet cần thiết để tìm hướng tiện nghi kinh tế phục vụ nhà quản lý, công ty điện lực Với mong muốn giải phần khó khăn tìm hương cho ngành điện Việt Nam, nhóm tác giả bắt tay vào nghiên cứu thực đề tài “Thiết kế công tơ đo lường công suất điện tiêu thụ” Trên sở tìm hiểu IoT nhằm giám sát điện thông số khác hệ thống điện từ xa qua mạng không dây, qua việc truy cập vào trang app, người dùng có thể giám sát từ xa nơi lúc Điểm nổi bật đề tài có thể giám sát điện đồng thời hai hay nhiều thiết bi điện thông qua mạng khơng dây, kiểm sốt thơng qua việc đo, lưu trữ thông số điện liên tục thời điểm ngày CHƯƠNG TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề Công nghệ Internet of Things (IOT) nói chung cơng nghệ cảm biến khơng dây (Wireless Sensor) nói riêng tích hợp từ kỹ thuật điện tử, tin học viễn thông tiên tiến vào mục đích nghiên cứu, giải trí, sản xuất, kinh doanh, v.v , phạm vi ngày mở rộng, để tạo ứng dụng đáp ứng cho nhu cầu lĩnh vực khác Hiện nay, khái niệm IOT công nghệ cảm biến không dây trở nên quen thuộc ứng dụng nhiều lĩnh vực đời sống người, đặc biệt nước phát triển có khoa học cơng nghệ tiên tiến Tuy nhiên, công nghệ chưa áp dụng cách rộng rãi nước ta, điều kiện kỹ thuật, kinh tế, nhu cầu sử dụng Song hứa hẹn đích đến tiêu biểu cho nhà nghiên cứu, cho mục đích phát triển đầy tiềm Được định hướng dẫn Thạc sĩ Đoàn Ngọc Phương em chọn đề tài luận án “Giám sát điện qua mạng khơng dây” Trên sở tìm hiểu IoT nhằm giám sát điện thông số khác hệ thống điện từ xa qua internet, nhu cầu có thật tăng cao thời gian gần Đặc biệt sau đợt giá điện tăng, nhiều nhà máy tiết kiệm điện hiệu sau có kết theo dõi Với thiết bi quaṇ sát điện từ xa, có thể nhìn thấy thơng số hệ thống điện điện áp, dịng điện, tần số, cơng suất, hệ số công suất, nhà máy phận bất cứ lúc mà ta không cần phải có mặt nhà máy Chúng ta có thể dùng máy vi tính thiết bị di động có hỗ trợ duyệt web có thể quan sát thông số hệ thống điện nhà máy Hệ thống quản lý điện giúp nhà quản lý đánh giá tiêu thụ điện để thực tiết kiệm chi phí lượng Đề tài khảo sát phương pháp giám sát điện điển hình trước thơng qua internet dùng module sim kết hợp RS232 qua cổng truyền thông RS485 theo phương thức truyền thông Modbus RTU [2], nhiên thực tế mạng GSM gặp phải khó khăn việc bị trễ tin nhắn nghẽn mạng, kẹt mạng hay nơi có sóng GSM yếu giám sát máy tính Những phương pháp khác dùng phần mềm Acuview giám sát điện thông qua đồng hồ đo điện đa Mutimeter ACUVIM [3] giám sát điện sử dụng PLC S7-400 thơng qua giao diện WINCC [4] có giá thành cao tốn Để khắc phục nhược điểm trên, đề tài: “Giám sát điện qua mạng không dây” nghiên cứu việc giao tiếp với thiết bi điện quaInternet dùng cơng nghê IoT, góp phần hỗ trợ cho công tác giám sát quản lý điện từ xa, sử dụng vi điều khiển kết hợp với việc truyền liệu qua WIFI, giúp đo ghi liệu từ xa, mà không bi ḥạn chế khoảng cách truyền liệu 1.2 Tầm quan trọng quản lí giám sát lượng Quản lý giám sát lượng chìa khóa để tiết kiêm lượng tổ chức thương mại, công nghiệp phủ năm gần phải chiụ áp lực to lớn kinh tế môi trường Giám sát quản lý lượng giúp giảm phu thuộc vào nhiên liệu hóa thạch ngày trở nên cạn kiệt Khi tiêu thụ nhiều lượng, doanh nghiệp hơ gia đình phải đối mặt với tình trạng thiếu nguồn cung cấp nghiêm trọng kèm theo nguy tăng giá lượng dẫn đến ảnh hưởng tới lợi nhuận tổ chức, viêc quản lý lượng doanh nghiệp hơ gia đình có thể giảm nguy cách kiểm soát nhu cầu lượng, tiết kiệm điện dây chuyền sản xuất bước tăng hiệu việc đầu tư vào giá thành cho sản phẩm Lợi ích đem lại sử dụng thống giám sát quản lý lượng: - Giảm thời gian chi phí nhân cơng để ghi lại liệu từ đồng hồ đo, nhập vào file excell báo cáo tháng - Giảm sai xót q trình thu thập liệu tay - Kiểm soát liệu điện liên tục 24 trạm làm viêc - Giảm thời gian xử lý cố liêu thu thập đầy đủ, có ghi lại dạng sóng nguồn điên cố xảy Đây đề tài tìm hiểu, nghiên cứu nhiều để đưa giải pháp giúp ngành điện Việt Nam giải đưuọc khó khăn nêu Hình 3.15 Vị trí giắc cắm nguồn 220v Giắc cắm màu đỏ giắc cắm dùng để cấp điện cho module PZEM004T ổ cắm điện để nối thiết bị điện cần đo 54 3.4 Lập trình phần cứng phần mềm 3.4.1 Chương trình tḥống phần cứng Arduino IDE Hình ảnh phía số đoạn chương trình sản phẩm: Hình 3.17 Chương trình hiển thị liệu lên LCD Hình 3.18 Gửi liệu lên Blynk 55 Hình 3.19 Gửi liệu lên Firebase 3.4.2 Chương trình app Android Studio Chương trình file java Hình 3.20 Code nhận liệu từ firebbase java 56 Hình 3.21 Code nhận liệu từ firebbase java Chương trình file xml Hình 3.22 Chương trình giao diện XML Sau biên dịch khởi chạy ta app android hình phía việc cịn lại lấy file apk cài máy thật theo dõi số điện hiển thị 57 Hình 3.23 Kết quả sau chạy app máy ảo 3.4.3 Tạo giao diện để xem thông số điện app Blynk Với app blynk ta khơng cần phải lập trình app, ta cần thiết lập thông số để đồng với phần cứng sever lập trình bên arduino IDE Việc làm app thêm khối để hiển thị với ý muốn Hình 3.24 Các cơng cụ giao diện hồn thành 58 3.5 Kết quả, nhận xét Sau thực kết nối,hệ thống cập nhật thông số điện đo LCD gửi liệu lên sever blynk firebase để gửi liệu mobile app Hình 3.25 Sản phẩm hồn thiện Sau có thể giám sát điện theo thời gian thực thiết bi ṇày App Blynk app android Hình 3.26 Giao diện theo dõi điện qua app blynk android 59 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Đề tài thực giám sát điện đồng thời thiết bi qua mạng không dây Hiệu suất ởn định 90% Có thể giám sát qua máy tính điện thoại nơi Đây đề tài thiết thực thực tế nhà nhà có điện, người người có smartphone, trang bị phần mềm theo dõi điện từ xa qua mạng khơng dây có thể biết mức điện mà gia đình sử dụng nào… thiết bị điện sử dụng điện năng Ngồi cịn có thể đối chiếu với số điện tiêu thụ hàng tháng phía nhà cung cấp điện Tuy nhiên hệ thống bước phát triển ban đầu Cần phải nghiên cứu thêm để đưa tính khác vào thêm khả tính tốn tiền điện, lịch sử tiêu thụ điện theo ngày, tháng… Để mở rộng đề tài, thêm nhiều ứng dụng đời sống, có thể giám sát nhiều thiết bi ùcng lúc, thêm thống bảo vệ, danh sách lịch sử, xử lý cố vượt tải, áp trực tiếp việc điều khiển từ xa qua mạng không dây 60 TÀI LIÊỤ THAM KHẢO [1] Giáo trình Vi xử lý [2] https://www.google.com.vn/ [3] https://www.youtube.com/ [4] Hương dẫn Arduino IDE, Android studio, app blynk [5] http://www.banlinhkien.com [6] http://youtube.com [7] http://arduino.cc [8] https://dientu360.com/ [9] https://vi.wikipedia.org/ 61 ... động thiết bi ṣẽ đo tính tốn xác 1.5 Bố cục báo cáo  Với đề tài giám sát điện qua mạng khơng dây bố cục đồ án sau: Chương 1: Tơ? ?ng quan đề tài Chương trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý chọn đề tài, ... thực đề tài ? ?Thiết kế công tơ đo lường công suất điện tiêu thụ? ?? Trên sở tìm hiểu IoT nhằm giám sát điện thông số khác hệ thống điện từ xa qua mạng không dây, qua việc truy cập vào trang app,... công cho đề tài  Chương 3: Khảo sát phân tích hệ thống Chương giới thiệu tổng quan yêu cầu đề tài thiết kế tính tốn liên quan đến đề tài  Chương 4: Thi công tḥống Chương có thể gồm kết thi