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

BÁO CÁO TIỂU LUẬN MƠN HỌC MÁY TÍNH NHÚNG VÀ ỨNG DỤNG Đề tài THIẾT KẾ CÔNG TƠ ĐO LƯỜNG CƠNG SUẤT TIÊU THỤ • Nhóm Sinh viên thực hiện: Trần Xuân Hảo Trần Đức Cường Nguyễn Văn Tình Nguyễn Công Tuấn Đỗ Hải Long Lớp : VB2.K18I.KTMT.NĐ viên Giảng dạy: ThS NGUYỄN THANH TÙNG Thái Nguyên, tháng năm 2021 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH 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 thông 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 cơng 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 giám sát từ xa nơi lúc Điểm bật đề tài giám sát điện đồng thời hai hay nhiều thiết bi điện thông qua mạng không 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 Cơng 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 công 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 không 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 quan sát điện từ xa, nhìn thấy thơng số hệ thống điện điện áp, dịng điện, tần số, cơng suất, hệ số công suất, nhà máy phận lúc mà ta khơng cần phải có mặt nhà máy Chúng ta dùng máy vi tính thiết bị di động có hỗ trợ duyệt web quan sát thơng 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 thông 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 mạnghay 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 thông qua giao diện WINCC [4] có giá thành cao tốn Đe 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 công nghê IoT, góp phần hỗ trợ cho cơng 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 hạn 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, cơng 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 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 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 Hệ thống đọc số cơng tơ từ xa sóng vơ tuyến RF bao gồm khối chức sau: - Cơng tơ điện tử có tích hợp tính thu phát tín hiệu vơ tuyến RF lắp hộ khách hàng sử dụng điện, có chức đo đếm, lưu trữ lượng vào nhớ không dây truyền thu thập tín hiệu di động nhận lệnh - Bộ thu thập tín hiệu di động (Handheld Unit) bao gồm: máy tính cầm tay (Handheld Unit) tích hợp module thu phát tín hiệu vơ tuyến RF bên trong, với chương trình thu thập số liệu Cơng ty tự phát triển Trên máy tính cầm tay giúp người ghi lệnh đọc số cơng tơ phạm vi phủ sóng dựa vào danh sách số liệu khách hàng sử dụng điện tao từ sở liệu kinh doanh điện Toàn liệu ghi ghép nối vào sở liệu kinh doanh điện cách tự động mà không cần phải tốn nhiều thao tác thủ công trước Giải pháp có ưu điểm: - Khơng phụ thuộc vào khoảng cách, khơng phụ thuộc vào vị trí điểm đầu, điểm cuối có thay đổi vị trí lắp đặt cơng tơ, hay vị trí trung tâm không bị thay đổi thiết bị - Thiết bị modem gọn nhẹ, thông dụng, dễ dàng lắp kèm với cơng tơ - Cước phí tính theo lưu lượng (KB) thấp, phù hợp với hệ thống không yêu cầu truyền theo thời gian thực Nhược điểm: Do sử dụng đường truyền không dây, truyền qua mạng di động, nên tín hiệu bị ảnh hưởng thời tiết xấu, cần cân nhắc chọn dịch vụ nhà cung cấp mạng có mật độ phủ sóng rộng, chất lượng tín hiệu tốt 1.3.2 Hệ thống giám sát quản lý lượng từ xa qua truyền tải tín hiệu thơng qua đường dây điện Hệ thống đo đếm công tơ từ xa truyền qua đường dây điện CollectricTM hệ thống đo lượng điện tiêu thu theo thời gian thực Với hệ thống này, không cần cử nhân viên ghi số cơng tơ hộ gia đình Hệ thống Collectric gồm thiết bị sau: • RTU: thiết bị đầu cuối chiều lắp đặt bên bên ngồi cơng tơ vị trí thuận tiện RTU đếm vòng quay đĩa, biến thành tín hiệu điện, điều chế tín hiệu, truyền số liệu thu thông tin khác thiết bị tâp trung • TRPU: thiết bị đầu cuối hai chiều, vừa có tính RTU vừa có chức thơng tin hai chiều bao gồm lệnh quản lý bảng thời gian sử dụng để tính mức giá khác thiết bị tâp trung, TRPU cịn truyền thơng tin xếp theo bảng chữ hay chữ số nhận từ thiết bị tâp trung tới khách hàng, cịn lặp tín hiệu lặp, có lắp đặt thêm điều khiển tải tự động đóng cắt tải theo lệnh từ trung tâm • CONCENTRATOR: thiết bị tâp trung lắp đặt lưới điện hạ ứng với trạm Thiết bị thu thập xử lý liệu cho 1250 công tơ Dữ liệu từ thiết bị đầu cuối tập trung trung tâm truyền máy tính trung tâm qua cách khác Thiết bị tập trung truyền lệnh quản lý thị khác tới thiết bị đầu cuối hai chiều • MICROTERMINAL: thiết bị thu thập liệu cầm tay cầu nối thiết bị tập trung với máy tính trung tâm, nhận liệu từ trung tâm truyền máy tính trung tâm Nó cịn dùng để lập trình cho thiết bị tâp Đe dễ dàng theo dõi thông số điện đo ta hiển thi giá tri điện áp, dòng điện, điện cơng suất hình LCD 20x4 3.2.1.5 Khối nguồn Nguồn điện xoay chiều 220~240VAC dùng để cấp cho nguồn AC module PZEM004T Tổng dòng cho tất linh kiện dùng nguồn 220VAC 6A Sử dụng cho thiết bi điện có dịng nhỏ 6A trước cắm vào cắm Nguồn 5V lấy từ cổng USB máy tính cổng sạc điện thoại, sử dụng để cấp nguồn cho module PZEM004T, LCD, I2C, NODEMCU ESP8266 Tổng dòng cho tất linh kiện dùng nguồn 5V 425mA Hình 3.6 Khối nguồn 3.2.1.6 Khối frebase sever Sau có kết nối với wifi khối xử lí trung tâm gửi liệu lên sever blynk sever fibase Sau sever nhận liệu tiếp tục gửi liệu app để hiển thị GĐ https://pzem004t-bf58b-default-rtdb.firebaseio.com/ Hình 3.7 Khối Sever firebase 3.2.1.7 Khối mobile app Hiển thị liệu theo dõi theo thời gian thực nhận từ sever gửi Cụ thể Bynk nhận liệu từ Blynk sever App android nhận liệu từ sever íirebase 3.2.2 Sơ đồ kết nối tồn mạch Hình ảnh sơ đồ kết nối toàn thống Vi điều khiển module MCU esp8266 MCU nhận liệu điện từ module PZEM004T qua chân tín hiệu TX RX MCU gửi tín hiệu điện nhận hiển thị lên module LCD 2004 kết nối thông qua mạch I2C nối với MCU qua chân D1 D2 Nút bấm có chức reset lại thơng số nhận từ PZEM004T Hình 3.9 Sơ đồ kết nối toàn mạch 3.2.3 Nguyên lý hoạt động Các module kết nối với cấp nguồn Nối dòng điện cần đo vào mạch PZEM004T, kẹp cảm biến dòng vào dây thiết bị điện cần đo Khi mạch PZEM004T đọc hết giá trị đo gửi liệu ESP8266 ESP8266 gửi liệu lên hình hiển thị LCD gửi lên sever, sever sau gửi liệu về app hiển thị điện thoại máy tính từ xa qua mạng khơng dây Từ theo dõi giám sát lượng điện tiêu thụ thiết bị ta cần giám sát Nút bấm có chức reset tổng lượng điện đo Khi ta cần reset để bắt đầu đo lại việc nhấn giữ nút 5s thơng số lượng thiết lập lại 3.2.4 Lưu đồ giải thuật Hình 3.10 Lưu đồ tồn hệ thống Trên ảnh cấu trúc lưu đồ thuật toán hệ thống để lập trình cho mạch hoạt động Cụ thể sau: - Khởi tạo thư viện: Đe chương trình chạy khơng bị lỗi cần phải khai báo thư viện cho ESP8266, PZEM004T, LCD, FireBase, Blynk sever Nếu thư viện chương trình bị lỗi - Thiết lập cổng vào ra: cổng vào liệu đo từ module PZEM004T, cổng module LCD để hiển thị liệu - Tải 220V hoạt động: có tải hoạt động module thu thập số ve điện như: V, A, W, Wh, FR, PF - Hiển thị lên LCD: esp nhận liệu gửi xuất liệu lên hình hiển thị LCD 2004 - Thiết lập wifi sever: Đe giám sát điện tiêu thụ từ xa ta cần phải thiết lập kết nối wifi cho trung tâm xử lí để trung tâm xử lí gửi liệu lên sever Cụ thể firebase blynk Cần thiết lập USERNAME, PASSWORD, Key kết nối đến sever Nếu kết nối thành cơng liệu đẩy lên sever - Thiết lập sever với app: có sever cho app, sever blynk tương ứng với app blynk Sever íirebase tương ứng với app android Khi app kết nối với sever liệu sever đẩy xuống app điện thoại để hiển thị Vậy cần kết nối mạng liệu lưu trữ hiển thị Có thể theo dõi nơi đâu 3.3 Thi cơng hệ thống 3.3.1 Mơ hình thiết bi Hộp thiết bi thiết kế với thông số: • Kích thước: 14x14cm • Vỏ: bên ngồi lắp đặt LCD, cắm điện, giắc cắm chân dây nguồn môt giắc cắm nguồn nạp code cho NodeMCU ESP8266 • Bên hộp chứa mạch điện tử điều khiển thiết bi Hình 3.11 Mơ hình thiết bị 3.3.2 Danh sách linh kiện Bảng 3.1 Danh sách linh kiện sử dụng thống 3.3.3 STT TÊN GIÁ TRỊ PZEM004T 5v LCD 20x4 5v Module chuyển đổi I2C 5v NodeMCU ESP8266 3.3v Nguồn 5V USB 3w,500mA Ổ cắm 250v, 10A Nút nhấn 250v, 6A Nhựa Fo-mex, keo 502, hàn Lắp ráp kiểm tra Tiến hành ghép nối module linh kiện theo sơ đồ đấu nối Hàn mối nối chắn, không để linh kiện bị chập Cố định module vào hộp fo-mex Khi lắp rắp xong tiến hành kiểm tra nguồn điện vào mạch xem có ổn định không cách đo cắm dây nguồn 5V vào ESP8266 nguồn 220v vào PZEM004T Nếu đèn báo sáng tỏ nguồn cấp Đi dây hợp lí để khơng bị rỗi bảo trì sau Hình 3.12 Mặt sau sản phẩm bên hộp Ảnh 4.2 hình ảnh sản phâm sau cố định vào hộp module cố định chắn để tránh tình trạng cháy chập Hình 3.13 Mặt trước sản phẩm Hình 3.13 mặt trước thiết bị Trông đơn giản dễ nhìn gồm hình hiển thị thơng số cắm để cắn thiết bị cần đo Hình 3.14 Vị trí giắc nguồn 5v nút bấm reset Phía bên cạnh hình 3.14 vị trí cắm nguồn 5v đồng thời đường dẫn để dạp chương trình Nút bấm reset đèn led báo hiệu Khi bấm giữ nút khoảng 5s hệ thống reset lại từ đầu Hình 3.15 Vị trí giắc cắm nguồn 220v Giắc cắm màu đỏ giắc cắm dùng để cấp điện cho module PZEM004T cắm điện để nối thiết bị điện cần đo 3.4 Lập trình phần cứng phần mềm 3.4.1 Chương trình thống phần cứng Arduino IDE Hình ảnh phía số đoạn chương trình sản phẩm: lcd.clear(); lcd.setCursor(0, 0); lcd.print("V:”); lcd.print(String(pzemData.volt)); lcd.setCursor (11, 0); lcd.print("A:”); lcd.print (String (pzeióData.ampe) ) ; lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("P:"); lcd.print (String (pzeróData power) ) ; lcd.setCursor(11, 1); lcd.print("E:"); lcd.print (String (pzeróData energy) ) ; lcd.setCursor(0, 2); lcd.print("FR:"); lcd.print(String(pzemData.freq) + "Hz"); lcd.setCursor(11, 2); lcd.print("PF:"); lcd.print(String(pzemData.powerFactor)); Hình 3.17 Chương trình hiển thị liệu lên LCD void SendToBlynk() { //string IPaddress = WiFi.localIP0.toString0; pzem_info pzemData = pzem.getData(); if(result) { Blynk virtualWrite (VI, pzentData volt) ; Blynk.virtualWrite (V2, pzeniData.ampe) ; Blynk.virtualWrite(V3, pzemData.power); Blynk.virtualWrite(V4, pzemData.energỵ); Blynk.virtualWrite(V5, pzemData.powerFactor); Blynk.virtualWrite (V6, pzeníData freq) ; // Blynk.virtualWrite(V7, IPaddress); } Hình 3.18 Gửi liệu lên Blynk void loop () { Blynk.run (); timer.run(); pzem_info pzemDatal = pzem.getData(); if (millis0 - lastMillis > 2000) { lastMillia = millis 0; Firebase.setFloat(firebaseData,path + Firebase.setFloat(firebaseData,path + Firebase.setFloat[firebaseData,path + Firebase.setFloat(firebaseData,path + Firébase.setFloat(firebaseData,path + Firebase.setFloat(firebaseData,path + "/Dien The", pzemDatal.volt); "/Dong Dien", pzemDatal.ampe); "/Cong Suat Tieu Thu", pzemDatal.power) "/Tong Cong Suat", pzemDatal.energy); "/Tan So", pzemDatal.freq); "/He So Cosphi", pzemDatal.powerFactor) Hình 3.19 Gửi liệu lên Firebase 3.4.2 Chương trình app Android Studio Chương trình file java MaínActivity extends AppCompatActivity { Textviem tvl, tv2, tv3, tvA, tv5, tvó; DatabaseRerence mData; (ỊiOverride protected voĩd onCreatBundle savedlnstanceState) ■{ super.onCreate(savedlnstanceState); setContentVỉew(R.layout.activjtg_main); tvl = (Textvíeu) fíndVỉewById(R.id.dienữp); tv2 = (Textvieu) fỉndViewById(R.id.dong); tv3 = (Textvíeu) fíndVỉewById(R.id.csuat); tvA = (Textvỉeu) fỉndVỉewById(R.ĩd.tongcs); tv5 = (Textvieu) findVỉewById(R.id.tanso); tvố = (Textvỉeu) fỉndVỉewById(R.ỉd.hsso); mData - FirebaseDatabase.getInstmceO getReference(); mData.chiLd("Ho Ten").setValueơHoanq Van Nam"); mData.childCDien The").addValueEventLỉstener(new ValueEventListenerO í @ũverride public void onDataChangeí BataSnapshot snapshot) { tvl setText(snapshot.getValue().toStringO); (ặOverride public void onCanceHed( DatabaseEnnor enror) { mData.child("Dong Diên") addVatueEventListeneríneu ValueEventListenerO ■{ @ũverride public void onDataChangeíDataSnapshot snapshot) ■{ tv2.setText(snapshot.getValue().toStringO); (ặOverride pubtic void onCanceHedtDatabaseErpor ernor) { Hình 3.20 Code nhận liệu từ firebbase javamũata.chitd("Cong Suat Tieu Thu").addValueEventListener(new ValueEventListenerC) { (ỊOverrìde public void onDataChangeCũataSnapshot snapshot) { tv3 setText(snapshot getValueO toStringO); } @0verride publỉc void onCancelledíDatabaseError error) { } }); mData chitd("Tong Cong Suat") addValueEventListener(new ValueEventListenerQ -[ @0verride public void onDataChange(DataSnapshot snapshot) { tv4.setText(snapshot.getValue().toString()); @0verride public void onCanceHed(DatabaseError error) { »;l mData.chitd("Tan So").addValueEventListener(new ValueEventListenerO { (ạoverrỉde public void onDataChange(DataSnapshot snapshot) { tv5 setTextísnapshot getValueO toStringO); (BOverride public void onCancelled(DatabaseError error) { Hình 3.21 Code nhận liệu từ firebbase java Chương trình file xml Hình 3.22 Chương trĩnh 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 3.4.3 Hình 3.23 Kết sau chạy app máy ảo 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 3.5 Kết quả, nhận xét Sau thực kết nối,hệ thống cập nhật thông số điện đo LCD gửi liệu lên sever blynk íirebase để gửi liệu mobile app Hình 3.25 Sản phẩm hồn thiện Sau giám sát điện theo thời gian thực thiết bi App Blynk app android Hình 3.26 Giao diện theo dõi điện qua app blynk android KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Đề tài thực giám sát điện đồng thời thiết bi qua mạng không dây Hiệu suất ổn 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 biết mức điện mà gia đình sử dụng thiết bị điện sử dụng điện năng Ngồi cịn 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 Đe mở rộng đề tài, thêm nhiều ứng dụng đời sống, giám sát nhiều thiết bi 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 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/ ... 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 cơng thống Chương gồm kết thi công phần cứng kết... động thiết bi đo tính tốn xác 1.5 Bố cục báo cáo Với đề tài giám sát điện qua mạng không dây bố cục đồ án sau: ❖ Chương 1: Tổng quan đề tài Chương trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý chọn đề tài, ... 1.4 Mục tiêu, nhiệm vụ 1.4.1 Mục Tiêu Kết cuối đề tài xây dựng hệ thống giám sát điện từ xa đo thông số điện nguồn xoay chiều mạch điện dòng điện, điện áp, tần số, công suất lượng tiêu thụ hai