Thiết kế hệ thống giám sát điện năng tiêu thụ cho hộ gia đình sử dụng module PZEM-004T-100A và vi xử lý ESP8266

PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ CÁC KHỐI PHẦN CỨNG 1.KHỐI ĐO ĐIỆN NĂNG

Khối đo điện năng có chức năng đo toàn bộ các thông số liên quan đến điện năng tiêu thụ của thiết bị điện gia dụng như điện áp, dòng điện, công suất, chỉ số tiêu thụ, tần số hoạt động… Sau đó gửi dữ liệu đi đến khối xử lý trung tâm. Có rất nhiều module đo điện năng tiêu thụ, nhưng phổ biến và giá thành hợp lý hơn cả có thể nói đến các module PZEM đến từ nhà Peacefair. Giá thị trường khoảng 180.000 VNĐ, module đem lại rất nhiều tính năng như đo áp, đo dòng, đo được công suất của các thiết bị điện gia đình, ngoài ra còn có cả bộ nhớ để lưu trữ giá trị chỉ số tiêu thụ điện (như công tơ điện).

Tuy nhiên PZEM-004T-100A lại không có màn hình để hiển thị trực tiếp các thông số đo được mà truyền các giá trị đó qua giao tiếp UART với máy tính hoặc các vi xử lý khác. Phương thức kết nối của module đơn giản, cú tổng cộng 8 ngừ, 4 ngừ dành cho điện ỏp AC và 4 ngừ bờn phải dành cho giao tiếp với cỏc thiết bị khỏc sử dụng điện áp DC. Các cổng còn lại gồm 2 chân để kết nối trực tiếp với điện lưới mục đích để đo giá trị điện áp và lấy nguồn đó hạ áp trực tiếp cấp cho các IC xử lý trong mạch hoạt động, 2 chân còn lại kết nối với 1 cuộn cảm CT để đo dòng tải của thiết bị điện.

Giao tiếp Sử dụng chuẩn truyền thông nối tiếp UART 5V cho phép người dùng dễ dàng kết nối, lập trình để đọc dữ liệu ra của module. Giá thị trường chỉ khoảng 110.000 VNĐ thì Esp32-Wroom-32D là vi điều khiển vô cùng mạnh mẽ, chứa hầu hết tất cả chức năng các vi điều khiển khác nhưng lại trang bị thêm kết nối Internet rất thích hợp với các ứng dụng IoT như đề tài này. Khối hiển thị có chức năng hiển thị các thông tin, chữ số, kí tự mà khối xử lý trung tâm gửi đến để người dùng có thể quan sát trực tiếp trên phần cứng.

Đề tài yêu cầu hiển thị nhiều thông tin như điện áp, dòng điện, công suất, điện năng tiêu thụ,..vì vậy cần một khoảng hiển thị đủ lớn để người dùng có thể quan sát được đầy đủ thông tin. Nó có khả năng hiện thị kí tự đang dạng, trực quan (chữ, số và kí tự đồ họa), dễ dàng đưa vào mạch ứng dụng theo nhiều giao thức giao tiếp khác nhau, tốn rất ít tài nguyên hệ thống và giá thành rẻ,… LCD có rất nhiều dạng phân biệt theo kích thước từ vài kí tự đến hàng chục kí tự, từ 1 hàng đến vài chục hàng. Tuy nhiên, LCD có khá nhiều nhiều chân gây khó khăn trong quá trình đấu nối và chiếm dụng nhiều chân trên vi điều khiển.

Module I2C hỗ trợ các loại LCD sử dụng driver HD44780(LCD 16ì2, LCD 20ì4, …) ngoài ra cú thể điều chỉnh được độ tương phản bởi biến trở gắn trên module và tương thích với hầu hết các vi điều khiển hiện nay. Module I2C Thông số kỹ thuật:. Điện áp hoạt động. Trọng lượng 5g. Tích hợp Jump chốt để cung cấp đèn cho LCD hoặc ngắt. Tích hợp biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD. Thông số kỹ thuật của I2C. Module được thiết kế dễ dàng cắm vào màn hình LCD theo các chân định sẵn:. Linh kiện sử dụng: Bộ điều hợp Adapter 5V-1A Khối nguồn cấp điện cho toàn mạch hoạt động. Tên thiết bị Điện áp đầu vào. Dòng điện tiêu thụ. dụng nguồn hạ áp trực tiếp tích hợp trên module). Vì các thiết bị trên đều sử dụng cùng một điện áp 5V và dòng điện ở mức tương đối thấp nên cần cùng một “Bộ điều hợp Adapter 5V-1A” để hạ nguồn 220VAC - 5VDC. Ứng dụng giúp người dùng điều khiển phần cứng từ xa, có thể hiển thị dữ liệu cảm biến, lưu trữ dữ liệu, biến đổi dữ liệu hoặc làm nhiều việc khác.

 Blynk Library: Thư viện các nền tảng phổ biến, giúp việc giao tiếp giữa phần cứng với Server dễ dàng hơn, cho phép giao tiếp với máy chủ và xử lý tất cả các lệnh đến và đi. Mỗi khi nhấn một nút trong ứng dụng Blynk, yêu cầu sẽ chuyển đến server của Blynk, server sẽ kết nối đến phần cứng thông qua library.

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG SẢN PHẨM 3.1.THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG PHẦN CỨNG

KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 4.1.KẾT QUẢ

Đề tài “Nguyên cứu thiết kế thiết bị giám sát điện năng tiêu thụ cho hộ gia đỡnh” cú tớnh ứng dụng cao trong thực tế. Giỳp người dựng dễ dàng theo dừi được các thông số điện áp mọi lúc mọi nơi, nhận được cảnh báo ngay lập tức khi có thiết bị sử dụng quá công suất, từ đó tự đánh giá tính toán về mức sử dụng điện năng gia đình góp phần tiết kiệm nguồn năng lượng đang dần cạn kiện cũng như chi phí chi trả tiền điện của chính gia đình.  Hiển thị được các thông số cơ bản mà mục tiêu ban đầu đề ra trên LCD và app điện thoại (có tính tiền điện).

 Sản phẩm chỉ ở mức cơ bản, chưa đủ điều kiện để bán ra thị trường. Đề tài “Nguyên cứu thiết kế thiết bị giám sát điện năng tiêu thụ cho hộ gia đình” có tính thiết thực cao, tuy nhiên do thời gian và kiến thức còn hạn chế sản phẩm vẫn còn những nhượccần được khắc phục. Phần cứng: sẽ hoàn thiện hơn về phần PCB, phần kết nối cũng như làm việc sâu với các thanh ghi để có thể mang vào các hệ thống nhà thông minh, hệ thống điện mặt trời,….

Phần mềm: cải thiện giao diện, thêm các chức năng điều khiển các thiết bị điện từ xa,. Hy vọng từ những điều đề tài đã thực hiện được cùng với những ý tưởng ở trên sản phẩm sẽ được hoàn thiện một cách tốt nhất. Nguyễn Hiếu Cường, Lê Trường Thông, “Kỹ thuật lập trình C”, Nhà xuất bản Bách Khoa Hà Nội, 2023.