2.1.1 Thiết kế kiến trúc hệ thống
Để thiết kế hệ thống quản lý năng lượng, trong khuôn khổ luận văn này tác giả sử dụng 3 thiết bị phần cứng là sản phẩm của Đề tài Nghiên cứu khoa học và Phát triển Công nghệ cấp bộ mà tác giả trực tiếp tham gia bao gồm:
- Thiết bị Green Meter (GM): cho phép đo và giám sát năng lượng điện tiêu thụ - Thiết bị Green Gate (GG): có chức năng nhận và truyền dữ liệu tới hệ thống
QLNL
- Thiết bị Green Socket (GS): cho phép đo, giám sát điện năng tiêu thụ và điều khiển bật/tắt các thiết bị điện.
Hệ thống phần mềm QLNL được thiết kế tương thích với các sản phẩm GM, GG và GS với tên gọi Green Energy Management System (GEMS).
Hình 2-18: Kiến trúc hệ thống quản lý năng lượng
Hình 2 -18 mô tả thiết kế kiến của hệ thống quản lý năng lượng bao gồm hạ tầng mạng và các thiết bị chia thành các tầng theo mô hình của một tòa nhà, lớp phần mềm quản lý năng lượng GEMS.
Kiến trúc hệ thống được tổ chức theo lớp:
Lớp mạng và thiết bị (Network & devices Plane):
Các thiết bị nằm trong hạ tầng mạng truyền thông không dây theo chuẩn 802.15.4 và chuẩn WiFi 802.11. Hạ tầng này cũng nối với mạng Internet thông qua Router. Điểm cầu nối giữa mạng cảm biến không dây WSN và mạng Internet TCP/IP chính là thiết bị Gateway (GG). Hạ tầng WiFi cho phép kết nối hệ thống với các thiết bị không dây phổ dụng như SmartPhone, laptop. Các thuê bao truy nhập từ ngoài Internet có thể truy nhập và sử dụng các dịch vụ QLNL của hệ thống bằng 3G hoặc WiFi. Hạ tầng truyền thông WSN này là một mô hình Internet of Things – Mạng Internet của các đồ vật thu nhỏ cho phép tất cả các vật thể thông minh kết nối với nhau.
Lớp quản lý các thiết bị vật lý (Physical Management Plane):
Lớp này có nhiệm vụ quản lý các thiết bị kết nối vào hệ thống QLNL như Meter, Gateway và Socket. Phía Server chứa module quản lý thiết bị Device management, phía Client chứa các Firmware của các thiết bị nằm trong mạng bao gồm Meter, Gateway và Socket.
Lớp dữ liệu (Data Plane):
Lớp này quản lý dữ liệu của hệ thống, chủ yếu là phía Server, bao gồm các module sau:
Quản lý và xác thực người dùng - User Management; Quản lý chi phí năng lượng - Energy Cost Module;
Quản lý các tham số năng lượng - Energy Data Management.
Lớp ứng dụng (Application Plane):
Lớp này có nhiệm vụ quản lý các ứng dụng và các phần mở rộng của hệ thống để dễ dàng nâng cấp và tùy biến cho các dịch vụ khác nhau. Nó bao gồm các module sau:
Module quản lý nội dung: bao gồm hệ thống cho phép cập nhật và xuất bản các trang thông tin, các quảng cáo lên giao diện Web của hệ thống.
Module tính cước và quản lý dịch vụ: cho phép tính cước cho các thuê bao của hệ thống QLNL và đồng thời quản lý các dịch vụ giá trị gia tăng VAS (Value-added Service).
Các dịch vụ giá trị gia tăng VAS: được coi như các ứng dụng mở rộng tính năng hệ thống, ví dụ như dịch vụ cảnh báo lãng phí năng lượng, dịch vụ dự đoán chi phí năng lượng, dịch vụ SmartHome, etc.
Các ứng dụng App: các ứng dụng này có thể là các ứng dụng chạy trên thiết bị đầu cuối, hoặc chạy cả trên Server và đầu cuối.
Cơ sở dữ liệu trung tâm (Central DataBase)
Là bộ phận lưu trữ dữ liệu cho tất cả các mặt phẳng của hệ thống.
Giao diện phục vụ người dùng – FRONT END
Là phần giao diện chính đối với người sử dụng là thuê bao dịch vụ QLNL
Giao diện quản lý – BACK END
Là phần giao diện phục vụ cho quản trị hệ thống, người quản lý cấp vùng để thay đổi các tham số và cấu hình hệ thống.
2.1.2 Thiết kế cơ chế đồng bộ dữ liệu giữa các thiết bị đầu cuối và hệ QLNL Nhu cầu:
Trong thực tế sử dụng, các thiết bị gắn sau công tơ thường gắn cố định với 1 đường dây điện tổng để liên tục đo năng lượng tiêu thụ tại một điểm. Các thiết bị này thường sử dụng pin làm nguồn năng lượng để duy trì dữ liệu trong trường hợp mất điện nguồn hoặc chỉ dùng pin làm nguồn cung cấp duy nhất. Tuy nhiên với quan điểm thiết kế hệ thống mới hiện nay với xu hướng đơn giản hóa các thiết bị đầu cuối và đẩy phần lớn dữ liệu cũng như phần tải tính toán lên phía nhà cung cấp dịch vụ, thường là các trung tâm tính toán Data Center thì việc lưu trữ dữ liệu tại chỗ là không hợp lý, góp phần làm tăng giá thành, độ phức tạp và giảm độ tin cậy của hệ thống (Ví dụ: pin hết điện). Trên cơ sở phân tích các yếu tố này, và vận dụng xu hướng thiết kế mới, tác giả đưa ra một cơ chế mới để đồng bộ dữ liệu từ thiết bị phần cứng lên hệ thống QLNL như sau:
• Thiết bị đầu cuối GM và GS chạy 100% điện lưới. (Có tùy chọn Pin backup)
• Toàn bộ dữ liệu về điện (P,U, I, Cosphi và Công suất tích lũy) được tính toán nội bộ và đẩy lên phần mềm trung tâm GEMS qua mạng.
• Trong trường hợp đứt kết nối truyền thông, nhưng vẫn có nguồn nuôi, thiết bị sẽ tự động kết nối lại và đẩy dữ liệu cập nhật lên GEMS.
• Trong trường hợp thiết bị mất điện nguồn, dữ liệu tích lũy sẽ bị mất hết nhưng dữ liệu trước khi mất điện đã tự động được lưu trên GEMS, do đó trung tâm sẽ có cơ chế đồng bộ lại dữ liệu và đẩy dữ liệu đã lưu về thiết bị.
Với hai loại thiết bị GS và GM có những điểm khác biệt sau:
• GS là thiết bị truyền thông qua WiFi một chặng, giao tiếp trực tiếp với mạng Internet và GEMS chỉ thông qua thiết bị trung gian phổ biến là Access Point, Router trên nền mạng TCP/IP thuần.
• GM là thiết bị truyền thông đa chặng qua mạng theo chuẩn 802.15.4, kết nối với mạng Internet thông qua thiết bị Gateway GG để nối vào mạng TCP/IP. Do các nguyên nhân trên, hai cơ chế đồng bộ dữ liệu giữa GS và GEMS, và giữa GM và GEMS sẽ khác nhau mặc dù dựa trên cùng một nguyên lý.
Để thực hiện cơ chế đồng bộ, tác giả đã thiết kế giao thức truyền thông giữa phần firmware và phần mềm Server dịch vụ.
2.1.2.1 Cơ chế đồng bộ dữ liệu giữa GS và GEMS
Hình 2 -19 mô tả sơ đồ tuần tự (Sequence Diagram) mô tả cơ chế này.
1) Khi hoạt động bình thường, GS gửi lên các tham số: ID, P, U, I, CP, KW, Ctr tương ứng với: Số định danh của thiết bị, Công suất hiện thời, Điện áp, cường độ, Cosphi – góc pha, Công suất tích lũy, số thiết bị điều khiển được
2) GEMS nhận được thì gửi lại các tham số SW1, SW2, SW3, SW4 là các trạng thái của các Relay điều khiển bật tắt trong thiết bị GS.
3) GS nhận được thì đồng bộ trạng thái các Relay điều khiển với các tín hiệu gửi từ GEMS.
4) Sau khi mất điện, GS khởi động lại và gửi lên các tín hiệu P, U, I, CP, KW, Ctr, Flag, trong đó Flag là cờ trạng thái POWER_RESTORE khi = 1 chỉ ra trạng thái vừa khôi phục nguồn.
5) GEMS nhận được cờ POWER_RESTORE thì sẽ gửi thêm dữ liệu LAST_KW là công suất tich lũy cuối cùng nhận được từ GS trước khi mất điện.
6) GS nhận được và cập nhật giá trị này trong bộ nhớ, đồng thời xóa cờ POWER_RESTORE.
2.1.2.2 Cơ chế đồng bộ dữ liệu giữa GM, GG và GEMS
Khảo sát trường hợp 2 GM kết nối 2 chặng với 1 GG. Hình 2 -20 mô tả sơ đồ tuần tự (Sequence Diagram) mô tả cơ chế này.
1) Khi hoạt động bình thường, GM1, GM2 gửi lên GG các tham số: (P1, U1, I1, CP1, KW1, Ctr1), (P2, U2, I2, CP2, KW2, Ctr2) tương ứng với: Công suất hiện thời, Điện áp, cường độ, Cosphi – góc pha, Công suất tích lũy, số thiết bị điều khiển được của thiết bị GM1 và GM2
2) GG nhận được sẽ chuyển tiếp các tham số tới GEMS
3) GEMS nhận được thì hiển thị các tham số tương ứng trên giao diện web đồng thời lưu lại các giá trị LAST_KW1= KW1, LAST_KW2= KW2.
4) Sau khi mất điện và có điện trở lại, các thiết bị GM, GG khởi động lại, GG tiếp tục gửi lên các tín hiệu P, U, I, CP, KW, Ctr, Flag, trong đó Flag là cờ trạng thái POWER_RESTORE khi = 1 chỉ ra trạng thái vừa khôi phục nguồn.
5) GEMS nhận được cờ POWER_RESTORE thì sẽ gửi dữ liệu LAST_KW1, LAST_KW2 là công suất tich lũy cuối cùng của GM1, GM2 nhận được từ GG trước khi mất điện.
6) GG nhận được và cập nhật giá trị này trong lần gửi tín hiệu tiếp theo, đồng thời xóa cờ POWER_RESTORE.
Hình 2-20: Biểu đồ tuần tự (Sequence Diagram) của giao thức truyền giữa GM-GG-GEMS
2.1.3 Thiết kế Cơ sở dữ liệu
Dưới đây là bảng thiết kế CSDL cho hệ thống phần mềm QLNL:
Hình 2-21: Sơ đồ kết nối CSDL
Bảng 2-1: dataRT
STT Colume name Type Desciption
1 Id INT(11)
2 dev_id INT(11) Mã thiết bị tương ứng với trường
id trong bảng devices
3 P FLOAT(11) Tổng công suất thiết bị tính từ thời
điểm được bật đến hiện tài
4 U FLOAT(11) Hiệu điện thế hiện tại
5 I FLOAT(11) Dòng hiện tại
6 cp FLOAT(11) Cos
8 time datetime Thời điểm gửi lên phía server (Datetime phia server)
Bảng 2-2: devices
STT Colume name Type Desciption
1 id INT(11)
2 code VARCHAR(255) Devices id của sản phầm (Mỗi sản
phẩm sẽ có 1 code và code này là duy nhất trong tất các sản phẩm)
3 name VARCHAR(255) Tên thiết bị do người dung đặt
4 published BIT Trạng thái kích hoạt
5 de_gr_id INT(11) Mã nhóm tương ứng với trường id
trong bảng devicegroups
6 el_pr_id INT(11) Mức giá áp dụng để tính chi phí
giá điện phải trả hang tháng tương ứng với trường id trong bảng
electricity_prices
7 check_out INT(11) Id user cuối cùng edit lại các thông tin trong bảng
8 check_out_time DATETIME Ngày tháng edit cuối cùng
9 is_view INT(1) Cho phép xem
10 is_control INT(1) Cho phép điều khiển
11 us_id Int(11) Mã người dùng đăng ký thiết bị này
Bảng 2-3: devicegroups
STT Colume name Type Desciption
1 Id INT(11)
2 parent_id INT(11)
3 title VARCHAR(255) Tên nhóm thiết bị do người dung
đặt
4 Lft INT(11) Id bên trái
5 Rgt INT(11) Id bên phải
6 Us_id INT(11) User tạo nhóm này
Bảng 2-4: controlling_status
STT Colume name Type Desciption
1 Id INT(11)
2 dev_id INT(11) Mã thiết bị tương ứng với trường
id trong bảng devices
3 name VARCHAR(255) Tên thiết bị có thể điều khiển được do người sử dụng đặt
4 alias VARCHAR(255) Mô tả thêm
5 status BIT Trạng thái:
0:tắt 1:bật
6 Co_lo_id INT(11) Mã hình ảnh có thể do người dung
chụp ảnh sau đó upload lên tương ứng trường id trong bảng controlling_logo
7 Co_ty_id INT(11) Mã loại thiết bị điều khiển do người dung gán tương ứng trường id trong bảng controlling_type
8 axis_x FLOAT(11) Tọa độ x của icon mã loại được hiển thị trong hình ảnh
9 axis_y FLOAT(11) Tọa độ y của icon mã loại được hiển thị trong hình ảnh
Bảng 2-5: controlling_type
STT Colume name Type Desciption
1 id
2 name VARCHAR(255) Tên hiển thị của loại thiết bị 3 icon__off VARCHAR(255) Link icon khi thiết bị tắt 4 icon_on VARCHAR(255) Link icon khi thiết bị bật
Bảng 2-6: controlling_image
STT Colume name Type Desciption
1 id
2 link VARCHAR(255) Đường dẫn của ảnh
Bảng 2-7: electricity_prices
STT Colume name Type Desciption
1 id
2 from INT(11) Chỉ số bắt đầu
3 to INT(11) Chỉ số kết thúc
4 el_pr_gr_id INT(11) Mã nhóm được sinh theo
timestamp của phần tử đầu tiên
Bảng 2-8: electricity_prices_groups
STT Colume name Type Desciption
1 Id
2 name VARCHAR(255) Tên định danh
3 published INT(1) Trạng thái 1: Cho phép sử dụng
4 date_created DATE_TIME Ngày tạo đơn giá
5 Us_id INT(11) Người tao đơn giá tương ứng với
user đang login vào hệ thống tạo đơn giá
Bảng 2-9: statistic
STT Colume name Type Desciption
1 Id INT(11)
2 p_mean FLOAT(11) Công suất trung bình theo tháng
/năm
3 P FLOAT(11) Tổng công suất thiết bị
4 U FLOAT(11) Hiệu điện thế trung bình
5 I FLOAT(11) Dòng trung bình
6 Cp FLOAT(11) Cos
7 Kwh FLOAT(11) Số điện tiêu thụ trong tháng / năm
8 dev_id INT(11) Mã thiết bị tương ứng với trường
id trong bảng devices
9 Month INT(2) Tháng thống kê
10 Year INT(4) Năm thống kê
2.1.4 Thiết kế chi tiết hệ thống 2.1.4.1 Yêu cầu chức năng
Hệ thống Quản lý năng lượng cần có những chức năng chính sau: - Quản lý năng lượng trong một vùng dịch vụ
- Cung cấp các dịch vụ giá trị gia tăng khác liên quan đến QLNL - Quản lý dịch vụ và hệ thống
2.1.4.2 Quản lý năng lượng trong một vùng dịch vụ (Service Area - SA)
Cho phép giám sát các thông số điện P, U, I, Cosphi, chi phí điện phải trả qua màn hình giao diện web. Ngoài ra hệ thống còn có chức năng tự động cảnh báo lãng phí điện, đưa ra dự đoán mức điện năng tiêu thụ và chi phí sẽ phải trả nếu người dùng tiếp tục sử dụng lãng phí điện năng. Điều này giúp người sử dụng có ý thức dùng tiết kiệm điện hơn.
• Mức 2: Điều khiển bật tắt thiết bị (SmartHome)
Cho phép điều khiển bật/tắt các thiết bị từ xa qua mạng Internet sử dụng máy tình hoặc các thiết bị di động (Smartphone).
2.1.4.3 Cung cấp các dịch vụ giá trị gia tăng (GTGT) khác liên quan đến QLNL
• Tự động cảnh báo lãng phí điện năng
• Đo lường công suất tiêu thụ của 1 thiết bị
• Cảnh báo sự cố điện
• Theo dõi hóa đơn tiền điện từ số liệu của Điện lực
2.1.4.4 Quản lý dịch vụ và hệ thống
Các chức năng quản lý bao gồm:
• Quản lý nội dung: Người quản lý nội dung có thể quản lý các nội dung cung cấp cho người sử dụng như :
o Xem, thêm, bớt, sửa xóa các chủ đề trong các dịch vụ.
o Xem, thêm, bớt, sửa xóa, từng nội dung trong từng chủ đề cụ thể.
• Quản lý Dịch vụ: Người quản lý dịch vụ có thể quản lý danh sách các dịch vụ bao gồm: Xem, Thêm, Bớt, Sửa, Xóa các dịch vụ. Sửa đổi thông tin các dịch vụ bao gồm điền các trường tên dịch vụ, mô tả dịch vụ, cước phí dịch vụ.
• Quản lý thuê bao: Chức năng quản lý thuê bao bao gồm: o Xem thông tin trạng thái các thuê bao
o Lập các báo cáo thống kê quản lý thuê bao.
0 Administrator: Cung cấp chức năng quản trị, cho phép xem, thêm, sửa xóa, phân quyền những thành viên tham gia quản trị hệ thống
2.1.5 Yêu cầu hiệu năng
Hệ thống quản lý năng lượng phục vụ cho việc cung cấp dịch vụ quản lý năng lượng cho các tòa nhà chung cư, chung cư mini, cơ quan, trường học, … Để đáp ứng được nhu cầu sử dụng của người dùng, hệ thống cần phải đáp ứng được những yêu cầu về hiệu năng sau:
- Có khả năng tính toán được với dữ liệu lớn (BigData)
- Có khả năng chịu được tải nặng, hệ thống cần tự động cân bằng tải cho phù hợp với số lượng người dùng.
2.1.6 Lớp người dùng và các thuộc tính
Bảng 2-10: Lớp người dùng và các thuộc tính Người dùng Trình độ sử dụng Phạm vi ảnh hưởng Tần suất sử dụng Các chức năng/Dịch vụ Thêm, gán quyến Users Giám sát các thông số về năng lượng (P,Q,U,I, Cosphi) Điều khiển bật tắt Sử dụng các dịch vụ GTGT Ghi chú
Quản trị (Admin) Cao Toàn hệ thống Cao x x x x
Quản trị vùng (Area Admin) Trung bình Trong vùng dịch vụ (Service Area) Trung bình x x x x Chỉ trong vùng do admin gán Thuê bao: Người dùng điều khiển (Power User) Trung bình Cao x x x Thuê bao: Người giám sát (Viewer) Trng bình, thấp Trung bình, x
2.1.7 Sơ đồ mô tả Usecase Sơ đồ Usecase toàn hệ thống:
Hình 2-22: Sơ đồ Usecase hệ thống
Sơ đồ Usecase back-end chức năng quản lý người dùng: