Phần mềm Blynk

6. Tởng quan tình hình nghiín cứu của đề tăi

3.2.2. Phần mềm Blynk

Blynk thực ra lă một câi App trín điện thoại, cho phĩp người dùng cĩ thể tạo ra giao diện vă điều khiển thiết bị theo ý thích của câ nhđn. Đề tăi năy lựa chọn Blynk vì một số lý do sau:

- Dễ sử dụng: Quâ đơn giản, chỉ việc văo store, căi đặt, sau đĩ đăng ký tăi khoản vă mất khơng quâ 5 phút để lăm quen.

- Đẹp vă đầy đủ: Giao diện của Blynk quâ tuyệt vời, sử dụng bằng câch

kĩo thả, bạn cần nút bấm, kĩo thả nút bấm, bạn cần đồ thị, kĩo thả đồ thị, bạn cần LCD, kĩo thả LCD, tĩm lại lă bạn cần gì thì kĩo thả câi đĩ.

Khơng phải lập trình android hay ios: Nếu như khơng cĩ kiến thức về lăm App trín điện thoại thì việc điều khiển thiết bị từ chính smartphone của mình quả lă điều vơ cùng khĩ khăn vă phức tạp. Nhờ Blynk thì chúng ta cĩ thể bỏ qua bước lập trình tạo App. Cĩ thể thử nhanh chĩng vă ứng dụng được dự ân của mình văo thực tế.

Thử nghiệm nhanh chĩng, cĩ thể điều khiển giâm sât ở bất kỳ nơi năo cĩ internet. Tất nhiín ngoăi những điểm lợi từ Blynk thì cịn cĩ những câi hạn chế như phải mua energy để tạo được nhiều giao diện vă chia sẻ giao diện cho người khâc. Những câi năy cũng khơng phải lă vấn đề lớn lắm. Để sử dụng được Blynk thì cần phải tải thư viện của nĩ thơng qua Arduino IDE. Ứng dụng Blynk được thể hiện như Hình 3.2.

Hình 3.2. Chức năng chính của Blynk.

Câc thănh phần cơ bản của Blynk:

- Code để nạp lín device Arduino: Blynk hỗ trợ rất nhiều loại board Arduino khâc nhau như Uno R3 kết hợp với Module Ethernet hay NodeMCU (ESP8266); Cĩ thể tải trín library trín Arduino IDE.

- Mobile app: Hỗ trợ điều khiển thiết bị trín điện thoại, cĩ trín Android vă iOS luơn, chúng ta cĩ thể dễ dăng lín store lă kĩo về để thiết kế.

- Server: Đđy lă phần trung gian giao tiếp giữa điện thoại vă thiết bị. Hình ảnh giao diện thiết kế của ứng dụng Blynk trín smartphone được thể hiện như trong Hình 3.3. Trong đĩ Hình 3.3(a) thể hiện giao diện của một dự ân mới được khởi tạo; Hình 3.3(b) thể hiện câc đối tượng được lựa chọn để thiết kế phần mềm của hệ thống, mỗi đối tượng sẽ được gân một biến ảo để cập nhật dữ liệu thời gian thực từ bo mạch Arduino Wemos truyền về smartphone thơng qua mạng wifi internet hoặc ngược lại nĩ sẽ được gân một biến ảo để cĩ thể điều khiển ngược lại hệ thống phần cứng; vă Hình 3.3(c) lă một ví dụ của một dự ân đê hoăn thiện mă trong đĩ câc đối tượng sẽ được sắp xếp, bố trí theo ý muốn của người thiết kế để thực hiện câc chức năng của hệ thống.

(a) (b) (c)

Hình 3.3. Giao diện thiết kế project của Blynk.

(a) Project mới; (b) Câc đối tượng lựa chọn; (c) Project sau khi thiết kế.

3.3.Phương phâp xâc định trị hiị́u dụng

Về cơ bản tín hiệu đầu ra của cảm biến điện âp ZMPT101B hay cảm biến dịng điện ACS712 lă tín hiệu điện âp xoay chiều hình sin u(t) cĩ giâ trị

lớn nhất lă 5V vă nhỏ nhất lă 0V để phù hợp với ngõ văo tương tự của Arduino như hình Hình 3.4(a). Tín hiệu năy sẽ được lấy mẫu u(ADC) với thời gian lấy mẫu lă Δt. Giâ trị 512 trín trục hoănh của Hình 3.4(b) tương ứng với giâ trị 0 V trong tín hiệu tương tự. Từ câc giâ trị mẫu năy, câc phương phâp tính tôn sẽ được âp dụng để tính tôn điện âp trị hiệu dụng. Trong mục năy, tâc giả trình băy 2 phương phâp thường được âp dụng bao gồm: phương phâp đỉnh - đỉnh vă phương phâp trị hiệu dụng.

t Analog Upp t Digital Upp(ADC) u(t) u(ADC) (a) (b) 512

Hình 3.4. (a) Tín hiệu tương tự; (b) Tín hiệu số hĩa.

3.3.1. Phương phâp đỉnh – đỉnh

Trong Hình 3.4, Up1 lă điện âp đỉnh ở nửa chu kỳ dương, Up2 lă điện âp đỉnh ở nửa chu kỳ đm. Bằng phương phâp tìm điện âp đỉnh trong một chu kỳ của sĩng đầu ra của cảm biến điện âp ZMPT101B hay cảm biến dịng điện ACS712, ta cĩ thể xâc định được giâ trị biín độ (Um) của sĩng đầu ra như sau [14]: p1 p2 m U U U 2   (3.1) Trong đĩ:

Up2 – điện âp đỉnh ở nửa chu kỳ đm. Um – biín độ của sĩng đầu ra.

Do đĩ, trị hiệu dụng (Urms) của sĩng đầu ra sẽ được xâc định như sau:

m rms U U 2  (3.2)

3.3.2. Phương phâp trị hiệu dụng RMS

Theo [15], điện âp trị hiệu dụng lă giâ trị trung bình bình phương của câc mẫu trong một khoảng thời gian lấy mẫu năo đĩ. Do đĩ, điện âp trị hiệu dụng Urms của tín hiệu điện âp sẽ được xâc định theo cơng thức sau:

N 2 rms i i 1 1 U u N    (3.3) Trong đĩ:

ui lă mẫu điện âp thứ i. N tởng số mẫu điện âp.

3.3.3. Lựa chọn phương phâp

Để đânh giâ sự ởn định của 2 phương phâp đê trình băy ở trín nhằm đề xuất giải thuật đo điện âp trị dụng phù hợp nạp văo trong bo mạch Arduino để đo điện âp Urms, trong mục năy đề tăi nghiín cứu phđn tích sự ởn định của hai phương phâp đối với câc kịch bản cĩ thể xảy ra như sau:

Trường hợp 1: Điện âp hình sin lý tưởng

Giả sử điện âp hình sin lý tưởng cĩ biín độ lă 1 (pu) gĩc pha ban đầu bằng 0 được thể hiện như phương trình sau:

 

u(t)sin t (3.4)

Trong đĩ:

ω = 2πf (f lă tần số cơ bản). t thời gian (s).

Tín hiệu điện âp (3.3) được lấy mẫu với khoảng thời gian Δt = 0,001 s, do đĩ cĩ 20 mẫu trong khoảng thời gian một chu kỳ 0,02 s. Đường mău đỏ trong Hình 3.5 lă tín hiệu điện âp trong khoảng thời gian một chu kỳ 0,02 s. Sử dụng phương phâp đỉnh – đỉnh vă phương phâp trị hiệu dụng để xâc định giâ trị điện âp trị hiệu dụng của tín hiệu điện âp năy thì ta được kết quả hoăn toăn giống nhau. Điều năy được thể hiện bởi hai đường mău xanh vă mău đen trín Hình 3.5 hoăn toăn trùng nhau.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 Mau dien ap D ie n a p ( p u )

Tin hieu dien ap P/phap tri hieu dung P/phap dinh dinh

Hình 3.5. Đo điện âp trị hiệu dụng khi tín hiệu điện âp hình sin lý tưởng.

Trường hợp 2: Điện âp cĩ thănh phần hăi

Giả sử, ngoăi thănh phần tần số cơ bản 50 Hz thì tín hiệu điện âp cịn bao gồm thănh phần hăi bậc 3 cĩ biín độ lă 0,2 pu như sau:

   

u(t)sin  t 0, 2sin 3 t (3.5)

Tương tự như mục trước, tín hiệu điện âp (3.5) cũng được lấy mẫu với khoảng thời gian Δt = 0,001 s, do đĩ cĩ 20 mẫu trong khoảng thời gian một chu kỳ 0,02 s. Đường mău đỏ trong Hình 3.6 lă tín hiệu điện âp trong khoảng thời gian một chu kỳ 0,02 s. Sử dụng phương phâp đỉnh – đỉnh vă phương

phâp trị hiệu dụng để xâc định giâ trị điện âp trị hiệu dụng của tín hiệu điện âp năy thì ta được kết quả khâc nhau. Đường mău đen thể hiện giâ trị điện âp trị hiệu dụng của phương phâp trị hiệu dụng vă đường mău xanh thể hiện giâ trị điện âp trị hiệu dụng của phương phâp đỉnh - đỉnh.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 Mau dien ap D ie n a p ( p u )

Tin hieu dien ap P/phap tri hieu dung P/phap dinh dinh

Hình 3.6. Đo điện âp trị hiệu dụng khi tín hiệu điện âp cĩ thănh phần hăi.

Trường hợp 3: Điện âp hình sin cĩ mẫu lạ

Hiện tượng mẫu lạ xuất hiện trong quâ trình lấy mẫu tín hiệu điện âp cĩ thể xảy ra do câc nguyín nhđn khâc nhau. Chẳng hạn do, nhiễu xuất hiện trong quâ trình lấy mẫu, hoặc do sai số của cảm biến,… Do đĩ để đânh giâ được hiệu quả của hai phương phâp đê níu ở trín thì đề tăi nghiín cứu giả định tín hiệu điện âp hình sin lý tưởng cĩ xuất hiện một mẫu lă ở thời điểm lấy mẫu của mẫu thứ 6 lă u6 = 1,4 pu. Khi đĩ tín hiệu điện âp được thể hiện bởi đường mău đỏ trín Hình 3.7. Bởi vì sự xuất hiện mẫu lă u6 nín lăm cho phương phâp đỉnh – đỉnh sẽ xâc định giâ trị Upp sẽ bị sai vă dẫn đến giâ trị điện âp trị hiệu dụng của nĩ cũng bị sai. Cịn đối với phương phâp trị hiệu dụng thì chỉ mẫu lạ năy sẽ khơng lăm thay đởi giâ trị điện âp hiệu dụng đo

được. Điều năy được thể hiện rõ bởi đường mău xanh vă mău đen trín Hình 3.7. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 Mau dien ap D ie n a p ( p u )

Tin hieu dien ap P/phap tri hieu dung P/phap dinh dinh

Hình 3.7. Đo điện âp trị hiệu dụng khi tín hiệu điện âp cĩ mẫu lạ.

Từ câc kết quả của ba trường hợp trín, tâc giả tởng hợp câc kết quả để phđn tích đânh giâ vă lựa chọn phương phâp nhằm xđy dựng giải thuật đo điện âp trị hiệu dụng Urms hay dịng điện trị hiệu dụng Irms để nạp văo bo mạch Arduino.

3.4.Đo lường câc đại lượng điị́n

3.4.1. Đo điện âp trị hiệu dụng (Urms )

Giả sử điện âp xoay chiều hình sin ở đầu ra của cảm biến điện âp ZMPT101B cĩ biín độ lă Um vă gĩc pha ban đầu bằng 0 vă được lấy mẫu bởi bộ chuyển đởi tương tự số ADC của Arduino với thời gian lấy mẫu bằng Δt được thể hiện như cơng thức sau:

 

m

u(k)U sin kt (3.6)

Trong đĩ:

ω = 2πf (f lă tần số cơ bản). Δt lă thời gian lấy mẫu (s). k lă mẫu thứ k.

Khi đĩ, giâ trị điện âp trị hiệu dụng sẽ được xâc định lă:

N 2 rms k k 1 1 U u N    (3.7)

3.4.2. Đo dịng điện trị hiệu dụng (Irms)

Tương tự với cảm biến điện âp ZMPT101B, tín hiệu đầu ra của cảm biến dịng điện xoay chiều ACS712 cũng lă tín hiệu điện âp xoay chiều hình sin u(t) cĩ giâ trị lớn nhất lă 5V vă nhỏ nhất lă 0V để phù hợp với ngõ văo tương tự của Arduino như hình Hình 3.4(a). Sau đĩ, tín hiệu năy cũng sẽ được lấy mẫu u(ADC) với thời gian lấy mẫu lă Δt. Giâ trị 512 trín trục hoănh của Hình 3.4(b) tương ứng với giâ trị 0 V trong tín hiệu tương tự. Từ câc giâ trị mẫu năy, câc phương phâp tính tôn sẽ được âp dụng để tính tôn dịng điện trị hiệu dụng Irms. Từ cơ sở đê được trình băy ở mục trước, trong mục năy phương phâp trị hiệu dụng sẽ được âp dụng để đo giâ trị dịng điện trị hiệu dụng Irms từ tín hiệu đầu ra của cảm biến dịng điện xoay chiều ACS712.

Giả sử dịng điện xoay chiều hình sin ở đầu ra của cảm biến dịng điện ACS712 cĩ biín độ lă Im vă gĩc pha ban đầu bằng φ vă được lấy mẫu bởi bộ chuyển đởi tương tự số ADC của Arduino Wemos với thời gian lấy mẫu bằng Δt được thể hiện như cơng thức sau:

 

m

i(k)I sin k  t (3.8)

Trong đĩ:

Im lă biín độ điện âp.

ω = 2πf (f lă tần số cơ bản). Δt lă thời gian lấy mẫu (s). k lă mẫu thứ k.

Do đĩ, dịng điện trị hiệu dụng Irms của tín hiệu dịng điện sẽ được xâc định theo cơng thức sau:

N 2 rms k k 1 1 I i N    (3.9) Trong đĩ:

ii lă mẫu dịng điện thứ i. N tởng số mẫu dịng điện.

3.4.3. Đo lường cơng suất tâc dụng (P)

Lý thuyết cơng suất tức thời được âp dụng để xâc định cơng suất tâc dụng P được tiíu thụ bởi câc tải. Nĩ được xem lă một phương phâp chính xâc nhất để tính tôn cơng suất tâc dụng trong mạch điện xoay chiều. Kết quả luơn luơn đúng đối với tất cả câc loại tải khâc nhau: tải trở, tải cảm, tải dung vă thậm chí lă câc tải phi tuyến cĩ nhiều chứa nhiều thănh phần hăi dịng điện. Cơng suất tức thời lă tích của điện âp tức thời vă dịng điện tức thời của mạch điện [15].

     

p k u k i k (3.10)

Trong đĩ:

 

p k lă cơng suất tức thời ở mẫu thứ k.

  m  

u k U sin kt lă điện âp ở mẫu thứ k.

  m  

i k I sin k  t lă dịng điện ở mẫu thứ k.

Do đĩ, cơng suất tâc dụng P được xâc định bằng cơng suất trung bình của cơng suất tức thời trong một khoảng thời gian lấy mẫu vă được xâc định như sau:       N N k 1 k 1 1 1 P p k u k i k N  N      (3.11)

Mối liín hệ giữa câc đại lượng điện âp, dịng điện, cơng suất tức thời vă cơng suất tâc dụng được thể hiện trong Hình 3.8.

0 5 10 15 20 25 30 35 40 -10 0 10 20 30 Mau (a) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 -10 0 10 20 30 Mau (b) u(t) i(t) p(t) Ptb u(t) i(t) p(t) Ptb

Hình 3.8. Mối tương quan giữa u(t), i(t), p(t) vă P. (a) Dịng vă âp cùng pha; (b) Dịng chậm sau âp

3.4.4. Đo lường câc đại lượng khâc (S, Q, A, cos)

Cơng suất biểu kiến của mạch điện được xâc định bằng tích của điện âp trị hiệu dụng Urms vă dịng điện trị hiệu dụng Irms của mạch điện đĩ. Do đĩ, sau khi đê xâc định được điện âp trị hiệu dụng Urms theo (3.8) vă dịng điện trị hiệu dụng Irms theo (3.9), thì cơng suất biểu kiến sẽ được xâc định như sau:

rms rms

S U I (3.12)

Hệ số cơng suất được xâc định như sau: P

cos S

  (3.13)

2 2

Q S P (3.14)

Điện năng tiíu thụ được xâc định như sau:

A P t (3.15)

3.4.5. Giải thuật đo lường đại lượng điện

Từ cơ sở của việc đo lường câc đại lượng điện của mạch điện đê được trình băy như ở mục trín, mục năy sẽ đề xuất giải thuật đo lường câc đại lượng đĩ để thiết lập chương trình trín phần mềm Arduino IDE vă sau đĩ nạp văo bo mạch Arduino Wemos để thực hiện câc chức năng đo đếm vă giâm sât điện năng của mạch điện.

Bắt đầu Gân câc biến ban đầu:

usquare = 0 isquare = 0 pinst = 0 k = 1 Đọc u(k) Đọc i(k)

usquare = usquare + u(k)×i(k) isquare = usquare + u(k)×i(k)

pinst = pinst + u(k)×i(k)

k = N? Yes square square rms rms inst rms rms u i U I N N p S U I P N P A P t cos S          Kết thúc k = k + 1 No

Hình 3.9 thể hiện giải thuật đo lường câc đại lượng điện bao gồm: điện âp trị hiệu dụng Urms, dịng điện trị hiệu dụng Irms, cơng suất tâc dụng P, cơng suất biểu kiến S, hệ số cơng suất cosφ vă điện năng tiíu thụ của mạch điện. Câc bước của giải thuật như sau:

Bước 1: Bắt đầu

Bước 2: Gân câc giâ trị điện âp bình phương, dịng điện bình phương vă cơng

suất tức thời đều bằng 0:

square square inst

u 0; i 0; p 0 (3.16)

Bước 3: Gân k = 1

Bước 4: Đọc câc giâ trị điện âp lấy mẫu u(k) vă dịng điện lấy mẫu i(k) từ cảm biến điện âp ZMPT101B vă cảm biến dịng điện ACS712 đưa văo chđn đầu văo tương tự của Arduino Wemos.

Bước 5: Cập nhật giâ trị điện âp bình phương, dịng điện bình phương vă cơng suất tức thời từ mẫu mới đọc được:

square square square square inst inst u u u(k) u(k) i i i(k) i(k) p p u(k) i(k)          (3.17)

Bước 6: Kiểm tra điều kiện mẫu thứ k cĩ bằng số mẫu N hay khơng (k = N?).

Bước 7: Nếu k < N thì quay lại Bước 5, cịn nếu k=N thì chuyển sang Bước 8.

Bước 8: Tính tôn giâ trị điện âp hiệu dụng Urms, dịng điện hiệu dụng Irms, cơng suất tâc dụng P, cơng suất biểu kiến S, cơng suất phản khâng Q, hệ số cơng suất cosφ vă điện năng tiíu thụ A.

square square inst

rms rms 2 2 rms rms u i p U ; I ; P ; N N N S U I ; Q S P ; A P t          (3.18) Bước 9: Kết thúc

Đoạn chương trình con trong phần mềm Arduino IDE để tính tôn câc