Đề tài Giám sát điên năng qua ̣internet

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH --------------------------------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: GIÁM SÁT ĐIÊṆ NĂNG QUA INTERNET GVHD: ThS. Trương Ngoc̣ Anh SVTH: Đoàn trung Tín MSSV: 14141318 Tp. Hồ Chí Minh - 7/2018 BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH --------------------------------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: GIÁM SÁT ĐIÊṆ NĂNG QUA INTERNET GVHD: ThS. Trương Ngoc̣ Anh SVTH: Đoàn trung Tín MSSV: 14141318 Tp. Hồ Chí Minh - 7/2018 Tp. HCM, ngày 01 tháng 04 năm 2018 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Đoàn Trung Tín MSSV: 14141318 Chuyên ngành: Ky ̃thuâṭ Điện tử-Truyền thông Mã ngành: 141 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 14 Khóa: 2014 Lớp: 14141DT1C I. TÊN ĐỀ TÀI: GIÁM SÁT ĐIÊṆ NĂNG QUA INTERNET II. NHIỆM VỤ 1. Nhiêṃ vu:̣ Xây dưṇg mô hình giám sát điêṇ năng các thiết bi ̣ điêṇ từ xa dưạ vào module wifi esp8266 12E trên nền tảng IoT. Từ đó phát triển cao hơn, đưa bô ̣điều khiển áp duṇg vào thưc̣ tế. 2. Nội dung thực hiện: - Tìm hiểu về công nghê ̣kết nối IoT. - Các chuẩn truyền thông I2C, UART. - Lâp̣ trình giao tiếp với module PZEM004T để đo các thông số điêṇ năng. - Lâp̣ trình cho module wifi ESP8266 12E trên Arduino IDE, gửi dữ liêụ lên Web. - Ứng duṇg IoT điều khiển, giám sát từ xa. - Kết nối mạch phần cứng giữa module PZEM004T, ESP8266, LCD. - Thiết kế và thi công mô hình thiết bi ̣hoàn thiện. - Chạy thử nghiệm và cân chỉnh hệ thống. 3. Phương pháp nghiên cứu Tìm hiểu tham khảo các tài liêụ có liên quan về hai mảng chính của đề tài: Cấu trúc mac̣h và ứng duṇg của esp8266. Phương pháp thưc̣ nghiêṃ kiểm chứng: Sau khi đa ̃ xây dưṇg xong cơ sở lý thuyết của đề tài se ̃tiến hành thử nghiêṃ sư ̣hoaṭ đôṇg trên các thiết bi ̣hiêṇ có. TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC ----o0o---- Các bước tiến hành nghiên cứu là tìm hiểu cơ sở lý thuyết về vấn đề nghiên cứu, tiến hành thiết kế chương trình điều khiển và mac̣h điều khiển, sau đó thử nghiêṃ trên mô hình để đưa ra kết luâṇ. 4. Phaṃ vi nghiên cứu Đề tài này nghiên cứu thiết kế đồng hồ đo điêṇ năng kết hơp̣ với viêc̣ thu thâp̣ dữ liêu và gửi lên ứng duṇg điều khiển từ xa Cayenne trên nền IoT. 5. Phaṃ vi ứng duṇg Đề tài là mô hình thu nhỏ, tuy nhiên nó se ̃đươc̣ ứng duṇg rôṇg raĩ trong các môi trường khác nhau như các doanh nghiêp̣ vừa và nhỏ, nhà xưởng, trang traị, hô ̣ gia đình. III. Ngày giao nhiệm vụ: 01/04/2018 IV. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 01/07/2018 V. Họ và tên cán bộ hướng dẫn: THS. TRƯƠNG NGOC̣ ANH CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP-Y SINH (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) Tp. HCM, ngày 01 tháng 04 năm 2018 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên : Đoàn Trung Tín Lớp: 14141DT1C MSSV: 14141318 Tên đề tài: GIÁM SÁT ĐIÊṆ NĂNG QUA INTERNET Tuần/ngày Nội dung Xác nhận GVHD Tuần 2 Đăng kí đề tài, nhâṇ nhiêṃ vu ̣đồ án. Tuần 3 Phác thảo đồ án. Tuần 4 Tìm hiểu về công nghê ̣IOT. Tuần 5 Giao tiếp với các module thưc̣ hiêṇ đo điêṇ năng. Tuần 6 Tìm hiểu cách thức giao tiếp của module wifi NodeMCU ESP8266. Tuần 7 Giao tiếp với module wifi NodeMCU ESP8266 gửi dữ liêụ lên Cloud qua Internet. Tuần 8 Mở rôṇg ý tưởng giám sát điêṇ năng hai thiết bi ̣ cùng lúc qua Internet. Tuần 9, 10 Tìm hiểu cách thức câp̣ nhâṭ và lưu laị các giá tri ̣ điêṇ năng đo đươc̣ taị bất kì thời điểm. Tuần 11 Thiết kế, lưạ choṇ các linh kiêṇ xây dưṇg phần cứng. Tuần 12, 13 Kết nối phần cứng với phần mềm. Kiểm tra, cân chỉnh hê ̣thống thiết bi ̣. Tuần 14 Thiết kế và lắp đăṭ mô hình thiết bi ̣. Tuần 15-17 Điều chỉnh các chương trình, giao diêṇ giám sát, tiến hành mô phỏng. Viết báo cáo luâṇ văn. GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC ----o0o---- LỜI CAM ĐOAN Những nội dung trình bày trong luận văn là những kiến thức của cá nhân em tích lũy trong quá trình học tập, nghiên cứu, không sao chép lại một công trình nghiên cứu hay luận văn của bất cứ tác giả nào khác. Trong nội dung của luận văn, những phần em nghiên cứu, trích dẫn đều được nêu trong phần các tài liệu tham khảo, có nguồn gốc, xuất xứ, tên tuổi của các tác giả, nhà xuất bản rõ ràng. Những điều em cam kết hoàn toàn là sự thật, nếu sai, em xin chịu mọi hình thức xử lý kỷ luật theo quy định. Người thực hiện đề tài Đoàn Trung Tín LỜI CẢM ƠN Trong cuộc sống, cùng với những giây phút thành công, mỗi cá nhân cũng phải trải qua những giai đoạn khó khăn và mất định hướng. Trong khoảng thời gian đó, song hành với sự nổ lực và bản lĩnh của cá nhân, sự giúp đỡ chân thành của những người thân và bạn bè xung quanh đóng một vai trò rất quan trọng để một con người có thể trở lại và bước tiếp vượt qua nghịch cảnh. Suốt bốn năm học vừa qua, cùng với sự tự nỗ lực và học hỏi của bản thân, em cũng nhận được sự giúp đỡ từ rất nhiều phía, để hôm nay có thể hoàn thành quyển luận văn này và kết thúc một hành trình đáng nhớ, bắt đầu một chuyến phiêu lưu mới đầy thử thách nhưng cũng nhiều thú vị trong sự nghiệp tương lai. Trước hết, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến người Thầy kính mến - Thầy Trương Ngoc̣ Anh - Giảng viên bộ môn Điêṇ Tử Công Nghiêp̣ – Y Sinh, đã góp ý và hướng dẫn em trong suốt thời gian thực hiện đề tài này từ lúc bắt đầu nhâṇ đồ án. Em xin cảm ơn các quý Thầy Cô đã giảng dạy em, đặc biệt là các Thầy Cô giáo khoa Điện – Điện tử. Cuối cùng, em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, những người luôn theo dõi, hỗ trợ về cả vật chất và tinh thần, là những người đã động viên, tiếp thêm động lực và hỗ trợ giúp em trong những lúc khó khăn. Nhưng vì thời gian và kiến thức cũng như kinh nghiệm còn hạn chế nhiều nên không thể tránh khỏi những sai sót trong quá trình thực hiện đồ án. Kính mong được sự thông cảm và góp ý của quý Thầy Cô để giúp cho đồ án được thành công tốt hơn nữa. Người thực hiện đề tài Đoàn Trung Tín MUC̣ LUC̣ Danh Mục Các Từ Viết Tắt ........................................................................................................................ 1 Liêṭ Kê Hình Ảnh ....................................................................................................................................... 2 Liêṭ Kê Bảng ............................................................................................................................................... 5 Tóm Tắt ...................................................................................................................................................... 6 Chương 1. Tổng Quan ................................................................................................................................ 7 1.1 Đặt Vấn Đề ...................................................................................................................................... 7 1.2 Muc̣ Tiêu ......................................................................................................................................... 8 1.3 Nôị Dung Nghiên Cứu .................................................................................................................... 8 1.4 Giới Haṇ .......................................................................................................................................... 8 1.5 Bố Cuc̣ ............................................................................................................................................. 8 Chương 2. Cơ Sở Lý Thuyết .................................................................................................................... 10 2.1 Tầm Quan Troṇg Của Quản Lý Và Giám Sát Năng Lươṇg .......................................................... 10 2.2 Giới Thiệu Một Số Hệ Thống Giám Sát Và Quản Lý Năng Lượng Từ Xa Trong Thực Tế ......... 10 2.2.1 Hệ Thống Giám Sát Và Quản Lý Năng Lượng Từ Xa Qua Sóng Vô Tuyến Rf ................... 10 2.2.2 Hệ Thống Giám Sát Và Quản Lý Năng Lượng Từ Xa Qua Bộ Truyền Tải Tín Hiệu Thông Qua Đường Dây Điện. ........................................................................................................................... 11 2.3 Công Nghê ̣Iot ............................................................................................................................... 13 2.3.1 Giao Thức Kết Nối ................................................................................................................ 14 2.3.2 Giao Thức Truyền Tải Dữ Liệu............................................................................................. 15 2.4 Các Chuẩn Truyền Dữ Liệu .......................................................................................................... 16 2.4.1 Giao Tiếp I2c ......................................................................................................................... 16 2.4.2 Giao Tiếp Uart ....................................................................................................................... 21 2.5 Giới Thiệu Phần Cứng .................................................................................................................. 23 2.5.1 Module Nodemcu Esp8266 Wifi V1.0 .................................................................................. 23 2.5.2 Module Pzem004t ................................................................................................................. 29 2.5.3 Màn Hiǹh Lcd 20x4 .............................................................................................................. 33 2.5.4 Module Chuyển Đổi Giao Tiếp I2c ....................................................................................... 34 2.5.5 Mac̣h Chuyển Đổi Mức Điêṇ Thế 4 Kênh ............................................................................ 36 2.5.6 Module Nguồn Chuyển Đổi Ac- Dc...................................................................................... 37 3.1 Giới Thiệu ..................................................................................................................................... 39 3.2 Tính Toán Và Thiết Kế Hệ Thống ................................................................................................ 39 3.2.2 Thiết Kế Sơ Đồ Khối Hệ Thống............................................................................................ 40 3.2.3 Sơ Đồ Nguyên Lý Của Toàn Mạch ....................................................................................... 44 3.2.4 Sơ Đồ Thiết Kế Mô Hình Thiết Bi ̣ ........................................................................................ 46 4.1 Giới Thiệu ..................................................................................................................................... 47 4.2 Thi Công Hệ Thống....................................................................................................................... 47 4.2.1 Thi Công Bo Mạch ................................................................................................................ 47 4.2.2 Lắp Ráp Và Kiểm Tra ........................................................................................................... 49 4.3 Đóng Gói Và Thi Công Mô Hình .................................................................................................. 50 4.3.1 Đóng Gói Bộ Điều Khiển ...................................................................................................... 50 4.3.2 Thi Công Mô Hình ................................................................................................................ 51 4.4 Lập Trình Hệ Thống ...................................................................................................................... 53 4.4.1 Lưu Đồ Giải Thuật ................................................................................................................ 53 4.4.2 Phần Mềm Lập Trình Cho Vi Điều Khiển ............................................................................ 53 4.4.3 Thiết Kế Giao Diêṇ Trên Cayenne Cloud ............................................................................. 69 4.5 Viết Tài Liêụ Hướng Dẫn Sử Duṇg Thao Tác .............................................................................. 73 4.5.1 Viết Tài Kiêụ Hướng Dẫn Dử Duṇg ..................................................................................... 73 4.5.2 Quy Trình Thao Tác .............................................................................................................. 74 6.1 Kết Luận ........................................................................................................................................ 79 6.2 Hướng Phát Triển .......................................................................................................................... 79 Tài Liêụ Tham Khảo ................................................................................................................................. 80 Phu ̣Luc̣ ..................................................................................................................................................... 81 Trang 1 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT PLC - Power Line Communication: truyền thông trên đường dây điện IoT - Internet of Things MQTT - Message Queue Telemetry Transport CoAP - Constrained Applications Protocol AMQP - Advanced Message Queue Protocol DDS - Data Distribution Service VO - Constrast Voltage MCU – vi điều khiển QoS - Quality of Service I2C - Inter-Intergrated Circuit Trang 2 LIÊṬ KÊ HÌNH ẢNH Hiǹh 2. 1 Giao thức truyền của MQTT ..................................................... 15 Hiǹh 2. 2 Bus I2C và các thiết bị ngoại vi ................................................. 16 Hiǹh 2. 3 Kết nối thiết bị vào bus I2C ở chế độ chuẩn (Standard mode) .. 17 Hiǹh 2. 4 Quá trình truyền nhâṇ giữa thiết bi ̣chủ (master) và tớ (slave) .. 18 Hiǹh 2. 5 Trình tự truyền bit trên đường truyền ........................................ 19 Hiǹh 2. 6 Điểu kiêṇ để giao tiếp I2C ......................................................... 20 Hiǹh 2. 7 Quá trình truyền dữ liêụ I2C ...................................................... 21 Hiǹh 2. 8 Kết nối UART giữa hai vi điều khiển ........................................ 22 Hiǹh 2. 9 Quá trình truyền dữ liêụ UART ................................................. 22 Hiǹh 2. 10 Sơ đồ kết nối toàn mac̣h ........................................................... 39 Hiǹh 2. 11 Ảnh ESP8266-12 thưc̣ tế và sơ đồ chân................................... 26 Hiǹh 2. 12 Module Node MCU ESP8266 và sơ đồ chân .......................... 26 Hiǹh 2. 13 Mac̣h nguyên lý của NodeMCU ESP8266 .............................. 28 Hiǹh 2. 14 Hình ảnh thưc̣ tế module PZEM004T ...................................... 29 Hiǹh 2. 15 Sơ đồ kết nối dây của module PZEM004T .............................. 31 Hiǹh 2. 16 Sơ đồ chân LCD 20x4 .............................................................. 33 Hiǹh 2. 17 Hình ảnh thưc̣ tế module chuyển đổi I2C ................................ 35 Hiǹh 2. 18 Mac̣h nguyên lý module chuyển đổi giao tiếp I2C .................. 36 Hiǹh 2. 19 Hình ảnh thưc̣ tế module chuyển đổi tín hiêụ 4 kênh .............. 37 Hiǹh 2. 20 Ảnh thưc̣ tế của moule nguồn Hi-Link 5V 3W ....................... 38 Hiǹh 3. 1 Sơ đồ khối toàn hê ̣thống ........................................................... 40 Hiǹh 3. 2 Sơ đồ kết nối mac̣h giữa PZEM004T và NodeMCU ESP8266 . 41 Hiǹh 3. 3 Sơ đồ kết nối mac̣h giữa NodeMCU ESP8266 và LCD ............ 42 Hiǹh 3. 4 Phương thức truyền và nhâṇ dữ liêụ của MQTT ...................... 43 Hiǹh 3. 5 Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch ................................................. 45 Hiǹh 3. 6 Mô hình thiết bi ̣.......................................................................... 46 Hiǹh 4. 1 Sơ đồ bố trí các linh kiêṇ ........................................................... 48 Hiǹh 4. 2 Sơ đồ mac̣h in PCB .................................................................... 49 Trang 3 Hiǹh 4. 3 Đóng gói bô ̣điều khiển măṭ trên bên trong hôp̣ ....................... 50 Hiǹh 4. 4 Đóng gói các module còn laị vào măṭ dưới hôp̣ ........................ 50 Hiǹh 4. 5 Măṭ trước mô hình thiết bi ̣......................................................... 51 Hiǹh 4. 6 Măṭ dưới bên ngoài mô hình thiết bi ̣ ......................................... 52 Hiǹh 4. 7 Lưu đồ giải thuâṭ toàn hê ̣thống ................................................. 53 Hiǹh 4. 8 Truy câp̣ vào Arduino IDE ......................................................... 54 Hiǹh 4. 9 Tải phần mềm Arduino IDE về máy .......................................... 54 Hiǹh 4. 10 Giải nén phần mềm Arduino IDE ............................................ 55 Hiǹh 4. 11 Cài đăṭ phần mềm Arduino IDE .............................................. 56 Hiǹh 4. 12 Bước 1 cài đăṭ Driver ............................................................... 57 Hiǹh 4. 13 Bước 2 cài đăṭ Driver ............................................................... 57 Hiǹh 4. 14 Bước 3 cài đăṭ Driver ............................................................... 58 Hiǹh 4. 15 Bước 4 cài đăṭ Driver ............................................................... 58 Hiǹh 4. 16 Bước 1 cài đăṭ ESP8266 trên Arduino IDE ............................. 59 Hiǹh 4. 17 Bước 2 cài đăṭ ESP8266 trên Arduino IDE ............................. 59 Hiǹh 4. 18 Bước 3 cài đăṭ ESP8266 trên Arduino IDE ............................. 60 Hiǹh 4. 19 Bước 4 cài đăṭ ESP8266 trên Arduino IDE ............................. 60 Hiǹh 4. 20 Bước 5 cài đăṭ ESP8266 trên Arduino IDE ............................. 61 Hiǹh 4. 21 Taọ tài khoản trên Cayenne ..................................................... 70 Hiǹh 4. 22 Thiết lâp̣ ứng duṇg trên Cayenne ............................................. 71 Hiǹh 4. 23 Cấu hình Cayenne cho dữ liêụ cần giám sát ............................ 71 Hiǹh 4. 24 Thiết lâp̣ các giá tri ̣ cho kênh giám sát .................................... 72 Hiǹh 4. 25 Gửi dữ liệu bằng MQTT tới Cayenne ...................................... 72 Hiǹh 4. 26 Câp̣ nhâṭ thời gian giám sát dữ liêụ ......................................... 73 Hiǹh 4. 27 Quy trình thao tác sử duṇg thiết bi ̣........................................... 74 Trang 4 Hiǹh 5. 1 Mô hình thiết bi ̣ đa ̃hoàn thành .................................................. 75 Hiǹh 5. 2 Kết quả giám sát điêṇ năng hai thiết bi ̣ điêṇ qua internet .......... 76 Hiǹh 5. 3 Lưu và câp̣ nhâṭ điêṇ năng ..............................