Nghiên cứu, thiết kế ổ cắm thông minh ứng dụng trong giám sát trạng thái tắtbật của thiết bị

TỔ NG QUAN

Đ Ặ T V ẤN ĐỀ

Thời đại Internet of Things (IoT) là một mạng lưới các vật thể được trang bị cảm biến và hệ thống điện tử, cho phép chúng kết nối và trao đổi dữ liệu với nhau Những vật thể này có khả năng kết nối với Internet, phục vụ cho việc điều khiển từ xa một cách hiệu quả.

Để nâng cao chất lượng cuộc sống, chúng ta cần đáp ứng tốt hơn các nhu cầu vật chất như thực phẩm đầy đủ, quần áo đẹp, giảm thiểu tình trạng kẹt xe và lo lắng, cũng như giảm bớt những điều phải nhớ trong cuộc sống hàng ngày Internet vạn vật (IoT) đóng vai trò quan trọng trong việc đáp ứng những nhu cầu này, hiện đang tác động mạnh mẽ đến năm khía cạnh chính trong đời sống của chúng ta.

IoT có ứng dụng rộng vô cùng, có thể kể ra một số thư như sau:

 Quản lí và lập kế hoạch quản lí đô thị

 Phản hồi trong các tinh huống khẩn cấp

 Quản lí các thiết bị cá nhân

 Đồng hồ đo thông minh

Tự động hóa ngôi nhà là giải pháp hiệu quả để quản lý năng lượng, không chỉ thông qua việc giám sát và đo đạc mức tiêu thụ năng lượng của toàn bộ tòa nhà hay từng khu vực, mà còn cần phân tích các thông số trong phạm vi hẹp hơn Điều này giúp đề ra các phương án tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng, đồng thời thuận tiện cho việc tính toán bảo trì và thay thế thiết bị điện sau một thời gian sử dụng.

Hình 1.1 Hệ thống quản lý năng lượng tòa [1]

Nhiều thiết bị điện như quạt, máy vi tính, và điện thoại không được kết nối cố định vào mạng lưới điện của tòa nhà mà thông qua ổ cắm di động Do đó, việc xây dựng hệ thống giám sát năng lượng tiêu thụ cho từng ổ cắm là cần thiết Mỗi hệ thống cảm biến đi kèm với truyền thông, trong đó truyền thông không dây đang trở thành xu hướng được ưa chuộng nhờ vào những lợi ích như không cần dây dẫn, gọn gàng và dễ dàng tích hợp vào các hệ thống hiện có.

Bluetooth Low Energy (BLE) là một trong những chuẩn truyền thông không dây ưu việt hiện nay nhờ khả năng tiết kiệm năng lượng vượt trội Các phiên bản từ BLE 4.0 trở lên được thiết kế với những đặc điểm nổi bật: tiêu thụ năng lượng siêu thấp, tốc độ truyền dữ liệu vừa đủ để truyền tải thông tin từ cảm biến, và phạm vi truyền ngắn, rất phù hợp cho các hệ thống IoT.

Trong tòa nhà, có ba cảm biến chính được sử dụng Các linh kiện này áp dụng công nghệ BLE, không chỉ giúp giảm chi phí mà còn cho phép giao tiếp dễ dàng với các nền tảng di động hiện đại.

Hình 1.2 Ứng dụng Bluetooth trong cuộc sống [2]

T Ổ NG QUAN V Ề Ổ C Ắ M THÔNG MINH

Ổ cắm thông minh là thiết bị kết nối với sóng Wireless, giúp điều khiển các thiết bị điện trong nhà một cách dễ dàng và tiết kiệm chi phí Đây là giải pháp lý tưởng để biến mọi thiết bị điện trở nên thông minh hơn mà không cần phải khoan đục tường, vì chúng có thể kết nối trực tiếp với ổ cắm điện hiện có Với tính năng quản lý từ xa, kết nối với ứng dụng điện thoại thông minh và theo dõi mức tiêu thụ điện, ổ cắm điện thông minh đang trở thành vật dụng thiết yếu trong ngôi nhà hiện đại.

Hình 1.3 Các tính năng và công nghệ được sử dụng trong ổ cắm thông minh [3]

 Lợi ích khi dùng ổ cắm thông minh trong ngôi nhà:

Điều khiển từ xa là một trong những tính năng nổi bật và hữu ích nhất của ổ cắm điện thông minh Ví dụ, nếu bạn thức dậy muộn và lo lắng không kịp đến công ty, nhưng lại quên tắt điều hòa, bạn có thể dễ dàng giải quyết vấn đề này Thay vì phải quay về nhà để tắt điều hòa, bạn chỉ cần ngồi tại chỗ, cầm điện thoại lên và thực hiện thao tác tắt từ xa, giúp tiết kiệm thời gian và năng lượng.

Nâng tầm ngôi nhà của bạn bằng cách sử dụng nhiều ổ cắm thông minh cho các thiết bị khác nhau, biến căn nhà thành "ngôi nhà thông minh" hiện đại.

Tiết kiệm điện là một vấn đề quan trọng, đặc biệt khi nhiều thiết bị trong nhà như lò vi sóng và sạc pin vẫn tiêu tốn điện năng khi ở chế độ chờ Sử dụng ổ cắm thông minh kết nối qua mạng không dây giúp người dùng dễ dàng bật/tắt thiết bị một cách linh hoạt, từ đó giảm thiểu lãng phí điện năng thay vì để thiết bị cắm liên tục suốt năm.

+ Giúp kiểm soát trẻnhỏ: tắt thiết bị điện đúng giờ ta quy định cho trẻ sử dụng

Nếu bạn không muốn trẻ sử dụng máy vi tính quá 12 giờ mà không cần kiểm tra, việc sử dụng ổ cắm thông minh với chức năng hẹn giờ tắt là giải pháp hiệu quả Nhờ đó, trẻ sẽ không thể lén lút sử dụng PC mà không có sự giám sát.

Để tránh tình trạng chai pin trên các thiết bị điện tử, việc hạn chế sử dụng điện thoại trước khi đi ngủ và không sạc điện thoại qua đêm là rất quan trọng Thay vào đó, bạn có thể hẹn giờ tắt sạc để vừa đảm bảo pin đầy cho ngày hôm sau, vừa bảo vệ tuổi thọ của pin.

Lưu ý đểchọnlựađượcmộtổcắm thông minh phù hợp và tiếtkiệm

Khi chọn mua đồ điện và điện tử, việc ưu tiên thương hiệu là rất quan trọng Một sản phẩm từ thương hiệu uy tín không chỉ mang lại sự yên tâm cho người tiêu dùng mà còn đảm bảo chính sách đổi trả và bảo hành tốt Điều này rất cần thiết, vì các sản phẩm điện tử có thể gặp lỗi và không thể hoàn hảo 100% Việc lựa chọn thương hiệu tốt giúp bạn dễ dàng hơn trong việc đổi mới hoặc bảo trì sản phẩm khi cần thiết.

+ Nhu cầu: Phải xác nhận nhu cầu mục đích sử dụng, ví dụ cần 1 ổ cắm thì chọn loại 1 ổ hoặc chọn loạinhiều ổ có thêm ổ usb.

Khi lựa chọn ổ điện thông minh, bạn cần xem xét tổng công suất của các thiết bị điện mà bạn dự định sử dụng Hãy tham khảo công suất của ổ điện mà bạn định mua để đảm bảo nó đáp ứng đủ nhu cầu sử dụng của bạn.

Khi lựa chọn sản phẩm, yếu tố "giá thành" không phải là điều quan trọng nhất Trước tiên, sản phẩm cần phải phù hợp và tối ưu với nhu cầu sử dụng Chỉ sau khi đảm bảo tính phù hợp, người tiêu dùng mới nên xem xét lựa chọn sản phẩm có giá rẻ nhất trong số những sản phẩm đáp ứng tiêu chí của mình.

K H Ả O SÁT TH Ị TRƯỜ NG

 Một số loại ổ cắm thông minh có trên thị trường hiện nay

Bảng 1.1 Tổng hợp một số ổ cắm thông minh trên thị trường hiện nay

1.Chức - Có 2 cổng sạc - Theo dõi, thống kê - Sản phẩm dùng

Năng điện thoại thông minh tựđiều chỉnh dòng 5v-2.4A

- Có thể kết nối với điện thoại thông qua phần mềm app mihome điều khiển từ xa nhà

- Có thể hẹn giờ tắt bật thiết bịđiện

- Kết nối cực kỳ đơn giản

- Nhiều chuẩn an toàn quốc tế, an toàn với trẻ nhỏ, chống cháy nổđến

750 độ C bảng năng lượng điện tiêu thụ qua App trên điện thoại

- Điều khiển từ xa bằng Wifi

- Điều khiển từ xa bằng 3G/ 4G

- Bật/tắt ngay trên ổ cắm

- Hỗ trợ đèn LED ngủ đêm

- Bảo vệ điện thoại khi sạc đầy

- Hỗ trợ 3 kiểu hẹn giờ kết hợp

- Hỗ trợ hẹn giờ tối thiểu 1s

- Thiết lập hoạt động kết hợp IFTTT (if- this-then-that)

SIM điện thoại GSM, mọi mạng điện thoại GSM

- Bật tắt bằng tin nhắn SMS(Bật – Tắt – Kiểm tra trạng thái)

- Bật tắt bằng cách gọi điện tới số SIM gắn trong thiết bị.

- Bảo mật bằng mật khẩu.

Kiểm tra trạng thái từ xa qua tin nhắn SMS giúp người dùng xác định xem ổ cắm đang bật hay tắt, từ đó có thể biết được tình hình mất điện hay không.

- Công suất chịu dòng 2200W/10A Công suất tiêu thụ:

-Tương thích hệ điều hành:

Android 4.0/ Ios 7.0 trở lên -Giao thức kết nối wifi: IEEE802.1 b/g/n 2.4GHz

- Điện áp trên cổng USB: 5V – 2.4A

-Tương thích hệđiều hành: Android 4.0/

- Hoạt động trong môi trường độẩm: <

K Ế T LU ẬN CHƯƠNG 1

Để đáp ứng nhu cầu thực tế, chúng ta sẽ phát triển một hệ thống giám sát các chỉ số điện năng của thiết bị, được gọi là ổ cắm “thông minh”.

- Thu thập các thông sốđiện của thiết bị cắm vào ổ cắm

- Giám sát và hiển thị dữ liệu hoạt động của các máy thời gian thực

Mạch in và linh kiện cần được thiết kế nhỏ gọn để vừa vặn trong ổ cắm điện có kích thước 10cm x 10cm x 6cm, đây là kích thước tiêu chuẩn của ổ cắm âm tường phổ biến trên thị trường hiện nay.

- Thiết bị phải có công suất tiêu thụ càng thấp càng tốt

- Thiết bị sẽ sử dụng nguồn điện 220VAC ở trong tòa nhà rồi biến đổi thành nguồn 3.3VDC đểđưa vào thiết bị

- Thiết kế mạch đo công suất tiêu thụ, sử dụng IC chuyên dụng ADE9153A

- Thiết kế mạch xử lý tích hợp anten sử dụng chuẩn giao tiếp BLE

Từ yêu cầu thiết kếđó ta có sơ đồ khối tổng thể hệ thống:

Hình 1.4 Sơ đồ khối của ổ cắm

 Hệ thống gồm các khối chính

- Khối đo giám sát trạng thái máy (cảm biến ADE9153a)

- Khối MCU + RF (Chip nRF52832 + Anten IFA)

Dựa trên các yêu cầu và giải pháp thiết kế đã nêu, chúng ta sẽ phân tích những vấn đề cần thiết để xây dựng hệ thống trong chương 2 và tiến hành đánh giá thử nghiệm trong chương 3.

THIẾ T K Ế H Ệ TH Ố NG

Đ O CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐIỆ N C Ủ A THI Ế T B Ị

2.1.1 Gi ới thiệu cảm biến ADE9153A

Hiện nay, trên thị trường, thiết bị đo điện được chia thành hai loại: thiết bị tương tự và thiết bị số Thiết bị tương tự có độ chính xác cao nhưng không thể lưu trữ kết quả đo và thường phát sinh sai số do hao mòn sau thời gian sử dụng Ngược lại, thiết bị số nhờ vào sự phát triển của công nghệ vi xử lý và máy tính có thể đạt độ chính xác cao hơn, đồng thời cho phép lưu trữ kết quả đo dễ dàng Nguyên lý đo của thiết bị số chủ yếu là biến đổi dòng điện và điện áp thành giá trị điện áp phù hợp với đầu vào của ADC Đối với dòng điện, thường đo điện áp rơi trên điện trở Rshunt hoặc điện áp đầu ra của biến dòng, trong khi điện áp thường sử dụng mạch phân áp hoặc khuếch đại để đưa về giá trị đo Giá trị đọc sẽ được quy đổi và không cần gắn thêm cơ cấu chỉ thị, giúp giảm thiểu sai số theo thời gian Do đó, việc lựa chọn thiết bị cảm biến số không chỉ đảm bảo độ chính xác cao mà còn hỗ trợ lưu trữ và thu thập dữ liệu hiệu quả.

Analog Device là một trong những hãng hàng đầu trong việc sản xuất cảm biến đo dòng điện, điện áp, công suất và năng lượng, đặc biệt phổ biến trong ngành công nghiệp và lưới điện thông minh Đối với nhu cầu đo thông số điện xoay chiều một pha, hãng cung cấp các giải pháp cảm biến hiệu quả và chính xác.

ADE9153A đáp ứng tốt các yêu cầu và đặc biệt có trang bị chếđộ từđộng hiệu chỉnh, giúp hiệu chỉnh thiết bịđo một cách tựđộng từ xa

• Chức năng auto-calibration mSure

• Chức năng đo lường nâng cao, đo được các thông số:

- Công suất phản kháng VAR

- Dòng điện I, điện áp U, góc pha ϕ

• Hỗ trợ các chuẩn IEC 62053-21; IEC 62053-22; EN50470-3; OIML R46; và ANSI C12.20

• Nhiệt độ hoạt động: − 40 0 C đến 80 0 C

Hình 2.2 Sơ đồ khối cảm biến ADE9153A [7]

 Các chân vào ra của ADE9153A

Hình 2.3 Sơ đồ chân của cảm biến ADE9153A [7]

 Chức năng của các chân

Bảng 2.1 Bảng chức năng các chân của ADE9153A

Số chân Tên Chức năng

1,20 DGND Ground cho mạch số

2 DVDDOUT Đầu ra 1.7V của Digital LDO Regulator, không kết nối mạch tải ngoài với chân này

Clock Output, kết nối thạch anh giữa CLKIN và CLKOUT để cung cấp clock ngoài cho

Kết nối thạch anh giữa CLKIN và CLKOUT là cách cung cấp tín hiệu clock ngoài cho ADE9153A Bên cạnh đó, cũng có thể sử dụng một tín hiệu clock ngoài thông qua đầu vào logic.

5,24 VDD Supply Voltage, cung cấp điện áp cho

ADE9153A, điện áp cung cấp ở 3.3V 10%±

IAMS 6 là thiết bị đầu ra mSure Current Driver, chuyên đo dòng điện ở kênh A (Phase Current Channel) Chân IAMS được kết nối với cực dương của điện trở shunt, vị trí gần tải nhất, tương tự như chân IAP.

Chân IAP (dương) và IAN (âm) trong kênh dòng điện A (Phase Current Channel) được thiết kế để nhận đầu vào tương tự Chúng hoạt động lý tưởng với điện trở Rshunt, với mức chênh lệch điện áp tối đa giữa hai chân là ±125mV.

9,17 AGND Ground cho mạch tương tự

10 VDDOUT2P5 Đầu ra 2.5V của Analog LDO Regulator, không kết nối mạch tải ngoài với chân này

11,12 IBN,IBP Đầu vào tương tựcho dòng điện ở kênh B (Neutral Current Channel) Điện áp ở hai chân IBP (positive) và IBN (negative) có mức chênh lệch tối đa là ± 1000mV

13 VAMS Đường dẫn mSure trên kênh điện áp

14,15 VAP,VAN Đầu vào tương tựcho kênh điện áp Điện áp ở chân VAP (positive)và VAN (negative) có mức chênh lệch từ0.1V đến 1.7V

16 AVDDOUT Đầu ra 1.9V của Analog LDO Regulator, không kết nối mạch tải ngoài với chân này

18 REFIN Voltage Reference, giá trị tham chiếu điện áp trên IC có giá trịđược khuyên dùng là 1.25V

19 IBMS Đầu ra Current Driver của dòng điện ở kênh B

21 MSH Tụ ngoài cho mSure Current Driver

22 FA1 mSure Capacitor, Positive Terminal, sử dụng tụ ngoài có giá trị 0.47uF giữa 2 chân FA0 và

23 FA0 mSure Capacitor, Negative Terminal, sử dụng tụ ngoài có giá trị 0.47uF giữa 2 chân FA0 và

25 ZX/DREADY/CF2 Kênh điện áp đầu ra Zero-Crossing

26 CF1 Calibration Frequency (CF) Logic Output

27 𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼����� Interrupt Request Output, đầu ra của tín hiệu yêu cầu ngắt

Chân Reset, muốn Reset ADE9153A, tín hiệu tại chân này phải được đưa xuống mức logic thấp ít nhất 10us

29 MOSI/RX Master Out, Slave In của giao tiếp SPI và chân

30 MISO/TX Master In, Slave Out của giao tiếp SPI và chân

31 SCLK Serial Clock Input cho giao tiếp SPI

32 𝑅𝑅𝑅𝑅��� Slave Select cho giao tiếp SPI

Hình 2.4 Mạch nguyên lý ADE9153A [7]

2.1.1 Nguyên lý đo điện trên cảm biến ADE9153A

Nguyên lý cơ bản của phương pháp đo dòng điện và điện áp trên cảm biến là chuyển đổi các đại lượng đo thành giá trị điện áp phù hợp với ngưỡng đầu vào của ADC Sau khi trích mẫu tín hiệu dòng điện và điện áp, các giá trị này sẽ được xử lý qua các bước tính toán để xác định giá trị hiệu dụng.

Hình 2.5 Đầu vào các kênh dòng điện và điện áp ADE9153A

 Đầu vào các kênh đo dòng điện và điện áp

Cảm biến hoạt động với hai kênh A và B, trong đó kênh A sử dụng điện trở "Rshunt" và kênh B sử dụng máy biến dòng "CT" (current transformers) Đối tượng đo dòng điện nằm trong dải [0 – 10 A], cần xem xét sự phù hợp về dải đo và độ chính xác của thiết bị.

15 chọn kênh A sử dụng điện trở Rshunt làm kênh đầu vào đo điện áp Thông số kênh A:

Hình 2.6 Sơ đồ khối kênh dòng điện AI [7]

- Điện áp đầu vào: IAP – IAN [-26.04 –> +26.04 mV] tới [-62.5 –> +62.5 mV]

(hiệu dụng: 44.19 mV rms, AI_PGAGAIN = 16x

Khoảng đầu vào chịu được [-112.5 mV, 112.5 mV])

- Khuếch đại PGA: 16, 24, 32, 38.4 (AI_PGAGAIN register)

Cảm biến chỉ có một kênh vào điện áp và có thông số:

- Điện áp đầu vào: VAP – VAN [-0.5V, 0.5V]

(hiệu dụng: 353.6 mVrms, khoảng đầu vào chịu được [0V, 1.35 V])

Hình 2.7 Sơ đồ khối kênh diện áp AV [7]

 Đo dòng điện, điện áp hiệu dụng

Công thức tính giá trị hiệu dụng:

Do đó trên ADE9153A đã xây dựng các khối phần cứng để tính toán các giá trị hiệu dụng từđầu vào các kênh điện áp và kênh dòng điện

Hình 2.8 Khối tính giá trị hiệu dụng [7]

Cảm biến không chỉ sử dụng các kênh đo dòng điện và điện áp để tính giá trị hiệu dụng mà còn tích hợp khối bù trừ để loại bỏ giá trị offset, đảm bảo độ chính xác trong các phép đo.

2.1.2 Ch ức năng tự động hiệu chỉnh mSure trên ADE9153A

 Hiệu chuẩn thiêt bị đo là gì?

Hiệu chuẩn thiết bị đo là quá trình xác định sai lệch của thiết bị so với mẫu chuẩn, nhằm điều chỉnh sai lệch về không Quá trình này được thực hiện trong không gian số, như được thể hiện trong sơ đồ kèm theo.

Hình 2.9 Khâu so sánh hai mẫu đo và mẫu chuẩn

Trong quá trình đo lường, M được xem là mẫu chuẩn với giá trị chính xác đã biết, trong khi X là mẫu cần đo Các bộ biến đổi Km và Kx sẽ được sử dụng để xử lý các mẫu này Sau khi các mẫu được đưa qua các bộ biến đổi và chuyển đổi qua ADC, chúng ta thu được giá trị tương ứng là Nx cho mẫu X và Nm cho mẫu M Cuối cùng, chúng ta tiến hành so sánh giá trị Nx và Nm để đưa ra kết luận về kết quả đo.

Từđó ta có thể suy ra giá trị của X thông qua mẫu chuẩn đã biết

Trong quá trình hiệu chuẩn, các thông số Km, Kx, M, N’ được xác định để tính giá trị cần đo X Hầu hết các thiết bị chỉ thực hiện hiệu chuẩn lần đầu, nhưng sau một thời gian hoạt động, sự ăn mòn và các yếu tố thời gian có thể làm thay đổi các bộ biến đổi, dẫn đến Kx trở thành Kx’ Khi đó, Nx cũng sẽ chuyển thành Nx’, làm cho giá trị Nx’ không còn tỉ lệ với Nm như hệ số ban đầu, gây ra sai lệch trong kết quả tính toán Do đó, việc hiệu chuẩn thiết bị định kỳ là rất cần thiết.

Việc hiệu chuẩn bằng tay tốn thời gian và chi phí, vì vậy lựa chọn cảm biến tự động hiệu chuẩn giúp giảm chi phí, tiết kiệm công tháo lắp thiết bị và đảm bảo độ chính xác của thiết bị theo thời gian.

 Chức năng tự động hiệu chỉnh mSure trên ADE9153a

ADE9153a được trang bị một bộ tham chiếu đo cho chức năng tự động hiệu chỉnh thông số (mSure Autocalibration) với các thông số Imax = 60 Arms, Vnom = 230 V và Rshunt = 200uA.

“VDD = 3.3 V, AGND = DGND = 0 V, on-chip reference, CLKIN = 12.288

MHz, TA = 25°C (typical), IMAX = 60 A rms, VNOM = 230 V, RSHUNT_PHASE = 200 μΩ, turns ratio on CTNEUTRAL = 2500:1, burden on

CTNEUTRAL = 16.4 Ω, and CTNEUTRAL voltage potential divider of 1000:1

The specified resistor values of 990 kΩ and 1 kΩ are crucial for the system outlined in Table 2 Any modifications to the shunt or voltage potential divider will result in changes to these values Notably, increasing the shunt value reduces the calibration time needed for the phase current channel, while decreasing the shunt value leads to an increase in calibration time.

 Trích dẫn từ datasheet ADE9153A:

The mSure reference mode, utilizing specific parameters, generates the conversion constants MS_ACAL_AICC (nA/code) and MS_ACAL_AVCC (nV/code) These constants are essential for converting code values in the AIRMS and AVRMS registers into their corresponding actual values for current (A) and voltage (V).

G IAO TI Ế P SPI V Ớ I C Ả M BI ẾN ĐO ADE9153A

2.2.1 Chu ẩn giao tiếp SPI

Chuẩn giao tiếp SPI (Serial Peripheral Interface) là một giao thức truyền dữ liệu nối tiếp cho phép truyền và nhận thông tin đồng thời Điều này có nghĩa là trong quá trình truyền, thiết bị có thể vừa gửi vừa nhận dữ liệu một cách hiệu quả.

Hình 2.16 Chuẩn giao tiếp SPI

 Chuẩn sử dụng kết nối 4 dây

- MOSI đầu ra master, đầu vào slave

- MISO đầu ra slave, đầu vào master

Thiết bị tạo tín hiệu đồng hồ, được gọi là master, đóng vai trò quan trọng trong việc đồng bộ hóa dữ liệu giữa master và slave Giao diện SPI bao gồm một master và có thể kết nối với một hoặc nhiều slave, giúp quản lý quá trình truyền dữ liệu hiệu quả.

Tín hiệu chọn chip từ bản gốc được sử dụng để xác định slave trong giao thức SPI Tín hiệu này thường ở mức thấp và được kéo lên cao để ngắt kết nối slave khỏi bus SPI Khi có nhiều slave, mỗi slave cần một tín hiệu chọn chip riêng biệt từ master.

MOSI và MISO là các dòng dữ liệu MOSI truyền dữ liệu từmaster đến slave và MISO truyền dữ liệu từ slave đến master

Để bắt đầu giao tiếp SPI, master cần gửi tín hiệu đồng hồ và chọn slave bằng cách bật tín hiệu CS, thường là tín hiệu hoạt động thấp, tức là master phải gửi logic 0 để chọn slave SPI cho phép truyền dữ liệu song công hoàn toàn, với cả master và slave có thể gửi và nhận dữ liệu đồng thời qua các dòng MOSI và MISO Cạnh xung đồng hồ quy định thời điểm lấy mẫu và dịch bit dữ liệu theo các chế độ của SPI.

 Các chế độ hoạt động SPI: 4 mode

Hình 2.17 Các mode của chuẩn SPI

Trong giao thức SPI, master có khả năng chọn cực và pha của tín hiệu đồng hồ Bit CPOL xác định cực tính của tín hiệu đồng hồ khi không hoạt động, trong khi trạng thái không hoạt động được định nghĩa là khi CS ở mức cao và chuyển sang mức thấp khi bắt đầu truyền Bit CPHA quyết định pha của đồng hồ, ảnh hưởng đến cạnh đồng hồ được sử dụng để lấy mẫu hoặc dịch chuyển dữ liệu Master cần chọn cực và pha đồng hồ theo yêu cầu của slave, dẫn đến bốn chế độ hoạt động khác nhau trong SPI dựa trên lựa chọn của bit CPOL và CPHA.

Hình 2.18 Chế độ SPI 0, CPOL = 0, CPHA = 0: Trạng thái không hoạt động CLK = thấp, dữ liệu được lấy mẫu ở cạnh tăng và dịch chuyển trên cạnh rơi

Hình 2.19 Chế độ SPI 1, CPOL = 0, CPHA = 1: Trạng thái không hoạt động CLK = thấp, dữ liệu được lấy mẫu trên cạnh rơi và dịch chuyển trên cạnh tăng

Hình 2.20 Chế độ SPI 2, CPOL = 1, CPHA = 1: Trạng thái không hoạt động CLK = cao, dữ liệu được lấy mẫu trên cạnh rơi và dịch chuyển trên cạnh tăng

Chế độ SPI 3 với CPOL = 1 và CPHA = 0 cho thấy trạng thái không hoạt động khi CLK ở mức cao Dữ liệu được lấy mẫu tại cạnh tăng và dịch chuyển tại cạnh rơi Trong phần này, chúng ta sẽ tìm hiểu về khung bản tin SPI khi sử dụng cảm biến ADE9153A.

Hình 2.22 Sơ đồ khối giao tiếp SPI với ADE9153A [7]

 Quy định về giao tiếp SPI trên cảm biến

- SPI slave, không cần khởi tạo kêt nối

Trong quá trình giao dịch, chân chọn chip cần được đặt ở mức thấp để tránh bị hủy nếu không có giao dịch Yêu cầu tín hiệu sườn xuống trên chân chọn chip sẽ được coi là tín hiệu bắt đầu cho các hoạt động giao dịch tiếp theo.

- Truyền SPI tốc độ 10MHz, hỗ trợ CRC-16bit

 Khung bản tin SPI giao tiếp cảm biến

Hình 2.23 Tiêu đề lệnh bản tin SPI với ADE9153A [7]

Tiêu đề lệnh điều khiển trong khung bản tin của ADE9153A bao gồm 16 bit, với địa chỉ thanh ghi nằm trong khoảng từ bit [15 – 4] Sau địa chỉ là 1 bit chỉ định thao tác đọc hoặc ghi dữ liệu, và 3 bit cuối được xem là thời gian xử lý của ADE9153A Cuối cùng, dữ liệu đọc hoặc ghi từ cảm biến sẽ được truyền đi.

Hình 2.24 Frame truyền ghi dữ liệu ADE9153A [7]

Hình 2.25 Frame truyền đọc dữ liệu ADE9153A [7]

G I Ả I PHÁP TRUY Ề N THÔNG KHÔNG DÂY

2.3.1 L ựa chọn giải pháp truyền thông

Mạng cảm biến không dây có khả năng mở rộng lớn và linh hoạt trong việc lắp đặt, cho phép đặt cảm biến ở nhiều vị trí khác nhau, thậm chí chỉ với một nút Với nguồn cấp điện ổn định, yêu cầu về tiết kiệm năng lượng không quá nghiêm ngặt, mạng cảm biến này dễ dàng kết nối và hoạt động hiệu quả.

Chọn mạng Bluetooth-BLE 5.1 để đảm bảo khả năng gửi dữ liệu cảm biến lên internet mà không cần bộ chuyển đổi, đáp ứng yếu tố 1 nút tối thiểu phần cứng.

Bluetooth Low Energy (BLE) là công nghệ mạng kết nối cá nhân không dây, được phát triển bởi Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG), hướng tới các ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe, thể dục, beacons, nhà thông minh, an ninh và giải trí Hệ thống ứng dụng BLE thường sử dụng smartphone, tablet và PC làm trung tâm BLE không thay thế hoàn toàn các chuẩn truyền thông không dây khác như Wifi, Zigbee hay Bluetooth Classic (2.0), mà được thiết kế cho những mục đích và lĩnh vực ứng dụng cụ thể hơn.

Bảng so sánh BLE với các chuẩn giao tiếp Wireless phổ biến hiện nay

Bảng 2.2 So sánh BLE với các chuẩn giao tiếp Wireless [8]

Air Datarate 1-3Mbps 1-2Mbps 54Mbps 50kbps

Throughput 0.7-2.1Mbps 305kbps Depend 120kbps

Security 64bit, 128bit 128-bit AES SSID, WEP 128-bit AES

Power consumption Low Very Low High Low

Body Bluetooth SIG Bluetooth SIG IEEE802.11 IEEE802.15.4

Point-to- Hub Mesh, Ad-hoc

2.3.3 Các kh ối chính của một thiết bị Bluetooth

- Mỗi thiết bị Bluetooth gồm 3 khối chính sau:

• Application: Ứng dụng người dung giao tiếp với Bluetooth protocol stack

• Host: Các lớp trên của Bluetooth protocol stack

• Controller: Các lớp dưới của Bluetooth protocol stack

Bluetooth protocol stack là bộ giao thức cho phép các thiết bị Bluetooth kết nối và truyền dữ liệu Ba khối chính của thiết bị Bluetooth được tích hợp vào phần cứng theo nhiều kiểu khác nhau, bao gồm ba cấu hình phần cứng chính.

Hình 2.26 Các khối chính của một thiết bị Bluetooth [8]

2.3.4 Các ho ạt động cơ bản của thiết bị BLE

Theo chuẩn BLE định nghĩa thì các thiết bị BLE có 4 hoạt động cơ bản như sau:

• Advertising: là hoạt động phát dữ liệu nhận dạng cơ bản của thiết bị BLE Peripheral ra môi trường xung quanh trước khi kết nối

• Scanning: là hoạt động của thiết bị BLE Central để thu thập dữ liệu nhận dạng của nhiều thiết bị BLE Peripheral xung quanh

Connecting involves both BLE Central and BLE Peripheral devices, where the BLE Central sends a Scan Request to obtain additional identification information In response, the BLE Peripheral provides the requested details through a Scan Response Subsequently, the BLE Central evaluates the complete identification data from both the Advertising data and the Scan Response data before sending a Connection Request Finally, the BLE Peripheral responds with either an acceptance or rejection of the connection, known as the Connection Response.

Discovering is the process performed by a BLE Client device after establishing a connection, aimed at retrieving information about the types of data that the BLE Server can offer.

Thiết bị BLE Server có thể cung cấp dữ liệu về gia tốc, nhiệt độ và độ ẩm, trong khi thiết bị BLE Client cần biết những loại dữ liệu nào có thể nhận được từ BLE Server.

Để hai thiết bị giao tiếp qua chuẩn BLE, chúng cần tuân thủ các quy định nhất định, được tóm tắt thành các giao thức và cấu hình.

• Protocol (Giao thức): Tập các luật quy định việc định dạng gói tin, định tuyến, dồn kênh, mã hóa… để trao đổi dữ liệu giữa các bên.

Cấu hình (Profile) định nghĩa cách thức giao thức được sử dụng để đạt được các mục tiêu cụ thể, bao gồm hai loại: cấu hình chung (generic profiles) và cấu hình cụ thể theo trường hợp sử dụng (use-case profiles) Cấu hình chung là các profile cơ sở được xác định trong tài liệu.

Bluetooth specifications are essential for enabling BLE devices to connect and exchange data, with two crucial profiles being GAP and GATT Additionally, use-case profiles are designed for specific applications, enhancing the functionality of Bluetooth technology in various scenarios.

 Các profile do Bluetooth Special Interest Group (SIG) định nghĩa

 Các profile do vendor tự định nghĩa

2.3.5 Đặc tính tần số và quá trình kết nối của thiết bị BLE a) Đặc tính tần số

Các thiết bị BLE không chỉ hoạt động ở tần số 2.4GHz mà còn có thể hoạt động trong dải tần số từ 2402MHz đến 2480MHz Dải tần số này được chia thành 40 kênh truyền, cho phép các chip BLE sử dụng một trong 40 kênh để truyền dữ liệu.

Hình 2.27 Kênh truyền dữ liệu nhận dạng và kênh truyền dữ liệu ứng dụng [8]

Các kênh tần số này sẽđược sử dụng như sau:

Kênh 2402MHz, 2426MHz và 2480MHz là ba kênh dành riêng cho việc truyền dữ liệu nhận dạng của BLE Peripheral trước khi kết nối, được gọi là Kênh Quảng Cáo.

Tất cả 37 kênh còn lại sẽ được sử dụng để truyền dữ liệu ứng dụng giữa các thiết bị BLE sau khi kết nối, được gọi là Data Channels Quá trình kết nối của các thiết bị BLE diễn ra khi BLE Central nhận dữ liệu quảng cáo từ các BLE Peripheral xung quanh Cả hai thiết bị BLE Central và BLE Peripheral đều truyền và nhận dữ liệu theo chu kỳ tương ứng, không liên tục, nhằm tiết kiệm năng lượng.

- Chu kỳ nhận dạng dữ liệu (Scanning interval): Khoảng thời gian mà BLE

Central sẽ thức dậy và nhận dữ liệu nhận dạng sau mỗi scanning interval

- Chu kỳ phát dữ liệu nhận dạng (advertising interval): Khoảng thời gian mà thiết bị sẽ thức dậy sau mỗi chu kỳđể truyền advertising data

 các yếu tốảnh hưởng việc nhanh/chậm khi BLE Central nhận biết các thiết bị BLE Peripheral xung quanh:

– Nếu chọn Scanning Interval thấp, thì BLE Central sẽ thức dậy nhiều hơn và nhận được nhiều advertising data hơn nên tìm đúng BLE Peripheral nhanh hơn

Choosing a low Advertising Interval allows the BLE Peripheral to wake up more quickly and transmit more data, enhancing the BLE Central's reception but consuming more power Additionally, selecting a higher number of Advertising Packets results in even greater data transmission, further increasing power consumption.

 Cân nhắc tốc độ kết nối và mức năng lượng tiêu thụ khi khởi tạo các thông số trên cho thiết bị BLE

Hình 2.28 Quá trình nhận dữ liệu nhận dạng (Scanning) của BLE Central và quá trình phát dữ liệu nhận dạng (Advertising) của BLE [8]

Quá trình kết nối của các thiết bị BLE thể hiện trong hình sau:

Hình 2.29 Quá trình kết nối của các thiết bị BLE [8]

K H Ố I M Ạ CH X Ử LÝ

Chíp Nordic nRF52832 trang bị bộ vi xử lý ARM Cortex-M4 64MHz và hỗ trợ FPU, cung cấp dung lượng bộ nhớ RAM và Flash gấp đôi so với chip BLE 4.2 Với khả năng hỗ trợ Bluetooth Low Energy 5.0, nRF52832 nổi bật với khoảng cách kết nối xa và thông lượng cao.

33 Ứng dụng điển hình: Beacons, định vị trong nhà, thiết bị đeo tay, các node cảm biến, ngoại vi điều khiển, smart home, thiết bị y tế, thể thao…

• CPU: Nordic nRF52832, nhân ARM Cortex-M4 64-bit hỗ trợ FPU.

• Xung nhịp hệ thống: 64MHz

• Truyền thông không dây 2.4GHz: Hỗ trợ giao tiếp Bluetooth Low

Energy 5.0, hiệu quả vượt trội về thông lượng, khoảng cách hoạt động so với BLE 4.x Có hỗ trợ BLE ở tốc độ 2Mbps.

• Tiêu thụ năng lượng thấp

• Độ mạnh phát tín hiệu: -20dBm – 4dBm

• GPIO: 30 kênh, trong đó có 8 kênh ADC 12bit; Điện áp: 0 ÷ +3.3V

• Timer: 5 bộ Timer 32bit với chế độ counter hỗ trợ EasyDMA

• UART: 01 bộ hỗ trợ EasyDMA Có thể cấu hình UART Hardware flow control (RTS/CTS)

• SPI: 03 bộ (master hoặc slave) hỗ trợ EasyDMA.

• Nguồn cung cấp: Từ 1.7V đến 3.6V (thường cấp nguồn 3V hoặc 3.3V).

• Framworks: Arduino IDE, mbed-os, zephyr-os, mynewt-os, Nordic SDK,

 Thiết kế mạch nguyên lý cho MCU nRF52832

Hình 2.31 Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý [9]

T HI Ế T K Ế KH Ố I RF

Mạng cảm biến không dây là hệ thống bao gồm các nút sử dụng công nghệ không dây như Zigbee, Wifi và Bluetooth, tất cả đều cần anten để thu phát tín hiệu Để đáp ứng yêu cầu về kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ điện năng thấp, chi phí hợp lý, hoạt động ổn định và khả năng truyền nhận tốt, việc thiết kế anten cho các nút cảm biến không dây là rất quan trọng.

Các "microstrip hình chữ nhật" thông thường có chiều dài L gần bằng một nửa bước sóng Tuy nhiên, với các công nghệ không dây hiện nay trong mạng cảm biến sử dụng tần số thấp từ 900-2500MHz, chiều dài L khoảng 60-167mm là quá dài Để giảm kích thước này, thiết kế anten inverted-F sử dụng pin ngắn để giảm chiều dài xuống một nửa (tương đương một phần tư bước sóng) Bên cạnh đó, kỹ thuật gập anten cũng có thể được áp dụng để tối ưu hóa kích thước anten.

Anten IFA (inverted -F antenna) cấu tạo gồm cánh tay mỏng và một đoán ngắn mạch nối giữa anten và đất, như hình 2.32

Hình 2.32 Cấu hình anten IFA thường [10]

- Chiều dài cánh tay gần bằng phần tư bước sóng

4 λ Vị trí cấp nguồn so với shorting pin quyết định trở kháng vào anten Chiều cao của pin shorting pin rất nhỏ so với bước sóng (w ≤ (0.05 0.1) − λ

- Anten phân cực dọc, với đồ thị bức xạ hình bánh rán Chiều cao mặt đất

Để xác định chiều dài của cánh tay anten, trước tiên cần tính toán bước sóng tại tần số hoạt động của anten (λg) Bước sóng này được xác định trong môi trường bao gồm cả lớp điện môi và không khí, với công thức λg = c / (f√εeff), trong đó εeff = εr + 1.

Điện môi hiệu dụng εeff trong môi trường thực của anten, với không khí ở phía trên và điện môi ở phía dưới, ảnh hưởng đến chiều dài của cánh tay anten.

- Phân tích anten IFA: anten IFA tương tựnhư một slot anten

Slot anten cần có chiều dài bằng nửa bước sóng, với chu vi khoảng một bước sóng Khi cấp nguồn bằng nguồn áp, điện áp hai đầu khe sẽ bằng 0 do hiện tượng ngắn mạch ở hai đầu, trong khi điện áp tối đa xuất hiện tại vị trí phần tư bước sóng trung tâm khe Sự ngắn mạch này tạo ra sự lệch pha 90 độ giữa điện áp và dòng điện, dẫn đến phân bố điện áp và dòng trên dây Trường điện E thẳng đứng dọc theo khe giúp giảm thiểu sự phân cực dọc của anten.

Hình 2.33 a) phân bố điện áp b) phân bố dòng điện dọc theo chiều dài L một nửa bước sóng, c) Anten khe

Dòng điện bằng không tại vị trí phần tư bước sóng tại trung tâm khe khiến slot anten được xem như mạch hở Khi xoá một nửa khe bên phải, cấu hình anten IFA sẽ xuất hiện Do đó, anten IFA có thể được coi là “một nửa của slot anten”.

2.5.3 Phân tích thi ết kế module nRF25832

Thiết kế phần RF là một nhiệm vụ quan trọng trong quá trình phát triển nút cảm biến, bao gồm các yếu tố như cấu hình balun và thiết kế anten, đã được trình bày chi tiết ở mục thiết kế anten.

2.5.4 Thi ết kế balun và cấu hình đầu ra

Các cấu hình thiết kế của Nordic bao gồm một đầu đơn 50 ohm, với cấu hình kết nối anten radio đơn (single-ended radio antenna connection) được đề cập duy nhất.

Hình 2.34 Datasheet chân 30(ANT) của nRF52832 [9]

- Phân tích thiết kế của Nordic

Hình 2.35 Mạch nguyên lý chân ra RF [9]

Bảng 2.3 Đầu ra đơn là 50Ω đường dây dài theo thiết kế của nhà sản xuất

Tất cả các phiên bản module NRF52840 đều được thiết kế với thông số chung, bao gồm nền FR4 có hằng số điện môi hiệu quả là 4.8, độ dày chất nền đạt 0.8mm và chiều dày lớp đồng là 0.035mm.

Dựa vào thông số lớp này cùng những thông số đo thực tế của mạch PCB NRF52832, sử dụng phần mềm CST đểtính toán đường dây dài

Hình 2.36 Chân ra RF thiết kế trên mạch in

 Khoảng cách giữa đường tín hiệu RF và GND: g=5.252mil=0.1334mm

 Độ rộng đường RF: W0mil=0.762mm

Hình 2.37 Thông số đồng phẳng với đất

 Với thông số của nhà sản xuất em sử dụng CST tính được trở kháng đường dây dài có trởkháng 50Ω

- Tính toán trở kháng chân ra 30 (ANT) bằng phần mềm ADS

- Để công suất là lớn nhất cần phối hợp trở kháng đầu chân ra của NRF52832 và đường truyền hay nói cách khác ta có công thức (theo hình)

 Sử dụng phần mềm ADS để mô phỏng vào tính trở kháng chân VDK

 Trở kháng nhìn từ chân 30(ANT) ra anten khi làm việc với tần số 2.45GHz là: Zo6.254+37.712j

 Để phối hợp trở kháng giữa nguồn và tải thì trở kháng chân ra 30(ANT) là: Zg6.254-37.712j

Hình 2.38 Mô phỏng chân ra 30 (ANT) trên phần mềm ADS

Hình 2.39 Trở kháng đầu vào Zin

2.5.5 Thi ết kế anten IFA a) Cấp nguồn CPW

- Để thuận tiện cho việc ghép nối với IC lựa chọn cấp nguồn kiểu coplanar waveguide (CPW) có mặt phẳng ground ở phía sau chất nền để có thểđặt

Cấu trúc CPW (Coplanar Waveguide) bao gồm một đường dây dẫn vi dải trung tâm và hai mặt phẳng đất song song, mang lại nhiều ưu điểm như độ phân tán thấp và hiệu suất cao Việc kết nối dễ dàng với phần mạch nối mà không cần via cùng với khoảng cách khe hở không khí nhỏ giúp điện trường tập trung chủ yếu trong điện môi, từ đó giảm thiểu trường viền trong không khí, nâng cao hiệu suất truyền dẫn CPW hỗ trợ chế độ gần điện từ ngang (quasi-TEM) và có cấu trúc đồng phẳng với mặt đất, được thể hiện rõ trong hình minh họa.

Hình 2.40 Thiết kế đường cấp nguồn( CPW)

Kết quả cho thấy với bộ thông số CPW như trên hình đáp ứng đường feed 50 ohm b) Thiết kế anten

 Cấu hình và kết quả

Hình 2.42 Kết quả mô phỏng Anten

Khi thiết kế anten, cần lưu ý rằng tần số cộng hưởng của anten nên được điều chỉnh về 2.35 GHz, lệch khỏi tần số cộng hưởng mong muốn là 2.45 GHz Việc này giúp tối ưu hóa hiệu suất và đảm bảo sự ổn định trong quá trình hoạt động của anten.

Kết luận từ khảo sát và mô phỏng cho thấy rằng việc đi dây ngang và chéo 45 độ có ảnh hưởng tối thiểu đến cấu hình anten Do đó, lựa chọn phương pháp đi dây chéo 45 độ và đi dây ngang là cách tốt nhất để giảm thiểu ảnh hưởng.

T ÍCH H Ợ P ANTEN TRONG MODULE N RF52832

Để tối ưu hóa hiệu suất anten và giảm thiểu ảnh hưởng của mối hàn đến trở kháng, chúng tôi đã loại bỏ hai linh kiện C3 và L1 theo đề xuất của nhà sản xuất (hình 2.43) Việc phối hợp trở kháng giữa anten và nguồn là rất quan trọng, với giá trị Zin là 6.254 + 37.712j.

Hình 2.43 Đề xuất nhà sản xuất đưa ra 2.6.2 M ạch mô phỏng

Hình 2.44 Mạch PCB sau khi được thiết kế

Hình 2.45 Kết quả S1.1 của anten IFA khi chưa tích hợp và khi đã tích hợp mạch trên cùng PCB

Kết quả mô phỏng cho thấy rằng anten vẫn duy trì hoạt động hiệu quả trong dải tần 2.45GHz khi được tích hợp với mạch PCB, đồng thời đồ thị bức xạ không bị lệch hướng.

T HI Ế T K Ế M Ạ CH NGU Ồ N

Để đáp ứng yêu cầu về kích thước nhỏ gọn, chúng ta sẽ sử dụng IC chuyên dụng thay vì biến áp để hạ áp Tuy nhiên, việc sử dụng IC chuyên dụng có nhược điểm là hiệu suất không cao Do đó, cần tính toán công suất tiêu thụ của thiết bị để lựa chọn IC hạ áp phù hợp.

Ta thấy công suất tiêu thụ của khối xử lý và khối đo lần lượt là:

 Khối xử lý + truyền thông: nRF52832 có 𝐼𝐼𝑢𝑢𝑖𝑖ê𝑢𝑢 𝑢𝑢ℎụ 𝑚𝑚𝑟𝑟𝑥𝑥 6mA,

- Công suất khối đo : ADE9153A là 𝐼𝐼𝑢𝑢𝑖𝑖ê𝑢𝑢 𝑢𝑢ℎụ 𝑚𝑚𝑟𝑟𝑥𝑥 = 16mA, 𝑉𝑉 ℎđ =3.3V ta được:

Png max = Pxl max + Pđo max

- Theo bảng dữ liệu của nhà sản xuất, IC LNK306 có 𝐼𝐼 𝑟𝑟𝑟𝑟 = 225mA ; 𝑉𝑉 𝑟𝑟𝑟𝑟 =5V,

 Vì vậy, ta sẽ sử dụng mạch nguồn chỉnh lưu bằng diode và IC LNK306 kết hợp với IC AMS1117 để thiết kế khối nguồn:

Hình 2.46 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn

P HÂN TÍCH THI Ế T K Ế

Bài toán được chia thành ba phần chính: đo điện trên một nút mạng (cảm biến

ADE9153a), Mạng cảm biến không dây (Bluetooth BLE 5.1) Do đó tại mỗi phần đều có các yêu cầu riêng một cách rất rõ ràng như sau:

• Phần đo điện trên một nút (ADE9153A)

• Đo U, I của máy cắm vào theo dõi

• Thang đo có thểđược thay đổi bằng phần mềm

• Cập nhật thông số về server theo chu kì

• Xác định trạng thái hoạt động của thiết bị

• Phần mạng cảm biến không dây (Bluetooth BLE 5.1)

• Xây dựng một mạng có khảnăng mở rộng tốt

Từ các yêu cần trên ta đặt ra các phương án cụ thể riêng cho mỗi phần:

• Phần đo điện trên một nút (ADE9153A)

• Xác định trạng thái hoạt động của thiết bị

• Thay đổi thang đo tựđộng

• Áp dụng chếđộ autocalibration trên ADE9153A

• Phần mạng cảm biến không dây (Bluetooth BLE 5.1)

• Xây dựng một mạng có khảnăng mở rộng tốt

2.8.2 Xây d ựng chức năng trên ADE9153A a) Thiết lập chếđộ tựđộng hiệu chỉnh mSure ADE9153A

Chúng tôi sẽ tiến hành hiệu chuẩn cho các kênh đo dòng và đo áp Đối với kênh đo dòng điện, chúng tôi chọn chế độ normal trên kênh A Để đạt được độ chính xác 0.3% (dự kiến độ chính xác thực tế là 0.5%), thời gian hiệu chỉnh được chọn khoảng 20 giây.

Hình 2.47 Thời gian calibration ảnh hưởng tới độ chính xác tuyệt đối trong chế độ Normal Mode của kênh dòng điện A

Hình 2.48 Thời gian calibration ảnh hưởng tới độ chính xác tuyệt đối kênh điện áp

Đối với kênh điện áp, chúng ta cần chọn chế độ hiệu chỉnh phù hợp Với độ chính xác dự kiến là 0.3% (và thực tế có thể đạt 0.5%), thời gian hiệu chỉnh được khuyến nghị là khoảng 40 giây.

- Ta có lưu đồ thuật toán qua trình hiệu chỉnh trên các kênh dòng điện, điện áp:

Hình 2.49 Lưu dồ thuật toán chế độ autocalibration ADE9153A b) Thi ết kế với nhiều thang đo khác nhau

- Công thức tính toán thang đo dòng điện:

Do đó lựa chọn xây dựng hai thang đo là

Để tính toán thông số và giá trị phép đo trên cảm biến ADE9153A, trước tiên cần chọn các đầu vào cho các kênh dòng điện và điện áp Việc sử dụng chế độ tự động hiệu chỉnh trên ADE9153A yêu cầu tính toán các hệ số chuyển đổi như target_AICC, target_AVCC và target_Power Các hệ số này giúp tính toán kết quả đo bằng cách nhân giá trị đo với các hệ số chuyển đổi tương ứng.

 Đo I bằng điện trở Rshunt trên kênh AI

- Điện áp đầu vào: IAP – IAN [0 – 26.04 or 62.5 mV] (commend: 44.19 mV rms, AI_PGAGAIN = 16x, maxmimum [-112.5 mV, 112.5 mV])

- Khuếch đại PGA: 16, 24, 32, 38.4 (AI_PGAGAIN register)

Sau khi tính toán giá trị Rshunt, chúng ta cần lựa chọn Rshunt với sai số phép đo nhỏ nhất Vì vậy, Rshunt của hãng Vishay với công suất P=3W, sai số từ ±0.5% đến ±1% và nhiệt độ hoạt động từ -65℃ đến +170℃ là lựa chọn tối ưu.

IC ADE9153A tích hợp PGA và ADC với điện áp đầu vào ±1V và mã hóa 24 bit, giúp giảm thiểu độ sai số của ADC xuống chỉ còn 5,96 x 10−8 PGA (Programmable Gain Amplifier) cung cấp 4 mức giá trị sẵn có từ nhà sản xuất, bao gồm 16, 24, 32 và 38.4.

Hình 2.50 Sơ đồ khối kênh đo dòng

- Điện áp đầu vào: VAP – VAN [-0.5V, 0.5V] (commend: 353.6 mV rms, maxmimum [0V, 1.35 V])

- Chọn điện trở: Rbig = 1M, Rsmall = 1k𝝮𝝮

 Tương tự như kênh đo dòng thì ởđây ta lựa phải lựa chọn điện trở sao cho đảm bảo được độ chính xác cảu phép đo

 Do đó ta sẽ lựa chọn 𝐼𝐼𝑏𝑏𝑖𝑖𝑛𝑛 = 1𝑀𝑀Ω của hãng Yageo có P= 1

�4W; sai số ± 1%; nhiệt độ hoạt động [-55℃÷ 155℃]

� 𝑊𝑊10 ; sai số± 1%; nhiệt độ hoạt động [-55℃÷ 155℃]

+ PGA và ADC trong IC ADE9153A đã có sẵn giá trị điện áp là ±500𝑚𝑚𝑉𝑉, mã hóa 24 bit nên độ sai số của ADC rất nhỏ là 5,96 x

10 −8 Còn PGA (Programmable Gain Amplifier) có 4 mức giá trị có sẵn từ thông số của NSX là 16; 24; 32; 38.4

Hình 2.51 Sơ đồ khối kênh đo áp

Vậy để tính giá trị của kết quả đo ta đọc thanh ghi tương ứng và nhân kết quả với hệ số chuyển đổi đã tính ở trên

Bảng 2.4 Bảng các thanh ghi đọc giá trị ADE9153A

STT Thông số Kí hiệu Thanh ghi Địa chỉ

1 Điện áp (trên kênh A) U AVGAIN 0x0028

2 Dòng điện (trên kênh A) I AIGAIN 0x0008

L Ậ P TRÌNH PH Ầ N M Ề M

1 Khởi tạo driver trên IC nRF52832

2 Khởi tạo ADE9153a (cấu hình thông số mặc định và ra lệnh cho nó hoạt động qua SPI)

3 Khởi tạo ngăn xếp Bluetooth trên IC nRF52832 khởi tạo service của mình

4 Phát gói tin adv ra xung quanh cho các thiết bị như điện thoại thông minh có thể bắt được thông qua sóng Bluetooth

5 Sau khi kết nối thì “Print Log UART” ra để xem hệ số Còn trên điện thoại sẽ giao tiếp Bluetooth vào ngăn xếp theo service đã khởi tạo rồi nên có thể lấy được thông số

Bảng 2.5 Lưu đồ thuật toán lập trình trên nRF52832

2.9.2 Lập trình cho chip nRF52832

Để lập trình cho chip nRF52832, cần cài đặt các phần mềm như nRFgoStudio, J-Link RTT, nRF52 SDK11.0 và Keil uVision5 Việc nạp file hex của thư viện SoftDevice vào chip là cần thiết, vì ứng dụng của chúng ta sẽ sử dụng các API từ thư viện này Đối với các dòng chip BLE của Nordic, phương pháp lập trình chủ yếu dựa vào việc xử lý các sự kiện ngắt, chỉ khi có ngắt thì chương trình mới được thực thi.

Trong đề tài này, file main.c chứa tất cả chức năng của code ứng dụng và code khởi động thiết bị BLE Peripheral.

Hàm main() sẽ chia ra 3 nhóm hàm:

• Các hàm khởi động ứng dụng như timer_init(), uart_init(), gpio_config()

• Các hàm khởi động thiết bị BLE Peripheral như ble_stack_init(), peer_manager_init(), gap_params_init(), services_init(), advertising_init(), conn_params_init(), fds_test_init()

• Các hàm bắt đầu quá trình hoạt động như advertising_start().

 Chức năng của các hàm:

- Các hàm khởi động ứng dụng:

+ timer_init(): hàm này để khởi tạo 1 timer để đo thời gian bằng cách đếm xung nhịp Nó cũng khởi tạo 1 sự kiện ngắt timer.

+ uart_init(): hàm này để truyền nhận dữ liệu Nó khởi tạo các thông số như tốc độ baud, cài đặt chân TX, RX và sự kiện ngắt uart.

+ gpio_config(): hàm này cấu hình các chân là input/output và sự kiện ngắt gpiote.

- Các hàm khởi động thiết bị BLE Peripheral:

+ Hàm ble_stack_init() gọi API để khởi động SoftDevice và đăng ký 2 hàm callback khi có sự kiện BLE từ BLE Stack trong SoftDevice

The function `gap_params_init()` utilizes SoftDevice APIs to initialize a BLE Peripheral device, setting essential parameters such as the Device Name, which is displayed during smartphone scans, and Connection Parameters including Connection Interval, Slave Latency, and Supervision Timeout.

+ Hàm peer_manager_init() sử dụng API của SoftDevice để khởi động cho phần kết nối có bảo mật (Security Connection)

+ Hàm services_init() sẽ gọi các hàm từcác file định nghĩa BLE Service (ví dụble_nus.c) để khởi tạo các GATT Service cho thiết bị

The `advertising_init()` function initializes identification information in Advertising Data by utilizing library functions from the `ble_advdata.c` file to set parameters within the BLE Stack of the SoftDevice.

+ Hàm conn_params_init() để đăng ký hàm xử lý sự kiện Connection Parameter Update từ BLE Stack Có thể hiểu là trong quá trình kết nối,

BLE Central and BLE Peripheral may need to adjust their Connection Parameters, such as increasing the Connection Interval or Slave Latency to reduce energy consumption, or conversely, to speed up data transmission In such cases, the two devices will exchange updated Connection Parameter information.

BLE stack sẽ tạo BLE event sau khi thay đổi thành công

+ Hàm fds_test_init() để khởi động bộ nhớ flash

- Các hàm bắt đầu quá trình hoạt động:

+ advertising_start(): hàm này sẽ gọi API của SoftDevice để bắt đầu quá trình phát Advertising Data ra bên ngoài

• Xử lý sự kiện ngắt

+ Ngắt UART xảy ra khi có dữ liệu gửi đến và gửi đi:

Hình 2.53 Sự kiện ngắt UART

+ Ngắt timer xảy ra khi chương trình gọi đến hàm application_timers_start():

Hình 2.54 Sự kiện ngắt Timer

S Ơ ĐỒ M Ạ CH NGUYÊN LÝ VÀ M Ạ CH IN C Ủ A H Ệ TH Ố NG

Dựa vào những linh kiện trên, hệ thống được thiết kế sơ đồ mạch nguyên lý và mạch in trên phần mềm vẽ mạch Altium

• Sơ đồ mạch nguyên lý

Hình 2.55 Sơ đồ mạch nguyên lý khối đo, khối MCU+ RF, khối nguồn

Hình 2.56 Sơ đồ mạch in sau khi thiết kế

• Mạch sau khi in hoàn chỉnh

Hình 2.57 Hình ảnh khối mạch nguồn và mạch đo, truyền thông sau khi đã in hoàn chỉnh

K Ế T LU ẬN CHƯƠNG 2

Trong chương này tôi đã nghiên cứu và đã thiết kế hoàn thiện các phần của ổ cắm đã đề ra:

1) Xây dựng chức năng trên ADE9153a

- Thiết lập chếđộ tựđộng hiệu chỉnh mSure ADE9153a

- Thiết kế với nhiều thang đo khác nhau

- Tính toán thông số và giá trịphép đo trên cảm biến ADE9153a

2) Giao tiếp SPI với IC ADE9153a

3) Lựa chọn giải pháp truyền thông

4) Lựa chọn chip nRF52832 cho khối xử lý

6) Thiết kế mạch cấp nguồn

Sau khi hoàn tất mô phỏng anten và hoàn thành thiết kế, in ấn cũng như hàn các phần cứng, tôi sẽ tiến hành thử nghiệm và đánh giá kết quả trong chương 3 tiếp theo.

K Ế T QU Ả TH Ử NGHI Ệ M VÀ ĐÁNH GIÁ

T H Ử NGHI Ệ M H Ệ TH Ố NG

Hình 3.58 Thử nghiệm hệ thống

Hình 3.59 Giao diện kết nối trên ứng dụng của điện thoại

3.1.1 Đánh giá khoảng cách truyền và độ trễ bản tin

• Test công suất phát và độ trễ

+ Công suất phát, khoảng cách

Hình 3.60 Kiểm tra công suất phát

Đầu tiên, Nút (Node) A thay đổi công suất phát và gửi gói tin đến Nút (Node) B kèm theo thông tin công suất phát tx_power, đồng thời ghi lại thời điểm 1 Khi Nút B nhận gói tin, nó điều chỉnh công suất phát theo tx_power trong bản tin và đo giá trị RSSI Sau đó, Nút B gửi lại gói tin với các trường thông tin đã nhận và thêm giá trị RSSI đo được Cuối cùng, Nút A nhận bản tin phản hồi, ghi lại thời điểm 2 và đo giá trị RSSI của gói tin vừa nhận.

=> Công suất phát (tx_power), RSSI(A->B), RSSI(B->A), độ trễ bản tin

Bảng 3.6 Bảng kết quả kiểm tra truyền nhận và độ trễ bản tin

• Chọn tx_power, độ trễ:

+ Không tiết kiệm năng lượng (mọi địa hình)

 Tx_power (74) = 18.5dBm, độ trễ = (5-20ms), khoảng cách 30-100m

+ Các node cách nhau 1 bức tường

 Tx_power (44-48) = 11dBm, độ trễ = (27-40ms) + Các node cách nhau 2 bức tường

 Tx_power (44-48) = 11dBm, độ trễ = (17.5-37.5ms) + Các node cách nhau 3 bức tường

 Tx_power (52-56) = 13dBm, độ trễ = (49-78.5ms)

Đ ÁNH GIÁ K Ế T QU Ả TH Ử NGHI Ệ M

3.2.1 Đánh giá kết quả đo

Ta có bảng kết quảđo của một sốđồ dùng sau khi cảm biến đã được hiệu chỉnh và khử sai số

Bảng 3.7 Bảng kết quả đo ADE9153a

 Từ bảng kết quảđo trên ta có thể thấy được sai sốtương đối so với thiết bị đo đã chọn rơi vào khoảng

Giá trị sai số khi chọn trong thời gian hiệu chỉnh là 0.3%, do đó, kết quả đo kiểm thu được cũng có sai số so với giá trị đo bởi đồng hồ đo, nằm trong khoảng 0.3%.

3.2.2 So sánh ổ cắm đã thiết kế với các ổ cắm đã có trên thị trường:

Bảng 3.8 Bảng so sánh kỹ thuật của ổ cắm các hãng với ổ cắm tự thiết kế

- Có 2 cổng sạc điện thoại thông minh tự điều chỉnh dòng 5v-2.4A

- Có thể kết nối với điện thoại thông qua phần mềm app mihome điều khiển từ xa nhà

- Có thể hẹn giờ tắt bật thiết bịđiện

- Kết nối cực kỳđơn giản

- Nhiều chuẩn an toàn quốc tế, an toàn với

- Theo dõi, thống kê bảng năng lượng điện tiêu thụ qua App trên điện thoại

- Điều khiển từ xa bằng Wifi

- Điều khiển từ xa bằng 3G/

- Bật/tắt ngay trên ổ cắm

- Hỗ trợ đèn LED ngủ đêm

- Bảo vệ điện thoại khi sạc đầy

- Sản phẩm dùng SIM điện thoại GSM, mọi mạng điện thoại GSM

- Bật tắt bằng tin nhắn SMS (Bật – Tắt – Kiểm tra trạng thái)

- Bật tắt bằng cách gọi điện tới số SIM gắn trong thiết bị.

- Bảo mật bằng mật khẩu.

- Đo được trạng thái của máy bao gồm hai trạng thái chính: Hoạt động

- Thông số đo máy sẽ được thông báo về điện thoại theo thời gian cài đặt sẵn (Vd:

62 trẻ nhỏ, chống cháy nổ đến

- Hỗ trợ 3 kiểu hẹn giờ kết hợp

- Hỗ trợ hẹn giờ tối thiểu 1s

Thiết lập hoạt động kết hợp IFTTT (if-this-then-that) cho phép người dùng kiểm tra trạng thái từ xa thông qua tin nhắn SMS Bằng cách này, bạn có thể xác định xem ổ cắm điện đang bật hay tắt, từ đó dễ dàng biết được tình trạng điện năng, giúp bạn nắm bắt thông tin về việc có mất điện hay không.

- Theo dõi, thống kê bảng năng lượng điện tiêu thụ qua App trên điện thoại

-Điện áp: 250V – 10A MAX -CMIIT ID:

-Tương thích hệ điều hành:

Ios 7.0 trở lên -Giao thức kết nối wifi:

-Tương thích hệ điều hành:

- Hoạt động trong môi trường độ ẩm:

- Điện áp trên cổng USB: 5V – 2.4A động: 0-50℃ 45℃ hoạt động:

Dựa vào các thông số và tính năng của ổ cắm mà tôi đã nghiên cứu và thiết kế, có thể thấy rằng sản phẩm này đáp ứng được yêu cầu thiết kế ban đầu trong khuôn khổ luận văn thạc sĩ Tuy nhiên, để có thể ứng dụng thực tế, tôi cần tiếp tục nghiên cứu thêm về thiết kế cơ khí cho ổ cắm, thiết kế mạch chuyển mạch pin khi mất điện, và phát triển phần mềm quản lý, giám sát để thiết bị có thể điều khiển từ xa.

Giải pháp giám sát trạng thái hoạt động của thiết bị đã đạt được những kết quả đáng kể, với sai số đo đạc trong phạm vi cho phép khi hiệu chuẩn thiết bị Các lỗi trong hệ thống đã được khắc phục và đánh giá hoạt động hiệu quả trong các tình huống lỗi Hệ thống đáp ứng đúng mục tiêu thiết kế và các yêu cầu kỹ thuật đã đề ra.

Trong quá trình thực hiện đề tài, tôi đã tích lũy nhiều kỹ năng quan trọng cho nghiên cứu khoa học và nâng cao chuyên môn Mặc dù vậy, do hạn chế về khả năng cá nhân, đề tài vẫn còn nhiều thiếu sót Nếu có cơ hội, tôi mong muốn phát triển thêm đề tài này với các yêu cầu cụ thể.

 Thiết kế phần cơ khí cho ổ cắm

 Tích hợp điều khiển bật/tắt

 Thêm các chứng năng tựđộng chọn thang đo

 Kiểm nghiệm và chỉnh lại sai số kết quả đo với thiết bị có độ chính xác cao

 Thiết kế mạch chuyển mạch pin khi mất điện

 Thiết kế phần mềm quản lý, giám sát riêng cho thiết bị có thể điều khiển từ xa

[1] Trần Bách, Lưới điện và hệ thống điện, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật,

[2] B SIG, "Bluetooth specification version 4.0," 12 2014 [Online] Available: http://www.bluetooth.com [Accessed 12 2014]

[3] B H B W J C L L Mei Ma, "Development of an Energy-Efficient Smart Socket," Development of an Energy-Efficient Smart Socket Based on STM32F103, 17 November 2018

[4] Xiaomi, "Xiaomi Corporation," [Online] Available: https://www.mi.com/vn

[5] B Corporation, "A Broadlink Corporation," [Online] Available: https://www.broadlink.vn/san-pham/o-cam-thong-minh-wifi-broadlink- sp3s/

[6] H Company, "Homematic Company," [Online] Available: https://homematic.vn/san-pham/o-cam-dieu-khien-tu-xa-bang-sim-dien- thoai-sc1-gsm

[7] A Devices, "Energy Metering IC with Autocalibration - ADE9153"

[8] N C Chiến, "Hệ thống nhà thông minh ứng dụng công nghệ Bluetooth 5.0,"

[9] nRF52832, "Nordic Semiconductor," [Online] Available: https://www.nordicsemi.com/Products/Low-power-short-range- wireless/nRF52832

[10] T V S Lê Tiến Thường, Truyền Sóng Và Antennas, 2006

[11] G R B Nagender Kumar Suryadevara, "Paradigms and Applications in the Smart City-and-Smart Grid," Smart Plugs: Paradigms and Applications in the Smart City-and-Smart Grid, p 14, 22 May 2019

[12] S T G Đỗ, "Thương Gia Đỗ Shop," [Online] Available: https://thuonggiado.vn/thiet-bi-ngoi-nha-thong-minh-(mi-smart-home-kit)-

%7C-thiet-bi-thong-minh/16005/o-cam-thong-minh-xiaomi-zncz03cm-ban- nang-cao-(dieu-khien-tu-xa-2-cong-usb).html

[13] Eco-Smart, "Eco-Smart Jointstock Company," 25 12 2020 [Online] Available: https://eco-smart.biz/he-thong-bms-toa-nha/ [Accessed 25 12

[14] R P V V N T Nikola Lukac, "Bluetooth Smart Plug," MDPI, 2018

[15] P Intergrations, "LNK302/304-306, Lowest Component Count, Energy-