Ngày nay, sự gia tăng về chi phí điện cũng như mối quan tâm về ấm lên toàn cầu đã đặt ra nhu cầu phát triển các sản phẩm, ứng dụng với mục tiêu cắt giảm điện năng tiêu thụ. Vì lý do này, nhiều giải pháp đã được đưa ra, trong đó, có một hướng tập trung vào nhu cầu giám sát, kiểm tra, phân tích năng lượng tiêu thụ của từng thiết bị trong gia đình, giúp người dùng sử dụng chúng một cách hiệu quả hơn. Cùng với đó, dữ liệu về năng lượng tiêu thụ cũng trở rất có giá trị trong việc phân tích nhu cầu, thói quen của người dùng, giúp các công ty, tổ chức xác định được nhu cầu năng lượng hay thậm chí là tình hình phát triển kinh tế xã hội của một địa bàn. Nắm bắt nhu cầu trên, nhóm quyết định triển khai đề tài Thiết kế thi công thiết bị giám sát hệ thống điện của tòa nhà từ xa. Mục tiêu của đề tài là tạo ra một giải pháp giúp người dùng có thể theo dõi từ xa các thông số sử dụng điện và điều khiển từ xa các thiết bị điện trong gia đình thông qua Internet.
GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Xu hướng vạn vật kết nối
Với sự bùng nổ của Internet và điện thoại thông minh, Mạng lưới vạn vật kết nối (IoT) đang trở thành xu hướng mới, kết nối thế giới thực với không gian ảo Các cảm biến ngày càng nhỏ, rẻ và thông minh được tích hợp vào nhiều lĩnh vực như nhà ở, thời trang, giao thông, năng lượng và quy trình sản xuất, tạo ra một hệ sinh thái thông minh và hiệu quả hơn.
IoT, hay Internet vạn vật, đại diện cho một tương lai nơi mọi đồ vật và con người đều có định danh riêng, cho phép truyền tải và trao đổi thông tin qua Internet mà không cần tương tác trực tiếp Công nghệ IoT bao gồm công nghệ không dây, vi mạch và Internet, tạo thành một mạng lưới các thiết bị kết nối với nhau và với thế giới bên ngoài để thực hiện các nhiệm vụ cụ thể.
Hình 1.1 Thế giới vạn vật kết nối IoT
Kết nối giữa các thiết bị hiện nay có thể thực hiện qua nhiều phương thức như Wi-Fi, mạng viễn thông băng rộng (3G, 4G), Bluetooth, ZigBee và hồng ngoại Các thiết bị này bao gồm điện thoại thông minh, công tơ điện thông minh, máy pha cafe, máy giặt, tai nghe, bóng đèn và nhiều thiết bị khác Dự báo của Cisco cho thấy đến năm 2020, sẽ có khoảng 50 tỷ đồ vật kết nối vào Internet, con số này có thể còn tăng cao hơn IoT sẽ tạo ra một mạng lưới khổng lồ kết nối tất cả mọi thứ, bao gồm cả con người, với mối quan hệ giữa người và người, người và thiết bị, cũng như thiết bị và thiết bị Một mạng lưới IoT có thể chứa từ 50 đến 100 nghìn tỉ đối tượng được kết nối và có khả năng theo dõi sự di chuyển của từng đối tượng Trong môi trường đô thị, một người có thể bị bao bọc bởi từ 1000 đến 5000 đối tượng có khả năng theo dõi.
Dự báo vào giữa thập kỷ thứ 3 của thế kỷ này, 10% dân số sẽ sử dụng quần áo và kính mắt kết nối Internet, trong khi chiếc điện thoại di động đầu tiên được cấy ghép vào cơ thể sẽ được thương mại hóa Bên cạnh đó, 30% công việc kiểm toán tại các công ty sẽ được thực hiện bằng trí tuệ nhân tạo.
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
Chương 1: Giới thiệu đề tài
Quản lí các thiết bị cá nhân
Đồng hồ đo thông minh
Tự động hóa ngôi nhà
Mặc dù Việt Nam vẫn là một nước đang phát triển với mức thu nhập trung bình, nhưng 55% dân số đã sử dụng điện thoại thông minh và 54% kết nối Internet, xếp hạng thứ 5 tại khu vực châu Á-Thái Bình Dương Điều này cho thấy chúng ta đã bắt đầu tiếp cận và hưởng lợi từ những thành tựu khoa học-công nghệ hiện đại, đặc biệt là IoT, và ứng dụng chúng vào các giải pháp trong đời sống.
Theo xu hướng IoT, nhiều giải pháp và ứng dụng liên quan đến nhà thông minh, quản lý năng lượng và điều khiển thiết bị đang được đầu tư và phát triển mạnh mẽ trên toàn cầu, bao gồm cả Việt Nam Sự phát triển này giúp cải thiện hiệu quả trong việc kiểm soát và quản lý năng lượng, vượt qua những rào cản hiện tại.
Xu hướng phân tích dữ liệu lớn
Hiện nay, các công ty năng lượng đang phải nhanh chóng thích nghi với một viễn cảnh năng lượng mới, yêu cầu phối hợp hiệu quả giữa năng lượng xanh như gió và mặt trời Họ cần nâng cao nhận thức về bối cảnh mới trong toàn hệ thống và xây dựng mối quan hệ gắn kết hơn với khách hàng Đồng thời, các công ty vẫn phải đảm bảo cung cấp nguồn năng lượng ổn định, an toàn và giá cả hợp lý Để đạt được điều này, việc áp dụng phân tích dữ liệu là cần thiết nhằm tăng tính linh hoạt, cải thiện khả năng phản ứng, giảm chi phí vận hành và nâng cao giá trị tài sản.
Theo dự đoán của Công ty nghiên cứu và phân tích GTM, chi phí phân tích dữ liệu của các công ty năng lượng trong các lĩnh vực khí đốt, điện năng và nước sẽ tăng mạnh từ 700 triệu USD vào năm 2012 lên 3,8 tỷ USD vào năm 2020.
Xu hướng phân tích dữ liệu lớn (Big Data) đang trở thành yếu tố quan trọng giúp tăng lợi nhuận cho các công ty Phân tích này cho phép chuyển đổi thông tin từ các công tơ và mạng điện thông minh thành dữ liệu hữu ích, từ đó hiểu rõ hơn về hành vi của khách hàng.
Mỗi năm, hàng trăm terabyte thông tin với nhiều cấu trúc dữ liệu khác nhau được thu thập từ các công tơ và mạng lưới điện thông minh Sự chính xác, khối lượng và tính đa dạng của dữ liệu sẽ trở thành lợi thế cạnh tranh cốt lõi của các công ty Để thích nghi và phát triển trong môi trường kinh doanh công nghệ thay đổi nhanh chóng, việc áp dụng phân tích dữ liệu là điều cần thiết Qua phân tích dữ liệu, các công ty năng lượng có thể gắn kết sâu hơn với khách hàng, nâng cao sự hài lòng thông qua cá nhân hóa dịch vụ Điều này cũng giúp giảm chi phí vận hành nhờ dự báo bảo trì thiết bị, tối ưu hóa chất lượng điện năng, đáp ứng nhu cầu phân tích của khách hàng và cải tiến sản phẩm, dịch vụ.
Phân tích dữ liệu lớn giúp các doanh nghiệp năng lượng có cái nhìn toàn diện về quy trình hoạt động, bảo trì và điều kiện thiết bị Thông tin này có thể được tích hợp để hiểu rõ hành vi khách hàng và cải thiện tiện ích Nhờ vào phân tích dữ liệu, việc bảo trì thiết bị sẽ được thực hiện khi cần thiết thay vì theo định kỳ, tiết kiệm chi phí Hệ thống cần tích hợp nhiều bộ phận từ thu thập, lưu trữ đến ra quyết định Hệ thống quản lý phân phối sử dụng thiết bị đo từ xa để thu thập thông tin từ nguồn cung cấp năng lượng, kết hợp với dữ liệu từ người dùng qua đồng hồ và mạng điện thông minh Công nghệ dự báo thời tiết cung cấp thông tin chính xác về công suất năng lượng xanh, giúp tăng cường sự phối hợp giữa năng lượng xanh và năng lượng hóa thạch, từ đó nâng cao tính bền vững trong sử dụng năng lượng và đáp ứng mong đợi của khách hàng.
Vấn đề hiện tại
Hầu hết các công tơ điện hiện nay chỉ hiển thị tổng năng lượng tiêu thụ tính bằng kWh, mà không cung cấp thông tin về điện áp, dòng điện, công suất và năng lượng tiêu thụ theo thời gian thực, ngày, tuần hay tháng Thêm vào đó, vị trí lắp đặt công tơ thường không thuận tiện cho việc theo dõi, và chúng cũng thiếu khả năng giám sát và điều khiển.
Chương 1: Giới thiệu đề tài
Việc điều khiển các thiết bị một cách độc lập khiến người dùng không thể theo dõi tình trạng hoạt động và thực hiện việc đóng ngắt từ xa.
Mục tiêu đề tài và phạm vi ứng dụng
Mục tiêu của đề tài là thiết kế và thi công Thiết bị giám sát hệ thống điện của tòa nhà từ xa với những chức năng sau:
Giúp người dùng theo dõi độc lập các thông số điện năng như dòng điện, điện áp, công suất tác dụng và năng lượng tiêu thụ của từng thiết bị điện trong gia đình thông qua Internet.
Giúp người dùng điều khiển thiết bị điện từ xa thông qua Internet
Thiết bị có những ứng dụng thực tế như sau:
Giúp người dùng xác định thiết bị tiêu tốn nhiều năng lượng và thời điểm sử dụng của chúng, từ đó đánh giá tính hợp lý và đưa ra những điều chỉnh cần thiết.
Giúp người dùng phát hiện những thiết bị có công suất thay đổi bất thường, từ đó có giải pháp sửa chữa, thay thế
Giúp người dùng kiểm soát thiết bị nào còn hoạt động khi chủ nhà đã đi khỏi, có thể tắt các thiết bị đó từ xa
Giúp người dùng điều khiển từ xa thiết bị theo ý muốn (ví dụ bật máy lạnh, máy nước nóng trước khi về nhà…)
Dữ liệu thu thập đóng vai trò quan trọng trong việc giúp các công ty điện lực xác định nhu cầu phụ tải theo từng thời điểm, từ đó cho phép họ lập kế hoạch điều phối năng lượng một cách hiệu quả.
Dữ liệu thu thập từ việc phân tích năng lượng tiêu thụ và số lượng thiết bị trong gia đình giúp các công ty nghiên cứu thị trường đánh giá chính xác tình hình kinh tế của từng hộ gia đình.
Hệ thống được tổ chức theo mô hình trong đó mỗi thiết bị vệ tinh quản lý một thiết bị điện trong hộ gia đình Các thiết bị vệ tinh này truyền tải dữ liệu điện đến một thiết bị trung tâm duy nhất qua sóng RF Thiết bị trung tâm không chỉ gửi dữ liệu lên nền tảng IoT thông qua GPRS mà còn hiển thị thông tin trên màn hình LED tại chỗ.
6 Ở chiều ngược lại, người dùng có thể đóng cắt các thiết bị từ xa một cách dễ dàng thông qua giao diện người dùng ở nền tảng IoT
Thiết bị giám sát hệ thống điện của tòa nhà từ xa sẽ được coi là thành công nếu đạt được các tiêu chí sau:
• Truyền tải dữ liệu thành công giữa thiết bị trung tâm và giao diện Web thông qua GPRS
• Đo lường chính xác điện áp, dòng điện, công suất, điện năng tại thiết bị vệ tinh
• Có một giao diện hiển thị trên màn hình LED tại thiết bị trung tâm
• Có một giao diện người dùng trên web cho phép người dùng theo dõi và điều khiển thiết bị
• Giao tiếp không dây giữa thiết bị trung tâm và thiết bị vệ tinh qua sóng RF
• Có thể đóng cắt thiết bị từ xa
• Xây dựng vỏ an toàn và chắc chắn cho thiết bị trung tâm và thiết bị vệ tinh
Nếu thời gian cho phép, các tính năng bổ sung sau đây có thể được thêm vào để cải thiện dự án:
• Xây dựng ứng dụng quản lý năng lượng và điều khiển cho điện thoại thông minh
Những khó khăn gặp phải trong quá trình thực hiện đề tài:
• Ngân sách hạn chế nên nhóm đề tài phải lựa chọn những thiết bị tối ưu nhất, chi phí thấp nhất nhưng vẫn đáp ứng yêu cầu
• Một số linh kiện cần thiết không có tại Việt Nam
Nhóm gặp khó khăn trong việc tìm nguồn chuẩn và thiết bị đo chuẩn, ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo khi hiệu chỉnh kênh đo của thiết bị vệ tinh.
Tóm tắt nội dung các chương
Chương 1 giới thiệu các vấn đề và giải pháp đề xuất Chương 2 sơ lược về các kiến thức sử dụng trong đề tài Chương 3 mô tả việc thiết kế hệ thống Chương 4 mô tả cách lựa chọn và thiết kế phần cứng Chương 5 mô tả việc lập trình Chương 6 mô tả các công đoạn thiết kế
Chương 1: Giới thiệu đề tài
Chương 7 trình bày kết quả thực tế và phân tích, trong khi Chương 8 tổng kết những thành tựu và hạn chế của nhóm, đồng thời đề xuất hướng phát triển cho đề tài.
Sơ lược về cách thức hoạt động
Hệ thống bao gồm nhiều thiết bị vệ tinh kết nối với một thiết bị trung tâm Mỗi thiết bị vệ tinh được gắn giữa ổ cắm và thiết bị điện, có nhiệm vụ theo dõi và điều khiển thiết bị đó Thiết bị trung tâm, đặt ở vị trí trung tâm của ngôi nhà, đảm bảo giao tiếp với tất cả các thiết bị vệ tinh và đóng vai trò là cầu nối giữa chúng và nền tảng IoT.
Dữ liệu điện được truyền từ thiết bị điện đến thiết bị vệ tinh, sau đó tới thiết bị trung tâm và cuối cùng là nền tảng IoT Tín hiệu điều khiển được gửi ngược lại theo quy trình này.
Người dùng có thể theo dõi biểu đồ năng lượng tiêu thụ, công suất, dòng điện và điện áp theo thời gian thực, giúp họ phân tích hiệu quả hoạt động của thiết bị Từ đó, người dùng có thể điều chỉnh khung thời gian sử dụng để tiết kiệm chi phí.
Tiêu chí của thiết bị
Nhóm nghiên cứu tập trung vào việc phát triển thiết bị ứng dụng trong đời sống với tiêu chí hàng đầu là đảm bảo an toàn và chính xác của hệ thống Để sản phẩm tiếp cận được đông đảo người dùng, nó cần phải có giá thành hợp lý, độ bền cao và dễ sử dụng Bên cạnh đó, sản phẩm cũng phải đáp ứng yêu cầu thẩm mỹ để phù hợp với các hệ thống văn phòng và nhà ở Mục tiêu cuối cùng của nhóm là tạo ra một sản phẩm an toàn, tiện dụng, đẹp mắt, bền bỉ và giá cả phải chăng.
Nhóm kỳ vọng rằng hệ thống này sẽ được thương mại hóa và trở nên phổ biến trong cuộc sống hàng ngày, góp phần làm cho cuộc sống của con người trở nên thuận tiện và dễ dàng hơn.
TỔNG QUAN
Điện kế (Công tơ điện)
Công tơ điện là thiết bị giám sát mức tiêu thụ điện năng trong hộ gia đình, thường được đo bằng KWh để tính phí sử dụng Công tơ điện tử hiện đại cung cấp độ chính xác cao hơn so với công tơ cơ Tại Việt Nam, vào ngày 8-11-2012, Thủ tướng Chính phủ đã phê duyệt đề án phát triển lưới điện thông minh, với mục tiêu đến năm 2022 hoàn thiện hệ thống đo đếm từ xa cho tất cả khách hàng Đề án nhằm khuyến khích tiết kiệm năng lượng, nâng cao năng suất lao động, giảm đầu tư vào nguồn và lưới điện, đồng thời khai thác hợp lý tài nguyên năng lượng, bảo đảm an ninh năng lượng quốc gia, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển kinh tế.
- xã hội bền vững Để triển khai hệ thống đo đếm từ xa thì việc lắp đặt công tơ điện tử là xu thế tất yếu
Hình 2.1 Công tơ cơ (trái) và công tơ điện tử (phải)
Tính đến ngày 31/12/2014, Tổng công ty Điện lực Việt Nam (EVN) đã cung cấp điện cho 22,411 triệu khách hàng, trong đó có 2,72 triệu khách hàng được lắp đặt công tơ điện tử.
Hiện nay, với sự phát triển của IoT và xu hướng nhà thông minh, công tơ điện tử thông minh ngày càng trở nên phổ biến Những công tơ này không chỉ phân tích năng lượng tiêu thụ mà còn tính toán chi phí và đăng tải dữ liệu điện năng trực tuyến Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng công tơ thông minh giúp tiết kiệm năng lượng, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng điện.
Đo lường dòng điện
Có nhiều phương pháp để đo lường dòng điện, trong đó cách đơn giản nhất là sử dụng điện trở shunt Điện trở shunt có giá trị rất nhỏ (khoảng vài milliohm) cho phép dòng điện lớn đi qua, do đó điện áp rơi trên điện trở cũng rất nhỏ, giúp giảm thiểu tổn thất điện năng Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là mạch đo không được cách ly với mạch động lực.
Hình 2.2 Điện trở Shunt và cách đấu nối trong mạch
Một phương pháp đo dòng điện hiệu quả là sử dụng cảm biến Hall, dựa trên lý thuyết Hall Khi một từ trường vuông góc tác động lên một thanh Hall làm bằng kim loại, chất bán dẫn hoặc chất dẫn điện có dòng điện chạy qua, hiện tượng Hall sẽ xảy ra, cho phép đo lường chính xác dòng điện.
Cảm biến Hall tạo ra hiệu điện thế tại hai mặt đối diện của thanh Hall, mang lại ưu điểm là cách ly mạch đo với mạch động lực Tuy nhiên, nhược điểm của nó là dễ bị ảnh hưởng bởi từ trường xung quanh, dẫn đến sai lệch trong kết quả đo.
Hình 2.3 Nguyên lý của một cảm biến Hall
Một phương pháp đo dòng điện phổ biến là sử dụng biến dòng, hoạt động dựa trên từ trường do dòng điện trong dây dẫn tạo ra Dòng điện này sinh ra từ thông trong lõi, dẫn đến việc tạo ra dòng điện trong cuộn dây thứ cấp.
Hình 2.4 Nguyên lý hoạt động của biến dòng
Biến dòng mang lại lợi ích quan trọng trong việc cách ly mạch đo khỏi mạch động lực, giúp bảo vệ thiết bị và nâng cao độ an toàn Mặc dù có nhược điểm là có thể gây ra hiện tượng dịch pha dòng điện từ 0.1 đến 0.3, dẫn đến sai số trong các phép đo công suất, nhưng mức sai số này thường không đáng kể.
Nhóm nghiên cứu quyết định sử dụng dòng vì nó cho phép cách ly mạch đo, dễ tìm mua và thiết kế đơn giản Đồng thời, cảm biến Hall không đáng tin cậy do dễ bị ảnh hưởng bởi từ trường xung quanh và không an toàn vì không thể cách ly mạch đo.
Đo lường điện áp
Để đo điện áp, có hai phương pháp chính, trong đó phương pháp đầu tiên là sử dụng mạch chia áp Mạch này bao gồm một chuỗi điện trở mắc nối tiếp với nguồn điện, và điện áp tại điểm chia áp tỉ lệ thuận với giá trị điện trở ra so với tổng trở của mạch.
Hình 2.5 Nguyên lý mạch chia áp
Phương pháp mạch chia áp có ưu điểm về chi phí thấp và thiết kế đơn giản, nhưng không đảm bảo tính cách ly cho mạch đo lường Để cải thiện tính cách ly, có thể sử dụng thêm máy biến áp trước mạch chia áp Tuy nhiên, việc sử dụng máy biến áp có thể dẫn đến sự biến dạng và dịch pha điện áp, từ đó làm giảm độ chính xác của phép đo.
Phương pháp đo lường điện áp thứ hai là thông qua việc đo dòng điện chạy qua một điện trở có giá trị đã biết Mặc dù phương pháp này có thể thực hiện, nhưng nó lại gặp khó khăn trong quá trình thực hiện.
Như vậy, để đo lường điện áp, nhóm quyết định chọn thiết kế một máy biến áp phía trước mạch chia áp.
Đo lường công suất
Công suất được đo lường bởi công được thực hiện trong một đơn vị thời gian
Trong công thức điện, P đại diện cho công suất, Q là điện lượng, V là điện áp, t là thời gian và I là dòng điện Áp dụng định luật Ohm, chúng ta có thể biểu diễn các đại lượng này qua một phương trình cụ thể.
Khi làm việc với dòng điện xoay chiều, chúng ta cần phân biệt giữa công suất thực và công suất phản kháng Để tính toán công suất thực, phương trình đầu tiên cần được điều chỉnh cho phù hợp.
Trong đó Vrms và Irms là điện áp và dòng hiệu dụng và θ là độ lệch pha giữa điện áp và dòng điện.
IC đo lường năng lượng (EMIC)
IC đo lường năng lượng là một bộ vi xử lý nhỏ có khả năng thực hiện các tính toán cần thiết cho việc đo lường điện EMIC nhận tín hiệu dòng điện và điện áp, sau đó tính toán các thông số như dòng điện, điện áp, công suất tác dụng, công suất phản kháng và năng lượng Người dùng chỉ cần đọc các thông số từ các thanh ghi của EMIC và thực hiện hiệu chỉnh để có giá trị thực Các phương pháp chuyển đổi điện áp và dòng điện đã được đề cập trong các phần trước.
Truyền tải dữ liệu không dây
Truyền thông không dây là sự chuyển thông tin giữa hai thiết bị không được kết nối vật lý Có rất nhiều loại truyền thông không dây khác nhau
Bluetooth là tiêu chuẩn truyền thông không dây sử dụng sóng radio trong dải tần số 2400-2480 MHz, phổ biến trong các thiết bị như điện thoại di động, tai nghe và máy in Tuy nhiên, Bluetooth có hạn chế về khoảng cách kết nối ngắn.
Wi-Fi là một công nghệ truyền thông không dây phổ biến, hoạt động ở tần số 2.4 GHz tương tự như Bluetooth Nó cho phép các thiết bị kết nối với internet với phạm vi kết nối lên đến 1000 mét.
Trong lĩnh vực nhà thông minh, công nghệ truyền không dây Zigbee đang ngày càng được ưa chuộng Zigbee là một tập hợp các giao thức giao tiếp không dây với khả năng tiết kiệm năng lượng và tốc độ truyền dữ liệu phù hợp cho các ứng dụng điều khiển và giám sát Điểm nổi bật của Zigbee là khả năng hỗ trợ kết nối mạng lưới, giúp tăng cường tính linh hoạt trong hệ thống Công nghệ này hoạt động trên ba dãy tần số chính: 868 MHz, 915 MHz và 2.4 GHz Mặc dù sở hữu nhiều ưu điểm, nhưng Zigbee vẫn là một công nghệ mới với mức giá tương đối cao, dao động từ 350.000 đến 500.000 đồng cho mỗi module.
Truyền phát RF, đặc biệt là với module nRF24l01+, là một hình thức giao tiếp không dây phổ biến Module này nổi bật với nhiều ưu điểm, bao gồm giá thành hợp lý, giao tiếp dễ dàng và được trang bị ăng ten thu phát sẵn có.
Bảng 2.1 Bảng so sánh các đặc điểm kỹ thuật của các module kết nối không dây
So sánh giữa các module
Wi-Fi module Zigbee RF module nRF24l01+
Chi phí Cao Thấp Rất cao Rất thấp
Công suất Cao Cao Thấp Thấp
Tốc độ 25 Mb/s 54 Mb/s 250 kb/s 250 kb/s – 2 Mb/s
GPRS là một hình thức truyền thông không dây quan trọng, chủ yếu được sử dụng trong điện thoại di động và dịch vụ dữ liệu trên mạng 2G và 3G của hệ thống GSM Một đại diện tiêu biểu của GPRS là module Sim 900A, yêu cầu thẻ sim đã đăng ký dịch vụ GPRS GPRS thường được ứng dụng trong giám sát từ xa và tự động hóa nhà thông minh, mang lại tính tiện lợi và linh hoạt vì không phụ thuộc vào kết nối Wi-Fi.
Nhóm đề tài đã quyết định sử dụng module giao tiếp không dây nRF24l01+ để kết nối giữa thiết bị vệ tinh và thiết bị trung tâm, đồng thời lựa chọn module GPRS Sim 900A cho việc liên lạc giữa thiết bị trung tâm và nền tảng IoT.
Giải pháp hiện có trên thị trường
Hiện nay có một số công tơ điện thông minh trên thị trường quốc tế, sau đây là những thiết bị nổi bật nhất
Kill A Watt là một thiết bị giám sát công suất kết nối giữa ổ cắm và thiết bị gia đình, với chức năng chính là đo lường công suất, điện áp, dòng điện, tần số và dự báo chi phí sử dụng điện Tất cả thông số được hiển thị trên màn hình LCD lớn, dễ đọc Với giá khoảng 20$, Kill A Watt có tính năng hữu ích nhưng cũng có một số hạn chế, như chỉ tương thích với ổ cắm NEMA 5-15 và định mức 125 V AC, làm giảm khả năng sử dụng toàn cầu, đồng thời không hỗ trợ theo dõi thiết bị từ xa.
Hình 2.6 Hình ảnh của công cụ Kill A Watt
TED 5000 là một đồng hồ đo điện thông minh, kết nối trực tiếp với bảng điện của ngôi nhà Thiết bị này có khả năng kết nối internet qua router hoặc modem, đồng thời đồng bộ hóa với Google Power Meter để cung cấp các biểu đồ về mức tiêu thụ năng lượng theo thời gian thực.
Thiết bị TED 5000 đi kèm với một màn hình không dây nhỏ giúp người dùng xem thông tin từ xa Mặc dù là một công cụ phân tích điện năng mạnh mẽ, TED 5000 vẫn tồn tại một số hạn chế, như việc chỉ đo lường tổng mức tiêu thụ điện của cả hộ gia đình thông qua CB có khả năng quản lý nhiều thiết bị, thay vì phân tích riêng lẻ từng thiết bị Bên cạnh đó, thiết bị yêu cầu kết nối internet vật lý để phát huy tối đa chức năng và cần phải lắp đặt bởi thợ điện do tính chất nguy hiểm Cuối cùng, giá thành của sản phẩm khá cao, khoảng 240$.
Hình 2.7 Hình ảnh của TED 5000
Wireless Power Meter là một dự án của Ivan Sergeev, kỹ sư phần mềm nhúng tại Kumu Networks và thạc sĩ tại MIT Dự án này đo lường điện năng từ thiết bị và truyền thông tin không dây đến máy tính để hiển thị Bộ vi xử lý ATmega88p được chọn cho hệ thống, trong khi ZigBee được sử dụng để giao tiếp không dây giữa các bộ vi điều khiển và máy tính Để đo dòng điện, ông sử dụng cảm biến Allegro ACS712 Hall Effect và áp dụng biến áp để đo điện áp.
Hình 2.8 Hình ảnh của Wireless Power Meter
Sản phẩm còn tồn tại những vấn đề sau đây :
• Đo điện áp trên biến áp gây thay đổi pha làm ảnh hưởng đến đo lường hệ số công suất và công suất thực
• Cảm biến Hall không chính xác vì bị ảnh hưởng bởi từ trường xung quanh
Cuối cùng ông nói thêm rằng phương pháp được sử dụng phổ biến trong các sản phẩm thương mại là IC đo lường năng lượng – EMIC.
Kết luận
Nhóm tác giả đề xuất sử dụng IC quản lý năng lượng EMIC cho các phép đo điện và tính toán nhờ vào tính dễ dàng và chính xác Việc chuyển đổi tín hiệu dòng điện sẽ được thực hiện qua biến dòng, trong khi tín hiệu điện áp sẽ được chuyển đổi bởi biến áp Đối với truyền thông không dây, giải pháp tối ưu là sử dụng truyền phát RF giữa thiết bị vệ tinh và thiết bị trung tâm, cùng với GPRS giữa thiết bị trung tâm và nền tảng IoT.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Giới thiệu về các phần chính trong hệ thống
Hệ thống quản lý năng lượng trong nhà thông minh bao gồm 3 phần chính: Thiết bị vệ tinh, thiết bị trung tâm, và nền tảng IoT
Hình 3.1 Tương tác giữa các phần chính trong hệ thống
Mỗi thiết bị vệ tinh có khả năng đo lường năng lượng độc lập cho từng thiết bị điện Chúng có nhiệm vụ theo dõi mức năng lượng và tự động ngắt thiết bị khi nhận tín hiệu từ thiết bị trung tâm Các thành phần chính của thiết bị vệ tinh bao gồm cảm biến dòng điện, điện áp, IC đo lường, vi xử lý và module giao tiếp RF 2.4 GHz.
Thiết bị trung tâm có chức năng thu thập dữ liệu năng lượng từ các thiết bị vệ tinh và gửi chúng lên nền tảng IoT Nó được trang bị màn hình LED để hiển thị thông tin năng lượng, giúp người dùng theo dõi trực tiếp Khi nhận tín hiệu điều khiển từ nền tảng IoT, thiết bị trung tâm sẽ ra lệnh cho thiết bị vệ tinh thực hiện các thao tác cần thiết.
Tín hiệu năng lượng từ thiết bị Tín hiệu điều kiển từ người dùng
Tín hiệu điều khiển thiết bị
Thiết bị trung tâm giao tiếp với các thiết bị vệ tinh qua sóng RF 2.4 GHz và kết nối với nền tảng IoT thông qua sóng GPRS Các thành phần chính của thiết bị bao gồm vi xử lý, module truyền phát RF 2.4 GHz, module GPRS và màn hình LCD.
Nền tảng IoT được phát triển dựa trên Thing Speak, cho phép người dùng theo dõi và điều khiển thiết bị theo thời gian thực qua giao diện web Nền tảng này có chức năng nhận dữ liệu từ thiết bị trung tâm, xử lý và hiển thị thông tin cho người dùng, đồng thời nhận tín hiệu điều khiển từ người dùng để gửi trở lại thiết bị trung tâm.
Bố trí các thiết bị trong ngôi nhà
Thiết bị vệ tinh được phân bố trong khắp căn nhà, là cầu nối giữa ổ cắm điện và thiết bị điện
Thiết bị trung tâm nên được lắp đặt ở vị trí trung tâm của ngôi nhà để kết nối hiệu quả với tất cả các thiết bị vệ tinh Đồng thời, việc đặt thiết bị ở nơi dễ quan sát giúp người dùng thuận tiện theo dõi các thông số trên màn hình hiển thị.
Hình 3.2 Phân bổ thiết bị vệ tinh và thiết bị trung tâm trong căn hộ
Tổ chức giao tiếp giữa thiết bị trung tâm và các thiết bị vệ tinh
Các thiết bị trong hệ thống giao tiếp theo cấu trúc hình cây, với thiết bị trung tâm đóng vai trò như gốc cây, trong khi các thiết bị vệ tinh được xem như các nhánh và lá Ví dụ, nút 00 đại diện cho thiết bị trung tâm trong sơ đồ này.
Các nhánh 01, 02, 03 và các nút 011, 021, 03, 041 là các lá của nhánh 01 Dữ liệu được truyền theo thứ tự từ gốc đến nhánh và lá, sau đó ngược lại Mỗi thiết bị được định địa chỉ thông qua phần mềm.
Phòng ngủ 1 Bếp Phòng ngủ 2
Chương 3: Thiết kế hệ thống
19 nạp vào vi xử lý giống như địa chỉ MAC trên các thiết bị Wi-Fi Khi khởi động, thiết bị trung tâm tìm kiếm các thiết bị vệ tinh sẵn sàng kết nối và bắt đầu quá trình kết nối Mỗi thiết bị vệ tinh sẽ lần lượt gửi dữ liệu điện tới thiết bị trung tâm và nhận tín hiệu điều khiển.
Hình 3.3 Mô phỏng cách giao tiếp giữa các thiết bị trong căn nhà
Tương tác giữa thiết bị trung tâm và nền tảng IoT
Nền tảng IoT bao gồm ba phần chính: Server để lưu trữ dữ liệu trực tuyến, Giao diện hiển thị cho phép biểu diễn dữ liệu theo thời gian, và Giao diện điều khiển giúp người dùng quản lý thiết bị Giao tiếp giữa các thành phần sử dụng giao thức HTTP, chủ yếu là HTTP Post và HTTP Get.
Hình 3.4 Tương tác giữa thiết bị trung tâm và nền tảng IoT
Nền tảng IoT Thing Speak
Server (Lưu trữ dữ liệu)
Giao diện hiển thị dữ liệu
THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
Thiết kế phần cứng cho thiết bị trung tâm
Thiết bị trung tâm giao tiếp tốt với thiết bị vệ tinh, tỉ lệ truyền lỗi < 5%
Thiết bị trung tâm giao tiếp tốt với nền tảng IoT, tỉ lệ truyền lỗi < 5%
Xử lý và hiển thị dữ liệu lên LCD rõ ràng
Hình 4.1 Sơ đồ kết nối chi tiết các linh kiện trong thiết bị trung tâm
4.1.1 Vi điều khiển Arduino Mega 2560
Yêu cầu đối với vi điều khiển:
Hỗ trợ truyền thông SPI để giao tiếp được với module truyền phát RF 2.4 GHz nRF24l01+
Hỗ trợ truyền thông nối tiếp UART để giao tiếp với module GPRS Sim 900A
Ít nhất 4 chân data để giao tiếp với màn hình LED
Đủ bộ nhớ để xử lý chương trình truyền dữ liệu (dữ liệu truyền lên giao diện web ở dạng chuỗi kí tự nên tốn khá nhiều bộ nhớ)
Từ những yêu cầu trên, nhóm quyết định chọn vi điều khiển cho thiết bị trung tâm là Arduino Mega 2560 vì những ưu của nó như:
22 dồi dào, tiết kiệm thời gian viết phần mềm
Hỗ trợ lên đến 54 chân Digital I/O, 4 cổng UART
Hỗ trợ 2 kênh I2C, 2 kênh SPI
Bộ vi xử lý ATmega2560
Bộ nhớ SRAM 8 KB, bộ nhớ Flash 256 KB
Có nguồn ra 3.3 V để cấp nguồn cho module nRF24l01+
Hình 4.2: Hình ảnh vi điều kiểu Arduino 2560
Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật của vi điều khiển Arduino Mega 2560
Chip xử lý ATmega2560 Điện áp hoạt động 5V Điện áp vào (đề nghị) 7V-15V
Chương 4: Thiết kế phần cứng
SPI (Serial Peripheral Bus) là một chuẩn truyền thông nối tiếp tốc độ cao được phát triển bởi Motorola, hoạt động theo mô hình Master-Slave với một chip Master điều phối và các chip Slaves được điều khiển bởi Master Giao tiếp trong SPI diễn ra giữa Master và Slave, cho phép truyền thông song công (full duplex) tức là quá trình truyền và nhận dữ liệu có thể diễn ra đồng thời Chuẩn SPI thường được gọi là "4 dây" do sử dụng bốn đường giao tiếp: SCK (Serial Clock), MISO (Master Input Slave Output), MOSI (Master Output Slave Input) và SS (Slave Select).
Chân SCK đóng vai trò quan trọng trong giao tiếp SPI, vì đây là chuẩn truyền đồng bộ cần một đường giữ nhịp Mỗi xung trên chân SCK đại diện cho một bit dữ liệu được truyền đi hoặc nhận về, tạo ra sự khác biệt so với truyền thông không đồng bộ như UART Sự hiện diện của chân SCK giúp giảm thiểu lỗi trong quá trình truyền, cho phép tốc độ truyền của SPI đạt mức cao Xung nhịp chỉ được tạo ra bởi chip Master.
MISO, which stands for Master Input/Slave Output, functions differently depending on the role of the chip; for a Master chip, it serves as the Input, while for a Slave chip, it acts as the Output The MISO lines of the Master and Slave chips are directly connected to each other.
MOSI (Master Output / Slave Input) là đường truyền dữ liệu, trong đó chip Master sử dụng MOSI như là đường Output, trong khi chip Slave sử dụng MOSI như là Input MOSI của chip Master và các chip Slave được kết nối trực tiếp với nhau, với điện áp vào giới hạn từ 6V đến 20V.
Cường độ dòng điện trên mỗi 3.3V pin 50 mA
Cường độ dòng điện trên mỗi I/O pin 20 mA
Khi không hoạt động, mức tín hiệu 24 sẽ ở mức cao Giao tiếp giữa chip Master và Slave chỉ xảy ra khi Master hạ tín hiệu SS của một Slave xuống mức thấp Mỗi Slave chỉ có một đường SS, nhưng Master có thể có nhiều đường điều khiển SS, tùy thuộc vào thiết kế của người dùng.
Hình 4.3: Mô phỏng quá trình truyền dữ liệu giao thức SPI
Trong ứng dụng giao tiếp giữa thiết bị trung tâm và module nRF24l01+, nhóm đề tài thiết lập
4 chân SPI lần lượt là chân số 5,6,7,8
Truyền thông nối tiếp Serial/UART
UART (Bộ thu/phát không đồng bộ phổ quát) là phương thức truyền thông nối tiếp không đồng bộ, thường được sử dụng trong máy tính công nghiệp, truyền thông, vi điều khiển và nhiều thiết bị truyền tin khác.
Tất cả các mạch Arduino đều trang bị ít nhất một cổng Serial (UART hoặc USART), cho phép giao tiếp qua hai chân digital 0 (RX) và 1 (TX) hoặc qua cổng USB kết nối với máy tính Đặc biệt, Arduino Mega cung cấp đến 4 cổng Serial.
Trong ứng dụng giao tiếp giữa thiết bị trung tâm và module Sim 900A, nhóm đề tài thiết lập giao tiếp UART ở các chân 18 và 19
4.1.2 Module thu phát sóng RF 2.4GHz nRF24l01+
Yêu cầu đối với module truyền phát tín hiệu:
Có khả năng giao tiếp đáng tin cậy trong phạm vi tối thiểu là 30 m trong điều kiện có vật cản
Chương 4: Thiết kế phần cứng
Tiêu thụ năng lượng thấp
Giá rẻ và dễ dàng tìm mua ở Việt Nam
Ưu tiêng có khả năng kết nối theo sơ đồ mạng lưới hoặc hình cây
Nhóm đề tài đã quyết định chọn module truyền phát sóng RF 2.4 GHz nRF24l01+ của Nordic Semiconductor, vì module này đáp ứng đầy đủ các yêu cầu đã đề ra.
Hình 4.4 Module giao tiếp Wi-Fi nRF24l01
Có 126 kênh, ở mỗi kênh có tối đa 6 địa chỉ truyền nhận
Truyền và nhận dữ liệu
Truyền tốc độ cao 1 Mbps hoặc 2 Mbps
Có thể cài đặt được 4 công suất nguồn phát: 0,-6,-12,-18 dBm
Có bộ lọc nhiễu tại đầu thu
Khuếch đại bị ảnh hưởng bởi nhiễu thấp (LNA)
Các chân IO chạy được cả 3.3 lẫn 5 V
Tốc độ tối đa 8 Mbps
3-32 bytes trên 1 khung truyền nhận
Hình 4.5 Sơ đồ khối của chip truyền phát nRF24l01+
Module nRF24L01+ hoạt động ở tần số 2.4 GHz, cho phép truyền dữ liệu với tốc độ cao và khả năng truyền nhận dữ liệu hiệu quả ngay cả trong môi trường có vật cản.
Module nRF24L01+ có 126 kênh truyền Vì vậy có thể truyền nhận dữ liệu trên nhiều kênh khác nhau
Module nRF24L01+ khả năng thay đổi công suất phát bằng chương trình, vì vậy có thể hoạt động trong chế độ tiết kiệm năng lượng
Sơ đồ kết nối phần cứng:
Chương 4: Thiết kế phần cứng
Hình 4.6 Sơ đồ chân của module truyền phát nRF24l01+
Hình 4.7 Sơ đồ kết nối chân giữa MCU và module nRF24l01+
Giao tiếp giữa vi điều khiển Arduino Mega 2560 và module nRF24l01+ là giao tiếp SPI, sơ đồ kế nối chân như hình 4.7
Giao tiếp giữa các module nRF24l01+
The nRF24L01+ modules communicate using a packet-based serial transmission method known as Enhanced Shockburst, developed by Nordic Semiconductor Below is the structure of a data packet.
Hình 4.8 Cấu trúc của một gói tin truyền phát nRF24l01+
Preamble: là byte có chức năng giúp nơi truyền và nơi nhận có thể đồng bộ với nhau Thứ tự bit có thể là 01010101 hoặc 10101010
Address: là địa chỉ của nơi nhận, đảm bảo gói tin được truyền đúng địa chỉ
Packet control: là trường thông tin của gói tin, thể hiện độ dài của gói tin và các cài đặt khác
Payload: là trường chứa dữ liệu cần truyền đi, có thể dài tối đa 32 byte
CRC: là trường kiểm soát lỗi
4.1.3 Module truyền thông GPRS Sim 900A Để kết nối internet truyền dữ liệu năng lượng lên các nền tảng IoT, nhóm đề tài có 2 lựa chọn Lựa chọn thứ nhất là kết nối thiết bị trung với mạng Wi-Fi trong nhà, lựa chon thứ hai là kết nối với một module GPRS độc lập để kết nổi với internet Vì ưu tiên cho tính phổ biến, nghĩa là bất cứ khu vực nào cũng có thể dùng được giải pháp mà không cần có sẵn kết nối Wi-Fi trong nhà nên nhóm đã chọn giải pháp thứ 2: Dùng module GPRS
Yêu cầu của module GPRS:
Kết nối nhanh, gửi và nhận dữ liệu nhanh
Hoạt động liên tục và ổn định trong thời gian dài
Trên thị trường hiện nay, nhiều mẫu module GPRS phục vụ cho truyền thông công nghiệp có giá rất cao, lên tới vài triệu đồng mỗi thiết bị Trong số đó, module Sim 900A của hãng SimCom được lựa chọn vì giá thành hợp lý và phổ biến tại Việt Nam Tuy nhiên, module này vẫn gặp nhiều hạn chế như hoạt động không ổn định, tốc độ truyền tải chậm và tiêu thụ năng lượng lớn Để cải thiện sự ổn định cho module Sim 900A, nhóm thiết kế đã bổ sung một tụ điện 1000 uF ở hai đầu nguồn cấp điện.
Chương 4: Thiết kế phần cứng
Hình 4.8 Module Sim 900A của SimCom và thứ tự chân
Kết nối với vi điều khiển
Module Sim 900A kết nối với vi điều khiển bằng giao thức truyền thông nối tiếp Thứ tự chân kết nối như sau:
5V nối với chân 5V của board Arduino Mega 2560
GND nối với chân GND của board Arduino Mega 2560
TX nối với chân 18 của board Arduino Mega 2560
RX nối với chân 19 của board Arduino Mega 2560
Tập lệnh AT trong ứng dụng kết nối Internet
Bảng 4.2 Một vài lệnh AT cơ bản trong ứng dụng kết nối Internet
AT+CGATT Kết nối hoặc ngắt kết nối dịch vụ GPRS AT+CIPSTART Bắt đầu kết nối TCP (kết nối Internet)
AT+CIPSEND Bắt đầu gửi dữ liệu
AT+CIPCLOSE Ngắt kết nối TCP
Yêu cầu đối với hiển thị: Màn hình hiển thị vừa đủ, rõ ràng 4 thông số là dòng điện, điện áp, công suất và năng lượng
Nhóm đề tài lựa chọn màn hình LED 16x2 vì tính thông dụng của nó
Sơ đồ chân LCD và kết nối
Hình 4.10 Sơ đồ chân của LCD
Bảng 4.3 : Chức năng các chân của LCD
1 Vss Chân nối đất cho LCD, khi thiết kế mạch nối chân này với GND của mạch điều khiển
2 VDD Chân cấp nguồn cho LCD, khi thiết kế mạch nối chân này với VCC=5V của mạch điều khiển
Chương 4: Thiết kế phần cứng
Trong ứng dụng tại thiết bị trung tâm, nhóm đề tài chọn phương án giao tiếp 4 đường data D4, D5, D6, D7 lần lợt kết nối với các chân 31, 33, 35, 37 của vi điều khiển
3 VEE Điều chỉnh độ tương phản của LCD
4 RS Chân chọn thanh ghi (Register select) Nối chân RS với logic “0”
(GND) hoặc logic “1” (VCC) để chọn thanh ghi
+ Logic “0”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IR của LCD (ở chế độ “ghi” - write) hoặc nối với bộ đếm địa chỉ của LCD (ở chế độ
“đọc” - read) + Logic “1”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu DR bên trong LCD
5 R/W Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write) Nối chân R/W với logic “0” để
LCD hoạt động ở chế độ ghi, hoặc nối với logic “1” để LCD ở chế độ đọc
6 E Chân cho phép (Enable) Sau khi các tín hiệu được đặt lên bus DB0-
DB7 chỉ chấp nhận các lệnh khi có xung cho phép từ chân E Trong chế độ ghi, dữ liệu trên bus sẽ được LCD chuyển vào thanh ghi nội bộ khi phát hiện xung chuyển từ cao sang thấp của tín hiệu chân E.
Khi ở chế độ đọc, dữ liệu từ LCD sẽ được xuất ra các chân DB0-DB7 khi có sự chuyển đổi từ mức thấp sang mức cao tại chân E LCD sẽ giữ dữ liệu trên bus cho đến khi chân E trở về mức thấp.
Tám đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi thông tin với MPU Có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus này :
+ Chế độ 8 bit: Dữ liệu được truyền trên cả 8 đường, với bit MSB là bit DB7
+ Chế độ 4 bit: Dữ liệu được truyền trên 4 đường từ DB4 tới DB7, bit MSB là DB7
15 - Nguồn dương cho đèn nền
Nhóm tác giả đã chọn giải pháp sử dụng bộ chuyển đổi nguồn 220VAC/5VDC với dòng tối đa 2A nhằm đơn giản hóa thiết kế và cung cấp nguồn điện cho thiết bị trung tâm.
4.1.6 Sơ đồ mạch hoàn chỉnh
Sau khi hoàn thành thiết kế các khối thành phần, sơ đồ nguyên lý hoàn chỉnh được thể hiện ở hình 4.11
Hình 4.11 Sơ đồ nguyên lý thiết bị trung tâm hoàn chỉnh
Chương 4: Thiết kế phần cứng
Thiết kế phần cứng cho thiết bị vệ tinh
Hình 4.12 Sơ đồ kết nối chi tiết các linh kiện trong thiết bị vệ tinh
4.2.1 Vi điều khiển Arduino Nano
Yêu cầu đối với vi điều khiển tại thiết bị vệ tinh
Kích thước nhỏ gọn, giá rẻ
Đủ khả năng để xử lý thông số điện năng
Có bộ nhớ ROM để lưu trữ thông tin về năng lượng sau khi khởi động lại
Hỗ trợ giao tiếp SPI để giao tiếp với EMIC ADE7753 và module nRF24l01+
Từ những yêu cầu trên, nhóm đề tài lựa chọn vi điều khiển Arduino Nano vì có kích thước khá nhỏ gọn trong các dòng vi điều khiển Arduino
Hình 4.13 Vi điều khiển Arduino Nano và sơ đồ chân
Arduino Nano là phiên bản thu nhỏ của các dòng Arduino khác, được xây dựng dựa trên vi xử lý ATmega328
Bảng 4.4 Thông số kỹ thuật của vi điều khiển Arduino Nano
Vi điều khiển ATmega328 Điện áp hoạt động 5 V Điện áp có thể cấp cho Vin 7-12 V
Số chân digital 14 (trong đó có 6 kênh xung PWM)
Dòng tối đa mỗi chân 40 mA
Bộ nhớ Flash 32 KB (ATmega328), 2K được sử dụng bởi bootloader
Khó khăn lớn nhất mà nhóm gặp phải là Arduino Nano chỉ hỗ trợ 1 kết nối SPI, trong khi thiết bị vệ tinh cần 2 kết nối SPI để giao tiếp đồng thời với EMIC ADE7753 và module nRF24l01+ Tuy nhiên, nhóm đã thành công trong việc giải quyết vấn đề này bằng một thủ thuật phần mềm.
Chương 4: Thiết kế phần cứng
Arduino Nano kết nối với EMIC ADE 7753 qua 4 chân SPI 10, 11, 12, 13 Arduino Nano kết nối với nRF24l01+ qua 4 chân SPI 4, 5, 6, 7
Thiết bị trung tâm sử dụng nguồn điện từ adaptor gắn ngoài, trong khi thiết bị vệ tinh được thiết kế để cắm trực tiếp vào ổ cắm Do đó, nhóm đề tài cần một bộ chuyển đổi nguồn để đảm bảo hoạt động hiệu quả.
Thiết bị sử dụng nguồn xung 220VAC/5VDC để cung cấp điện, giúp đơn giản hóa thiết kế Mạch nguồn này không chỉ nhỏ gọn mà còn tích hợp các chức năng bảo vệ như quá dòng và quá nhiệt Đặc biệt, điện áp ra được duy trì ổn định với dòng ra tối đa lên đến 800 mA.
Hình 4.14 Mạch nguồn 220V AC/5V DC
Nguồn điện 3.3V cho module nRF24 GHz được cung cấp từ chân 3.3V của Arduino Nano, nhờ vào bộ chuyển đổi điện áp trên Arduino Nano giúp hạ áp từ 5V DC xuống 3.3V DC.
ADE7753 là 1 IC do hãng analog device sản xuất ADE7753 có những tính năng cơ bản như sau:
Độ chính xác cao, tuân theo chuẩn IEC 61036/60687/61268, IEC62053-21, IEC 62053-22, và 62053-23
Tích hợp bộ tích phân số cho phép kết nối trực tiếp tới cảm biến dòng điện đầu ra tỉ lệ với di/dt
Một bộ PGA trong kênh dòng điện cho phép giao diện trực tiếp tới shunt và bộ biến dòng điện
36 hiệu dụng của dòng điện và điện áp với sai số nhỏ hơn 0.1%
Chế độ tích lũy năng lượng dương
Cho phép người dùng đặt chương trình ngưỡng cho sự sụt áp, quá điện áp
Hiệu chuẩn số cho nguồn, pha và bù đầu vào
Cảm biến đo nhiệt độ trên chip (±3°C)
Truyền thông nối tiếp SPI
Lập trình tần số xung ngõ ra
Yêu cầu ngắt ở chân IRQ và thanh ghi trạng thái
Điện áp chuẩn 2.4V, cho đưa từ ngoài
Nguồn nuôi 5V, công suất thấp (25 mW)
4.2.3.1 Sơ đồ và chức năng các chân
Các chân ADE7753 và chức năng của các chân được thể hiện ở bảng 4.5
Chương 4: Thiết kế phần cứng
Bảng 4.5 Sơ đồ và chức năng các chân của EMIC ADE7753
Chân số Ký hiệu Mô tả
1 RESET Thiết lập lại ADE7753, tín hiệu ở mức thấp sẽ giữ cho
ADCs và những mạch kỹ thuật số ở chế độ khởi động lại
Chân DVDD trong ADE7753 cung cấp nguồn cho các mạch số với điện áp cần duy trì ở mức 5V±5% Để đảm bảo sự ổn định, chân AVDD được tách biệt với DGND thông qua hai tụ điện mắc song song, bao gồm một tụ 10µF và một tụ gốm 100µF.
Chân AVDD trong ADE7753 cung cấp điện áp tương tự cho các mạch tương tự, với yêu cầu duy trì điện áp ở mức 5V±5% Để đảm bảo tính ổn định, chân AVDD được tách biệt với DGND thông qua hai tụ điện mắc song song, bao gồm một tụ 10µF và một tụ gốm 100µF.
Kênh 1 của thiết bị 4,5 V1P, V1N nhận tín hiệu tương tự, được thiết kế để sử dụng với bộ chuyển đổi dòng di/dt như cuộn Rogowski, cảm biến dòng như Shunt hoặc biến áp dòng CT.
Kênh 2 của bộ chuyển đổi điện áp được thiết kế để nhận tín hiệu tương tự từ 6,7 V2P và V2N Tín hiệu đầu vào tối đa cho phép là ±0.5V, trong khi khả năng chịu quá điện áp lên đến ±6V.
Chân 8 AGND của ADE7753 cung cấp điện áp chuẩn tương tự, hỗ trợ việc so áp cho tất cả các mạch tương tự bên trong, bao gồm cả ADCs Nó giúp chống lại xung răng cưa từ bộ lọc, bộ biến dòng và điện áp.
9 REFIN/OUT Truy cập và kiểm tra điện áp trên Chip, các giá trị điện áp trên
Chip có điện áp 2,4V±8% và giá trị nhiệt độ là 30 ppm/oC Một số nguồn bên ngoài cũng thực hiện so áp ở chân này Do đó, chân này cần được tách riêng để kết nối với tụ 1µF.
10 DGND Điện áp chuẩn số, chân này cung cấp sự so sánh cho các mạch số bên trong ADE7753 như bộ nhân, bộ lọc, và bộ chuyển đổi tần
38 điện dung cao trên chân DOUT có thể dẫn đến tín hiệu số bị nhiễu, làm ảnh hưởng đến sự so sánh
Chân CF cung cấp thông tin về công suất hiệu dụng với 11 CF tần số đầu ra mức logic Tần số ra sẽ được điều chỉnh thông qua CSDEN và CFNUM.
12 ZX Điện áp dạng sóng (kênh 2)
13 SAG Cổng này mở ra khi mức công suất xuống thấp
14 IRQ Ngắt ngõ ra Khi công suất xuống thấp cổng này sẽ mở ra
Đồng hồ xung CLKIN với tần số 3.579545 MHz được sử dụng cho ADEs, trong đó mạch điều chế tín hiệu sử dụng hai tụ điện có giá trị 22pF và 33pF.
16 CLKOUT Cung cấp xung đồng hồ cho ADE7753 Có thể dung một tải
17 CS Chọn Chip Dung giao diện 4 dây nối tiếp SPI ADE7753 sẽ hoạt động với đầu vào là mức thấp
18 SCLK Xung đầu vào đồng bộ Tất cả dữ liệu truyền nối tiếp được quản lý bởi xung này
19 DOUT Dữ liệu đầu ra, dữ liệu được chuyển khi sườn lên của SCLK tác động Trong trường hợp trở kháng cao, sẽ xuất ra mức logic thông thường
20 DIN Dữ liệu đầu vào, dữ liệu được chuyển khi sườn xuống của SCLK tác động
Nguyên lý hoạt động của ADE7753 được thể hiện rõ qua Hình 4.15
Chương 4: Thiết kế phần cứng
Hình 4.16 Sơ đồ khối chức năng trong IC ADE7753
ADE7753 là IC đo công suất một pha có 2 đầu vào tín hiệu kênh 1 và kênh 2 Trong đó, kênh
Để đảm bảo tính chính xác trong quá trình xử lý, tín hiệu đầu vào dòng điện và tín hiệu điện áp từ kênh 2 đều được biến đổi trước khi đưa vào ADE Cần lưu ý rằng điện áp đầu vào không được vượt quá ±500mV so với AGND.
Mỗi kênh đầu vào được trang bị một bộ khuếch đại lập trình PGA với các hệ số khuếch đại có thể lựa chọn là 1, 2, 4, 8, và 16 Đặc biệt, ở đầu vào kênh 1, điện áp mẫu cho ADC có thể được điều chỉnh với 3 giá trị: 2.42V, 1.24V và 0.6V Việc điều chỉnh hệ số khuếch đại và giá trị điện áp mẫu được thực hiện thông qua thanh ghi GAIN 8 bit Hình 4.3 minh họa cách thiết lập các giá trị đầu vào cho thanh ghi GAIN.
Hình 4.17 Thanh ghi GAIN trong IC ADE7753
Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số ΣΔADC 16 bit hoạt động với tần số lấy mẫu 894kps/s Sau khi tín hiệu được chuyển đổi qua ADC, nó sẽ được xử lý qua bộ lọc thông cao để loại bỏ offset ở đầu vào của ADC Hình 4.4 minh họa hoạt động của bộ ΣΔADC trong ADE7753.
Hình 4.18 Hoạt động của bộ ΣΔADC
4.2.3.2 Quá trình tính toán dòng điện hiệu dụng
Giá trị hiệu dụng của tín hiệu V(t) được xác định bởi công thức:
𝑇× ∫ 𝑉 0 𝑇 2 (𝑡)𝑑𝑡 (4.1) Giá trị hiệu dụng của tín hiệu sau khi trích mẫu được xác định bởi công thức:
