HỆ THỐNG QUẢN LÝ VÀ GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG
Ý tưởng từ khi bắt đầu dự án
Cùng với sự phát triển của nền kinh tế đất nước, nhu cầu về tiêu thụ điện năng ngày càng cao trong khi khả năng cung cấp điện còn rất nhiều khó khăn, từ đó vấn đề sử dụng điện tiết kiệm, hiệu quả trở thành vấn đề cấp bách. Việc ý thức tiết kiệm điện của người dân chưa được nâng cao, các biện pháp đề ra để tiết kiệm điện còn khá ít và việc áp dụng nó vào thực tiễn còn nhiều bất cập. Để tiết kiệm điện phụ thuộc ở 2 yếu tố: thiết bị điện và thói quen sử dụng của con người. Người dùng thường bận rộn với công việc nên ít có thời gian giám sát được việc sử dụng các thiết bị trong gia đình hay cơ quan, dẫn đến nhiều thiết bị hoạt động không cần thiết, gây lãng phí năng lượng điện và tăng chi phí điện cho gia đình, cơ quan.
Để giải quyết vấn đề quản lý và giảm sát được việc sử dụng điện năng trong nhà, nhóm đã nảy sinh ra ý tưởng thiết kế một hệ thống có thể giúp người dùng tiết kiệm điện năng qua việc giám sát lượng điện và có thể định ngưỡng tiêu thụ điện trong mỗi ngày hoặc mỗi tháng. Khi lượng điện vượt mức giới hạn thì thông báo cho người dùng biết mà đưa ra việc điều khiển thiết bị điện phù hợp, hoặc hệ thống tự động tắt các thiết bị khi không cần thiết. Hoặc người dùng có thể theo dõi các thiết bị của ngôi nhà từ xa qua điện thoại hoặc internet.
Giới thiệu tổng quan
Hệ thống có khả năng đo đếm dòng điện tải và điện áp các thiết bị điện trong gia đình, cơ quan…từ đó cho biết được lượng điện tiêu thụ và chi phí tiêu thụ điện. Người dùng có thể đặt mức giới hạn lượng điện tiêu thụ theo từng ngày hoặc từng tháng nhằm tối ưu hóa khả năng sử dụng và tiết kiệm điện, đồng thời giảm được chi phí điện cho gia đình, cơ quan. Khi lượng điện tiêu thụ đạt mức ngưỡng cho phép của người dùng thì xuất ra các thông báo cảnh báo, gửi SMS tới điện thoại người dùng nếu đang ở xa, tự động tắt các thiết bị nếu vượt ngưỡng cho phép. Hệ thống có thể gửi dữ liệu điện năng qua điện thoại cho người dùng thông qua SMS, từ đó người dùng có thể tự quản lý, giám sát được ngôi nhà của mình từ xa.
Mô hình hoạt động của hệ thống
Mô tả rõ các tính năng của sản phẩm.
• Hệ thống có khả năng đo đếm dòng điện tải và điện áp các thiết bị điện
• Người dùng có thể đặt mức giới hạn lượng điện tiêu thụ theo từng ngày hoặc từng tháng
• Khi lượng điện tiêu thụ đạt mức ngưỡng cho phép của người dùng thì xuất ra các thông báo cảnh báo, gửi SMS tới điện thoại người dùng nếu đang ở xa, tự động tắt các thiết bị nếu vượt ngưỡng cho phép
• Người dùng có thể tự quản lý, giám sát được ngôi nhà của mình từ xa.
Mô tả nền tảng phát triển của sản phẩm
Phần cứng bao gồm:
Board mạch trung tâm:
Sử dụng vi xử lý MSP430G2553 của hãng Texas Instrument, nhiệm vụ chính của board mạch trung tâm là truyền nhận dữ liệu từ các ngoại vi, các module gửi về, phân tích xử lý để hiển thị , điều khiển các module khác trong hệ thống.
Các thông số kĩ thuật cơ bản của vi điều khiển:
– Chứa 16 bit RISC CPU.
– Nguồn cung cấp thấp 1.8-3.3V.
– Dung lượng bộ nhớ 16KB.
– Có nhiều chế độ hoạt động công suất thấp.
– Chế độ hoạt động bình thường 230µA ở 1Mhz, 2.2V.
– Module MCP39F501:
Module sử dụng chip MCP39F501 của hãng microchip, với khả năng đọc và xuất dữ liệu về dòng, áp và công suất tiêu thụ
Các thông số kĩ thuật của module:
– Đo được công suất hoạt động, công suất biểu kiến, hệ số công suất.
– Đo được điện áp hiệu dụng, dòng hiệu dụng, tần số của dòng điện.
– Có 512 byte EEPROM.
– Giao tiếp qua UART hoặc COM.
– ADC 24 bit.
Module điều khiển thiết bị
Các module này có nhiệm vụ nhận dữ liệu từ board tâm để điểu khiển các thiết bị ngoại vi như đèn, quạt,…
Sử dụng chip MSP G2553 của TI để xử lý các hoạt động của mình
Module hiển thị
Sử dụng màn hình LCD 20×4, cho phép hiển thị các thông số đo đạc của hệ thống như : dòng, áp, công suất theo thời gian,…
Module Sim 900A
Là module có chức năng gửi SMS về điện thoại của người dùng trong các trường hợp cảnh báo, điều khiển không dây,…
Các thông số cơ bản của Module sim 900A :
– Điện áp hoạt động: 4.5V – 5V
– Hỗ trợ tập lệnh AT.
– Hỗ trợ nghe-gọi, gửi và nhận tin nhắn SMS.
– Giao tiếp qua chân Rx , Tx.
Module RF CC1101
Đây là module được dùng để truyền dữ liệu từ master tới các module điều khiển thiết bị riêng lẻ. Một số thông số cơ bản:
– Nguồn cung cấp 3.3-5V.
– Dòng tiêu thụ thấp 3.4mA ở chế độ FU1.
– Sử dụng băng tần 433Mhz.
– Khoảng cách truyền lớn, lên tới 200m.
– Giao tiếp serial UART.
– Sử dụng tập lệnh AT để cài đặt các thông số cho module.
IC RTC BQ32000
Các thông số cơ bản:
– Điện áp hoạt động: 3 – 3.6V
– Giao tiếp I2C, hỗ trợ tới 400kHz.
– Sử dụng thạch anh 32.768kHz.
Phần mềm:
+ Phần mềm lập trình IAR cho MSP430: phần mềm biên dịch này được sử dụng làm công cụ lập trình trên nền ngôn ngữ C, hỗ trợ việc lập trình cho Msp430.
+ Phần mềm Hercules: Hỗ trợ trong việc chạy kiểm tra moduleSim900A hoạt động, kiểm tra các giá trị đọc dữ liệu từ KIT MCP39F501 thông qua giao tiếp UART, thiết lập các thông số và kiểm tra các module RF CC1101.
+ Phần mềm vẽ mạch Altium: Hỗ trợ việc vẽ sơ đồ nguyên lý và mạch in PCB cho các mạch module, khối chức năng.
Lưu đồ thuật toán mạch chính
Lưu đồ thuật toán mạch điều khiển thiết bị qua RF
Sơ đồ nguyên lý của mạch trung tâm
Sơ đồ mạch nguyên lý mạch thời gian thực dùng BQ32000
Sơ đồ mạch điều khiển thiết bị qua RF
Demo
Kết luận:
– Kết quả:
Sau khi thực hiện xong đề tài, sản phẩm cuối cùng cũng đáp ứng được một số yêu cầu đề ra như: đọc giá trị điện áp, dòng điện, công suất tiêu thụ, hiển thị được lượng điện tiêu thụ theo thời gian, điều khiển thiết bị từ xa qua RF bằng nút bấm cảm ứng hoặc dùng SMS điện thoại, cài đặt thời gian cũng như lượng điện tối đa mà người dùng muốn sử dụng trong một tháng, có hệ thống cảnh báo qua loa và SMS tới người dùng.
– Những ưu, nhược điểm của sản phẩm trong quá trình thử nghiệm.
• Hệ thống hoạt động ổn định, hiển thị các thông số cơ bản về dòng, áp, công suất tiêu thụ, cho phép cảnh báo qua SMS, điều khiển các thiết bị.
• Hiện tại mô hình của hệ thống vẫn còn ở quy mô nhỏ, số lượng module chức năng còn hạn chế, kích thước chưa tối giản.
• Khi kết hợp các module lại với nhau có xảy ra xung đột trong quá trình xử lý dữ liệu.
– Đánh giá sản phẩm
Tiềm năng ứng dụng
Hệ thống không những đưa ra thông tin về điện năng, chi phí tiêu thụ để người dùng có thể nắm bắt mọi lúc, mà còn giám sát và điều khiển thiết bị trong nhà khi cần thiết, có điều khiển từ xa thông qua điện thoại hoặc internet. Đưa ra các cảnh báo cần thiết cho người dùng khi lượng điện tiêu thụ vượt quá mức cho phép của người dùng cài đặt ban đầu nhằm tiết kiệm tối đa nguồn năng lượng, giảm được chi phí tiêu dùng điện. Với các tính năng như vậy, hệ thống này cung cấp cho người dùng khá nhiều tiện ích cũng như các tùy chọn khác nhau. Chính sự linh hoạt về tùy chọn, lợi ích cũng như sự tiện lợi mà hệ thống mang lại, tiềm năng cũng như khả năng ứng dụng của hệ thống này là rất cao.
Đối tượng áp dụng cho dự án này là các hộ gia đình, cơ quan, công ty, tòa nhà…
Hiệu quả đem lại khi ứng dụng sản phẩm
Với chức năng cài đặt các ngưỡng tiêu thụ điện năng theo giờ, theo ngày hệ thống cho phép tối ưu hóa khá cao việc sử dụng điện năng. Đồng thời với việc đưa ra các mức cảnh báo về lượng điện tiêu thụ cho phép người dùng có các kế hoạch phù hợp hơn với từng thời điểm để việc sử dụng điện năng là tối ưu và hiệu quả, tiết kiệm thêm một phần chi phí phát sinh trong quá trình sử dụng điện của mình.
Hiện nay, trên thị trường các sản phẩm tương tự chỉ phục vụ cho nhu cầu cơ bản của phía nhà cung cấp điện (hệ thống đồng hồ điện tử EVN) hoặc các hệ thống nhà thông minh dành cho các gia đình, cơ quan,… với chi phí khá cao, chưa thể áp dụng rộng rải. Hệ thống này với nhiều tùy chọn sẽ cung cấp các chức năng từ cơ bản cho đến nâng cao tùy thuộc vào đối tượng và nhu cầu sử dụng của khách hàng.
Tự đánh giá về những mặt còn tồn tại chưa giải quyết được của sản phẩm để khắc phục.
Việc kết hợp các module chức năng với nhau còn bị ảnh hưởng, xung đột, dẫn đến tình trạng sai số trong quá trình đo. Do làm việc với dòng điện 220VAC nên có xảy ra sự ảnh hưởng của dòng xoay chiều tới mạch xử lý; mặc dù đã cách ly nhưng vẫn xảy ra các dấu hiệu nhiễu loạn, treo chip.
Chất lượng mạch, linh kiện làm mạch chưa đảm bảo nên sai số trong quá trình đo công suất của thiết bị còn lớn.
Hướng phát triển của sản phẩm trong tương lai
Hiện tại hệ thống đang dừng lại ở mức độ mô hình mẫu, số lượng và chức năng vẫn còn hạn chế do nhiều yếu tố khách quan lẫn chủ quan. Với xu thế IoT (internet of thing) việc đưa hệ thống trở nên thông minh hơn, hiệu quả và hiện đại hơn sẽ là một hướng đi trong tương lại.
Nguyện vọng trong tương lai
Với sự giới hạn của nhiều yếu tố về thơi gian, kiến thức cũng như kinh phí, trong tương lai, nhóm hi vọng sẽ nhận được nhiều sự quan tâm, hỗ trợ từ các cơ quan, các nhà tài trợ, những người quan tâm tới hệ thống của nhóm để nhóm có thể tiến một bước xa hơn trong việc hoàn thiện hệ thống của mình.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Tài liệu “AT Commands SIM900A”.
2. Datasheet MCP39F501 của Microchip.
3. Datasheet BQ32000 của Texas Instruments.
4. Datasheet MSP430G2553 của Texas Instruments.
5. User Guide of HC11 wireless transfer module.
6. Capacitive Touch Sensing, MSP430TM Button Gate Time Optimization and Tuning Guide, Texas Instruments, 2013.
7. Huỳnh Ngọc Phụng, Cơ sở lý thuyết MSP430.
8. Website http://www.ti.com
9. Website http://www.microchip.com/
Tác giả: Huỳnh Tấn Lĩnh