Bộ môn Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông
Trong cuộc sống hiện đại ngày nay, vạn vật kết nối đang là xu hướng của mọi thiết bị điện tử, tính ứng dụng thực tiễn và sự hiệu quả thể hiện rất rõ rệt.
Internet vạn vật IoT (Internet of Things) đề cập đến các thiết bị điện tử, các cảm biến, các cơ cấu chấp hành được liên kết với nhau thông qua một trạm kết nối mạng (như Wifi, LoRa) để vào hạ tầng mạng, thông tin thu thập từ các cảm biến hay các hiệu lệnh từ người dùng sẽ được lưu trữ chung trong bộ nhớ điện toán đám mây và vi xử lý sẽ quyết định thực thi lệnh dựa trên thông tin mà nó nhận được. Thông tin này có thể được chuyển tiếp đến nhiều thiết bị cùng kết nối đến đám mây và ngược lại. Điều này cho phép ta điều khiển hoặc giám sát các thiết bị điện ở bất cứ đâu khi kết nối mạng.
Thiết kế hệ thống điều khiển và cảnh báo thiết bị điện gia dụng bằng công nghệ IoT, hệ thống phải có chức năng theo dõi công suất tiêu thụ, cảnh báo khi quá công suất ngưỡng, hẹn giờ bật tắt. Hệ thống sử dụng ESP32 làm vi xử lý trung tâm và cũng là thiết bị kết nối mạng không dây (Wifi) [1-4], tận dụng phiên bản lõi kép của ESP32 chia tác vụ ở cả hai lõi để hạn chế khả năng chậm trễ giữa các tác vụ, ngoài ra sẽ bổ sung một số chức năng hữu dụng cho người dùng quản lý điện năng sử dụng hiệu quả hơn như là thiết lập công suất ngưỡng cho thiết bị điện, tự động ngắt điện và cảnh báo khi quá tải, tạm tính hóa hóa đơn tiền điện mỗi tháng và cập nhật điện năng tiêu thụ hàng tuần.
1. Cấu trúc mô hình
Cấu trúc của hệ thống được chia theo từng khối như hình dưới bao gồm khối nguồn cấp cho tất cả thiết bị sử dụng trong hệ thống, khối thời gian thực cung cấp giờ cho hệ thống hoạt động các chức năng, khối cảm biến gồm cảm biến đo điện và cảm biến điện dung, khối hiển thị mọi thông số cho người dùng giám sát như Hình 1.1.
Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống
Tương ứng với từng khối là các module giao tiếp theo chuẩn I2C, UART. Thêm vào đó trung tâm điều khiển sẽ đóng vai trò là thiết bị truyền nhận dữ liệu với đám mây. DS1307 sẽ cung cấp thời gian thực cho hệ thống hoạt động, PZEM004T là cảm biến đo dòng đóng vai trò cung cấp các thông tin về điện năng cho vi điều khiển như Hình 1.2. Các dữ liệu trên đều được hiển thị trên OLED để giám sát, khối cơ cấu chấp hành sẽ là các thiết bị điện gia dụng được điều khiển thông qua một relay rắn. Bản thân ESP32 là một module Wifi IoT nên được trang bị khả năng kết nối nối mạng không dây, tận dụng khả năng phần cứng kết hợp với dịch vụ lưu trữ đám mây để mở rộng phạm vi giám sát và điều khiển thiết bị. Dịch vụ đám mây sẽ đóng vai trò trung gian tương tác và trao đổi dữ liệu với người dùng.
Hình 1.2 Cơ chế hoạt động của hệ thống
2. Thiết kế hệ thống cảnh báo và giám sát thiết bị điện gia dụng
Hình 1.3 Phần cứng và vị trí lắp đặt tại phòng thực hành
Hình 1.4 Giao diện chính của hệ thống
Phần cứng hệ thống được lặp đặt tại Phòng thực hành Khoa Kỹ thuật – Công nghệ như Hình 1.3. Giao diện màn hình chính của ứng dụng bao gồm điện năng tiêu thụ tính đến hiện tại (số điện), ngày giờ cập nhật tự động theo khu vực, nút nhấn bật tắt cùng với chức năng hẹn giờ bật tắt thiết bị điện như Hình 1.4. Ở khu vực thông số chi tiết bao gồm chức năng hiển thị thông tin về tiền điện, chức năng cài đặt giờ cho hệ thống, chức năng thông tin cho cửa sổ hiển thị thông số chi tiết về điện hiện tại, chức năng thông báo sự cố điện xảy ra và cũng là nơi thiết đặt công suất ngưỡng cho hệ thống.
Mô hình thử nghiệm hệ thống cho thấy các chức năng chính hoạt động tốt, nút nhấn trên hệ thống phản hồi ngay lập tức. Thời gian phản hồi lệnh từ người dùng thông qua ứng dụng phụ thuộc lớn vào đường truyền mạng.
3. Kết luận
Hệ thống đã đưa ra một giải pháp ứng dụng công nghệ IoT để nâng cấp phòng thực hành khoa Kỹ thuật - Công nghệ trường đại học Văn Hiến. Sau quá trình nguyên cứu và phát triển hệ thống, thiết bị bước đầu đã đạt được các mục tiêu đề ra. Cụ thể, thiết bị đã điều khiển nhiều loại tải khác nhau mà không xảy ra hiện tượng chập chờn hay ảnh hưởng bởi nhiễu. Tuy nhiên vẫn cần cải thiện hơn về tối ưu phần mềm để giảm độ trễ phản hồi khi điều khiển qua ứng dụng, tối ưu về giao diện người dùng trên ứng dụng, tối ưu mạch PCB để thu nhỏ hơn kích thước hệ thống và chuyên nghiệp hơn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Abhishek Khanna, Sanmeet Kaur (2020), “Internet of Things, Applications and Challenges: A Comprehensive Review”, Wireless Personal Communications, pp. 1687 - 1762.
[2] Dibasis Bandyopadhyay, Jaydip Sen (2011), “Internet of Things: Applications and Challenges in Technology and Standardization”, Wireless Personal Communications, pp. 49 - 69.
[3] Muhamad Ridwan, Arif Cahyono (2020), “Design Power Controler for Smart Grid System Based on Internet of Things and Artificial Neural Network”, The 2020 IEEE International Conference on Internet of Things and Intelligence, pp. 44 - 48.
[4] Ravi Pratap Singh, Mohd Javaid, Abid Haleem, Rajiv Suman (2020), “Internet of Things (IoT) Applications to fight against COVID-19 pademic”, Diabetes & Metabolic Syndrome: Clinical Research & Reviews, Volume 14, Issue 4 ,pp. 521 - 524.
ThS. Hồ Lê Anh Hoàng (Khoa Kỹ thuật - Công nghệ, Trường Đại học Văn Hiến)