An IoT application for power monitoring system: A case study of 220VAC low voltage load

s. The hardware unit of this system is designed by using modules including 
PZEM004T, Wemos D1 R1 Arduino with ESP8266 module. This system can easily measure, acquire and monitor 
electrical quantities including voltage, current, active power and consumption energy of 220VAC low voltage 
loads. The system in this paper shows the application of Thingspeak cloud for power monitoring at two different 
locations of low voltage loads via Internet.
Keywords: IoT, control and monitoring, electric energy, PZEM004T, Wemos D1 R1.
*Corresponding author. 
Email: ngominhkhoa@qnu.edu.vn
80
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN
KHOA HỌCTẠP CHÍ
Tạp chí Khoa học - Trường Đại học Quy Nhơn, 2020, 14(1), 79-86
Ứng dụng công nghệ IoT thiết kế hệ thống giám sát 
điện năng: Áp dụng cho phụ tải điện hạ áp 220VAC
Hồ Văn Trình1,2, Lê Văn Thơ3, Ngô Minh Khoa4,*
1Học viên cao học K21, Khoa Kỹ thuật và Công nghệ, Trường Đại học Quy Nhơn, Việt Nam
2Trường Cao đẳng Bình Định (Cơ sở 2 - Hoài Nhơn), Việt Nam
3Sinh viên K38, Khoa Kỹ thuật và Công nghệ, Trường Đại học Quy Nhơn, Việt Nam
4Khoa Kỹ thuật và Công nghệ, Trường Đại học Quy Nhơn, Việt Nam
Ngày nhận bài: 18/12/2019; Ngày nhận đăng: 10/02/2020
TÓM TẮT
Công nghệ IoT trên nền tảng Thingspeak cloud được nghiên cứu ứng dụng trong bài báo này để thiết kế hệ 
thống giám sát điện năng đối với mạng điện hạ áp 220VAC. Phần cứng của hệ thống được thiết kế bằng cách sử 
dụng các môđun bao gồm: PZEM004T, Wemos D1 R1 Arduino có tích hợp môđun ESP8266. Hệ thống này có thể 
dễ dàng đo lường, thu thập và giám sát các thông số như: điện áp, dòng điện, công suất tác dụng, điện năng tiêu thụ 
của các phụ tải điện hạ áp 220VAC. Hệ thống trong bài báo này thể hiện ứng dụng Thingspeak để giám sát điện 
năng tại hai vị trí phụ tải điện hạ áp khác nhau thông qua Internet.
Từ khóa: Công nghệ IoT, điều khiển giám sát, điện năng, PZEM004T, Wemos D1 R1.
*Tác giả liên hệ chính. 
Email: ngominhkhoa@qnu.edu.vn
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay, công nghệ IoT đang là xu thế phát 
triển đối với các tập đoàn công nghệ trên thế 
giới. IoT cơ bản là sự kết nối của các thiết bị với 
Internet, trong đó các thiết bị điện phải giao tiếp 
với nhau và giao tiếp với máy tính bảng cũng 
như với Internet để tạo thành một hệ thống thông 
minh trao đổi dữ liệu, điều khiển lẫn nhau. IoT 
đang trở thành xu hướng công nghệ ảnh hưởng 
ngày càng lớn tới đời sống của cả thế giới và có 
ứng dụng vô cùng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực 
trong tương lai, trong đó có ngành điện. Trong hệ 
thống điện, việc ứng dụng công nghệ IoT có thể 
cải thiện đáng kể hiệu quả và khả năng vận hành 
của lưới điện thông minh hiện nay.1,2 Trong đó, 
hai công trình này đã trình bày tổng quan về vai 
trò, tác động và những thách thức của việc ứng 
dụng công nghệ IoT trong các hệ thống điện1 và 
các hệ thống cảm biến hiện đại trong hệ thống 
điện trong tương lai.2
Liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu của bài 
báo, hệ thống thu thập dữ liệu điện năng tiêu thụ 
của mỗi ngôi nhà thông minh và truyền dữ liệu 
đó đến server trung tâm để phục vụ xử lý và phân 
tích sau đó.3 Hệ thống giám sát điện áp và dòng 
điện thông minh được đề xuất;4 nó giám sát hệ 
thống điện ba pha sử dụng Arduino như là một 
bộ vi điều khiển để đọc điện áp và dòng điện từ 
các cảm biến, sau đó truyền không dây các dữ 
liệu đo lường để giám sát kết quả đo sử dụng 
ứng dụng Android. Một hệ thống quản lý ngôi 
nhà được điều khiển bằng các thiết bị di động 
bằng cách tích hợp Arduino với AppInventor.5 
Trong khi đó, một phương pháp để giám sát 
81
QUY NHON UNIVERSITY
SCIENCEJOURNAL OF
Journal of Science - Quy Nhon University, 2020, 14(1), 79-86
các tham số chất lượng điện năng bằng cách sử 
dụng Ethernet dựa trên đo đếm điện năng thông 
minh.6 Dữ liệu điện năng tiêu thụ được truyền 
đến server bằng thiết bị đo năng lượng thông 
minh và lưu trữ ở đó; chương trình LabVIEW 
cũng được sử dụng để phân tích dữ liệu từ server 
và các thông số chất lượng điện năng cũng được 
tính toán. Bo mạch Arduino cũng được nghiên 
cứu ứng dụng để thiết kế hệ thống đo đếm điện 
năng thông minh.7,8
Như vậy việc ứng dụng công nghệ IoT 
trong việc thiết kế hệ thống giám sát chất lượng 
điện năng là một hướng đang được quan tâm 
nghiên cứu hiện nay. Bài báo này nghiên cứu đề 
xuất ứng dụng công nghệ IoT dựa trên nền tảng 
Thingspeak để thiết kế hệ thống giám sát điện 
năng tại 2 vị trí phụ tải điện hạ áp 220VAC khác 
nhau. Cấu trúc phần cứng của hệ thống sử dụng 
các thiết bị như PZEM004T, bo mạch Wemos 
D1 R1 Arduino, môđun rơle, để thực hiện tính 
năng thu thập, xử lý, tính toán và hiển thị các 
thông số tại các vị trí giám sát.
2. THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
Trong bài báo này, các tác giả tập trung đi vào 
thiết kế hệ thống giám sát điện năng ở 2 vị trí 
khác nhau dựa trên nền Webpage Thingspeak cho 
đối tượng là các phụ tải điện một pha 220VAC. 
Phần mạch lực của hệ thống thiết kế được thể 
hiện như hình 1. Hai vị trí cần giám sát điện năng 
của hệ thống được mô tả như sau:
+ Vị trí 1: phần mạch lực gồm có một 
mạch nguồn cung cấp và hai mạch tải (tải 1.1 và 
tải 1.2). Các tín hiệu dòng điện và điện áp ở mạch 
nguồn được thu thập bằng môđun PZEM004T 
và đưa về bộ xử lí trung tâm (Wemos D1 R1) của 
hệ thống ở vị trí 1.
+ Vị trí 2: phần mạch lực gồm có một 
mạch nguồn cung cấp và 2 mạch tải (tải 2.1, 
tải 2.2 và tải 2.3). Các tín hiệu điện áp, dòng 
điện ở mạch nguồn cung cấp và một mạch tải 
2.3 (giả định là mạch tải quan trọng tại vị trí 2 
cần giám sát điện năng) được thu thập bằng hai 
môđun PZEM004T và đưa về bộ xử lí trung tâm 
(Wemos D1 R1) của hệ thống ở vị trí 2.
Sau khi thu thập được các giá trị điện áp, 
dòng điện, công suất tác dụng, điện năng tiêu thụ 
tại các vị trí cần giám sát, hệ thống tại mỗi vị 
trí sẽ gửi các giá trị này lên Thingspeak cloud, 
sau đó từ Thingspeak cloud sẽ gửi lên Webpage 
Thingspeak và hiển thị kết quả thông số giám sát 
của phụ tải dưới các dạng đồ thị.
Hình 1. Sơ đồ hệ thống điều khiển, giám sát điện 
năng qua Thingspeak.
Phần cứng của hệ thống được thiết kế dựa 
trên phần mô tả đã trình bày ở trên. Các môđun 
chính của hệ thống được trình bày như sau:
2.1. Môđun Wemos D1 R1 Arduino
Wemos D1 R1 Arduino được thể hiện trong 
hình 2 là board mạch được phát triển dựa trên 
Môđun ESP8266-12E và được thiết kế theo tiêu 
chuẩn của board mạch Arduino UNO, tương 
thích với Arduino IDE và NodeMCU. Wemos 
D1 R1 Arduino được tích hợp Wifi, dễ dàng 
thực hiện các ứng dụng thu thập dữ liệu và điều 
khiển thiết bị thông qua Wifi. Nó có khả năng 
chuyển đổi điện áp trên board, cho phép cấp 1 
điện áp DC 9-24V để chuyển đổi thành 5V với 
dòng tối đa 1A.
3 
khác nhau dựa trên nền Webpage Thingspeak cho 
đối tượng là các phụ tải điện một pha 220VAC. 
Phần mạch lực của hệ thống thiết kế được thể 
hiện như hình 1. Hai vị trí cần giám sát điện năng 
của hệ thống được mô tả như sau: 
+ Vị trí 1: phần mạch lực gồm có một mạch 
nguồn cung cấp và hai mạch tải (tải 1.1 và tải 
1.2). Các tín hiệu dòng điện và điện áp ở mạch 
nguồn được thu thập bằng môđun PZEM004T và 
đưa về bộ xử lí trung tâm (Wemos D1 R1) của hệ 
thống ở vị trí 1. 
+ Vị trí 2: phần mạch lực gồm có một mạch 
nguồn cung cấp và 2 mạch tải (tải 2.1, tải 2.2 và 
tải 2.3). Các tín hiệu điện áp, dòng điện ở mạch 
nguồn cung cấp và một mạch tải 2.3 (giả định là 
mạch tải quan trọng tại vị trí 2 cần giám sát điện 
năng) được thu thập bằng hai môđun PZEM004T 
và đưa về bộ xử lí trung tâm (Wemos D1 R1) của 
hệ thống ở vị trí 2. 
Sau khi thu thập được các giá trị điện áp, dòng 
điện, công suất tác dụng, điện năng tiêu thụ tại 
các vị trí cần giám sát, hệ thống tại mỗi vị trí sẽ 
gửi các giá trị này lên Thingspeak cloud, sau đó 
từ Thingspeak cloud sẽ gửi lên Webpage 
Thingspeak và hiển thị kết quả thông số giám sát 
của phụ tải dưới các dạng đồ thị. 
Hình 1. Sơ đồ hệ thống điều khiển, giám sát điện năng 
qua Thingspeak. 
Phần cứng của hệ thống được thiết kế dựa trên 
phần mô tả đã trình bày ở trên. Các môđun chính 
của hệ thống được trình bày như sau. 
2.1. Môđun Wemos D1 R1 Arduino 
Wemos D1 R1 Arduino được thể hiện trong hình 
2 là board mạch được phát triển dựa trên Môđun 
ESP8266-12E và được thiết kế heo tiêu chuẩn 
của board mạch Arduino UNO, tương thích với 
Arduino IDE và NodeMCU. Wemos D1 R1 
Arduino được tích hợp Wifi, dễ dàng thực hiện 
các ứng dụng thu thập dữ liệu và điều khiển thiết 
bị thông qua Wifi. Nó có khả năng chuyển đổi 
điện áp trên board, cho phép cấp 1 điện áp DC 9-
24V để chuyển đổi thành 5V với dòng tối đa 1A. 
Hình 2. Môđun Wemos D1 R1 Arduino. 
2.2. Môđun PZEM004T 
Mạch đo điện AC đa năng 100A giao tiếp UART 
PZEM-004T được thể hiện trong hình 3 được sử 
dụng để đo và theo dõi gần như hoàn toàn các 
thông số về điện năng: điện áp, dòng điện, công 
suất và điện năng tiêu thụ. Môđun này sử dụng 
giao tiếp UART dễ dàng kết nối truyền dữ liệu 
tới bộ vi điều khiển hoặc máy tính, thích hợp cho 
các ứng dụng giám sát điện năng, IoT,... Mạch đo 
điện AC đa năng 100A giao tiếp UART PZEM-
004T nhỏ gọn, dễ lắp đặt, sử dụng cách đo dòng 
cách ly an toàn và khả năng đo dòng lên đến 
100A, mạch có chất lượng gia công và linh kiện 
tốt, độ bền cao. Các chức năng chính của 
PZEM004T: 
• Chức năng đo các thông số điện (điện áp, 
dòng điện, công suất, điện năng). 
• Chức năng báo động quá tải (trên ngưỡng 
báo động điện, đèn flash nguồn và còi kêu 
kíp báo động). 
• Chức năng cài đặt ngưỡng báo động 
nguồn. 
• Chức năng cài đặt lại của phím năng 
lượng. 
• Lưu trữ dữ liệu khi tắt nguồn 
• Chức năng hiển thị số màu đỏ (hiển thị 
điện áp, dòng điện, công suất, điện năng). 
• Chức năng giao tiếp nối tiếp (có thể giao 
tiếp với một loạt các thiết bị đầu cuối 
thông qua các chân, đọc và thiết lập thông 
số). 
Tải 1.2 
Tải 1.1 
PZEM004T 
Hệ thống 
điều khiển 
và giám sát 
điện năng 
ở vị trí 1 
(ESP8266) 
Nguồn 
220VAC 
Thingspeak 
cloud 
PZEM004T 
Hệ thống 
điều khiển 
và giám sát 
điện năng 
ở vị trí 2 
(ESP8266) 
Nguồn 
220VAC 
Thingspeak 
cloud 
Tải 2.3 
Tải 2.2 
PZEM004T 
Tải 2.1 
82
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN
KHOA HỌCTẠP CHÍ
Tạp chí Khoa học - Trường Đại học Quy Nhơn, 2020, 14(1), 79-86
Hình 2. Môđun Wemos D1 R1 Arduino.
2.2. Môđun PZEM004T
Mạch đo điện AC đa năng 100A giao tiếp UART 
PZEM-004T được thể hiện trong hình 3 được sử 
dụng để đo và theo dõi gần như hoàn toàn các 
thông số về điện năng: điện áp, dòng điện, công 
suất và điện năng tiêu thụ. Môđun này sử dụng 
giao tiếp UART dễ dàng kết nối truyền dữ liệu 
tới bộ vi điều khiển hoặc máy tính, thích hợp 
cho các ứng dụng giám sát điện năng, IoT,... 
Mạch đo điện AC đa năng 100A giao tiếp UART 
PZEM-004T nhỏ gọn, dễ lắp đặt, sử dụng cách 
đo dòng cách ly an toàn và khả năng đo dòng lên 
đến 100A, mạch có chất lượng gia công và linh 
kiện tốt, độ bền cao. Các chức năng chính của 
PZEM004T:
• Chức năng đo các thông số điện (điện 
áp, dòng điện, công suất, điện năng).
• Chức năng báo động quá tải (trên 
ngưỡng báo động điện, đèn flash nguồn và còi 
kêu kíp báo động).
• Chức năng cài đặt ngưỡng báo động 
nguồn.
• Chức năng cài đặt lại của phím năng 
lượng.
• Lưu trữ dữ liệu khi tắt nguồn
• Chức năng hiển thị số màu đỏ (hiển thị 
điện áp, dòng điện, công suất, điện năng).
• Chức năng giao tiếp nối tiếp (có thể giao 
tiếp với một loạt các thiết bị đầu cuối thông qua 
các chân, đọc và thiết lập thông số).
Hình 3. Hình ảnh PZEM004T trên thực tế.
2.3. Môđun rơle 4 kênh
Môđun rơle 4 kênh 5V gồm 4 rơle hoạt động tại 
điện áp 5VDC chịu được hiệu điện thế lên đến 
250VAC 10A. Môđun rơle 4 kênh 5V được thiết 
kế chắc chắn, khả năng cách điện tốt. Trên môđun 
đã có sẵn mạch kích rơle sử dụng transistor và IC 
cách ly quang giúp cách ly hoàn toàn mạch điều 
khiển (vi điều khiển) với rơle bảo đảm vi điều 
khiển hoạt động ổn định và tiện dụng khi kết nối 
với vi điều khiển. Môđun rơle 4 kênh sử dụng 
chân kích mức thấp (0V), khi có tín hiệu 0V vào 
chân IN thì rơle sẽ nhảy qua thường hở của rơle.
Hình 4. Môđun rơle 4 kênh.
2.4. Tổng thể phần cứng
Sau khi thiết kế sơ đồ lắp ráp chi tiết, tác 
giả tiến hành lắp ráp hệ thống thực nghiệm như 
hình 5.
85
QUY NHON UNIVERSITY
SCIENCEJOURNAL OF
Journal of Science - Quy Nhon University, 2020, 14(1), 79-86
5. KẾT LUẬN
Hệ thống giám sát điện năng: Áp dụng cho phụ 
tải điện hạ áp 220VAC thiết kế trong bài báo này 
có thể thực hiện các chức năng giám sát trong 
thời gian thực các thông số: điện áp, dòng điện, 
Hình 10. Kết quả thông số mạch tải 2.3 ở vị trí 2 hiển thị trên Thingspeak.
Hình 9. Kết quả giám sát thông số mạch nguồn ở vị trí 2 hiển thị trên Thingspeak.
công suất tác dụng, điện năng tiêu thụ, bằng 
cách hiển thị thông số lên màn hình PZEM004T, 
có thể giám sát ở nhiều vị trí và có thể giám sát 
thông số thông qua máy tính hoặc smartphone 
có kết nối với hệ thống thông qua phương thức 
86
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN
KHOA HỌCTẠP CHÍ
Tạp chí Khoa học - Trường Đại học Quy Nhơn, 2020, 14(1), 79-86
truyền thông mạng Internet Wifi. Do đó, khách 
hàng có thể truy cập ở bất kỳ nơi nào, bất kỳ thời 
điểm nào miễn là có thể truy cập được Internet, 
3G, 4G thì người vận hành có thể quản lý và giám 
sát hệ thống của mình. Với tính theo dõi lượng 
điện năng tiêu thụ của phụ tải, xuất báo cáo các 
thông số đo được đến khách hàng sử dụng điện. 
Các kết quả trên màn hình giám sát được hiển thị 
dưới đồ thị để giúp khách hàng dễ dàng theo dõi 
tình trạng làm việc của hệ thống được cập nhật 
liên tục theo thời gian thực.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Bùi Đăng Thảnh, Giang Hồng Quân, Nguyễn 
Hoàng Nam. Lưới điện thông minh và khả năng 
ứng dụng ở Việt Nam, Tạp chí tự động hóa ngày 
nay, 2016, 178-179.
2. Nguyễn Đức Khoát, Khổng Cao Phong. Hệ 
thống quản lý & giám sát tiêu thụ điện năng, Tạp 
chí tự động hóa ngày nay, Số 153 (10/2013).
3. Nguyễn Trung Kiên. Xây dựng hệ thống điều 
khiển giám sát, luận văn thạc sĩ, Trường ĐHBK 
Hà Nội, 2013.
4. Thiều Minh Đức, Nguyễn Hoàng Nam, Bùi 
Đăng Thảnh, Nguyễn Huy Phương, Trịnh Công 
Đồng. Ứng dụng kiến trúc mở Arduino trong 
thiết kế thiết bị giám sát điện năng không dây, 
Hội nghị toàn quốc lần thứ 3 về Điều khiển và 
Tự động hóa - VCCA, 2015.
5. Mohannad Jabbar Mnati, Alex Van den Bossche 
and Raad Farhood Chisab. Smart Voltage 
and Current Monitoring System for Three 
Phase Inverters Using an Android Smartphone 
Application, Sensors 2017, 17(4).
6. P. Srividyadevi, D.V. Pusphalatha and P.M. 
Sharma. Measurement of Power and Energy 
Using Arduino, Research Journal of Engineering 
Sciences, 2013, 2(10), 10-15.
7. K. N. Ramli, A. Joret and N. H. Saad. 
Development of Home Energy Management 
System Using Arduino, 2014.
8. P.P. Machado Jr, T.P. Abud, M.Z. Fortes, 
B.S.M.C. Borba. Power factor metering system 
using Arduino, 2017 IEEE Workshop on Power 
Electronics and Power Quality Applications, 
Bogota, Colombia, 31 May-2 June 2017.