Thiết kế hệ thống quản lý năng lượng điện tiêu thụ công suất thấp và truyền dẫn dữ liệu tin cậy trên lưới điện

qua 2 chân Tx – Rx, đồng thời
các chân B1, B0, Z/N và RST được nối với các chân D2 – 5 của board Arduino để thiết
lập cấu hình, riêng chân E/N do luôn kéo xuống mức thấp (không kiểm tra parity, do
đã có mã kiểm tra lỗi CRC) nên được nối xuống GND để trống 1 chân D6 của board
Arduino dùng để điều khiển relay đóng ngắt điện.
Các chân điều khiển CLK, Din, D/C, RST của LCD được nối với các chân D7 – 10
của board Arduino và mỗi chân đều có qua 1 trở 4.7K để hạn dòng, chân CE luôn là
mức thấp nên được nối thẳng xuống GND, chân BL nối chung với chân Vin được cấp
nguồn 3.3V của LCD để đèn nền luôn luôn sáng khi được cấp điện.
Module PZEM-004 giao tiếp với vi điều khiển qua cổng Serial ảo mở rộng nên được
93
Chuyên san Công nghệ thông tin và Truyền thông - Số 10 (06-2017)
Hình 5. Sơ đồ kết nối phần cứng tại bộ Client
nối với 2 chân D11 (xem như Rx) và D12 (xem như Tx) của board Arduino. 2 chân L,
N được nối thẳng với dây điện 220V AC và 2 chân còn lại của module được nối với
1 cuộn cảm biến dòng. Cảm biến dòng này sẽ dùng để đo thông số điện của tải xoay
chiều khi được cắm vào ổ cắm đã được gắn sẵn.
Đầu tiên vi điều khiển sẽ khai báo các thư viện cần dùng, thiết lập và cấu hình
cho module PLC, PZEM-004 và LCD. Kế đến, vi điều khiển sẽ gửi lệnh yêu cầu đến
module PZEM-004 và nhận về các giá trị U, I, P và E sau đó hiển thị ra LCD. Tiếp
theo sẽ kiểm tra trạng thái của relay đang là đóng hay ngắt dựa trên giá trị P đo được
(nếu đang ngắt, P = 0) và gán giá trị tương ứng cho biến trạng thái là 1 hoặc 0. Sau đó
vi điều khiển sẽ kiểm tra xem có dữ liệu gửi đến không, nếu sai sẽ kết thúc và quay
lại vòng lặp, nếu đúng có dữ liệu gửi đến vi điều khiển sẽ kiểm tra CRC xem dữ liệu
đó có đúng hay không. Nếu gói tin sai sẽ kết thúc và quay lại vòng lặp, nếu gói tin yêu
cầu là đúng sẽ thực hiện đóng ngắt relay dựa theo biến trạng thái và lệnh yêu cầu (ví
dụ: biến trạng thái = 0, tức relay đang ngắt, nếu có lệnh yêu cầu đóng relay thì mới
thực hiện, nếu yêu cầu ngắt relay thì bỏ qua không thực hiện). Cuối cùng vi điều khiển
sẽ tạo gói tin dữ liệu có kèm mã CRC để gửi lên cho Server, kết thúc và quay lại vòng
lặp mới.
94
Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật - Học viện KTQS - Số 184 (06-2017)
Hình 6. Lưu đồ chương trình trên vi điều khiển tại bộ Client
3.2. Bộ server
Dữ liệu được thu thập từ các bộ thu Client được truyền về cho bộ điều khiển trung
tâm Server, sau đó cần phải đưa lên web server để có thể dễ dàng theo dõi và quản lý.
Vi điều khiển trung tâm sẽ thực hiện các tác vụ gửi gói tin yêu cầu dữ liệu và nhận dữ
liệu gửi về từ bộ thu Client thông qua module HL-PLC. Vi điều khiển được sử dụng là
Arduino Nano và module HL-PLC đã được giới thiệu giống như ở bộ thu Client. Việc
đưa dữ liệu lên web server chỉ với Arduino sẽ không thể làm được, chính vì vậy cần
phải có một module giao tiếp internet và module chúng tôi sử dụng trong hệ thống này
đó chính là ESP8266 v1.
Module HL-PLC giao tiếp với vi điều khiển thông qua 2 chân Tx – Rx, đồng thời
các chân B1, B0, E/N, Z/N và RST được nối với các chân D2 – 6 của board Arduino
để thiết lập cấu hình. Module ESP8266 giao tiếp với vi điều khiển qua cổng Serial ảo
mở rộng nên được nối với 2 chân D11 (xem như Rx) và D12 (xem như Tx) của board
Arduino, còn chân CH_PD được nối với chân D7 để điều khiển bật phát Wi-Fi.
Hình 8 chỉ ra lưu đồ giải thuật của vi điều khiển tại server. Đầu tiên vi điều khiển
cũng sẽ khai báo các thư viện cần dùng, thiết lập và cấu hình cho module PLC, sau đó
là ESP8266 để kết nối tới modem Wi-Fi. Kế đến vi điều khiển sẽ tạo gói tin yêu cầu
có kèm mã CRC và lần lượt gửi gói tin đó cho các Client. Tiếp theo vi điều khiển sẽ
kiểm tra xem có dữ liệu từ Client gửi lên không, nếu sai sẽ kết thúc và quay lại vòng
lặp, nếu đúng có dữ liệu gửi đến vi điều khiển sẽ kiểm tra CRC xem dữ liệu đó có
đúng hay không. Nếu gói tin dữ liệu đúng thì sẽ cập nhật các giá trị E và trạng thái
đóng ngắt của Client, sau đó gửi lên web server qua ESP8266. Nếu dữ liệu sai vi điều
95
Chuyên san Công nghệ thông tin và Truyền thông - Số 10 (06-2017)
Hình 7. Sơ đồ kết nối phần cứng tại bộ Server
Hình 8. Lưu đồ trên vi điền khiển tại bộ Server
khiển cũng sẽ gửi lên web server nhưng là gửi dữ liệu đúng trước đó chứ không cập
nhật giá trị mới. Cuối cùng kết thúc chương trình và quay lại vòng lặp mới.
96
Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật - Học viện KTQS - Số 184 (06-2017)
4. Kết quả nghiên cứu
4.1. Sản phẩm thực tế và giao diện phần mềm
Hình ảnh mạch bên trong của các bộ Server và Client: Giao diện website được thiết
kế theo xu hướng phẳng nên đơn giản và khá bắt mắt, website bao gồm các trang:
Home, Data, Control, About us như trong hình 10.
(a) . (b) .
Hình 9. (a) Mạch bên trong bộ Server (b) Mạch bên trong bộ Client
Home: là giao diện ban đầu khi người dùng truy cập vào website. Data: Ở trang này
có một bảng giám sát năng lượng tiêu thụ của khách hàng bao gồm các thông tin như:
tên khách hàng, thời gian cập nhật mới nhất, năng lượng tiêu thụ, và tổng tiền.
(a) . (b) .
Hình 10. (a) Trang giám sát năng lượng tiêu thụ của các Client (b) Trang điều khiển đóng ngắt điện
cho các Client
Control: Trang này có các nút nhấn ON, OFF để điều khiển đóng ngắt điện của khách
hàng khi cần thiết, đồng thời người quản lí cũng biết được trạng thái mạng điện phía
dưới khách hàng đang ở trạng thái ON hay OFF nhờ vào dữ liệu được gửi lên từ bộ
Client. About us: Trang này hiểu thị thông tin của hệ thống giám sát.
97
Chuyên san Công nghệ thông tin và Truyền thông - Số 10 (06-2017)
4.2. Hoạt động thực tế và khảo sát
4.2.1. Đo dạng sóng của gói tin: Kết quả đo dạng sóng thu được khi nối chân Tx của
PLC (Rx Arduino) với oscilloscope (máy đo sóng) ta được kết quả như hình sau, trong
trường hợp truyền ký tự “U” theo bảng mã ASCII (55H) ở hình 11 (a).
(a) . (b) .
Hình 11. a) Dạng sóng thu được khi truyền ký tự “U” (ASCII. (b) Dạng sóng thu được khi truyền ký tự
“a” (ASCII)
Đầu tiên là bit start luôn bằng 0 ở đầu frame (bắt đầu ngoài cùng bên trái). Kế đến
là 8 bit data tương ứng với mã ASCII 55H (LSB - 10101010 - MSB) của ký tự U. Tiếp
theo là bit parity, trong trường hợp này bit data có 4 bit 1 nên với parity chẵn, bit parity
bằng 0. Cuối cùng là bit stop luôn bằng 1 để kết thúc frame. Một kết quả đo khác,
trường hợp này chúng tôi truyền ký tự “a” có mã ASCII là 61H (LSB - 10000110 -
MSB). Trường hợp này trong bit data có 3 bit 1 nên với parity chẵn, bit parity bằng 1.
Kết quả dạng sóng thu được như hình 11 (b). Phân tích từ hai kết quả trên có thể rút
ra kết luận rằng kết quả dạng sóng hoàn toàn đúng với lý thuyết về cấu trúc frame dữ
liệu khi truyền theo chuẩn UART.
4.2.2. Khảo sát hiệu suất truyền và phát hiện lỗi: Để kiểm tra hiệu suất truyền của hệ
thống sử dụng giao thức truyền dữ liệu tin cậy, chúng tôi đã thực hiện khảo sát như
sau:
• Ở bộ Server sẽ gửi một gói tin yêu cầu xuống cho bộ Client, bộ Client sẽ kiểm
tra CRC xem gói tin có đúng không, nếu gói tin đúng sẽ gửi dữ liệu lại cho bộ Server,
nếu gói tin sai sẽ không làm gì cả và quá trình truyền nhận đó xem như gói tin bị sai
ở bộ Client.
• Bộ Server khi nhận được gói tin dữ liệu từ bộ Client sẽ kiểm tra CRC. Nếu gói tin
dữ liệu là đúng thì cả quá trình truyền nhận đã thành công, nếu gói tin bị sai thì quá
trình truyền nhận đó xem như gói tin bị sai ở bộ Server. Mỗi lần thử bộ Server sẽ gửi
gói tin yêu cầu 100 lần, khoảng cách truyền là 100m trên đường dây điện xoay chiều
220V. Kết quả 10 lần thử được ghi lại ở Bảng 1:
Ở bảng 1 dấu * thể hiện tỉ lệ truyền nhận thành công = Gói tin dữ liệu đúng.
98
Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật - Học viện KTQS - Số 184 (06-2017)
Bảng 1. Số liệu khảo sát hiệu suất truyền của hệ thống
Lần thử Gói tin Server nhận được Gói tin dữ liệu đúng* Sai ở Client Sai ở Server
1 97 92 3 5
2 97 94 3 3
3 98 89 2 9
4 96 88 4 8
5 94 89 6 5
6 99 90 1 9
7 97 89 3 8
8 95 87 5 8
9 99 93 1 6
10 97 89 3 8
Từ kết quả thu được, có thể thấy hiệu suất truyền của hệ thống có thể đạt từ 88%
đến 94%. Tỉ lệ truyền nhận thành công của cả quá trình truyền nhận chính bằng số gói
tin dữ liệu đúng mà bộ Server nhận được. Hệ thống được xây dựng dựa trên giao thức
truyền nhận “yêu cầu-thực thi”, có nghĩa rằng khi server yêu câu client gởi dữ liệu, thì
client sẽ gởi dữ liệu theo yêu cầu này Quá trình truyền nhận không thành công xảy ra
do 2 trường hợp:
• Gói tin yêu cầu của Server gửi xuống cho Client nhưng bị sai nên Client sẽ không
gửi dữ liệu lại cho Server. Khi đó, server sẽ gởi lại một request kế tiếp để yêu cầu
client gởi dữ liệu lên.
• Client nhận được gói tin yêu cầu đúng, sau đó gửi lại gói tin dữ liệu cho Server
nhưng gói tin dữ liệu bị sai.
Để đánh giá độ tin cậy của hệ thống đề xuất, hình 12 trình bày tỉ lệ nhận thành
công của quá trình truyền nhận các gói tin. Ở đây, tổng số gói tin thực hiện kiểm tra
hệ thống lên tới 50× 100(gói tin/lần)=5000 gói tin, với xác suất nhận thành công trung
bình 91.3% như hình 12. Việc tăng lên năm ngàn gói tin gởi đi như vậy, tỉ lệ thành
truyên nhận thành công đạt trung bình 91.3% như trên, hệ thống có độ tin cậy rất cao.
Tỉ lệ phát hiện lỗi đạt tối đa 100% nhờ vào mã kiểm tra lỗi CRC khi tất cả các gói
tin bị sai đều bị loại bỏ, chỉ những gói tin đúng mới được vi điều khiển chấp nhận.
Cùng quá trình truyền nhận như trên, nếu không có mã kiểm tra lỗi CRC thì vi điều
khiển sẽ chấp nhận tất cả các gói tin Server nhận được mà không biết trong đó có cả
những gói tin mà dữ liệu đã bị sai.
4.2.3. Công suất tiêu thụ của các module: Chúng tôi đã đo đạc và tính toán công suất
tiêu thụ của các module sử dụng trong bộ Server và các bộ Client, từ đó có thể tính
toán các chi phí tiêu hao do chính hệ thống gây ra. Kết quả được ghi lại trong Bảng 2:
Từ kết quả ở Bảng 2, có thể tính được công suất tiêu thụ của bộ Server (gồm
các module PLC, Arduino, ESP8266) là 0.655W và bộ Client (gồm các module PLC,
Arduino, PZEM-004, relay, LCD) là 0.453W, suy ra năng lượng tiêu thụ của bộ Server
và Client trong 1 tháng lần lượt là 0.472 kWh và 0.326 kWh.
99
Chuyên san Công nghệ thông tin và Truyền thông - Số 10 (06-2017)
Hình 12. Tỉ lệ truyền nhận thành công theo số lần thử, với 100 gói tin/lần thử.
Bảng 2. Công suất tiêu thụ của các module
Module
Dòng tiêu
thụ trung bình
(mA)
Điện áp
hoạt động
(V)
Công suất tiêu
thụ trung bình
(W)
HL-PLC 13 12 0.156
Arduino Nano 20.5 9 0.185
ESP8266 95 3.3 0.314
PZEM-004 14 5 0.07
LCD 5 3.3 0.017
Relay 5 5 0.025
Với kết quả như trên, có thể thấy hệ thống được thiết kế tiêu thụ năng lượng rất thấp,
có thể áp dụng vào thực tế mà không phải lo về vấn đề lãng phí điện năng do chính
hệ thống gây ra.
4.2.4. So sánh giữa các phương án thiết kế: Dựa trên những kết quả đo đạc thực tế,
chúng tôi đã so sánh với những phương án thiết kế hệ thống quản lí năng lượng khác,
và kết quả rút ra đã chứng minh được hệ thống của chúng tôi tích hợp những tính năng
tốt hơn và vượt trội so với những hệ thống khác được so sánh ở đây.
Tại bảng 3 dấu* thể hiện chỉ tính công suất tiêu thụ của bộ điều khiển trung tâm
Server, chưa tính công suất tiêu thụ của modem Wi-Fi (khoảng 5W). Trong bảng 3,
thiết kế của chúng tôi sử dụng phương tiện truyền dẫn dữ liệu trên lưới điện đạt khả
năng 100% phát hiện lỗi gói tin với công suất tiêu thụ rất thấp khoảng 0.655W so với
156W của các phương pháp quản lý năng lượng khác. Hệ thống thiết lập đơn giản, với
khả năng mở rộng mạng không giới hạn. Hệ thống có khả năng giám sát công suất tiêu
thụ với phần mềm điều khiển dùng trình duyệt web, công suất nhỏ nhất đo được dưới
1W.
100
Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật - Học viện KTQS - Số 184 (06-2017)
Bảng 3. So sánh giữa các phương pháp thiết kế hệ thống quản lý năng lượng
Thiết kế 1
[5]
Thiết kế 2
[6]
Thiết kế 3
[7]
Thiết kế của
chúng tôi
Phương pháp
truyền dẫn RF PLC Ethernet PLC
Server X PC PC Bộ Server
Công suất tiêu thụ
của server X 156W 156W 0.655W*
Thiết lập Phức tạp Phức tạp Đơn giản Đơn giản
Khả năng mở rộng Giới hạn Giới hạn Giới hạn Không giới hạn
Giám sát
công suất tiêu thụ X Có X Có
Phần mềm
điều khiển Điều khiển tại chỗ Phần mềm riêng Phần mềm riêng Trình duyệt web
Công suất
nhỏ nhất đo được X Khoảng 5W Khoảng 5W Khoảng 1W
5. Kết luận
Ưu điểm của hệ thống là chi phí thiết kế khá rẻ, tiêu thụ năng lượng thấp và đáp
ứng được đầy đủ các tính năng. Các thông số điện đo đạc được sát với thực tế. Dữ liệu
truyền nhận giữa các Client và Server có độ tin cậy cao nhờ vào giao thức truyền nhận
dữ liệu tin cậy. Công suất tiêu thụ thấp 0.655W nên không gây lãng phí vào việc lắp
đặt thêm vào hệ thống. Website được thiết kế đơn giản, giao diện dễ sử dụng. Khoảng
cách truyền nhận mà nhóm đo ổn định giữa các module PLC khoảng 100m, tuy nhiên
khoảng cách truyền có thể cải thiện bằng cách sử dụng các module cải tiến có khả năng
truyền xa hơn. Với mong muốn tạo ra một sản phẩm có tính thương mại, nhóm nghiên
cứu sẽ khắc phục những khuyết điểm đồng thời phát triển thêm những tính năng mới
để có thể cạnh tranh trên thị trường như cải tiến các module thành một mạch tích hợp
để sản phẩm có thể nhỏ gọn hơn. Sử dụng module PLC tốt hơn, đáp ứng khả năng
truyền nhận dữ liệu ổn định hơn ở khoảng cách xa hơn. Sử dụng relay có công suất
cao hơn để có thể áp dụng được cho các hộ gia đình, chung cư, các nhà máy, xí nghiệp
v.v. Phát triển thêm ứng dụng giúp giám sát thông số điện trên smartphone khi mà điện
thoại thông minh đang ngày trở nên phổ biến.
Tài liệu tham khảo
[1] Ang Kim Siong, Design and Development of a Power Line Communication System, The University Of Newcastle
Australia, 2010.
[2] Phil Sutterlin and Walter Downey A Power Line Communication Tutorial - Challenges and Technologies, PLC’98,
pp. 15-29.
[3] [3] Chia-Hung Lien, Hsien-Chung Chen, Ying-Wen Bai and Ming-Bo Lin, Power Monitoring and Control for
Electric Home Appliances Based on Power Line Communication, Canada, pp.6, May. 2008.
[4] [4] HL-PLC Datasheet. Available at:  [Ac-
cessed 2017].
[5] T. Shibata, K. Ogawa, H. Takemura and Y. Hatayama, The new architecture that realizes seamless connectivity
and cooperative control for home network systems, in Proc. ICCE ’05, pp. 149-150, 2005.
[6] Chia-Hung Lien, Chi-Hsiung Lin, Ying-Wen Bai, Ming-Fong Liu, and Ming-Bo Lin, Remotely Controllable
Outlet System for Home Power Management, in Proc. ISCE ’06, pp.1-6, 2006.
101
Chuyên san Công nghệ thông tin và Truyền thông - Số 10 (06-2017)
[7] IEEE P802.11, The Working Group for Wireless LANs, retrieved September 20, 2003, Available:
Ngày nhận bài 11-7-2017; Ngày chấp nhận đăng 26-9-2017.

Võ Minh Huân nhận bằng đại học và thạc sỹ chuyên ngành Kỹ thuật Điện Tử Viễn Thông
năm 2005 và 2007 tại Đại học Bách Khoa TPHCM và bằng tiến sỹ tại Đại học Kookmin,
Seoul, Hàn Quốc năm 2013. Tiến sĩ Huân hiện tại là giảng viên, đảm nhiệm chức vụ Phó
trưởng khoa, Khoa Điện Điện Tử Đại học Sư phạm kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Lĩnh
vực nghiên cứu hiện tại về thiết kế vi mạch tích hợp, công nghệ IoT tối ưu công suất thấp.
102