TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
====o0o====

BÁO CÁO ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU BỘ ĐO VÀ THIẾT KẾ MẠCH GIÁM SÁT
NĂNG LƯỢNG TỪ XA”

GVHD: ThS. Nguyễn Trường Giang
Người thực hiện: Nguyễn Hồng Duy
Hoàng Văn Nhật
Trần Thị Ngà

Hà Nội, 10/2016
1


MỤC LỤC

2


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
1. CTS[10] (Clear To Send): DCE báo cho DTE biết nó có thể nhận data, chân số 5
2. DTE[3] (Data Terminal Equipment) :thiết bị cuối xử lý số liệu (hoặc dữ liệu)
3. DCE[6] (Data circuit terminal Equipment):thiết bị làm nhiệm vụ nối các DTE với
các đường truyền thông
4. DTR[7] (Data Terminal Ready): tín hiệu báo hiệu của DTE cho DCE biết DTE hoạt
động, chân số 20

5. DSR[8] (Data Set Ready): tín hiệu báo hiệu của DCE cho DTE biết DCE hoạt động,
chân số 6
6. I2C[12]( Inter – Intergrated Circuit): đường Bus giao tiếp giữa các IC với nhau, sử
dụng cho truyền thông tốc độ thấp.
7. I2S[14]:( Inter Intergrated _ circuit Sound): sử dụng cho truyền thông nối tiếp đồng
bộ , của các dữ liệu âm thanh giữa các ADC , DSP , DAC nó không phải là đường bus
, nó là điểm tới điểm
8. NFC[2] (Near-Field Communications):công nghệ kết nối không dây trong phạm vi
tầm ngắn trong khoảng cách 4 cm.
9. PLC[4] (Programmable logic Controller): thiết bị điều khiển lập trình được
10. PC[5] (Personal Computer): Máy tính cá nhân
11. RFID[1]: (Radio Frequency Identification): công nghệ nhận dạng đối tượng bằng
sóng vô tuyến.
12. RTS[9] (Request To Send): DTE báo cho DCE biết nó có thể nhận data, chân số 4
13. RAM[32]( Random Access Memory): bộ nhớ khả biến cho phép đọc ghi ngẫu
nhiên
14. ROM[33( Read Only Memory): Bộ nhớ chỉ đọc.
15. SPI[11] (Serial Peripheral Bus): một chuẩn truyền thông nối tiếp tốc độ cao
16. TCP/IP[13]: giao thức kiểm soát truyền tải (Transmis sion Control Protocol)-giao
thức internet ( Internetn protocol –IP)
17. TTL[34]( Transistor- Transistor Logic): Là một lớp mạch kỹ thuật số được xây
dựng từ các transistor lưỡng cực( BJT).
18. UART[11] (Universal Asynchronous Receiver – Transmitter): một mạch tích hợp
được sử dụng trong việc truyền dẫn dữ liệu nối tiếp giữa máy tính và các thiết bị ngoại
vi
3


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 2.1: Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa qua sóng vô tuyến RF

Hình 2.2: Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa sử dụng hệ thống dây
điện có sẵn PLC (Power Line Communication)
Hình 2.3: Ghép nối trực tiếp
Hình 2.4 hình ảnh modul wifi ESP 8266 V12
Hình 2.5 Sơ đồ khối của ESP8266
Hình 2.6 Sơ đồ chân ra của ESP8266
Hình 2.7 : Sơ đồ chân ngõ ra ESP-12
Hình 2.8 Đồng hồ PZEM-004T
Hình 2.9 Sơ đồ đấu nối dây đồng hồ Pzem-004T
Hình 2.10: Phần mềm Blynk được cài trên IOS, Android
Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý làm việc của Blynk
Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống
Hình 3.2: Sơ đồ đấu dây và phụ tải
Hình 3.3: Đồng hồ PZEM-004T hiển thị các thông số trong quá trình đo.
Hình 3.4: Sơ đồ đấu nối giao tiếp giữa PZEM-004T và ESP8266
Hình 3.5: Sơ đồ chuyển đổi giữa Blynk và ESP 8266
Hình 3.6: Màn hình hiển thị các thông số đã thu thập được trên app Blynk
Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý module thu, phát dữ liệu ESP 8266
Hình 3.8: Sơ đồ đi dây
Hình 3.9: Mạch in 3D
Hình 3.10: Mạch in file PDF
Hình 3.11: Sản phẩm hoàn thiện

4


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Chức năng các chân ESP 8266
Bảng 2.2: Mô tả giao tiếp
Bảng 2.3: Thông số chung

Bảng 2.4: Chế độ hoạt động các chân

5


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu chúng em xin chân thành cám ơn Th.s: Nguyễn Trường Giang –
Trưởng Phòng Thí Nghiệm Bộ Môn Kỹ thuật điện – Điện tử Trường Đại H ọc M ỏ Địa chất, người thầy đã hết lòng chỉ dẫn, truyền đạt những ki ến th ức chuyên môn
cũng như những kinh nghiệm liên quan cho chúng em trong su ốt quá trình nghiên
cứu đề tài này.
Xin chân thành cám ơn đến tất cả Quý Thầy, Cô nhà trường nói chung và
các thầy cô bộ môn Kỹ thuật điện – Điện tử nói riêng của Trường Đại Học M ỏ Đị a ch ấ t đã giảng dạy, trang bị cho cho chúng em những kiến thức rất bổ ích và
quí báu trong suốt quá trình học tập để chúng em có thể áp dụng nghiên cứu
hoàn thành đề tài này.
Xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu, Ban chủ nhiệm khoa Cơ - Điện,
B ộ môn Kỹ thu ậ t đi ệ n – Đi ệ n t ử Trường Đại Học Mỏ - Địa chất đã tạo
những điều kiện tốt nhất về vật chất lẫn tinh thần để chúng em hoàn thành tốt
đề tài này.

6


LỜI CAM ĐOAN
Chúng em xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng chúng em
do sự cố gắng của các thành viên trong nhóm đạt được. Các số liệu, kết quả
nêu trong đề tài là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
Chúng em xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện đề
tài này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong đề tài đã được chỉ rõ
nguồn gốc.


7


LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay với sự phát triển không ngừng của khoa học kĩ thu ật, đã làm cho
cuộc sống của chúng ta ngày càng được nâng cao về m ọi m ặt c ả trong sinh ho ạt
hàng ngày cũng như trong sản xuất. Với xu hướng tự động hoá và mục tiêu tăng
năng suất lao động nhiều thiết bị máy móc và các mạch đi ện tử đã đ ược nghiên
cứu cho ra đời để ứng dụng vào trong thực tế. Với sự ra đ ời của các m ạch đi ện
tử đã làm tăng đáng kể năng suất lao động và làm gi ảm sức lao đ ộng c ủa con
người trong quá trình sản xuất. Vì vậy, những ứng dụng mang tính tự động ngày
càng được sử dụng rộng rãi. Trong đó có sự đóng góp không nhỏ của lĩnh vực
công nghệ thông tin, internet, điện tử truyền thông, nó tạo m ối liên k ết gi ữa các
máy tính với nhau cũng như liên kiết với các mạch điện tử và vi đi ều khi ển đ ể
điều các thiết bị đối tượng từ xa như điều khiển robot, điều khi ển tivi,vv…. Các
ứng dụng liên kết internet với các bộ vi đi ều khi ển liên tục đ ược c ải ti ến và s ử
dụng ngày càng phổ biến ở mọi mặt của đời sống xã hội. Hầu h ết các thi ết b ị
được ứng dụng hiện nay từ thiết bị tự động cho văn phòng đến gia đình hay nhà
xưởng đều có thể dùng các thiết bị điều khiển từ xa đem lại s ự ti ện nghi cho con
người trong thời đại công nghiệp hóa, hiện đại hóa.

8


CHƯƠNG 1 :TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
1.1. Lý do chọn đề tài
Năng lượng điện là một nguồn năng lượng được sản xuất từ việc chuy ển đổi
một nguồn năng lượng khác như: nước, than đá, dầu, khí tự nhiên và m ột s ố
nguồn tự nhiên khác và được cung cấp bởi một trạm phát đi ện sau đó được

truyền đi qua dây đồng tùy thuộc vào khoảng cách dài hay ngắn đ ể s ử d ụng đi ện
được triệt để.
Năng lượng điện còn được coi là nguồn năng lượng quan trọng của ngành
công nghiệp, dịch vụ, của các tổ chức và hộ gia đình vừa là ngành sản xuất vừa
là ngành kết cấu hạ tầng cho toàn bộ nền kinh tế - xã hội, Chính vì vậy ngành
năng lượng có ý nghĩa quan trọng trong tiến trình phát triển bền vững của
kinh tế quốc dân và đời sống dân sinh Trong thế giới công nghệ cao ngày nay,
năng lượng điện được sử dụng ở khắp mọi nơi xung quanh chúng ta.
Tuy nhiên đang hiện hữu một thực tế nguồn năng lượng truyền thống
đang cạn kiệt dần tỷ lệ thuận với tốc độ phát triển kinh tế cùng với đó hàng
năm ngành điện ở nước ta bỏ ra 1 số tiền không nhỏ để chi trả cho công việc
ghi chỉ số, sửa công tơ điện mà cần 1 cái thang và ít nh ất là 2 công nhân th ực
hiện . Nhiều công đoạn trong sản suất và kinh doanh v ẫn còn thô s ơ, t ốn nhi ều
nhân công là một trong những nguyên nhân khiến năng suất lao đ ộng ngành
điện Việt Nam chỉ bằng 40% Thái Lan , 60% Malaysia và th ậm chí 10%
Singapore.
Với công nghệ lạc hậu, thiết bị cũ kỹ, ý thức tiết kiệm trong sử dụng
năng lượng của từng đơn vị và cá nhân trong xã hội chưa thành tiềm thức, tự
giác là các nguyên nhân dẫn đến hiệu quả sử dụng năng lượng của nước ta còn
rất thấp.
Đối với nguồn năng lượng điện hiện nay, công tác kiểm tra mức tiêu thụ
điện năng của khách hàng cũng như các doanh nghiệp vẫn sử dụng ph ương pháp
thủ công. Phương pháp này bộc lộc khá nhiều nhược điểm như: mất nhi ều th ời
gian, trong một thời điểm không thể kiểm soát được mức tiêu thụ điện năng của
9


các hộ tiêu thụ cũng như của các doanh nghiệp, không ki ểm soát đ ược m ức tiêu
thụ ở các pha, do đó gây khó khăn trong việc xây dựng kế hoạch cân b ằng pha
trong tương lai, khó phát hiện được các hành vi gian lận điện năng.

Vấn đề “cái thang và đọc số điện” chỉ là một trong s ố vấn đề mà ngành đi ện
cần giải quyết.Ngoài ra còn rất nhiều vấn đề của ngành điện và các doanh
nghiệp còn đang gặp phải như:
- Làm thế nào giảm thiểu nhân công mà năng suất vẫn đảm bảo.
- Làm thế nào quản lý, vận hành khoa học.
- Làm thế nào nâng cao hiệu quả làm việc của các thiết bị.
- Giảm lãng phí,hao hụt.
- Minh bạch trong đo lường,độ chính xác cao.
- Đảm bảo an toàn lao động.
Đó là 1 vấn đề mà ngành điện Việt Nam cũng như các doanh nghi ệp trong và
ngoài nước đang rất quan tâm.
Với mong muốn giải quyết được phần nào những khó khăn và tìm ra m ột
hướng đi mới cho ngành điện Việt Nam, nhóm chúng em đã bắt tay vào nghiên
cứu và thực hiện đề tài:
“ NGHIÊN CỨU BỘ ĐO VÀ THIẾT KẾ MẠCH GIÁM SÁT NĂNG LƯỢNG TỪ XA”
1.1.1. Giám sát năng lượng.
Giám sát năng lượng là việc kiếm soát theo dõi các thông s ố năng lượng để
tổ chức thực hiện sử dụng năng lượng một cách tiết kiệm và hiệu quả nhằm
đạt được lợi nhuận cao nhất (chi phí thấp nhất) .Sử dụng năng lượng tiết
kiệm và hiệu quả không đồng nghĩa với việc cắt giảm năng lượng dù bị thiếu
hụt. Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả là việc áp dụng các biện pháp
quản lý và kỹ thuật nhằm giảm tổn thất, giảm mức tiêu thụ năng lượng của
phương tiện, thiết bị mà vẫn đảm bảo nhu cầu, mục tiêu đặt ra đối với quá
trình sản xuất và đời sống.
1.1.2. Tầm quan trọng của Quản lý và giám sát năng lượng.
Quản lý và giám sát năng lượng là chìa khóa để tiết kiệm năng lượng trong
Các tổ chức thương mại, công nghiệp và chính phủ, trong những năm gần đây
10



đang phải chịu những áp lực to lớn về kinh tế và môi trường..
Giám sát và quản lý năng lượng giúp giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa
thạch đang ngày càng trở nên cạn kiệt. Khi tiêu thụ nhiều năng lượng doanh
nghiệp cũng như các hộ gia đình sẽ phải đối mặt với tình trạng thiếu nguồn
cung cấp nghiêm trọng kèm theo nguy cơ tăng giá năng lượng dẫn đến ảnh
hưởng đến lợi nhuận của tổ chức, bằng việc quản lý năng lượng doanh nghiệp
và các hộ gia đình có thể giảm nguy cơ này bằng cách giảm và kiểm soát nhu
cầu năng lượng.
Quản lý năng lượng nhằm hướng đến thực hiện chính sách sử dụng năng
lượng tiết kiệm và hiệu quả tại cơ sở, nhà máy. Từ đó quản lý, theo dõi được
tình hình tiết kiệm điện trên dây truyền sản xuất giúp cho doanh nghiệp từng
bước kéo giảm hiệu quả việc đầu tư vào giá thành cho sản phẩm.
1.1.3. Lợi ích đem lại khi sử dụng hệ thống giám sát và quản lý năng lượng.
 Giảm thời gian, chi phí nhân công để ghi lại dữ liệu từ các đồng hồ đo,
nhập vào file excell tạo báo cáo mỗi tháng.
 Giảm được sai sót trong quá trình thu thập dữ liệu bằng tay, tăng độ
chính xác trong đo lường.
 Kiểm soát dữ liệu điện năng liên tục 24 giờ tại bất kỳ trạm làmviệc nào.
 Khả năng đáp ứng nhanh với bất kỳ sự cố điện nào thông qua các
cảnh báo.
 Giảm thời gian xử lý sự cố do dữ liệu được thu thập đầy đủ, chụp
được dạng sóng của nguồn điện khi sự cố xảy ra.
 Ngăn ngừa khả năng bị điện lực phạt do cosφ thấp nhờ các báo động.
 Có khả năng tạo các báo cáo về điện năng tiêu thụ ở dạng bảng, dạng
đồ thị, xuất ra file Excell để so sánh độ chuẩn xác với hóa đơn điện l ực
báo về hàng tháng.
- Đây là một trong những đề tài đang được tìm hiểu và nghiên cứu rất nhi ều đ ể
đưa ra giải pháp giúp ngành điện Việt Nam giải quyết được những khó khăn nêu
trên.


11


Đề tài của chúng em nghiên cứu dưới sự giúp đ ỡ và hướng d ẫn của th ầy Th.S.
Nguyễn Trường Giang cùng sự tham gia của tất cả các thành viên trong nhóm
nhằm tạo ra được sản phẩm mạch điều khi ển hoàn thi ện cuối cùng có tính ứng
dụng cao.
Mặc dù có sự cố gắng nhưng trong quá trình nghiên cứu và tìm hi ểu, nhóm
em không thể tránh khỏi các sai sót vì thiếu kinh nghi ệm cũng nh ư ki ến th ức còn
nhiều hạn chế. Mong các thầy, cô xem xét và đóng góp ý ki ến để đề tài của nhóm
em có thể hoàn thiện hơn.

1.2. Mục tiêu của đề tài
Nghiên cứu và tìm hiểu công nghệ IOT, từ đó áp dụng xây dựng mô hình h ệ
thống giám sát cũng như điều khiển các thi ết bị từ xa d ựa trên module wifi
ESP8266 V12. Từ đó phát triển cao hơn, đưa bộ điều khiển áp dụng vào thực tế.
Làm quen với việc tính toán thiết kế, chế tạo, nguyên lý hoạt đ ộng c ủa mô
hình và củng cố phần lý thuyết về mạch điện tử, và mạch đi ều khi ển bằng vi
điều khiển.
1.3. Nội dung tìm hiểu đề tài
Trong đề tài ‘‘NGHIÊN CỨU,THIẾT KẾ BỘ ĐO VÀ GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG TỪ
XA”. Chúng em đã thực hiện:
- Tìm hiểu về công nghệ kết nối IoT.
- Các chuẩn truyền thông RS232, UART.
- Modul wifi ESP8266 V12.
- Đồng hồ điện tử PZEM -004T.
- Phần mềm ứng dụng điều khiển, giám sát từ xa (Blynk).
- Tìm hiểu, nghiên cứu các loại linh kiện có trong đề tài.
- Lập trình cho module Wifi ESP8266V12 trên Arduino IDE.
- Thiết kết chế tạo mạch điều khiển giám sát điện năng.

1.4. Phương pháp nghiên cứu

12


Tìm hiểu tham khảo các tài liệu có liên quan về hai mảng chính c ủa đ ề tài:
Cấu trúc mạch và ứng dụng của ESP8266.
Phương pháp thực nghiệm kiểm chứng: Sau khi đã xây dựng xong cơ s ở lý
thuyết của đề tài sẽ tiến hành thử nghiệm sự hoạt động trên các thi ết bị hiện có.
Các bước tiến hành nghiên cứu là tìm hiểu cơ sở lý thuyết v ề vấn đ ề nghiên
cứu, tiến hành thiết kế chương trình điều khiển và mạch điều khi ển, sau đó th ử
nghiệm trên mô hình để đưa ra kết luận.
1.5. Phạm vi nghiên cứu
Trong đề tài này chúng em sẽ đi nghiên cứu sử dụng đồng h ồ đo đi ện năng
kết hợp thiết kế 1 module thu thập dữ liệu và gửi dữ liệu lên phần mềm điều
khiển từ xa (Blynk).
1.6. Phạm vi ứng dụng
Đề tài là mô hình thu nhỏ , tuy nhiên, nó được ứng dụng rộng rãi ở các môi
trường khác nhau như các doanh nghiệp vừa và nhỏ, nhà xưởng, trang trại, h ộ
gia đình…

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN, CÁC THIẾT BỊ
CÔNG NGHỆ ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI VÀ MỘT SỐ PHẦN
MỀM GIÁM SÁT NĂNG LƯỢNG TỪ XA TRONG THỰC TẾ
2.1. Giới thiệu một số hệ thống giám sát năng lượng từ xa trong thực tế
Ngoài đề tài đang nghiên cứu, chúng em cũng đã tham kh ảo và tìm hi ểu
thêm những hệ thống giám sát năng lượng điện đã có trong thực tế.
2.1.1. Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa qua sóng vô tuyến RF

13



Hình 2.1: Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa qua sóng vô tuyến
RF
Hệ thống đọc chỉ số công tơ từ xa bằng sóng vô tuyến RF bao gồm các
khối chức năng sau:
-

Công tơ điện tử có tích hợp tính năng thu phát tín hiệu vô tuyến RF
lắp tại các hộ khách hàng sử dụng điện, có chức năng đo đếm, lưu
trữ năng lượng vào bộ nhớ không dây và truyền về bộ thu thập tín
hiệu di động khi nhận được lệnh.

-

Bộ thu thập tín hiệu di động (Handheld Unit) bao gồm: máy tính cầm
tay (Handheld Unit) được tích hợp module thu phát tín hiệu vô tuy ến
RF bên trong, với chương trình thu thập số liệu do Công ty tự phát
triển. Trên máy tính cầm tay sẽ giúp người ghi ra l ệnh đọc ch ỉ s ố công
tơ trong phạm vi phủ sóng dựa vào danh sách và số khách hàng s ử
dụng điện được kết xuất từ cơ sở dữ liệu kinh doanh điện năng. Toàn
bộ dữ liệu ghi được sẽ được ghép nối vào cơ sơ dư liệu kinh doanh
điện năng một cách tự động mà không cần phải tốn nhiều thao tác th ủ
công như trước đây.

-

Giải pháp này có các ưu điểm:

+ Không phụ thuộc vào khoảng cách, không phụ thuộc vào v ị trí đi ểm

đầu, điểm cuối khi có sự thay đổi về vị trí lắp đặt công tơ.
14


+ Thiết bị modem gọn nhẹ, thông dụng dễ dàng lắp kèm với công tơ.
+ Cước phí tính theo lưu lượng (KB) thấp, rất phù hợp với hệ th ống yêu
cầu truyền theo thời gian thực.
Nhược điểm: Do sử dụng đường truyền không dây, truyền qua mạng di
động, nên tín hiệu có thể bị ảnh hưởng khi thời tiết xấy, do đó cần cân nhắc
chọn dịch vụ của nhà cung cấp mạng có mật độ phủ sóng r ộng, chất l ượng tín
hiệu tốt.
2.1.2. Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa qua bộ truyền tải
tín hiệu thông qua đường dây điện.

Hình 2.2: Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa sử dụng hệ thống
dây điện có sẵn PLC (Power Line Communication )
Công nghệ đo đếm sử dụng công tơ kỹ thuật số truyền thông trên lưới
điện, sử dụng hệ thống dây điện sẵn có để thu thập và xử lý dữ liệu 01
Concentrator dùng cho 1000 công tơ điện, với đầu tư ban đầu rất khiêm tốn,
quá trình lắp đặt dễ dàng và nhanh chóng. Dữ liệu từ các thiết bị này được
truyền về máy tính trung tâm đặt tại các Công ty điện lực các huyện, thành
phố. Với thiết bị thu thập dữ liệu cầm tay (HHU) giúp nhân viên quản lý ngành
điện biết đựợc các thông số từ công tơ điện của khách hàng, đồng thời thiết
bị HHU còn được dùng để lập trình và đọc các số liệu từ các thiết bị tập trung
để đưa vào máy tính. Với bộ server chứa các phần mềm cần thiết cho quá trình
vận hành hệ thống. Nó thu nhận dữ liệu từ các bộ tập trung để sử dụng cho
15


các mục đích quản lý của ngành điện.

Nhận xét: Thiết bị phần cứng còn hạn chế trên thị trường. Các thiết bị vẫn trong
thời gian thử nghiệm, chưa phân phối rộng rãi trên thị trường.
2.2 Tìm hiểu công nghệ IOT (Internet of Things).
Cuối thế kỷ XX - một hệ thống thông tin toàn cầu có thể truy nhập công
cộng gồm các mạng máy tính được liên kết với nhau được gọi là m ạng Internet,
mạng Internet mang lại rất nhiều tiện ích cho người sử dụng , nó chứa m ột
nguồn thông tin khổng lồ kèm theo các dịch vụ ,với khả năng kết nối mở Internet
đã trở thành một mạng lớn nhất trên thế giới ,mạng của các mạng , xuất hi ện
trên mọi lĩnh vực : thương mại ,chính trị , quân sự ,nghiên cứu, giáo dục, văn hóa,
xã hội…. Vào những năm đầu của thế kỷ 21 Internet vào phát tri ển ở Vi ệt Nam
là một bước tiến lớn đưa Việt Nam hòa nhập cùng thế giới..Để các máy tính có
thể liên kết mạng với nhau chúng cần kết nối dây đồng, cáp quang ,… 1997-2000
công nghệ kết nối cục bộ không dây được chuẩn hóa, là một h ệ th ống m ạng
không dây sử dụng sóng vô tuyến , giống như sóng đi ện thoại , truy ền hình ,
radio…Sự ra đời phát triển mạng không dây ngày càng có nhi ều ứng dụng và
mang lại nhiều tiện ích hơn cho người sử dụng . Đặc bi ệt là ứng dụng c ủa nó
trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật với sự ra đời của các thi ết bị thông minh,
Và tất cả sự “ Thông minh” của các vật tạo nên một khái ni ệm “internet of
things” hay IOT, đây là một khái niệm còn mới mẻ trên th ế gi ới tuy nó đã ra đ ời
cách đây khá lâu vào năm 1999 do nhà khoa h ọc Kenvin Ashton . Ông cũng là
người đã sáng lập ra Trung Tâm Auto_ ID ở đại h ọc MIT , n ơi thi ết l ập các quy
chuẩn toàn cầu cho RFID
(một phương thức giao tiếp không dây dùng sóng vô tuyến) cũng như một số
loại cảm biến khác.
Internet of things được hiểu là mạng lưới vạn v ật kết n ối internet dùng
để chỉ các đối tượng có thể nhận biết cũng như chỉ sự tồn tại của chúng trong
một kiến trúc mang tính kết nối. Con người cũng như đ ồ v ật được cung cấp m ột
định danh riêng của mình và tất cả có khả năng truy ền tải thông tin d ữ li ệu qua
một mạng duy nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với
16



người hay người với máy tính. IOT đã phát triền sự hội tụ của công ngh ệ không
dây, công nghệ vi cơ điện tử và internet hay nói đơn giản là một t ập h ợp các
thiết bị có khả năng kết nối với nhau với internet và th ế gi ới bên ngoài đ ể th ực
hiện một công việc nào đó.
Ví dụ: Ví dụ đơn giản như sau: chiếc tủ lạnh thông thường của bạn không
được kết nối với thiết bị nào khác. Nếu chúng ta muốn ghi lại nhiệt độ ở từng
thời điểm của tủ, chúng ta chỉ có cách ghi lại thủ công rồi nhập vào m ột máy tính
hay thiết bị lưu trữ nào đó. Hay như bóng đèn neon ở nhà chẳng hạn, chúng ta
muốn thu thập, điều chỉnh độ sáng của nó thì phải đo thủ công rồi ghi lại..
Điểm quan trọng của IoT đó là các đối tượng phải có thể được nh ận bi ết
và định dạng (identifiable). Nếu mọi đối tượng, kể cả con người, được "đánh
dấu" để phân biệt bản thân đối tượng đó với những thứ xung quanh thì chúng ta
có thể hoàn toàn quản lí được nó thông qua máy tính. Vi ệc đánh dấu (tagging) có
thể được thực hiện thông qua nhiều công nghệ, chẳng hạn như RFID[1], NFC[2],
mã vạch, mã QR, watermark kĩ thuật số... Vi ệc kết n ối thì có th ể th ực hi ện qua
Wi-Fi, mạng viễn thông băng rộng (3G, 4G), Bluetooth, ZigBee, hồng ngoại...
IoT có ứng dụng rộng vô cùng, có thể kể ra một số thư như sau:



Quản lí chất thải



Quản lí và lập kế hoạch quản lí đô thị




Quản lí môi trường



Quản lí các thiết bị cá nhân



Đồng hồ đo thông minh



Tự động hóa ngôi nhà



Quản lý, giám sát năng lượng từ xa.

2.3 Tìm hiểu các tiêu chuẩn truyền dẫn
2.3.1 Giới thiệu về truyền dẫn qua chuẩn RS-232
a) Tổng quan chuẩn RS-232
17


Vấn đề giao tiếp giữa PC và vi điều khiển rất quan trọng trong ứng dụng
điều khiển, đo lường…. Ghép nối qua cổng nối tiếp RS-232 là một trong
những kỹ thuật được sử dụng rộng rãi để ghép nối các thiết bị ngoại với máy
tính. Nó là một chuẩn giao tiếp nối tiếp dùng định dạng không đồng bộ, kết
nối nhiều nhất 2 thiết bị, chiều dài kết nối lớn nhất cho phép để đảm bảo dữ
liệu là 12,5 >25,4m, tốc độ 20kb/s đôi khi là tốt độ 15kb/s với một số thiết bị

đặc biệt
Chuẩn RS232 được nối ra một dắc cắm (gọi là cổng COM). Khi sử dụng có
thể dùng hai hay toàn bộ chân của jắc cắm này, nếu mục đích chỉ truyền hoặc nhận
tín hiệu giữa hai thiết bị thì ta chỉ cần sử dụng hai dây (một dây truyền hoặc nhận và
một dây nối đất). Ý nghĩa của chuẩn truyền thông nối tiếp là trong một thời điểm chỉ
có một bít được gửi đi dọc theo đường truyền. Các máy tính thường có một hoặc
hai cổng nối tiếp theo chuẩn RS232 được gọi là cổng COM. Chúng được dùng để
ghép nối cho chuột, modem, thiết bị đo lường…Trên main máy tính có loại 9 chân
hoặc loại 25 chân tùy vào đời máy và main của máy tính. Việc thiết kế giao tiếp với
cổng RS232 cũng tương đối dễ dàng, đặc biệt khi chọn chế độ hoạt động là không
đồng bộ và tốc độ truyền dữ liệu thấp.
RS-232 lúc đầu được xây dựng phục vụ chủ yếu trong việc ghép nối
điểm- điểm giữa hai thiết bị đầu cuối DTE[3], như giữa hai máy tính PC[4],
PLC[5] ... giữa máy tính và máy in hoặc giữa một thiết bị đầu cuối và một
thiết bị truyền dữ liệu DCE[6]. Việc truyền dữ liệu thực hiện nhờ 3 dây TxD,
RxD và Mass. Tín hiệu được so sánh với mass để phát hiện sự sai lệch. Điều
này khiến cho dữ liệu khó có thể khôi phục lại ở trạm phát.
Chế độ làm việc: chế độ làm việc của hệ thống RS-232 là hai chiều
toàn phần (full-duplex), tức là hai thiết bị tham gia cùng có thể thu và phát tín
hiệu cùng một lúc. Như vậy, việc thực hiện truyền thông cần tối thiểu 3 dây
dẫn - trong đó hai dây tín hiệu nối chéo các đầu thu phát của hai trạm và một
dây đất. Với cấu hình tối thiểu này, việc đảm bảo độ an toàn truyền dẫn tín
hiệu thuộc về trách nhiệm của phần mềm.
Ta còn có thể ghép nối trực tiếp giữa hai thiết bị thực hiện chế độ bắt
tay (handshake mode) không thông qua modem. Qua việc sử dụng các dây dẫn
18


DTR[7] và DSR[8], độ an toàn giao tiếp sẽ được đảm bảo. Trong trường hợp này
các chân RTS[9] và CTS[10] được nối ngắn mạch.


Hình 2.3: Ghép nối trực tiếp
 Nhược điểm của chuẩn RS-232 là tín hiệu không thể truyền đi xa do việc
mất mát tín hiệu không thể phục hồi và việc kết nối theo chuẩn RS-232
chỉ thực hiện giao tiếp giữa hai thiết bị nên hạn chế số lượng thiết bị có
trong mạng
Có hai phiên bản RS-232 được lưu hành trong th ời gian tương đối dài
là RS-232B và RS- 232C. Nhưng cho đến nay thì phiên bản RS-232B cũ thì ít
sử dụng còn RS232C hiện vẫn được dùng và đang tồn tại th ương được g ọi
với tên ngắn gọn là chuẩn RS-232. Các máy tính thương có 1 hoặc 2 cổng n ối
tiếp theo chuẩn RS-232 được gọi là cổng COM. Chúng được dùng ghép n ối
cho chuột, modem, thiết bị đo lường….Trên main máy tính có loại 9 chân
hoặc loại 25 chân tùy thuộc vào đời máy và main của máy tính. Vi ệc thi ết k ế
giao tiếp với cổng RS-232 cũng tương đối dễ dàng, đặc bi ệt khi ch ọn ch ế đ ộ
hoạt động là không đồng bộ và tốc độ truyền dữ liệu thấp.
b) Ưu điểm của giao diện nối tiếp RS-232
 Khả năng chống nhiễu của các cổng nối tiếp cao
 Thiết bị ngoại vi có thể tháo lắp ngay cả khi máy tính đang đ ược c ấp
điện
 mạch điện đơn giản có thể nhận được điện áp nguồn nuôi qua c ổng
nối tiếp
c) Những đặc điểm cần lưu ý trong chuẩn RS232
+ Trong chuẩn RS232 có mức giới hạn trên và dưới (logic 0 và 1) là +-12V.
19


Hiện nay đang được cố định trở kháng tải trong phạm vi từ 3000 ôm - 7000 ôm
+ Mức logic 1 có điện áp nằm trong khoảng -3V đến -12V, mức logic 0 từ +3V đến 12V
+ Tốc độ truyền nhận dữ liệu cực đại là 100kbps ( ngày nay có thể lớn hơn)
+ Các lối vào phải có điện dung nhỏ hơn 2500pF

+ Trở kháng tải phải lớn hơn 3000 ôm nhưng phải nhỏ hơn 7000 ôm
+ Độ dài của cáp nối giữa máy tính và thiết bị ngoại vi ghép nối qua cổng n ối
tiếp RS232 không vượt qua 15m nếu chúng ta không sử modem.
+ Các giá trị tốc độ truyền dữ liệu chuẩn
50,75,110,750,300,600,1200,2400,4800,9600,19200,28800,38400....56600,115
200 bps
d) Các mức điện áp đường truyền
RS 232 sử dụng phương thức truyền thông không đối xứng, tức là sử dụng
tín hiệu điện áp chênh lệch giữa một dây dẫn và đất. Do đó ngay từ đầu tiên ra
đời nó đã mang vẻ lỗi thời của chuẩn TTL, nó vấn sử dụng các mức đi ện áp
tương thích TTL để mô tả các mức logic 0 và 1. Ngoài mức điện áp tiêu chu ẩn
cũng cố định các giá trị trở kháng tải được đấu vào bus của bộ phận và các tr ở
kháng ra của bộ phát.
Mức điện áp của tiêu chuẩn RS232C ( chuẩn thường dùng bây gi ờ) được mô
tả như sau:
+ Mức logic 0 : +3V , +12V
+ Mức logic 1 : -12V, -3V
Các mức điện áp trong phạm vi từ -3V đến 3V là trạng thái chuyển tuyến. Chính
vì từ - 3V tới 3V là phạm vi không được định nghĩa, trong trường hợp thay đổi
giá trị logic từ thấp lên cao hoặc từ cao xuống thấp, một tín hiệu phải vượt qua
quãng quá độ trong một thơì gian ngắn hợp lý. Điều này dẫn đến việc phải hạn
chế về điện dung của các thiết bị tham gia và của cả đường truyền. Tốc độ
truyền dẫn tối đa phụ thuộc vào chiều dài của dây dẫn. Đa số các hệ thống
hiện nay chỉ hỗ trợ với tốc độ 19,2 kBd
e) Cổng RS232 trên PC
20


Hầu hết các máy tính cá nhân hiện nay đều được trang bị ít nhất là 1 cổng Com
hay cổng nối tiếp RS232. Số lượng cổng Com có thể lên tới 4 tùy từng loại main

máy tính. Khi đó các cổng Com đó được đánh dấu là Com 1, Com 2, Com 3...Trên
đó có 2 loại đầu nối được sử dụng cho cổng nối tiếp RS232 loại 9 chân (DB9)
hoặc 25 chân (DB25). Tuy hai loại đầu nối này có cùng song song nhưng hai loại
đầu nối này được phân biệt bởi cổng đực (DB9) và cổng cái (DB25)
Ta xét sơ đồ chân cổng Com 9 chân:

Trên là các kí hiệu chân và hình dạng của cổng DB9
Chức năng của các chân như sau:
+ chân 1 : Data Carrier Detect (DCD) : Phát tín hiệu mang dữ liệu
+ chân 2: Receive Data (RxD) : Nhận dữ liệu
+ chân 3 : Transmit Data (TxD) : Truyền dữ liệu
+ chân 4 : Data Termial Ready (DTR) : Đầu cuối dữ liệu sẵn sàng được kích ho ạt
bởi bộ phận khi muốn truyền dữ liệu
+ chân 5 : Singal Ground ( SG) : Mass của tín hiệu
+ chân 6 : Data Set Ready (DSR) : Dữ liệu sẵn sàng, được kích hoạt bởi bộ
truyền khi nó sẵn sàng nhận dữ liệu
+ chân 7 : Request to Send : yêu cầu gửi,bô truyền đặt đường này lên mức ho ạt
động khi sẵn sàng truyền dữ liệu
+ chân 8 : Clear To Send (CTS) : Xóa để gửi ,bô nhận đặt đường này lên mức kích
21


hoạt động để thông báo cho bộ truyền là nó sẵn sàng nhận tín hiệu
+ chân 9 : Ring Indicate (RI) : Báo chuông cho biết là bộ nhận đang nhận tín
hiệu rung chuông
Còn DB28 bây giờ hầu hết các main mới ra đều không có cổng này nữa.
f) Truyền dữ liệu:
Định dạng của khung truyền dữ liệu theo chuẩn RS-232 như sau:

• Dạng tín hiệu truyền mô tả như sau (truyền ký tự A):

Truyền dữ liệu qua cổng nối tiếp RS232 được thực hiện không đồng bộ. Do vậy
nên tại một thời điểm chỉ có một bit được truyền. Bộ truyền gửi một bit bắt đầu (bit
start) để thông báo cho bộ nhận biết một ký tự sẽ được gửi đến trong lần truyền bit
tiếp theo. Bit này luôn bắt đầu bằng mức 0. Tiếp theo đó là các bit dữ liệu (bit data)
được gửi dưới dạng mã ASCII (có thể là 5,6,7, hay 8 bit dữ liệu) sau đó là một
Parity bit (kiểm tra bit chẵn, lẻ hay không) và cuối cùng là bit stop (còn gọi là bit
dừng) có thể là 1 hay 2 bit Stop.
• Tốc độ baud.

22


Đây là một tham số đặc trưng của RS232. Tham số này chính là đặc
trưng cho quá trình truyền dữ liệu qua cổng nối ti ếp RS232 là tốc đ ộ truyền
nhận dữ liệu hay còn gọi là tốc độ bit. Tốc độ bit được định nghĩa là s ố bit
truyền được trong thời gian 1 giây. Tốc độ bit này phải được thiết lập ở bên
phát và bên nhận đều phải có tốc độ như nhau ( tốc độ giữa vi điều khiển và
máy tính phải chung nhau một tốc độ truyền bit). Ngoài tốc đ ộ bit còn m ột
tham số để mô tả tốc độ truyền là tốc độ baud. Tốc độ baud liên quan đến tốc
độ mà phân tử mã hóa dữ liệu được sử dụng để diễn tả bit được truyền, còn
tốc độ bit thì phản ánh tốc độ mà phân tử mã hóa dữ li ệu được sử dụng đ ể
diễn tả bit được truyền. Vì một phần tử báo hiệu sự mã hóa một bit nên
khi đó hai tốc độ bit và tốc độ baud là phải đồng nhất.
Một số tốc độ baud thường dùng: 50, 75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400,
4800, 9600, 19200, 28800, 38400, 56000, 115200. Trong thiết bị thường
dùng tốc độ baud là 19200.
• Bit chẵn lẻ hay Parity bit.
Đây là bit kiểm tra lỗi trên đường truyền. Thực chất của quá trình kiểm tra lỗi
khi truyền dữ liệu là bổ sung thêm dữ liệu được truyền để tìm ra hoặc sửa một số lỗi
trong quá trình truyền. Do đó trong chuẩn RS232 sử dụng một kỹ thuật kiểm tra chẵn

lẻ. Một bit chẵn lẻ được bổ sung vào dữ liệu được truyền để thấy số lượng các bit “1”
được gửi trong một khung truyền là chẵn hay lẻ.
Một Parity bit chỉ có thể tìm ra một số lẻ các lỗi như là 1, 3, 5, 7, 9… Nếu
như một bit mắc lỗi thì bit Parity bit sẽ trùng giá trị với trường hợp không mắc lỗi vì
thế không phát hiện ra lỗi. Do đó trong kỹ thuật mã hóa lỗi này không được sử dụng
trong trường hợp có khả năng một vài bit bị mắc lỗi.
• Nhược điểm của chuẩn RS-232
là tín hiệu không thể truyền đi xa do việc mất mát tín hiệu không thể phục hồi và
việc kết nối theo chuẩn RS-232 chỉ thực hiện giao tiếp giữa hai thiết bị nên hạn chế
số lượng thiết bị có trong mạng.
2.3.2 Giới thiệu về truyền dẫn qua chuẩn UART
a) Tổng quan về truyền dẫn UART
UART[11] là viết tắt của Universal Asynchronous Receiver – Transmitter.
Thường là một mạch tích hợp được sử dụng trong việc truyền dẫn dữ li ệu n ối
23


tiếp giữa máy tính và các thiết bị ngoại vi. Rất nhi ều vi đi ều khi ển hi ện nay đã
được tích hợp UART, vì vấn đề tốc độ và độ điện dụng của UART không th ể so
sánh với các giao tiếp mới hiện nay nên các dòng PC & Laptop đời m ới không còn
tích hợp cổng UART. Như trong giao tiếp SPI[11] và I2C[12] có 1 dây truy ền d ữ
liệu và 1 dây được sử dụng để truyền xung clock (SCL) để đ ồng b ộ trong giao
tiếp. Với UART thì không có dây SCL, vấn đề được gi ải quy ết khi mà vi ệc truy ền
UART được dùng giữa 2 vi xử lý với nhau, đồng nghĩa với vi ệc mỗi vi xử lý có th ể
tự tạo ra xung cho chính nó sử dụng.
Để bắt đầu cho việc truyền dữ liệu bằng UART, một START bit được gửi đi, sau
đó các bit dữ liệu và kết thúc quá trình truyền là STOP bit.

Như hình các bạn có thể thấy. Khi ở trạng thái chờ mức đi ện th ế ở mức 1
(high). Khi bắt đầu truyền START bit sẽ chuy ển từ 1 xuống 0 để báo hi ệu cho b ộ

nhận là quá trình truyền dữ liệu sắp xảy ra. Sau START bit là đ ến các bit d ữ li ệu
D0-D7 (Theo hình vẽ các bit này có thể ở mức High or Low tùy theo d ữ li ệu). Sau
khi truyền hết dữ liệu thì đến bit Parity để bộ nh ận ki ểm tra đúng đ ắn c ủa d ữ
liệu truyền. Cuối cùng là STOP bit là 1 báo cho thi ết bị r ằng các bit đã đ ược g ửi
xong, Thiết bị nhận sẽ tiến hành ki ểm tra khung truyền nhằm đảm b ảo tính
đúng đắn của dữ liệu.
b) Các thông số cơ bản trong truyền nhận UART
Baund rate ( tốc độ baund): Là khoản g thời gian dành cho 1 bit được
truyền. Phải được cài đặt giống nhau ở gửi và nhận.
Frame ( Khung truyền): Khung truyền quy định về số bit trong mỗi lần
truyền.
Start bit: Là bit đầu tiên được truyền trong 1 Frame. Báo hi ệu cho thi ết b ị
nhận có một gói dữ liệu sắp được truyền đến. Bit bắt buộc.
24


Data: Dữ liệu cần truyền. Bit có trọng số nhỏ nhất LSB được truyền trước sau
đó đến bit MSB.
Parity bit: Kiểm tra dữ liệu truyền có đúng không
Stop bit: Là một hoặc các bit báo cho thi ết bị rằng các bit được g ửi xong. Thi ết
bị nhận sẽ tiến hành kiểm tra khung đường truyền nhằm đảm bảo tính đúng
đắn của dữ liệu. Bit bắt buộc.
2.4. ESP 8266 V12
Để các thiết bị IOT có thể giao tiếp nhau điều kiện cần là chúng c ần m ột b ộ
phát sóng không dây để có thể gửi và nhận thông tin liên lạc, đi ều ki ện đ ủ là
chúng cần hoạt động trong 1 tần số xác định ví dụ băng tần 24 Ghz, Wifi ho ặc
Bluetooth , và các tần số phụ GHz.
Ngày nay để phục vụ sự phát triển không ngừng của IOT , b ộ modul wifi ra
đời với nhiều loại khác nhau ,và đặc biệt trong số đó là module ESP 8266 v12
ESP8266 là một module SOC với bộ xử lý 32 bit, dựa trên giao thức TCP/IP, có

thể lưu trữ ứng dụng hoặc xử lý các kết nối WiFi từ bộ x ử lý tích h ợp trên chip,
có khả tạo kết nối giống như một máy chủ hoặc một cầu nối trung gian.
Mỗi Module WiFi được tích hợp sẵn một firmware với các tập lệnh AT, tuy
nhiên đã có thêm nhiều phiên bản firmware h ỗ tr ợ nhi ều ngôn ngữ, trong đó có
ngôn ngữ lập trình LUA và Arduino. Chính vì thế chúng ta th ể dùng bất kì board
Arduino nào để điều khiển thu phát thông qua giao ti ếp n ối ti ếp. Đặc bi ệt
ESP8266 là một sản phẩm công nghệ giá hấp dẫn, có hi ệu năng l ớn và m ột c ộng
đồng phát triển lớn, ngày càng hùng hậu trên khắp thế giới .

25