Tài liệu Thiết kế iot gateway sử dụng máy tính nhúng cho lưới điện thông minh trong hộ gia đình

THIẾT KẾ IoT GATEWAY SỬ DỤNG MÁY TÍNH NHÚNG CHO LƯỚI ĐIỆN THÔNG MINH TRONG HỘ GIA ĐÌNH Ngày nay, cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 đã lan tỏa và đi sâu vào đời sống xã hội, gắn liền với sự phát triển như vũ bão của các giải pháp Internet of Things (IoT) trong mọi lĩnh vực của công nghiệp và đời sống. Đây là một viễn cảnh trong đó mọi vật được cung cấp các định danh và khả năng tự động truyền tải dữ liệu qua một mạng lưới mà không cần sự tương tác giữa con người với con người hoặc con người với máy tính. Nhờ IoT mà tất cả các thiết bị điện thông minh đều được nâng lên một tầm cao mới, thông qua việc được điều khiển và giám sát dễ dàng và trực quan bằng các thiết bị thông minh qua internet. Tuy nhiên các thiết bị điện thông minh trong hộ gia đình sử dụng rất nhiều giao thức truyền thông riêng biệt như sóng vô tuyến, MQTT, Zigbee, Bluetooth của các hãng sản xuất khác nhau, tạo ra khoảng cách rất lớn trong việc giao tiếp các thiết bị với nhau. Từ đó, giải pháp được đề ra là thiết kế bộ IoT gateway cho phép kết nối giữa nhiều giao thức khác nhau của các thiết bị điện thông minh trong hộ gia đình. Từ khóa: Cách mạng công nghiệp 4.0, IoT gateway, thiết bị điện thông minh, giao thức truyền thông, sóng vô tuyến, MQTT, Zigbee, Bluetooth, giao tiếp các thiết bị với nhau, giải pháp. IoT DESIGN GATEWAY USING EMBOSSING MACHINE FOR SMART ELECTRIC NETWORK IN THE HOUSE Nowadays, Industry 4.0 has spread and deepened into social life, associated with the stormy development of Internet of Things’s solutions in all areas of industry and life. This is a scenario in which everything is provided with identifiers and the ability to automatically transmit data across a network without the need for human interaction with people or people with computers. With IoT, all smart electrical devices are raised to new heights, through easy and intuitive control and monitoring by smart devices over the internet. However, smart electrical appliances in households use a lot of separate communication protocols such as radio frequency, MQTT, Zigbee, Bluetooth of different manufacturers, creating a huge gap in communicating devices with each other. Since then, the proposed solution is to design a IoT gateway to allow connections between many different protocols of smart electrical devices in the household. Keywords: Industry 4.0, IoT gateway, smart electrical devices, communication protocols, radio frequency, MQTT, Zigbee, Bluetooth, communicating devices, solution. MỤC LỤC MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ...................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu .......................................................................................... 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .....................................................................2 4. Phương pháp nghiên cứu ...................................................................................2 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ...........................................................................2 6. Cấu trúc của luận văn......................................................................................... 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN THÔNG MINH HỘ GIA ĐÌNH ....4 1.1. Lưới điện thông minh hộ gia đình ............................................................................4 1.2. Internet Of Things ....................................................................................................5 1.2.1. Định nghĩa.....................................................................................................5 1.2.2. Khái niệm ......................................................................................................6 1.2.3. Đặc tính cơ bản của IoT [1], [2] ...................................................................6 1.2.4. Yêu cầu đối với một hệ thống IoT ................................................................ 7 1.3. Công tơ điện tử .........................................................................................................7 CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ IoT GATEWAY ............................................................... 12 2.1. Thiết kế phần cứng .................................................................................................12 2.1.1. Module RF ..................................................................................................12 2.1.2. Module Zigbee ............................................................................................ 12 2.1.3. Module MQTT ............................................................................................ 13 2.1.4. Máy tính nhúng ........................................................................................... 13 2.1.5. Ưu điểm của máy tính nhúng......................................................................14 2.1.6. Giới thiệu về Raspberry Pi 3.......................................................................18 2.1.7. Mô hình tổng quan thiết kế phần cứng của hệ thống ..................................21 2.2. Thiết kế phần mềm .................................................................................................22 2.2.1. Nền tảng Linux ........................................................................................... 22 2.2.2. Hệ điều hành Raspbian ...............................................................................23 2.2.3. Mã nguồn mở OpenHAB Framework ........................................................ 25 2.2.4. Xây dựng chương trình trên nến OpenHAB Framework ........................... 27 CHƯƠNG 3. TÍCH HỢP CÁC CHUẨN TRUYỀN THÔNG KHÁC NHAU .......29 3.1. Zigbee ..................................................................................................................... 29 3.1.1. Thuật toán mã hoá và giải mã của giao thức ZigBee .................................33 3.1.2. Kiểm soát truy cập. .................................................................................... 39 3.1.3. Bảo mật của ZigBee .................................................................................... 40 3.2. MQTT ..................................................................................................................... 42 3.3. RF-Mesh .................................................................................................................44 3.4. Giải pháp tích hợp các chuẩn truyền thông khác nhau ...........................................45 CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................47 4.1. Kiến trúc của IoT gateway ..................................................................................... 47 4.2. Các tính năng của IoT gateway ..............................................................................51 4.3. Hướng phát triển của đề tài .................................................................................... 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 1.1. Bảng mã OBIS của công tơ điện tử 9 1.2. Bảng mã OBIS lỗi của công tơ điện tử 11 2.1. So sánh máy tính nhúng và vi điều khiển 16 2.2. So sánh thông số các máy tính nhúng thông dụng 17 2.3. Chức năng 40 pinout của Raspberry Pi 3 20 2.4. Trạng thái LED trên Raspberry Pi 3 20 3.1. Cấu trúc khung truyền dữ liệu giao thức Zigbee 33 3.2. Mức bảo mật và khoá bảo mật 38 3.3. Cấu trúc khung truyền dữ liệu giao thức Zigbee 43 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình Tên hình Trang 1.1. Lưới điện thông minh 4 1.2. Sơ đồ khối của hệ thống 9 2.1. Raspberry Pi 3 Model B 19 2.2. Mô hình tổng quan thiết kế phần cứng hệ thống 21 2.3. Linux 23 2.4. Hệ điều hành Raspbian 23 2.5. Giao diện LXDE trên hệ điều hành Raspbian 24 2.6. Đa dạng giao thức trong IoT 25 2.7. OpenHAB 26 2.8. Cấu trúc của OpenHAB 26 2.9. Eclipse 27 3.1. Mô hình OSI và giao thức MQTT 29 3.2. Mạng Zigbee hình sao 31 3.3. Mạng Zigbee hình lưới 32 3.4. Mạng Zigbee hình cây 32 3.5. Kết hợp trạng thái trong quá trình mã hoá AES 34 3.6. Phép thế trong quá trình mã hoá AES 35 3.7. Dịch chuyển hàng trong quá trình mã hoá AES 35 3.8. Dịch chuyển cột trong quá trình mã hoá AES 36 3.9. Kết hợp khoá con trong quá trình mã hoá AES 36 3.10. Cấu trúc khung bảo mật dữ liệu giao thức Zigbee 37 3.11. Cấu trúc khoá bảo mật dữ liệu giao thức Zigbee 39 3.12. Chế độ bảo mật dân cư 41 3.13. Chế độ bảo mật thương mại 41 3.14. Mô hình giao thức MQTT 42 3.15. Mô hình giao thức RF-Mesh 44 3.16. Cấu trúc Eventbus của openHAB 46 4.1. Các lớp của IoT gateway 48 4.2. Công tơ điện tử EVN CPC và module đọc thông số, gửi RF 49 4.3. Module RF tại Gateway 49 Số hiệu hình Tên hình Trang 4.4. Module đo lường và điều khiển giao thức Zigbee 50 4.5. Module Zigbee tại Gateway 50 4.6. Module giao thức MQTT 51 4.7. Độ thị phụ tải ngày 25 tháng 11 năm 2018 52 4.8. Đồ thị phụ tải ngày 26 tháng 11 năm 2018 52 4.9. Giao diện giám sát điện năng trên website 53 4.10. Giao diện giám sát năng lượng tiêu thụ trên website 54 4.11. Giao diện giám sát điện năng trên app mobile 55 4.12. Giao diện giám sát năng lượng tiêu thụ trên app mobile 56 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay, cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 đã lan tỏa và đi sâu vào đời sống xã hội, gắn liền với sự phát triển như vũ bão của các giải pháp Internet of Things (IoT) trong mọi lĩnh vực của công nghiệp và đời sống. IoT là thuật ngữ dùng để chỉ các đối tượng có thể được nhận biết cũng như sự tồn tại của chúng trong một kiến trúc mang tính kết nối. Đây là một viễn cảnh trong đó mọi vật, mọi con vật hoặc con người được cung cấp các định danh và khả năng tự động truyền tải dữ liệu qua một mạng lưới mà không cần sự tương tác giữa con người với con người hoặc con người với máy tính. Nhờ IoT mà tất cả các thiết bị điện được sử dụng trong các căn hộ, tòa nhà đều được nâng lên một tầm cao mới, thông qua việc được điều khiển và giám sát dễ dàng và trực quan bằng các thiết bị thông minh qua internet, IoT mang đến cho người sử dụng sự tiện nghi và dễ dàng hơn trong thời đại số. Trong bối cảnh đó, Điện lực Việt Nam (EVN) cũng xây dựng đề án phát triển Lưới điện thông minh của EVN giai đoạn 2017 đến 2022 là trang bị cơ sở hạ tầng công nghệ thông tin cho lưới điện phân phối, điển hình là thay thế công tơ cơ bằng công tơ điện tử. Đồng thời triển khai các ứng dụng của Lưới điện thông minh như nâng cao khả năng dự báo nhu cầu phụ tải điện của khách hàng và lập kế hoạch cung cấp điện, giảm tổn thất điện năng. Từ đó tạo điều kiện để khách hàng chủ động biết và quản lý thông tin chi tiết về sử dụng điện và chi phí mua điện. Hiện tại các thành phố lớn và phát triển của nước ta như Hà Nội, TP. Hồ Chí Minh đã triển khai kết nối được đến công tơ tổng của các hộ tiêu thụ điện trong quy mô nhỏ, tuy nhiên các thiết bị điện thông minh trong hộ gia đình chưa kết nối được với hệ thống lưới điện thông minh. Vấn đề đặt ra là có giải pháp nào để công tơ điện tử có thể giao tiếp với bất kỳ các thiết bị thông minh, hệ thống quản lý năng lượng trong hộ gia đình, tòa nhà, nhà máy, resort... nhằm tạo ra một hệ thống lưới điện thông minh hoàn chỉnh. Tuy nhiên các thiết bị điện thông minh trong hộ gia đình sử dụng rất nhiều giao thức truyền thông riêng biệt của các hãng sản xuất khác nhau, tạo ra khoảng cách rất lớn trong việc giao tiếp các thiết bị với nhau. Câu hỏi đặt ra là có chuẩn truyền thông chung nào kết nối nào cho mọi giao thức? Hiện trên thế giới chưa có công trình nghiên cứu nào được công bố cho giải pháp này. Giải pháp có thể thực hiện chỉnh sửa lại phần mềm của công tơ điện tử để kết nối với các thiết bị tiêu thụ điện trong hộ gia đình. Giải pháp này không mềm dẻo để thực hiện cho tất cả các hộ gia đình. Hơn thế nữa, hiện nay có rất nhiều hãng cung cấp công tơ điện tử với các chuẩn giao thức khác nhau. Từ đó, giải pháp được đề ra là thiết kế bộ gateway cho phép kết nối giữa nhiều 2 giao thức khác nhau giữa các công tơ điện tử và các thiết bị điện thông minh trong hộ gia đình. 2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu hai chuẩn truyền thông IoT phổ biến của các thiết bị thông minh. Nghiên cứu công tơ điện tử và chuẩn truyền thông của công tơ điện tử. Nghiên cứu cách chuyển đổi thông tin giữa hai giao thức dựa trên phần mềm mã nguồn mở OpenHAB framework và phần cứng là máy tính nhúng Raspberry Pi 3. Nghiên cứu các thuật toán mã hóa và giải mã của các chuẩn truyền thông Zigbee và MQTT. Nghiên cứu giải pháp tích hợp các chuẩn truyền thông Zigbee và MQTT dựa trên kiến trúc Eventbus của mã nguồn mở OpenHAB framework. Lập trình phần mềm truyền thông để điều khiển, giám sát hệ thống điện thông minh trên smart phone. Thiết kế IoT Gateway sử dụng máy tính nhúng có thể kết nối các thiết bị điện thông minh trong hộ gia đình có chuẩn truyền thông Zigbee và MQTT. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Trong hệ thống IoT có rất nhiều các chuẩn truyền thông khác nhau, trong đề tài này tập trung nghiên cứu thiết kế IoT Gateway giúp giám sát đến từng thiết bị điện của hộ tiêu thụ, đồng thời cho phép công tơ điện tử kết nối với IoT Gateway 4. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết: + Nghiên cứu tổng quan về lưới điện thông minh hộ gia đình. + Nghiên cứu và lập trình các giao thức truyền thông sử dụng trong hệ thống điện thông minh. + Nghiên cứu lập trình giải pháp tích hợp các chuẩn truyền thông và thiết kế IoT Gateway. - Nghiên cứu thực nghiệm: + Tạo ra sản phẩm IoT Gateway. + Chạy thử chương trình, kiểm tra sự tương thích của các giao thức truyền thông. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Kết quả của đề tài có thể ứng dụng vào thực tiễn khi triển khai đề án phát triển Lưới điện thông minh của EVN. Nâng cao khả năng dự báo nhu cầu phụ tải điện của khách hàng và lập kế hoạch cung cấp điện, giảm tổn thất điện năng. Giúp khách hàng chủ động biết và quản lý thông tin chi tiết về sử dụng điện và chi phí mua điện. 3 Cảnh báo sớm về sự cố điện trong hộ gia đình. Có thể mở rộng và nâng cấp dễ dàng cho các thiết bị thông minh khác. Giải pháp cung cấp IoT Gateway giá rẻ cho thị trường. 6. Cấu trúc của luận văn Ngoài phần Mở đầu và Phụ lục, luận văn gồm có 4 chương như sau: Chương 1: Tổng quan về lưới điện thông minh hộ gia đình. - Giới thiệu về Lưới điện thông minh hộ gia đình. - Thách thức khi tích hợp các chuẩn giao thức truyền thông trên hệ thống điện. Chương 2: Thiết kế IoT Gateway. - Thiết kế phần cứng. - Thiết kế phần mềm. Chương 3: Tích hợp các chuẩn truyền thông khác nhau. - Nghiên cứu thuật toán cho các chuẩn truyền thông. - Thuật toán mã hóa và giải mã cho các chuẩn truyền thông khác nhau. - Giải pháp tích hợp các chuẩn truyền thông. Chương 4: Kết quả và hướng phát triển. - Sản phẩm IoT Gateway. 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN THÔNG MINH HỘ GIA ĐÌNH 1.1. Lưới điện thông minh hộ gia đình Lưới điện thông minh là hệ thống điện lưới có sử dụng các công nghệ thông tin và truyền thông để tối ưu việc truyền dẫn, phân phối điện năng giữa nhà sản xuất và hộ tiêu thụ, hợp nhất cơ sở hạ tầng điện với cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc. Có thể coi hệ thống điện thông minh gồm có hai lớp: lớp 1 là hệ thống điện thông thường và bên trên nó là lớp 2, hệ thống thông tin, truyền thông, đo lường và điều khiển. Hình 1.1. Lưới điện thông minh Để tạo được sự tiến bộ trong việc giải quyết được những thách thức của hệ thống hiện tại cũng như những đặc tính chính của Lưới điện thông minh trong tương lai cần tập trung vào bốn lĩnh vực sau: - Thu thập dữ liệu: Dữ liệu cần được thu thập từ rất nhiều nguồn khác nhau của hệ thống điện (hệ thống bảo vệ, điều khiển, công tơ điện, các bộ I/O..., các bộ thu thập dữ liệu tiêu thụ điện của thiết bị tại các nhà máy và thậm chí tại nhà ở của khách hàng và các nguồn thông tin "không điện" như thời tiết… Khả năng thu thập dữ liệu được dựa trên sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ thông tin và viễn thông trong thế kỷ XXI. - Phân tích và dự báo: Dữ liệu thu thập từ nhiều nguồn khác nhau ở trên cần được phân tích cho các mục tiêu vận hành và kinh doanh. Cho mục đích vận hành hệ thống điện các phân tích sẽ được dựa trên số liệu thời gian thực và cận thời gian thực. Còn 5 đối với mục đích kinh doanh thì sẽ sử dụng số liệu quá khứ. Các số liệu thời gian thực và quá khứ cũng được sử dụng cho công tác dự báo từ dài cho đến trung hạn phục vụ công tác lập quy hoạch, kế hoạch phát triển và phương thức vận hành. - Giám sát/quản lý/điều khiển: Dữ liệu được thu thập và xử lý thành thông tin phục vụ công tác vận hành, điều khiển khiển hệ thống điện cũng như được lưu trữ cho các mục đích khác nhau theo yêu cầu của các quy định trong quản lý và điều tiết hoạt động điện lực. Trong lĩnh vực kinh doanh, các thông tin này được sử dụng để xác định mức sử dụng và tính toán chi phí thanh toán giữa các bên tham gia thị trường điện và khách hàng. - Phát triển hệ thống cho phép trao đổi thông tin và điện năng hai chiều giữa nhà cung cấp và khách hàng sử dụng điện: Cả ba bước trên sẽ chỉ có khả năng ảnh hưởng tối thiểu lên khách hàng nếu họ không được tiếp cận và có các thiết bị để cùng tham gia vào hoạt động điện lực từ phía tiêu thụ điện. Thực ra đây là lĩnh vực tốn kém nhất trong Lưới điện thông minh và thế giới sẽ mất nhiều năm để hoàn thành phần này với việc trang bị các Smart Meter và thiết bị cho phép tương tác hai chiều đối với bất kỳ khách hàng nào. Một số các thành phần của Lưới điện thông minh đã được lắp đặt trong hệ thống điện. Tuy nhiên, chúng ta còn phải nỗ lực hết sức để có thể biến một hệ thống điện truyền thống hiện nay thành một hệ thống điện thông minh thực sự. Bởi vì nó không đơn thuần chỉ bao gồm các hệ thống phần cứng và phần mềm. Ngày nay cùng với sự phát triển của hệ thống Internet Of Things đã giúp lưới điện thông minh phát triển nhanh và mạnh hơn. 1.2. Internet Of Things 1.2.1. Định nghĩa Thiết bị (device): Đối với Internet Of Things, đây là một phần của cả hệ thống với chức năng bắt buộc là truyền thông và chức năng không bắt buộc là: cảm biến, thực thi, thu thập dữ liệu, lưu trữ và xử lý dữ liệu. Internet Of Things: Là một cơ sở hạ tầng mang tính toàn cầu cho xã hội thông tin, mang đến những dịch vụ tiên tiến bằng cách kết nối các “Things” (cả physical lẫn virtual) dựa trên sự tồn tại của thông tin, dựa trên khả năng tương tác của các thông tin đó, và dựa trên các công nghệ truyền thông. Things: Đối với Internet Of Things, “Thing” là một đối tượng của thế giới vật chất (physical things) hay thế giới thông tin ảo(virtual things). “Things” có khả năng được nhận diện, và “Things” có thể được tích hợp vào trong mạng lưới thông tin liên lạc. [1] 6 1.2.2. Khái niệm Internet Of Things (IOT) có thể được coi là một tầm nhìn sâu rộng của công nghệ và cuộc sống. Từ quan điểm của tiêu chuẩn kỹ thuật, IOT có thể được xem như là một cơ sở hạ tầng mang tính toàn cầu cho xã hội thông tin, tạo điều kiện cho các dịch vụ tiên tiến thông qua sự liên kết các “Things”. IOT dự kiến sẽ tích hợp rất nhiều công nghệ mới, chẳng hạn như các công nghệ thông tin machine-to-machine, mạng tự trị, khai thác dữ liệu và ra quyết định, bảo vệ sự an ninh và sự riêng tư, điện toán đám mây. Một hệ thống thông tin trước đây đã mang đến 2 chiều – “Any TIME” và “Any PLACE” communication. Giờ IOT đã tạo thêm một chiều mới trong hệ thống thông tin đó là “Any THING” Communication (Kết nối mọi vật). Trong hệ thống IOT, “Things” là đối tượng của thế giới vật chất (Physical) hoặc các thông tin (Virtual). “Things” có khả năng nhận diện và có thể tích hợp vào mạng thông tin. “Things” có liên quan đến thông tin, có thể là tĩnh hay động. “Physical Things” tồn tại trong thế giới vật lý và có khả năng được cảm nhận, được kích thích và kết nối. Ví dụ về “Physical Things” bao gồm các môi trường xung quanh, robot công nghiệp, hàng hóa, hay thiết bị điện. “Virtual Things” tồn tại trong thế giới thông tin và có khả năng được lưu trữ, xử lý, hay truy cập. Ví dụ về “Virtual Things” bao gồm các nội dung đa phương tiện và các phần mềm ứng dụng. 1.2.3. Đặc tính cơ bản của IoT [1], [2] - Tính kết nối liên thông (interconnectivity): với IoT, bất cứ điều gì cũng có thể kết nối với nhau thông qua mạng lưới thông tin và cơ sở hạ tầng liên lạc tổng thể. - Những dịch vụ liên quan đến “Things”: hệ thống IoT có khả năng cung cấp các dịch vụ liên quan đến “Things”, chẳng hạn như bảo vệ sự riêng tư và nhất quán giữa Physical Thing và Virtual Thing. Để cung cấp được dịch vụ này, cả công nghệ phần cứng và công nghệ thông tin (phần mềm) sẽ phải thay đổi. - Tính không đồng nhất: Các thiết bị trong IoT là không đồng nhất vì nó có phần cứng khác nhau, và mạng khác nhau. Các thiết bị giữa các mạng có thể tương tác với nhau nhờ vào sự liên kết của các mạng. - Thay đổi linh hoạt: Trạng thái của các thiết bị tự động thay đổi, ví dụ, ngủ và thức dậy, kết nối hoặc bị ngắt, vị trí thiết bị đã thay đổi,và tốc độ đã thay đổi… hơn nữa, số lượng thiết bị có thể tự động thay đổi. - Quy mô lớn: Sẽ có một số lượng rất lớn các thiết bị được quản lý và giao tiếp với nhau. Số lượng này lớn hơn nhiều so với số lượng máy tính kết nối Internet hiện nay. Số lượng các thông tin được truyền bởi thiết bị sẽ lớn hơn nhiều so với được truyền bởi con người. 7 1.2.4. Yêu cầu đối với một hệ thống IoT Một hệ thống IoT phải thoả mãn các yêu cầu sau: 13 - Kết nối dựa trên sự nhận diện: Nghĩa là các “Things” phải có ID riêng biệt. Hệ thống IOT cần hỗ trợ các kết nối giữa các “Things”, và kết nối được thiết lập dựa trên định danh (ID) của Things. - Khả năng cộng tác: hệ thống IoT khả năng tương tác qua lại giữa các mạng và Things. - Khả năng tự quản của mạng: Bao g m tự quản lý, tự cấu hình, tự recovery, tự tối ưu hóa và tự có cơ chế bảo vệ. Điều này cần thiết để mạng có thể thích ứng với các lĩnh vực ứng dụng khác nhau, môi trường truyền thông khác nhau, và nhiều loại thiết bị khác nhau. - Dịch vụ thoả thuận: dịch vụ này để có thể được cung cấp bằng cách thu thập, giao tiếp và xử lý tự động các dữ liệu giữa các “Things” dựa trên các quy tắc (rules) được thiết lập bởi người vận hành hoặc tùy chỉnh bởi người dùng. - Các khả năng dựa vào vị trí (location-based capabilities): Thông tin liên lạc và các dịch vụ liên quan đến một cái gì đó sẽ phụ thuộc vào thông tin vị trí của Things và người sử dụng. Hệ thống IoT có thể biết và theo dõi vị trí một cách tự động. Các dịch vụ dựa trên vị trí có thể bị hạn chế bởi luật pháp hay quy định, và phải tuân thủ các yêu cầu an ninh. - Bảo mật: Trong IoT, nhiều “Things” được kết nối với nhau, điều này làm tăng mối nguy trong bảo mật, chẳng hạn như bí mật thông tin bị tiết lộ, xác thực sai, hay dữ liệu bị thay đổi hay làm giả. - Bảo vệ tính riêng tư: tất cả các “Things” đều có chủ sở hữu và người sử dụng của nó. Dữ liệu thu thập được từ các “Things” có thể chứa thông tin cá nhân liên quan chủ sở hữu hoặc người sử dụng nó. Các hệ thống IoT cần bảo vệ sự riêng tư trong quá trình truyền dữ liệu, tập hợp, lưu trữ, khai thác và xử lý. Bảo vệ sự riêng tư không nên thiết lập một rào cản đối với xác thực nguồn dữ liệu. - Plug and play: các Things phải được plug-and-play một cách dễ dàng và tiện dụng. - Khả năng quản lý: hệ thống IoT cần phải hỗ trợ tính năng quản lý các “Things” để đảm bảo mạng hoạt động bình thường. Ứng dụng IoT thường làm việc tự động mà không cần sự tham gia của con người, nhưng toàn bộ quá trình hoạt động của họ nên được quản lý bởi các bên liên quan. [3] 1.3. Công tơ điện tử Công tơ điện tử 1 pha DT01M-RF do EMEC CPC sản xuất là thiết bị đo điện năng được thiết kế và sản xuất trên nền công nghệ đo đếm, điều khiển và truyền thông 8 hiện đại. Sản phẩm sản xuất trên dây chuyền công nghệ hiện đại, được kiểm soát chất lượng bởi một quy trình chặt chẽ. Công tơ DT01M-RF có đặc tính và độ tin cậy cao, dùng để đo đếm điện năng theo 2 chiều giao và nhận ở lưới điện xoay chiều 1 pha 2 dây, đạt cấp chính xác 0.5S (với công tơ đo đếm gián tiếp DT01M10); 1.0 (với công tơ đo đếm trực tiếp DT01M80) đối với điện năng tác dụng theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 758921:2007; TCVN 7589-22:2007, tiêu chuẩn quốc tế IEC 62053-22: 2003 và cấp chính xác 2.0 đối với điện năng phản kháng theo tiêu chuẩn quốc tế IEC 62053-23:2003. Sản phẩm có những đặc trưng sau: - Kiểm định viên không phải hiệu chỉnh. - Là thiết bị dùng linh kiện điện tử, nên không gây ma sát và các sai sót do các phần tử cơ khí gây ra. - Độ nhạy cao. - Công suất tiêu thụ thấp. - Ảnh hưởng nhiệt thấp. - Độ ổn định nhiệt cao. - Chịu dòng quá tải lớn, chịu điện áp cao. - Khả năng cách điện lớn - Đo đếm điện năng tác dụng theo 2 chiều giao/nhận và điện năng phản kháng theo 4 góc phần tư; tích lũy vào các thanh ghi riêng biệt. - Tích hợp các tính năng cảnh báo như rò rỉ đất, đảo ngược cực tính,..; ngăn ngừa các trường hợp gian lận điện năng như can thiệp từ trường bên ngoài, mở nắp đầu dây và vỏ công tơ, đấu nối sai sơ đồ. - Khả năng chịu ảnh hưởng của điện từ trường, của nhiễu ngoài cao. - Tuổi thọ cao. - Đọc chỉ số công tơ từ xa bằng sóng vô tuyến và lưu trữ vào bộ nhớ không bay hơi trong vòng 40 năm. - Pin dự phòng cho phép hiển thị và đọc chỉ số RF khi mất điện (tùy chọn). - Hỗ trợ kết nối bên ngoài với hệ thống đo đếm từ xa (tùy chọn). - Tích hợp các chức năng cảnh báo lỗi và ngăn ngừa 38 kiểu gian lận điện (tùy chọn). - Tích hợp công nghệ RF-SPIDER, sẵn sàng cho việc thu thập dữ liệu công tơ tự động (tùy chọn) 9 Hình 1.2 Sơ đồ khối của hệ thống - Nội dung hiển thị LCD ứng với mỗi đại lượng hiển thị, mã OBIS tương ứng sẽ được hiển thị ở dòng chữ số phía trên để người dùng dễ dàng giám sát. Một số mã OBIS như sau: Bảng 1.1. Bảng mã OBIS của công tơ điện tử Đơn vị Mã OBIS Mô tả 0.9.1 hh:mm:ss Giờ hiện tại 0.9.2 DD-MM-YY Ngày hiện tại 11.7.0 A Dòng điện 12.7.0 V Điện áp 13.7.0 cosφ Hệ số công suất 1.7.0 kW/MW Tổng công suất tác dụng chiều nhận 2.7.0 kW/MW Tổng công suất tác dụng chiều giao 3.7.0 kvar/Mvar Tổng công suất phản kháng chiều nhận (QI+QII) 4.7.0 kvar/Mvar Tổng công suất phản kháng chiều giao (QIII+QIV) 9.7.0 kVA/MVA Tổng công suất biểu kiến chiều giao 10.7.0 kVA/MVA Tổng công suất biểu kiến chiều nhận 1.8.0 kWh/MWh Tổng điện năng tác dụng chiều giao 2.8.0 kWh/MWh Tổng điện năng tác dụng chiều nhận 3.8.0 Kvarh/Mvarh Tổng điện năng phản kháng chiều giao 10 Mã OBIS Đơn vị Mô tả 4.8.0 kvarh/Mvarh Tổng điện năng phản kháng chiều nhận 9.8.0 kVAh/MVAh Tổng điện năng biểu kiến chiều giao 10.8.0 kVAh/MVAh Tổng điện năng biểu kiến chiều nhận 5.8.0 kvarh/Mvarh Tổng điện năng phản kháng QI 6.8.0 kvarh/Mvarh Tổng điện năng phản kháng QII 7.8.0 kvarh/Mvarh Tổng điện năng phản kháng QIII 8.8.0 kvarh/Mvarh Tổng điện năng phản kháng QIV 1.8.1 kWh/MWh Tổng điện năng tác dụng chiều giao biểu giá 1 2.8.1 kWh/MWh Tổng điện năng tác dụng chiều nhận biểu giá 1 3.8.1 kvarh/Mvarh Tổng điện năng phản kháng chiều giao biểu giá 1 4.8.1 kvarh/Mvarh Tổng điện năng phản kháng chiều nhận biểu giá 1 5.8.1 kvarh/Mvarh Tổng điện năng phản kháng QI, biểu giá 1 6.8.1 kvarh/Mvarh Tổng điện năng phản kháng QII, biểu giá 1 7.8.1 kvarh/Mvarh Tổng điện năng phản kháng QIII, biểu giá 1 8.8.1 kvarh/Mvarh Tổng điện năng phản kháng QIV, biểu giá 1 9.8.1 kVAh/MVAh Tổng điện năng biểu kiến chiều giao biểu giá 1 10.8.1 kVAh/MVAh Tổng điện năng biểu kiến chiều nhận biểu giá 1 1.8.32 kWh/MWh Tổng điện năng tác dụng chiều giao biểu giá 32 2.8.32 kWh/MWh Tổng điện năng tác dụng chiều nhận biểu giá 32 3.8.32 kvarh/Mvarh Tổng điện năng phản kháng chiều giao biểu giá 32 4.8.32 kvarh/Mvarh Tổng điện năng phản kháng chiều nhận biểu giá 32 5.8.32 kvarh/Mvarh Tổng điện năng phản kháng QI, biểu giá 32 6.8.32 kvarh/Mvarh Tổng điện năng phản kháng QII, biểu giá 32 7.8.32 kvarh/Mvarh Tổng điện năng phản kháng QIII, biểu giá 32 8.8.32 kvarh/Mvarh Tổng điện năng phản kháng QIV, biểu giá 32 9.8.32 kVAh/MVAh Tổng điện năng biểu kiến chiều giao biểu giá 32 10.8.32 kVAh/MVAh Tổng điện năng biểu kiến chiều nhận biểu giá 32 1.6.0 kW/MW Công suất tác dụng cực đại chiều giao 2.6.0 kW/MW Công suất tác dụng cực đại chiều nhận 3.6.0 kvar/Mvar Công suất phản kháng cực đại chiều giao 4.6.0 kvar/Mvar Công suất phản kháng cực đại chiều nhận 9.6.0 kVA/MVA Công suất biểu kiến cực đại chiều giao 10.6.0 kVA/MVA Công suất biểu kiến cực đại chiều nhận … 11 Đơn vị Mã OBIS Mô tả 1.6.1 kW/MW Công suất tác dụng cực đại chiều giao biểu giá 1 2.6.1 kW/MW Công suất tác dụng cực đại chiều nhận biểu giá 1 3.6.1 kvar/Mvar Công suất phản kháng cực đại chiều giao biểu giá 1 4.6.1 kvar/Mvar Công suất phản kháng cực đại chiều nhận biểu giá 1 9.6.1 kVA/MVA Công suất biểu kiến cực đại chiều giao biểu giá 1 10.6.1 kVA/MVA Công suất biểu kiến cực đại chiều nhận biểu giá 1 1.6.32 kW/MW Công suất tác dụng cực đại chiều giao biểu giá 32 2.6.32 kW/MW Công suất tác dụng cực đại chiều nhận biểu giá 32 3.6.32 kvar/Mvar Công suất phản kháng cực đại chiều giao biểu giá 32 4.6.32 kvar/Mvar Công suất phản kháng cực đại chiều nhận biểu giá 32 9.6.32 kVA/MVA Công suất biểu kiến cực đại chiều giao biểu giá 32 10.6.32 kVA/MVA Công suất biểu kiến cực đại chiều nhận biểu giá 32 0.4.2 TU Tỉ số biến dòng 0.4.3 TI Tỉ số biến áp … - Nội dung hiển thị LCD của mã lỗi hệ thống. Bảng 1.2 Bảng mã OBIS của công tơ điện tử Lỗi hoặc cảnh báo Mã lỗi RF Byte 1 Mã lỗi LCD Cảnh báo ngược dòng 04 02 Cảnh báo quá dòng 32 06 Cảnh báo áp thấp 64 07 Cảnh báo áp cao 128 08 Báo lỗi phần cứng 02 03 Báo lỗi EEPROM 02 13 Mở khóa cứng của công tơ (jump) 02 23 Mở nắp công tơ 02 33 Mở nắp đấu dây 02 43 Cảnh báo pin dự phòng yếu 02 53 Cảnh báo từ trường 01 05 Cảnh báo rò rỉ đất (gian lận điện) 16 00 Nối tắt dòng I1 (gian lận điện) 16 00 Như vậy các thiết bị điện thông minh có chuẩn truyền thông khác nhau muốn giao tiếp với nhau cần một thiết bị trung gian đóng vai trò làm Gateway. 12 CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ IoT GATEWAY Chương 2 sẽ trình bày về những nhiệm vụ trong thiết kế IOT Gateway, về thiết kế phần cứng như máy tính nhúng dùng làm Gateway, các module ngoại vi để giao tiếp với các thiết bị có chuẩn truyền thông RF, Zigbee, MQTT. Về thiết kế phần mềm trên nền tảng hệ điều hành Linux và hệ điều hành OpenHabian, giải pháp tích hợp dựa trên mã nguồn mở OpenHAB Framework. 2.1. Thiết kế phần cứng Cùng với sự phát triển của IOT, hàng loạt các giao thức truyền thông ra đời, trong phạm đề tài này giới thiệu 3 giao thức tiêu biểu, được sử dụng rộng rãi là Zigbee, MQTT và RF Mesh. 2.1.1. Module RF Hiện nay các công tơ điện tử phổ biến trên thị trường sử dụng sóng RF để liên lạc. Để giao tiếp được với chúng cần thiết kế một module RF, tuy nhiên tần số RF của công tơ đã được đăng ký độc quyền (công tơ của CPC EMEC sản xuất dùng tần số 408,925 MHz), bảo mật công nghệ điều chế xung FSK gây khó khăn về tìm kiếm linh kiện, bản quyền thu phát sóng và công nghệ giải mã xung dẫn đến việc tự thiết kế bộ đọc dữ liệu công tơ trực tiếp là bất khả thi. Để giải quyết thách thức trên, cần thiết kế một module RF chuyển đổi trung gian nhằm lấy số liệu trực tiếp từ công tơ thông qua cổng giao tiếp nối tiếp RS 232. Dữ liệu được đọc từ công tơ thông qua IC MAX232 và xử lý bằng Arduino Promini, sau đó gửi đi thông qua module NRF24L01 (tần số 2.4GHz thông dụng) đến module RF của Gateway. Tại đây dữ liệu được nhận và đưa vào Gateway thông qua module UART và cáp kết nối USB. Với ưu điểm vượt trội so với các loại module RF tần số 315Mhz hay 433MHz khác, NRF24L01 có bán kính thu phát 100m ở điều khiện trống, tích hợp sẵn anten trên mạch có tính tiện lợi và thẩm mỹ, ngoài ra module còn có tính năng truyền nhận 2 chiều (vừa có thể là transmitter vừa có thể là receiver). 2.1.2. Module Zigbee Zigbee là giao thức phổ biến trong các thiết bị thông minh hiện nay. Với khả năng tiết kiệm năng lượng cực thấp, dễ dàng mở rộng mạng, linh hoạt. Hoạt động phổ biến ở tần số 2,4Ghz, với tốc độ truyền có thể đạt 250kbps, nhờ vào cơ chế định tuyến gói tín hiệu quả giúp kênh truyền dữ liệu ổn định, giúp công nghệ mạng ZigBee trở nên hấp dẫn cho các ứng dụng từ phạm vi nhỏ như quản lý nhà thông minh, nhà máy, xí nghiệp… đến phạm vi lớn hơn. 13 Module Zigbee bao gồm bộ nguồn chuyển đổi điện 220VAC thành 3.3VDC, rơle điều khiển đóng cắt phụ tải, module cảm biến đo dòng ACS712, module thu phát DRF 1605H với IC chính là CC2530, đây là IC sử dụng chuẩn truyền sóng Zigbee 2,4GHz với IC khuếch đại trên module, Arduino Promini. Arduino Promini dùng để đọc tín hiệu Analog từ cảm biến đo dòng ACS712 và điều khiển rơle. Sau đó dữ liệu sẽ truyền qua Zigbee thông qua module DRF 1605H tới module Zigbee của Gateway. Tại đây dữ liệu được nhận và đưa vào Gateway thông qua module UART và cáp kết nối USB. 2.1.3. Module MQTT Cùng với sự phổ biến của wifi, internet, nền tảng mạng TCP/IP, MQTT là chuẩn truyền thông IoT phổ biến ngày nay được dùng bởi IBM, Microsoft, Amazon, Facebook… Module MQTT gồm bộ nguồn chuyển đổi điện 220VAC thành 5VDC, rơle điều khiển đóng cắt phụ tải, IC điều khiển ESP8266 và module ESP-12E. Các thiết bị MQTT hoạt động với với IC điều khiển trung tâm là ESP8266, thiết kế trên module ESP-12E. Các thiết bị sẽ subcrible cái topic “command” và public dữ liệu lên topic “status”. Còn các server sẽ làm nhiệm vụ ngược lại, gửi thao tác điều khiển xuống topic “command” và theo dõi topic “status” để biết được trạng thái của thiết bị. 2.1.4. Máy tính nhúng Mọi người đều biết đến máy tính cá nhân Personal Computer (PC). Nhưng với rất nhiều người khái niệm máy tính nhúng là một điều mới lạ. Máy tính đa dụng như PC được sử dụng để chạy hàng loạt chương trình và ứng dụng. Thí dụ, xử lý công việc văn phòng bằng phần mềm MS Office, thiết kế kỹ thuật hay thiết kế đồ họa bằng phần mềm Autocad, Corel Draw, Photoshop, các tiện ích của webbrowser hay hàng nghìn trò chơi máy tính hiện hành. Trong khi đó, máy tính nhúng được thiết kế tích hợp cả phần cứng và phần mềm phục vụ các bài toán chuyên dụng cụ thể trong nhiều lĩnh vực công nghiệp và tự động hoá điều khiển. Đặc điểm của các hệ thống nhúng là hoạt động ổn định và có tính năng tự động hoá cao. Kích thước nhỏ gọn mang lại hai ưu điểm nổi trội khi sử dụng máy tính nhúng là giảm thiểu được chi phí và dễ dàng triển khai. Đối với các ứng dụng nhúng liên quan đến điều kiện môi trường khắc nghiệt, nên sử dụng máy tính nhúng đáp ứng các tiêu chuẩn sau đây: - Truy cập luôn sẵn sàng: Một thiết kế vững chắc và khả năng quản lí từ xa là một điều bắt buộc nhằm giảm thiểu chi phí bảo dưỡng và đảm bảo máy tính nhúng hoạt động một cách tin cậy. 14 - Truyền thông tin cậy: Đối với các ứng dụng đòi hỏi một kiến trúc hệ thống phân tán, phải đảm bảo sử dụng máy tính nhúng đem đến lựa chọn các giao diện và hỗ trợ các giao thức truyền thông bảo mật. - Phù hợp với môi trường khắc nghiệt: Rất nhiều các ứng dụng công nghiệp cần đến hệ số hình dạng tiêu chuẩn DIN-rail và hỗ trợ nhiệt độ hoạt động rộng. Đối với các bus và thiết bị lắp đặt trên máy với các bộ phận chuyển động, cần phải xem xết đến khả năng chống rung. - Lựa chọn mở rộng linh hoạt: Máy tính nhúng với nhiều khe mở rộng, nhiều lựa chọn bộ nhớ và cổng giao tiếp đem lại cho nhà tích hợp hệ thống nhiều lựa chọn hơn khi thiết kế một hệ thống mới và khi tái sử dụng thiết bị hiện có cho các ứng dụng khác. - Quản lí hiệu quả: Có khả năng lắp đặt máy tính nhúng nhanh chóng và dễ dàng là điều cần thiết khi giải quyết vấn về của các hệ thống lớn. Ngoài ra, khả năng quản lí từ xa giúp nâng cao độ tin cậy của hệ thống và giúp dễ dàng cấu hình cũng như cập nhật chương trình và phần mềm. 2.1.5. Ưu điểm của máy tính nhúng a. Hướng đến sự linh hoạt cao hơn Mặc dù các máy tính nhúng không đòi hỏi một màn hình, bàn phím và chuột nhưng chúng vẫn cần đến các phương tiện giao tiếp với các thiết bị khác trong hệ thống. Ở mức tối thiểu thì máy tính cũng cần có một hoặc 2 cổng serial để kết nối với các thiết bị ngoài. Tuy nhiên, đối với máy tính nhúng là một thành phần tồn tại độc lập trong một hệ thống điều khiển hiện đại, nó cũng cần có khả năng kết nối với nhiều loại giao thức khác: Serial (SCI): RS232, RS422, và RS485 là những giao thức serial tiêu chuẩn cho các ứng dụng công nghiệp. Bus Serial đa năng (USB): Mặc dù RS232/422/485 vẫn là tiêu chuẩn cho các ứng dụng công nghiệp, tuy nhiên USB đang bắt đầu xâm nhập thị trường. Kết nối mạng: Ethernet giờ đây đang phổ biến ở môi trường văn phòng và nhà ở, đang được sử dụng ngày càng nhiều hơn trong các hệ thống công nghiệp. Ngoài ra, một số ứng dụng công nghiệp sử dụng giao thức CAN (Control Area Network). IO rời rạc: Các hệ thống điều khiển diện rộng ứng dụng rộng rãi công nghệ General Purpose Input/Output (GPIO). Chuyển từ Analog sang Digital/Digital sang Analog (ADC/DAC): Khả năng chuyển đổi tín hiệu analog sang tín hiệu số và ngược lại là một yêu cầu đối với nhiều ứng dụng công nghiệp. Giao thức truyền thông không dây: Các ứng dụng công nghiệp trong hệ thống