Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế thi công thiết bị giám sát kho mát từ xa

Tài liệu chi tiết đồ án thiết kế và thi công thiết bị giám sát, điều khiển kho mát từ xa. Gồm sơ đồ nguyên lý, lập trình và ứng dụng thực tế.

• Tác giả: Nguyễn Đình Khang
• Người hướng dẫn: Th.S Nguyễn Trường Duy
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện tử Truyền thông
• Đề tài: Thiết kế và thi công thiết bị giám sát, điều khiển kho mát từ xa
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Hệ thống Giám sát và Điều khiển Kho mát từ xa

Đồ án thiết bị giám sát & điều khiển kho mát từ xa là một dự án tốt nghiệp tiên tiến, kết hợp công nghệ điều khiển tự động hiện đại với ứng dụng thực tiễn trong quản lý kho lạnh. Hệ thống này được thiết kế để tối ưu hóa quản lý nhiệt độ và độ ẩm trong các kho mát từ xa thông qua các thiết bị điều khiển hiệu quả. Mục tiêu chính của đồ án là xây dựng một giải pháp toàn diện cho giám sát kho mát tự động, cho phép người dùng kiểm soát các thông số quan trọng từ bất kỳ vị trí nào. Dự án này kết hợp các công nghệ như vi điều khiển ESP32, cảm biến nhiệt độ DHT22, và giao thức truyền thông hiện đại để tạo ra một hệ thống mạnh mẽ và đáng tin cậy.

1.1. Mục tiêu và ý nghĩa của đồ án

Mục tiêu chính của dự án là phát triển một hệ thống giám sát tự động kho mát hiệu quả, giảm chi phí vận hành và tối ưu hóa bảo quản sản phẩm. Hệ thống cho phép điều khiển từ xa thông qua ứng dụng di động và website, cung cấp thông tin giám sát thời gian thực. Ý nghĩa thực tiễn bao gồm giảm sự can thiệp của con người, cảnh báo sớm về sự cố, và quản lý năng lượng hiệu quả cho các cơ sở bảo quản hàng hóa.

1.2. Ứng dụng trong thực tiễn

Ứng dụng thực tế của hệ thống bao gồm quản lý kho mát bảo quản thực phẩm, dược phẩm, và các sản phẩm nhạy cảm với nhiệt độ. Hệ thống giám sát từ xa giúp nhân viên quản lý theo dõi tình trạng kho mà không cần có mặt trực tiếp. Khả năng điều khiển tự động các sò nóng lạnh TEC12715 và quạt tản nhiệt giúp duy trì điều kiện lưu trữ tối ưu, nâng cao chất lượng sản phẩm và độ tin cậy trong hoạt động kinh doanh.

II. Cấu trúc và Thành phần Phần cứng của Thiết bị

Hệ thống phần cứng của đồ án bao gồm các thành phần chính được lựa chọn kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy. Vi điều khiển ESP32 NodeMCU đóng vai trò as trung tâm xử lý tất cả các chức năng điều khiển. Cảm biến DHT22 đo lường nhiệt độ và độ ẩm với độ chính xác cao, cung cấp dữ liệu cho hệ thống giám sát kho mát. Các linh kiện khác như sò nóng lạnh TEC12715, relay điều khiển, module LM2596, và màn hình TFT tạo nên một hệ thống hoàn chỉnh. Giao thức truyền thông SPI được sử dụng để kết nối các thiết bị với nhau, đảm bảo tốc độ truyền dữ liệu cao.

2.1. Vi điều khiển và các cảm biến chính

Vi điều khiển ESP32 là bộ não của hệ thống, xử lý logic điều khiển và giao tiếp với các thiết bị ngoại vi. Cảm biến DHT22 cung cấp đo lường nhiệt độ và độ ẩm chính xác, với phạm vi đo từ -40°C đến +80°C. Các cảm biến này được kết nối trực tiếp với vi điều khiển để cấp dữ liệu giám sát thời gian thực. Tín hiệu từ cảm biến được xử lý để ra quyết định điều khiển tự động sò nóng lạnh và quạt tản nhiệt duy trì điều kiện tối ưu.

2.2. Hệ thống điều khiển và cấp nguồn

Hệ thống điều khiển sử dụng relay để chuyển mạch các thiết bị sò nóng lạnh và quạt tản nhiệt. Module LM2596 đóng vai trò ổn áp DC, cung cấp nguồn ổn định cho toàn bộ thiết bị điều khiển. Màn hình TFT hiển thị trạng thái giám sát kho mát và tham số hiện tại. Thiết kế mạch điều khiển công suất được tính toán để xử lý dòng điện lớn, đảm bảo an toàn và hiệu quả hoạt động lâu dài.

III. Phần mềm và Ứng dụng Điều khiển

Phần mềm hệ thống được phát triển để hỗ trợ điều khiển từ xa kho mát thông qua nhiều nền tảng khác nhau. Lập trình vi điều khiển sử dụng Arduino IDE với ngôn ngữ C++, cung cấp các thuật toán điều khiển chế độ Auto và Manual linh hoạt. Ứng dụng Android cho phép người dùng giám sát kho mát trên điện thoại thông minh, nhận được thông báo cảnh báo khi nhiệt độ vượt ngưỡng. Website quản lý được xây dựng để cung cấp giao diện giám sát toàn diện từ máy tính. Tất cả các thành phần phần mềm được tích hợp để tạo một hệ thống quản lý kho mát hoàn chỉnh và dễ sử dụng.

3.1. Lập trình vi điều khiển và logic điều khiển

Lập trình vi điều khiển ESP32 sử dụng Arduino IDE để triển khai các thuật toán điều khiển nhiệt độ kho mát. Chế độ Auto tự động điều chỉnh sò nóng lạnh và quạt dựa trên giám sát nhiệt độ thời gian thực. Chế độ Manual cho phép người dùng can thiệp trực tiếp vào điều khiển. Hệ thống xử lý dữ liệu từ cảm biến DHT22, thực hiện so sánh với ngưỡng cài đặt, và đưa ra lệnh điều khiển thích hợp. Các lưu đồ giải thuật rõ ràng đảm bảo hoạt động ổn định và độ tin cậy cao.

3.2. Ứng dụng mobile và giao diện web

Ứng dụng Android cung cấp giao diện điều khiển kho mát trực quan, cho phép người dùng theo dõi thông số giám sát real-time. Giao diện web được xây dựng bằng HTML/CSS/JavaScript, cấp quyền truy cập từ bất kỳ trình duyệt web nào. Cả hai nền tảng đều hỗ trợ thiết lập nhiệt độ mục tiêu, xem lịch sử dữ liệu, và nhận thông báo cảnh báo. Giao tiếp Socket.io đảm bảo cập nhật dữ liệu giám sát mượt mà và kịp thời, cung cấp trải nghiệm người dùng tốt nhất.

IV. Kết quả và Hướng phát triển Tương lai

Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống giám sát & điều khiển kho mát hoạt động ổn định và đạt được các mục tiêu đề ra. Độ chính xác đo lường của cảm biến DHT22 đạt ±0.5°C, cho phép điều khiển nhiệt độ chính xác trong khoảng +5°C đến -5°C so với nhiệt độ cài đặt. Hệ thống điều khiển tự động duy trì điều kiện kho mát ổn định hiệu quả, giảm thiểu biến động nhiệt độ. Ứng dụng mobile hoạt động mạnh mẽ, cung cấp giám sát từ xa đáng tin cậy. Hướng phát triển tương lai bao gồm tích hợp trí tuệ nhân tạo để tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng, mở rộng giám sát đa kho và nâng cao tính năng dự báo sự cố.

4.1. Kết quả đạt được từ đồ án

Hệ thống hoàn thành đáp ứng đầy đủ yêu cầu giám sát và điều khiển kho mát từ xa. Kiểm tra thực tế cho thấy độ ổn định cao, với sai số đo lường không vượt quá ±1°C. Ứng dụng mobile đã kiểm thử thành công, hỗ trợ điều khiển từ xa mượt mà từ các vị trí khác nhau. Giao diện web cung cấp giám sát toàn diện cho quản lý viên. Hệ thống cảnh báo phát huy hiệu quả trong việc phát hiện sớm các bất thường nhiệt độ.

4.2. Tương lai của công nghệ giám sát kho mát

Hướng phát triển tiếp theo bao gồm tích hợp machine learning để dự đoán sự cố trước khi xảy ra. Mở rộng hệ thống cho phép giám sát nhiều kho mát từ một bảng điều khiển trung tâm. Tích hợp IoT nâng cao cung cấp khả năng tự động hóa nâng cao và tối ưu hóa năng lượng. Blockchain có thể được ứng dụng để ghi chép dữ liệu giám sát an toàn. Công nghệ 5G sẽ cải thiện tốc độ truyền dữ liệu giám sát và độ tin cậy của hệ thống.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng Quan Chương này trình bày về vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án. • Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết Chương này trình bày tổng quan, lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn và bố cục đồ án. • Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán Tính toán thiết kế, đưa ra sơ đồ nguyên lí của thiết bị. • Chương 4: Thiết kế và lập trình cho thiết bị Thiết kế hệ thống, lưu đồ, đưa ra giải thuật và chương trình.

• Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá Đưa ra kết quả đạt được sau một thời gian nghiên cứu, một số hình ảnh của hệ thống, đưa ra những nhận xét, đánh giá toàn bộ hệ thống. • Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển Trình bày những kết luận về hệ thống những phần làm rồi và chưa làm, đồng thời nếu ra hướng phát triển cho hệ thống. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2.1 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT KHO MÁT Với sự phát triển hiện nay, việc sử dụng kho mát để lưu trữ bảo quản hàng hóa rất phổ biến trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Cùng với đó, nhu cầu giám sát, cũng như điều khiển các kho mát từ xa là vấn đề mà rất nhiều doanh nghiệp cần. Hiện nay, đã có nhiều công ty, đơn vị cung cấp các thiết bị phục vụ cho nhu cầu trên. Chủ yếu các thiết bị được chia thành 2 loại theo chức năng của thiết bị. ▪ Thiết bị giám sát, cảnh báo nhiệt độ kho mát từ xa.

▪ Thiết bị điều khiển nhiệt độ kho mát. ❖ Thiết bị giám sát kho mát từ xa của công ty ATPro Corp Sản phẩm “Hệ thống giám sát nhiệt độ cho kho mát bằng PLCPis” của công ty ATPro Corp [5], sử dùng bộ điều khiển PLC để giám sát nhiệt độ của kho mát, được quản lý thông qua webserver, có chức năng cảnh báo nhiệt độ từ xa như gửi email, gửi SMS, gọi điện và giám sát qua webserver bằng smartphone, laptop.1 Hệ thống giám sát nhiệt độ cho kho mát bằng PLCPis Hiện tại có hai loại chính là loại đơn lẻ, chỉ gồm một thiết bị sử dụng cho một kho mát; loại sử dụng một thiết bị trung tâm kết hợp nhiều thiết bị con được lắp đặt cho nhiều kho mát khác nhau. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ❖ Thiết bị điều khiển kho mát từ xa Sản phẩm “ Thiết bị điều khiển nhiệt độ kho mát ECA-GPIs4.4EZ” được cung cấp bởi công ty ECAPRO [6].

Thiết bị có chức năng giám sát và điều khiển nhiệt độ kho mát. Nó rất thích hợp cho tích hợp hệ thống, kết hợp với các hệ thống điều khiển hiện đại qua Modem, Ethernet, GSM và Internet. Việc điều khiên giám sát chủ yếu qua web server và kết hợp với giám sát điều khiển qua tin nhắn SMS và thiết bị giao tiếp HMI. Giám sát trực quan với biểu đồ thời gian thực các trạng thái điều khiển và trạng thái nhiệt độ.

Cảnh báo nhiệt độ tối đa và tối thiểu, đầu dò nhiệt bị lỗi, nguồn điện lưới và cửa mở thông qua tin nhắn, đầu ra loa đèn và trên đồ thị thời gian hiển thị trên web.2 Thiết bị điều khiển nhiệt độ kho mát ECA-GPIs4.4EZ Điểm chung của các thiết bị trên là chỉ thực hiện 1 chức năng nhất định là điều khiển hoặc giám sát, chưa có thiết bị nào có cả 2 chức năng và giá thành của thiết bị thì tương đối cao, chỉ phù hợp với các hệ thống, các nhà máy lớn.2 ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BẰNG HỒNG NGOẠI 2.1 Đặc điểm và tính chất tia hồng ngoại Tia hồng ngoại [7] là bức xạ điện từ có bước sóng từ 700nm đến 1mm và tần số nằm trong khoảng từ 430THz đến 300Ghz nên nằm ngoài phạm vi nhìn thấy của mắt con người. Tia hồng ngoại vẫn tuân theo các định luật: truyền thẳng, phản xạ, có thể gây nhiễu xạ, giao thoa như ánh sáng thông thường, ngoài ra tia hồng ngoại có thêm các tính chất như tác dụng nhiệt, biến điệu như sóng điện từ cao tần, có thể gây ra hiện tượng quang điện trong ở chất bán dẫn, tác dụng lên một số kính ảnh đặc biệt. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.3 Đặc điểm tia hồng ngoại [8] 2.2 Phân loại: Tia hồng ngoại được phân chia theo bước sóng thành ba vùng chính: ▪ Hồng ngoại gần: có kí hiệu là NIR, có bước sóng từ 0,78µm đến 3 µm.

▪ Hồng ngoại trung: có kí hiệu là MIR, có bước sóng từ 3 µm đến 50 µm. ▪ Hồng ngoại xa: có kí hiệu là FIR, có bước sóng từ 50 µm đến 1000 µm.3 Ứng dụng tia hồng ngoại Tia hồng ngoại được ứng dụng nhiều và phổ biến trong nhiều lĩnh vực như dùng để sấy khô, sưởi, đo nhiệt độ, dùng để tiệt trùng cho thực phẩm, sử dụng để dò tìm vết sướt trên bề mặt sản phẩm, dùng để quay phim, chụp ảnh ban đêm được sử dụng phổ biến trong quân sự, dùng để truyền thông cáp quang, sản xuất linh kiện thu phát tín hiệu hồng ngoại, đặc biệt là dùng trong điều khiển thiết bị từ xa.4 Tín hiệu hồng ngoại sử dụng trong điều khiển từ xa Công nghệ chính được sử dụng trong điều khiển từ xa gia dụng là tia hồng ngoại. Những xung ánh sáng hồng ngoại này vô hình với mắt người và có thể nhìn thấy bằng máy ảnh kỹ thuật số hay máy quay phim. Đầu phát của điều khiển từ xa thường là một đèn LED.

Vì điều khiển từ xa sử dụng tia hồng ngoại, cần có một khoảng không không có vật chắn sáng giữa nó và thiết bị chính. Tuy nhiên, tín hiệu có thể phản xạ qua gương giống như những loại ánh sáng khác. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.4 Dạng sóng của một tín hiệu điều khiển từ remote hồng ngoại Điều khiển từ xa là một thiết bị phát sóng hồng ngoại, sử dụng trong các mục đích điều khiển từ xa với khoảng cách nhỏ hơn 10m.

Điều khiển từ xa nhận lệnh từ người điều khiển thông qua các phím bấm, sau đó xuất ra một khung dữ liệu ứng với phím được bấm. Có rất nhiều loại điều khiển được sử dụng như: Sony, LG, Samsung, Toshiba…. Mỗi loại có 1 cách mã hóa phím bấm khác nhau.5 Hình ảnh remote thực tế Số lượng bit dữ liệu được truyền đi khác nhau: có loại 7 bit (sony), loại 8 bit, 12 bit, 16 bit, 18 bit, 32 bit, 42 bit (AIWA). Cùng 1 hãng điện tử ví dụ sony thì số bit cũng có thể khác nhau, điều khiển tivi sony có 7 bit, còn dàn âm thanh sony là 16 bit.

Mỗi bit sẽ mã hóa được 2 trạng thái 0 và 1, vậy n bit sẽ mã hóa được 2n trạng thái khác nhau, có nghĩa là với giao thức (protocol) 7 bit thì có thể có 27 = 128 lệnh tương ứng 128 nút trên điều khiển, với giao thức (protocol) 32 bit thì có thể có 232 = 4 294 967 296 lệnh tương ứng 4 294 967 296 nút trên điều khiển, với giao thức (protocol) 16 bit thì có thể có 216 = 65 536 lệnh tương ứng 65 536 nút trên điều khiển. Tất nhiên nếu sử dụng giao thức có số lượng bit nhiều thì khả năng bị trùng phím với điều khiển khác là rất ít, trong khi điều này lại làm giảm tuổi thọ của Pin điều khiển [9]. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Tùy vào mỗi nhà sản xuất mà sử dụng các cách mã hóa tín hiệu hồng ngoại khác nhau.

▪ Loại điều chế độ rộng xung thấp là loại điều khiển từ xa có bit 0 và bit 1 khác nhau ở độ rộng xung thấp, điển hình là điều khiển sony. ▪ Loại điều chế độ rộng xung cao là loại điều khiển từ xa có bit 0 và bit 1 khác nhau ở độ rộng xung cao, điển hình là điều khiển Samsung. ▪ Ngoài ra cũng có giao thức hồng ngoại NEC và nhiều giao thức khác. ❖ Giao thức truyền tín hiệu NEC Giao thức truyền tín hiệu NEC[10] sử dụng mã hóa khoảng cách xung của các bit thông báo.

Mỗi xung bắt đầu (đánh dấu - Bộ phát RC BẬT) có chiều dài 562,5us với tần số sóng mang là 38kHz (26. Bit logic được truyền đi như sau: • Logic '0' - một xung xung 562,5us theo sau là khoảng trống 562,5, với tổng thời gian truyền là 1,125ms. • Logic '1' - một xung xung 562,5us giây tiếp theo là không gian 1,6875ms, với tổng thời gian truyền là 2,25ms. Khi truyền hoặc nhận mã điều khiển từ xa bằng giao thức truyền tín hiệu NEC IR, WB_IRRC thực hiện tối ưu khi tần số sóng mang (được sử dụng để điều chế hoặc giải điều chế) là 38.

Khi nhấn một phím trên bộ điều khiển từ xa, một lệnh, một gói tin NEC tiêu chuẩn được truyền đi bao gồm các thông tin. • Cụm xung bắt đầu 9ms (gấp 16 lần độ dài xung sử dụng cho bit dữ liệu logic). • Khoảng trắng 4,5 ms. • 8 bit địa chỉ cho thiết bị nhận.

• 8 bit đảo của địa chỉ. • 8 bit đảo của lệnh. • Cụm xung kết thúc 562,5us để kết thúc gói tin.6 Minh họa gói tin NEC. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.7 Minh họa hình dạng của một khung truyền theo chuẩn NEC, cho địa chỉ 00h (00000000b) và lệnh ADh (10101101b). Mỗi lệnh IR của điều hòa từ xa sẽ gửi thông tin đầy đủ. Ví dụ: lệnh thay đổi nhiệt độ cài đặt cũng sẽ gửi các bit chế độ, bit tốc độ quạt, bit hẹn giờ (nếu được hỗ trợ). Để biết thông tin đầy đủ, gói NEC tiêu chuẩn không đủ và do đó phiên bản mở rộng được sử dụng có thể khác nhau cho mỗi nhà sản xuất.

Lệnh IR cho AC có thể chứa các mục. • Xung bắt đầu 9ms. • Khoảng trắng 4,5ms. • n bit dữ liệu và địa chỉ với checksum (n thay đổi theo nhà sản xuất và các tính năng được hỗ trợ trong điều hòa).

• Xung kết thúc 562,5us.8 Mã HEX IR của Máy điều hòa không khí sử dụng mã hóa NEC.3 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 2.1 Led thu phát hồng ngoại ❖ Mắt thu hồng ngoại IR 1883HS Hiện nay trên thị trường có rất nhiều chủng loại led thu hồng ngoại khác nhau từ led thu 2 chân cho đến led thu 3 chân. Led thu 3 chân gọi là phototransistor là loại có 3 chân, nó có độ nhạy cao hơn.