Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế và thi công mô hình thùng rác y tế thông minh

Đồ án tốt nghiệp thùng rác y tế thông minh. Trình bày chi tiết thiết kế và thi công mô hình sử dụng LoRa, ESP8266, tự động đóng gói, ép nhiệt.

• Tác giả: Võ Hoàng Phi
• Người hướng dẫn: ThS. Võ Đức Dũng
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Truyền thông
• Đề tài: Thiết kế và thi công mô hình thùng rác y tế thông minh
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về đồ án thiết kế thùng rác y tế thông minh

Đồ án thiết kế thùng rác y tế thông minh là một nghiên cứu toàn diện về việc tự động hóa quá trình quản lý và xử lý chất thải y tế. Dự án này được thực hiện bởi sinh viên ngành Kỹ Thuật Điện Tử Truyền Thông tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh. Thùng rác y tế thông minh kết hợp công nghệ IoT hiện đại để giám sát, kiểm soát và tối ưu hóa quy trình thu gom rác thải từ các cơ sở y tế. Hệ thống này sử dụng các cảm biến thông minh, vi điều khiển và công nghệ truyền dữ liệu để đảm bảo an toàn, vệ sinh và hiệu quả. Mục tiêu chính là giảm thiểu rủi ro lây nhiễm, nâng cao tiêu chuẩn quản lý chất thải và tự động hóa các quy trình đóng gói bao rác.

1.1. Đặc điểm nổi bật của hệ thống

Hệ thống thùng rác y tế thông minh được trang bị các tính năng hiện đại như cảm biến phát hiện đầy rác, hệ thống ép nhiệt tự động, và giao tiếp không dây LoRa. Các cảm biến hồng ngoại E18-D80NK giám sát mức độ chứa đầy, trong khi động cơ servo MG995 điều khiển nắp thùng. Hệ thống cũng tích hợp công nghệ đóng gói bao rác tự động với ổn định nhiệt độ, đảm bảo chất lượng và an toàn.

1.2. Ứng dụng trong thực tế

Thùng rác y tế thông minh được ứng dụng rộng rãi tại các bệnh viện, phòng khám, trung tâm y tế. Hệ thống giúp quản lý chất thải nguy hiểm một cách hiệu quả, giảm tiếp xúc trực tiếp của nhân viên với rác thải, từ đó giảm nguy cơ lây bệnh. Công nghệ này đóng góp vào việc nâng cao tiêu chuẩn vệ sinh và an toàn lao động trong các cơ sở y tế.

II. Kiến trúc hệ thống và các thành phần chính

Kiến trúc hệ thống thùng rác y tế thông minh bao gồm các thành phần chính: trung tâm điều khiển, thùng rác thông minh, và hệ thống truyền dữ liệu. Trung tâm điều khiển sử dụng vi điều khiển ESP8266 để xử lý tín hiệu từ các cảm biến và điều khiển các thiết bị ngoại vi. Mỗi thùng rác được trang bị cảm biến vật cản hồng ngoại, công tắc hành trình, và động cơ. Module LoRa SX1278 được sử dụng để truyền dữ liệu không dây giữa các thùng rác và trung tâm điều khiển. Mạch điều khiển được thiết kế và thi công trên bảng mạch in, bao gồm các linh kiện như IC 74HC595 để mở rộng port, MOSFET IRF9540 để điều khiển nguồn, và optocoupler PC817 để cách ly tín hiệu.

2.1. Module phần cứng chính

Module ESP8266 ESP-12E là bộ vi xử lý chính có khả năng kết nối WiFi tích hợp. Cảm biến hồng ngoại E18-D80NK phát hiện mức độ chứa đầy thùng rác, Servo MG995 điều khiển nắp thùng. Module LoRa SX1278 cung cấp khả năng truyền dữ liệu tầm xa tiết kiệm năng lượng. IC nguồn AMS1117-3 ổn định điện áp cấp cho các mạch điều khiển.

2.2. Cơ cấu cơ khí

Cơ cấu đóng gói và ép nhiệt gồm vitme T8, dây đai GT2, và motor giảm tốc N20. Máy hút chân không sử dụng motor DC 12V để ép bao rác. Hệ thống truyền động được thiết kế để tự động cuộn và ép nhiệt túi rác, đảm bảo bao rác được đóng kín an toàn. Các ống gen sợi thuỷ tinh được sử dụng để hít chân không hiệu quả.

III. Quy trình thi công và lắp ráp hệ thống

Quá trình thi công đồ án thùng rác y tế thông minh gồm nhiều bước: thiết kế sơ đồ nguyên lý, vẽ PCB, hàn linh kiện, lập trình vi điều khiển, và kiểm tra hệ thống. Đầu tiên, các sơ đồ nguyên lý được thiết kế cho trung tâm điều khiển và mỗi mô-đun thùng rác. Tiếp theo, PCB được vẽ với mặt trước và mặt sau, tối ưu hóa bố trí linh kiện và dây dẫn. Quá trình hàn linh kiện được thực hiện cẩn thận để đảm bảo chất lượng điện và cơ khí. Lắp ráp các thành phần cơ khí bao gồm cơ cấu đóng gói, trục kéo, và hệ thống truyền động. Cuối cùng, kiểm tra điện áp, nạp code, và thử nghiệm kết nối LoRa để đảm bảo toàn bộ hệ thống hoạt động ổn định.

3.1. Thiết kế và vẽ PCB

Thiết kế PCB cho trung tâm điều khiển và mạch thùng rác được thực hiện chi tiết với các khớp nối phù hợp. Sơ đồ nguyên lý bao gồm mạch nguồn, mạch cách ly, mạch mở rộng port, và các kết nối cho cảm biến. Bố trí linh kiện được tối ưu hóa để giảm độ dài dây dẫn, hạn chế nhiễu điện từ và đảm bảo an toàn điện.

3.2. Hàn linh kiện và kiểm tra

Các linh kiện được hàn trên PCB theo đúng vị trí và cực tính. Sau hàn, kiểm tra điện áp trên các điểm cấp nguồn để phát hiện lỗi. Nạp code cho vi điều khiển thông qua kết nối USB to TTL. Kiểm tra tín hiệu từ cảm biến và thiết bị ngoại vi để đảm bảo mạch hoạt động chính xác.

IV. Phần mềm điều khiển và giao tiếp dữ liệu

Phần mềm lập trình cho hệ thống thùng rác y tế thông minh bao gồm firmware cho vi điều khiển ESP8266 và phần mềm web. Firmware điều khiển các chức năng cơ bản như đọc cảm biến, điều khiển servo, quản lý máy hút chân không, và truyền dữ liệu qua LoRa. Giao tiếp UART được sử dụng để truyền dữ liệu giữa vi điều khiển và module LoRa. Công nghệ MQTT cung cấp giao thức truyền thông publish/subscribe để truyền dữ liệu trong hệ thống IoT. Phần mềm web được lập trình để hiển thị trạng thái thùng rác, quản lý dữ liệu, và cảnh báo khi thùng rác đầy. Hệ thống logging ghi lại các sự kiện quan trọng để theo dõi và phân tích hoạt động hệ thống.

4.1. Lập trình vi điều khiển

Code firmware được lập trình bằng C/C++ trong Arduino IDE. Chương trình chính vòng lặp đọc trạng thái cảm biến, xử lý tín hiệu, điều khiển các thiết bị ngoại vi. Hàm truyền dữ liệu LoRa gửi thông tin về mức độ đầy, trạng thái động cơ tới trung tâm. Xử lý sự kiện phản ứng nhanh với sự thay đổi từ cảm biến.

4.2. Giao diện web và theo dõi từ xa

Giao diện web được phát triển để quản lý hệ thống từ xa, hiển thị trạng thái tất cả thùng rác. Dashboard cung cấp thông tin thời gian thực về mức độ chứa đầy, số lần đóng gói, cảnh báo bảo trì. Lịch sử dữ liệu được lưu trữ để phục vụ phân tích và báo cáo quản lý chất thải y tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN và nạp chương trình để kiểm tra. Sau khi hoàn thiện, đo các thông số ngõ vào, ngõ ra để kiểm tra mức độ hoạt động và khả năng làm việc của board mạch cũng như các cơ cấu đóng gói, ép nhiệt, hút chân không của thùng rác. Viết tài liệu hướng dẫn cách vận hành và quy trình thao tác đối với sản phẩm.

• Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá Nêu ra các kết quả đã đạt được trong quá trình làm đề tài về phần điện và cả phần cơ khí. Những ưu điểm và hạn chế trong cách vận hành của các cơ cấu có trong đề tài. Từ đó, rút ra những kiến thức cho bản thân. • Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển Trong đề tài đã đạt được một số yêu cầu về cách thức hoạt động như đã đề ra ban đầu.

Tuy nhiên vẫn còn một số vấn đề cần phải khắc phục để đề tài dần hoàn thiện hơn. Bên cạnh những gì đã làm được, nhóm đề xuất thêm một số ý tưởng cho hướng phát triển của sản phẩm, giúp cho các nhóm sau có cơ sở để thực hiện đề tài được hoàn thiện hơn. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2.

TÌM HIỂU VỀ CHẤT THẢI Y TẾ, QUY TRÌNH ĐÓNG GÓI VÀ THU GOM 2. Các loại chất thải [1] • Chất thải lây nhiễm: Chất thải bị thấm máu, vật sắc nhọn có thể nhiễm khuẩn. • Chất thải hóa học nguy hại: Dược phẩm quá hạn, vỏ các lọ thuốc, … • Chất thải phóng xạ: Danh mục thuốc phóng xạ và hợp chất ban hành kèm theo Quyết định số 33/2006/QĐ-BYT ngày 24 tháng 10 năm 2006 của Bộ trưởng Bộ Y tế. • Bình chứa áp suất: Bao gồm bình đựng oxy, CO2, bình ga,… • Chất thải thông thường: chất thải sinh hoạt, vật liệu đóng gói,… 2.

Tiêu chuẩn về thùng và túi đựng chất thải y tế [1] a. Quy định về màu sắc • Màu vàng đựng chất thải lây nhiễm. • Màu đen đựng chất thải hóa học nguy hại và chất thải phóng xạ. • Màu xanh đựng chất thải thông thường và các bình áp suất nhỏ.

• Màu trắng đựng chất thải tái chế. Thùng đựng chất thải Làm bằng nhựa có tỷ trọng cao, thành dày và cứng hoặc làm bằng kim loại. Túi đựng chất thải Túi màu vàng và màu đen phải làm bằng nhựa PE (Polyethylene) hoặc PP (Polypropyl. Túi đựng chất thải y tế có thành dầy tối thiểu 0,1mm.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2. Mô tả quy trình đóng gói bao rác Đóng, mở nắp thùng rác một cách tự động, khi rác trong thùng đầy sẽ có cảm biến phát hiện đầy rác, thực hiện cơ chế kéo miệng bao rác lại, hút không khí và ép nhiệt 2. Mô tả quy trình thu gom rác thải Sau khi đóng gói bao rác hoàn thành, thùng rác gửi tín hiệu về trung tâm điều khiển thông qua module LoRa báo vị trí của thùng rác đầy.

Người quản lý sẽ thông qua trang web để điều phối người đi thu gom rác thải. GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG Thiết bị đầu vào: Cảm biến hồng ngoại, công tắc hành trình, IC nguồn AMS1117_3. Thiết bị đầu ra: Mosfet IRF9540, Opto PC817, Transistor C1815, IC mở rộng port 74HC595, IC điều khiển động cơ DC L9110, motor DC, Servo. Thiết bị điều khiển trung tâm: Module wifi ESP8266 ESP-12E, Module Lora SX1278.

Các chuẩn truyền dữ liệu: UART, MQTT, Wifi. Thiết bị giao diện điều khiển: Máy tính, điện thoại. Tổng quan về LoRa [2] LoRa là viết tắt của Long Range Radio, có thể truyền dữ liệu với khoảng cách lên hàng km mà không cần các mạch khuếch đại công suất, từ đó giúp tiết kiệm năng lượng tiêu thụ khi truyền, nhận dữ liệu. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2. Công nghệ LoRa a. Nguyên lý hoạt động của LoRa LoRa sử dụng kỹ thuật điều chế gọi là Chirp Spread Spectrum. Sau đó tín hiệu cao tần này tiếp tục được mã hoá theo các chuỗi chirp signal (là các tín hiệu hình sin có tần số thay đổi theo thời gian, có 2 loại chirp signal là up-chirp có tần số tăng theo thời gian và down-chirp có tần số giảm theo thời gian, việc mã hoá theo nguyên tắc bit 1 sẽ sử dụng up-chirp và bit 0 sẽ sử dụng down-chirp) trước khi truyền ra anten để gửi đi.

Cách thức làm việc của công nghệ LoRa Băng tần làm việc của LoRa từ 430MHz đến 915MHz cho từng khu vực khác nhau trên thế giới: 430MHz cho châu Á, 780MHz cho Trung Quốc, 433MHz hoặc 866MHz cho châu Âu và 915MHz cho USA. Và nhờ sử dụng chirp signal mà các tín hiệu LoRa với các chirp rate khác nhau có thể hoạt động trong cùng 1 khu vực mà không gây nhiễu cho nhau. Module LoRa SX1278 Module Lora SX1278 433MHz sử dụng chip SX1278 giao tiếp chuẩn Lora, giúp tiết kiệm năng lượng và khoảng cách phát xa (3Km), ngoài ra nó còn có khả năng cấu hình để tạo thành một mạng thống nhất. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2. Module Lora SX1278 ➢ Thông số kĩ thuật • Chip SX1278 • Điện áp: 2.5 VDC • Dòng tiêu thụ 130 mA • Tốc độ truyền nhận dữ liệu: 1200- 115200 bps • Công suất: 100mW • Khoảng cách truyền: 3000m • Tần số: 410- 441MHZ • 512 bytes bộ đệm. ➢ Cách sử dụng module LoRa SX1278 Bảng 2. Các chế độ hoạt động của module SX1278 Working mode M1 M0 Introduction Mode 0 normal 0 0 Serial open and wireless open, transparent transmission Mode 1 Wake-up 0 1 Serial open and wireless open Mode 2 Power-saving 1 0 Serial close and wireless wake-up mode Mode 3 Sleep 1 1 Sleep, and can receive parameter setting command BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Để tùy chỉnh các thông số thu phát: Kênh, Địa chỉ, Tốc độ, Công suất,… chúng ta cần sử dụng module chuyển đổi USB-UART Lora CP2102 kết nối với máy tính. Các chế độ truyền nhận của module USB UART Mode M1 M0 Mode introduction Remark Mode 0 Serial port open, wireless The receiver must be in 0 0 channel open, transparent Normal mode 0 or mode 1 transmission. Serial port open, wireless open. The difference between normal mode and wake-up mode is it Mode 1 will increase wake-up code The receiver could be in 0 1 Wake-up automatically before data packet mode 0, mode 1 or mode 2.

transmission so that it can awaken the receiver working under mode 2 Serial port closed, wireless is 1, the transmitter should be Mode 2 under the air wake-up mode. It in mode 1 Power 1 0 will open the serial port and saving transmit data after receiving the 2, cannot transmit under this wireless data. mode Mode 3 The mode will sleep and can For details, pls refer the 1 1 receive parameter setting operating parameter Sleep command. elaboration BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 9 CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2. LoRa SX1278 kết hợp USB-UART 2. Module Wifi ESP8266 ESP-12E ESP8266 12E được thiết kế với vỏ bọc kim loại chống nhiễu và anten Wifi PCB tích hợp cho khoảng cách truyền xa và ổn định. Thông số kỹ thuật • IC chính: Wifi SoC ESP8266 • Điện áp sử dụng: 3.3V) • Dòng tiêu thụ 170mA, dòng điện năng chờ < 5 uA • 30 chân (10 GPIOs) • MCU Frequency: 80-160 MHz, 32-bit micro MCU • SRAM size: 36 KB • ROM size: 4 MB (SPI External Flash) • Antena on PCB • Transmission data rate: 110-460800bps • WiFi @ 2.4 GHz, supports WPA / WPA2 security mode • Wi-Fi Connectivity (802.11 b/ g/ n) • Support UART/GPIO data communication interface • Nhiệt độ làm việc: -40℃～＋125℃ • Kích thước : 24 x 16 x 3mm BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 10 CHƯƠNG 2.

Sơ đồ chân của module ESP8266 ESP-12E Hình 2. Sơ đồ chân mạch thu phát Wifi ESP8266 ESP-12E Hình 2. Sơ đồ kết nối để nạp code cho module ESP8266 ESP-12E 2. Cảm biến hồng ngoại E18-D80NK Cảm biến sử dụng ánh sáng hồng ngoại để xác định vật cản phía trước cảm biến.

Cảm biến vật cản hồng ngoại E18-D80NK a. Thông số kỹ thuật • Dạng đóng ngắt: Thường mở (NO - Normally Open) • Số dây tín hiệu: 3 dây (2 dây cấp nguồn DC và 1 dây tín hiệu ngõ ra cực thu hở NPN). • Nguồn điện cung cấp: 5VDC. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 11 CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT • Khoảng cách phát hiện: 3 ~ 80cm (dùng biến trở để chỉnh) • Dòng kích ngõ ra: 300mA. • Kích thước: 18 x 68mm. Sơ đồ chân • Màu nâu: VCC • Màu xanh dương: GND • Màu đen: Ngõ ra cảm biến ở dạng cực thu hở NPN 2. Cảm biến vật cản hồng ngoại Cảm biến có một cặp truyền và nhận tia hồng ngoại, khi phát hiện có vật cản chắn vào đèn thu hồng ngoại, sau khi so sánh sẽ cho tín hiệu số đầu ra (một tín hiệu bậc thấp).

Thông số kỹ thuật • Bộ so sánh sử dụng LM393 • Điện áp làm việc: 3.3V – 5V DC • Dòng tiêu thụ: Vcc = 3.0V: 43 mA • Góc hoạt động: 35° • Mức logic ngõ ra: Mức thấp: khi có vật cản, mức cao: khi không có vật cản • Kích thước: 3.4cm • Khoảng cách làm việc hiệu quả 2 ~ 5cm. Sơ đồ cảm biến vật cản hồng ngoại Hình 2. Sơ đồ cảm biến hồng ngoại BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 12 CHƯƠNG 2. Công tắc hành trình Công tắc hành trình dùng để giới hạn hành trình của chuyển động.

Công tắc hành trình a. Cấu tạo Công tắc hành trình, bao gồm có: cần tác động, chân COM, chân thường đóng (NC), chân thường hở (NO). Nguyên lý hoạt động Ở điều kiện bình thường, tiếp điểm giữa chân COM và chân NC sẽ được đấu với nhau. Khi có lực tác động lên cần tác động thì tiếp điểm giữa chân COM và chân NC sẽ hở, tiếp điểm chuyển qua chân COM và chân NO.

IC nguồn AMS1117-3.3 Là IC chuyên dụng để ổn định điện áp tuyến tính với sụt áp thấp. Thông số kỹ thuật • Điện áp ngõ ra: 3.3V • Dòng ra tối đa: 1A • Áp ngõ vào: 1.7VDC) • Nhiệt độ hoạt động: -40 ℃ đến 125 ℃ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 13 CHƯƠNG 2. Sơ đồ kết nối Hình 2. Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 3.

Mosfet IRF9540 Mosfet IRF9540 là Transistor hoạt động dựa trên hiệu ứng từ trường để tạo ra dòng điện, là linh kiện có trở kháng đầu vào lớn thích hợp cho khuyếch đại các nguồn tín hiệu yếu. Mosfet IRF9540 Với G (Gate) là cực cổng, D (Drain) là cực máng và S (Source) là cực nguồn. Thông số kỹ thuật • Điện áp đánh thủng: 100V.