Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh tự động hóa và công nghệ thông tin ngày càng phát triển, việc quản lý dữ liệu, giám sát và điều khiển thiết bị từ xa đóng vai trò thiết yếu trong nhiều lĩnh vực như nhà thông minh, nông nghiệp kỹ thuật cao và công nghiệp sản xuất. Phần lớn các hệ thống nhúng và kit phát triển phổ biến trong đào tạo cũng như nghiên cứu tại thời điểm thực hiện (năm 2016) như Arduino, Raspberry Pi hay XBee chủ yếu dựa trên các ngôn ngữ lập trình dòng lệnh truyền thống (C, C++, Python). Việc tiếp cận các nền tảng thu thập dữ liệu chuyên dụng kết hợp với ngôn ngữ lập trình đồ họa trực quan (G-code) còn hạn chế trong chương trình đào tạo kỹ thuật tại Việt Nam.

Đồ án tốt nghiệp "Giám sát và điều khiển thiết bị sử dụng Kit myDAQ" do sinh viên Đặng Xuân Vương và Bùi Quốc Tín (ngành Công nghệ kỹ thuật máy tính, Khoa Đào tạo Chất lượng cao, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh) thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Ngô Lâm nhằm giải quyết bài toán xây dựng hệ thống thu thập thông số môi trường và điều khiển thiết bị tập trung thông qua nền tảng phần cứng NI myDAQ và môi trường đồ họa LabVIEW.

Mục tiêu nghiên cứu:

  1. Nghiên cứu và làm chủ kỹ thuật lập trình trên phần mềm LabVIEW 2014 kết nối với phần cứng NI myDAQ.
  2. Tìm hiểu nguyên lý hoạt động, tích hợp và xử lý tín hiệu từ các module cảm biến: nhiệt độ (LM35), ánh sáng (LDR - LM393), độ ẩm (HS1101 - NE555), hồng ngoại phát hiện vật cản (LM393), khí gas (MQ2 - LM393) và cảm biến dòng điện (ACS712).
  3. Xây dựng mô hình mạng nội bộ (LAN), thực hiện giao tiếp và truyền nhận dữ liệu giữa máy tính chủ (Server) và các trạm đo lường/điều khiển (Client 1, Client 2) qua giao thức TCP/IP trên nền mạng không dây Wi-Fi.
  4. Giám sát các thông số thực tế và điều khiển thiết bị chấp hành theo 2 chế độ: điều khiển bằng tay (Manual) và điều khiển tự động (Auto), bao gồm điều khiển tốc độ động cơ bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM).
  5. Thiết kế giao diện đồ họa người dùng (GUI) trực quan trên máy tính bằng LabVIEW phục vụ giám sát và cấu hình hệ thống.

Nhiệm vụ nghiên cứu:

  1. Khảo sát tài liệu kỹ thuật, sơ đồ chân và đặc tính phần cứng của kit NI myDAQ chuẩn giao tiếp USB.
  2. Tìm hiểu môi trường phát triển LabVIEW, cấu trúc Front Panel, Block Diagram và thư viện NI-DAQmx.
  3. Nghiên cứu các module cảm biến và linh kiện phụ trợ: cảm biến hồng ngoại, cảm biến ánh sáng, cảm biến khí gas, cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm, IC khuếch đại thuật toán LM393, IC định thời NE555, IC cảm biến dòng ACS712, IC dồn/phân kênh CD4052 và mạch đệm khuếch đại dòng dùng transistor NPN.
  4. Xây dựng giải thuật truyền thông mạng TCP/IP Server - Client và thuật toán điều khiển thiết bị dựa trên ngưỡng dữ liệu thu thập.
  5. Thi công mạch phần cứng, lập trình phần mềm và tiến hành đo đạc, kiểm thử thực nghiệm toàn bộ hệ thống.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Thiết bị thu thập dữ liệu NI myDAQ (National Instruments), phần mềm LabVIEW 2014, họ giao thức mạng TCP/IP, các module cảm biến vật lý (nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, hồng ngoại, khí gas, dòng điện) và cơ cấu chấp hành (động cơ DC, quạt làm mát, bóng đèn, chuông cảnh báo).
  • Phạm vi nghiên cứu: Mô hình giám sát và điều khiển trong phạm vi mạng cục bộ LAN/Wi-Fi thông qua việc ghép nối 02 trạm Client (mỗi Client sử dụng 01 kit NI myDAQ cùng các khối cảm biến/chấp hành tương ứng) với 01 Server quản lý trung tâm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và công nghệ sử dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên lý thuyết về thiết bị ảo (Virtual Instrumentation - VI), kỹ thuật thu thập dữ liệu (Data Acquisition - DAQ), lý thuyết xử lý tín hiệu tương tự/số và kiến trúc mạng truyền thông máy tính:

  1. Nền tảng phần cứng NI myDAQ: Thiết bị đo lường và thu thập dữ liệu kết nối máy tính qua cổng USB, tích hợp sẵn các công cụ đo lường ảo (DMM, Oscilloscope, Function Generator) và hệ thống I/O đa năng.
  2. Môi trường lập trình đồ họa LabVIEW 2014: Phương pháp lập trình theo luồng dữ liệu (data flow) với hai thành phần cốt lõi: Giao diện điều khiển/hiển thị (Front Panel) và Sơ đồ khối mã nguồn đồ họa (Block Diagram). Sử dụng trình điều khiển NI-DAQmx để giao tiếp và quản lý các kênh I/O phần cứng.
  3. Kỹ thuật xử lý tín hiệu cảm biến và ghép kênh:
    • Cảm biến nhiệt độ tương tự LM35 (biến đổi tuyến tính $10\text{ mV/}^\circ\text{C}$).
    • Mạch đo độ ẩm điện dung dùng cảm biến HS1101 kết hợp mạch dao động IC định thời NE555 (chuyển đổi sự thay đổi điện dung thành tần số).
    • Mạch so sánh mức logic dùng IC so áp LM393 cho cảm biến ánh sáng LDR, cảm biến hồng ngoại thu phát và cảm biến khí gas MQ2.
    • Cảm biến dòng tuyến tính hiệu ứng Hall ACS712 (độ nhạy $66\text{ mV/A}$).
    • Kỹ thuật mở rộng kênh vào/ra tương tự thông qua IC dồn kênh và phân kênh tương tự CD4052.
  4. Mô hình truyền thông TCP/IP: Ứng dụng mô hình Client - Server qua socket TCP/IP trên nền mạng LAN/Wi-Fi để đồng bộ dữ liệu đo lường và tham số cài đặt giữa máy chủ và các máy trạm.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Thu thập, đọc hiểu và tổng hợp thông tin kỹ thuật từ datasheet linh kiện điện tử, tài liệu hướng dẫn sử dụng NI myDAQ và tài liệu lập trình LabVIEW từ National Instruments.
  • Phương pháp thiết kế và tích hợp hệ thống: Thiết kế sơ đồ nguyên lý phần cứng, phân chia các khối chức năng (khối nguồn, khối cảm biến, khối ghép kênh, khối đệm công suất, khối DAQ); xây dựng các SubVI và luồng chương trình trên LabVIEW.
  • Phương pháp thực nghiệm: Lắp ráp mạch thực tế, cấu hình kết nối mạng nội bộ, tiến hành chạy thử nghiệm thu thập tín hiệu cảm biến và điều khiển thiết bị chấp hành ở cả hai chế độ bằng tay và tự động; ghi nhận kết quả hiển thị trên giao diện và độ ổn định của liên kết truyền thông.

Thông số kỹ thuật của nền tảng phần cứng chính

Hạng mục / Thiết bị Thông số kỹ thuật theo văn bản
Nguồn cấp NI myDAQ USB bus-powered: $5\text{ V} - 100\text{ mA}$; Ngõ ra nguồn phụ: $+15\text{ V}$ ($30\text{ mA}$), $-15\text{ V}$ ($30\text{ mA}$), $+5\text{ V}$ ($100\text{ mA}$)
Ngõ vào tương tự (AI) 2 kênh vi sai (differential) hoặc 1 ngõ vào stereo audio; ADC 16-bit; Băng thông $400\text{ kHz}$; Dải đo $\pm 10\text{ V}$, $\pm 2\text{ V}$ (DC-coupled)
Ngõ ra tương tự (AO) 2 kênh ground-referenced hoặc 1 ngõ ra stereo audio; DAC 16-bit; Dải xuất $\pm 10\text{ V}$, $\pm 2\text{ V}$; Trở kháng $1\ \Omega$ và $120\ \Omega$
Ngõ vào/ra số (DIO) 8 chân (DIO 0–7); Mức logic $5\text{ V}$ ngõ vào, $3.3\text{ V}$ ngõ ra; $V_{IH\min} = 2.8\text{ V}$; Điện trở pull-down $75\text{ k}\Omega$; Dòng ngõ ra cực đại $4\text{ mA}$
Đồng hồ vạn năng (DMM) Đo DC/AC Voltage ($200\text{ mV} - 60\text{ V}$); Đo DC/AC Current ($20\text{ mA} - 1\text{ A}$); Đo điện trở ($200\ \Omega - 20\text{ M}\Omega$)
Cảm biến LM35 Điện áp cấp $4 - 20\text{ V}$; Dải đo $0 - 150^\circ\text{C}$; Độ nhạy $10\text{ mV/}^\circ\text{C}$; Sai số $0.5^\circ\text{C}$ tại $25^\circ\text{C}$; Dòng tiêu thụ $60\ \mu\text{A}$
Cảm biến ACS712-30A Dải đo dòng $-30\text{ A}$ đến $+30\text{ A}$; Điện áp ngõ ra $2.5\text{ V}$ (tại $I = 0\text{ A}$), dải $2.5 - 5\text{ V}$; Độ nhạy $66\text{ mV/A}$ (hoặc $180 - 190\text{ mV/A}$ theo bản 5A/30A)
Cảm biến hồng ngoại IR Khoảng cách phát hiện hiệu quả $2 - 5\text{ cm}$; Điện áp hoạt động $3.3 - 5\text{ V}$; Ngõ ra số Digital (0 và 1)

Thiết kế và xây dựng hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc phân tán gồm 01 máy tính trung tâm (Server) và 02 trạm thu thập - điều khiển (Client 1, Client 2) kết nối qua bộ định tuyến mạng không dây (Wi-Fi Router).

[ Máy chủ Server (Giao diện LabVIEW Quản trị Trung tâm) ]
             (Mạng LAN / Wi-Fi - TCP/IP)
    [ Máy trạm Client 1 ]   [ Máy trạm Client 2 ]
      (Cổng USB DAQ)          (Cổng USB DAQ)
     [ Kit NI myDAQ 1 ]      [ Kit NI myDAQ 2 ]
[Cảm biến]    [Thiết bị] [Cảm biến]    [Thiết bị]
- LM35        - Quạt gió - LM35        - Động cơ DC
- Quang trở   - Bóng đèn - HS1101      (Điều chế PWM)
- MQ2 (Gas)   - Chuông    (Độ ẩm)
- ACS712      báo động
- Cảm biến IR

Thiết kế phần cứng

  1. Trạm thu thập 1 (Client 1 - myDAQ 1):
    • Khối cảm biến đầu vào: Tích hợp cảm biến nhiệt độ LM35 (nối ngõ vào AI), module quang trở LDR kết hợp IC LM393 (lấy đồng thời tín hiệu Analog A0 và Digital D0), module cảm biến khí gas MQ2 kết hợp LM393, cảm biến hồng ngoại vật cản thu phát IR qua LM393 và module cảm biến dòng điện ACS712 mắc nối tiếp với phụ tải.
    • Khối điều khiển thiết bị đầu ra: Tín hiệu điều khiển tương tự/số từ myDAQ được đưa qua mạch khuếch đại đệm dòng hai tầng transistor NPN để kích hoạt quạt làm mát, bóng đèn chiếu sáng và còi báo động mà không gây quá tải cho các chân I/O của kit.
  2. Trạm thu thập 2 (Client 2 - myDAQ 2):
    • Khối cảm biến đầu vào: Tích hợp cảm biến nhiệt độ LM35 và mạch cảm biến độ ẩm HS1101 kết hợp IC định thời NE555 để đo tần số dao động tỷ lệ với độ ẩm không khí.
    • Khối chấp hành: Điều khiển tốc độ động cơ DC bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) thông qua tín hiệu phát từ myDAQ kết hợp mạch đệm công suất.
  3. Mạch ghép kênh và mở rộng tín hiệu:
    • Sử dụng IC dồn/tách kênh tương tự CD4052 nhằm tối ưu hóa số lượng kênh truyền tín hiệu tương tự giữa nhiều cảm biến và các cổng Analog Input hạn chế trên kit myDAQ.

Thiết kế phần mềm trên LabVIEW

Chương trình được xây dựng theo kiến trúc hướng module, phân tách giữa phía trạm đo (Client) và máy chủ quản trị (Server):

  1. Phía Server (Chương trình Quản lý Trung tâm):
    • Mở cổng mạng (TCP Listen/Open Port) và thiết lập kênh truyền thông TCP/IP đến Client 1 và Client 2.
    • Giao diện Front Panel hiển thị trực quan toàn bộ trạng thái cảm biến (nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ gas, cường độ sáng, cường độ dòng điện tải, trạng thái vật cản) thông qua các Numeric Indicator, Đèn LED ảo, Gauge và đồ thị sóng dạng Waveform Graph.
    • Cung cấp bảng điều khiển cấu hình tham số: Cho phép chuyển đổi linh hoạt giữa chế độ bằng tay (Manual) và tự động (Auto); thiết lập các ngưỡng cài đặt (nhiệt độ ngưỡng, cường độ sáng ngưỡng, dòng điện định mức, chu kỳ PWM) và truyền các giá trị cài đặt này xuống các trạm Client.
  2. Phía Client 1 & Client 2 (Chương trình Thu thập và Điều khiển Cục bộ):
    • Sử dụng các tác vụ NI-DAQmx để đọc liên tục tín hiệu điện áp từ các kênh AI và trạng thái logic từ các kênh DIO.
    • Thuật toán tính toán số liệu:
      • Nhiệt độ: Chuyển đổi mức điện áp từ cảm biến LM35 ($V_{out}$) sang nhiệt độ thực tế ($T = V_{out} / 0.01$).
      • Cường độ dòng điện: Đọc điện áp $V_{out}$ từ cảm biến ACS712 và tính toán theo công thức: $$\text{Voltage}_0 = \frac{\text{Data_ADC}0}{1023.0} \times 5$$ $$I{p0} = \frac{((\text{Voltage}_0 + 2) - 2.5) \times 1000}{66}$$
      • Độ ẩm: Đọc tần số đầu ra của mạch NE555 kết hợp cảm biến điện dung HS1101 để quy đổi thành giá trị phần trăm độ ẩm (%RH).
    • Đóng gói dữ liệu thành các chuỗi byte/chuỗi định dạng và gửi về Server qua hàm TCP Write; đồng thời nhận lệnh điều khiển từ Server qua hàm TCP Read để thực thi đóng ngắt thiết bị hoặc xuất xung PWM điều khiển tốc độ động cơ.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày bối cảnh công nghệ, giới thiệu tình hình nghiên cứu ứng dụng hệ thống giám sát - điều khiển trong và ngoài nước, đồng thời nhấn mạnh tính cấp thiết của việc tiếp cận nền tảng phần cứng NI myDAQ và ngôn ngữ đồ họa LabVIEW trong giáo dục kỹ thuật. Tác giả xác định rõ ràng mục tiêu, 5 nhiệm vụ nghiên cứu trọng tâm, đối tượng nghiên cứu (kit myDAQ, cảm biến, giao thức TCP/IP), phạm vi nghiên cứu (mạng LAN/Wi-Fi) và phương pháp luận thực hiện đề tài. Bố cục toàn bộ đồ án gồm 5 chương chính và phần phụ lục mã nguồn được giới thiệu khái quát.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 tập trung phân tích chi tiết nền tảng lý thuyết và thông số kỹ thuật của các công nghệ sử dụng trong đồ án:

  • Kit NI myDAQ và phần mềm LabVIEW 2014: Khảo sát kiến trúc phần cứng myDAQ (chuẩn giao tiếp USB, 2 kênh AI, 2 kênh AO, 8 chân DIO, các mức nguồn $\pm 15\text{ V}$ và $+5\text{ V}$, tính năng DMM đo V-A-$\Omega$). Giới thiệu cấu trúc lập trình LabVIEW (Front Panel, Block Diagram, SubVI, Icon/Connector, Tools Palette, Controls Palette, Functions Palette) và trình điều khiển NI-DAQmx.
  • Các module cảm biến: Trình bày sơ đồ nguyên lý, sơ đồ chân và công thức toán học của cảm biến nhiệt độ LM35, module quang trở LDR dùng IC so áp LM393, module độ ẩm HS1101 ghép nối IC định thời NE555, module hồng ngoại tránh vật cản dùng cặp LED thu phát IR, module cảm biến khí gas MQ2 và module đo dòng ACS712 nguyên lý hiệu ứng Hall.
  • Mạch điều khiển và ghép kênh: Trình bày nguyên lý mạch khuếch đại công suất đệm dòng bằng transistor NPN hai tầng và bảng trạng thái hoạt động của IC dồn/phân kênh tín hiệu CD4052.
  • Mạng truyền thông: Trình bày cấu trúc mạng cục bộ LAN, họ giao thức TCP/IP, kiến trúc phân tầng và vai trò của giao thức TCP trong việc truyền nhận dữ liệu qua mạng không dây Wi-Fi.

Chương 3: Thiết kế và xây dựng hệ thống

Chương này đi sâu vào quy trình thiết kế và triển khai thực tế hệ thống phần cứng và phần mềm:

  • Thiết kế phần cứng: Xây dựng sơ đồ khối tổng quát của hệ thống; thiết kế chi tiết khối cảm biến và mạch giao tiếp cho trạm myDAQ 1 (tích hợp cảm biến nhiệt độ, ánh sáng, khí gas, dòng điện, hồng ngoại) và trạm myDAQ 2 (tích hợp cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, điều khiển động cơ DC); thiết kế mạch khuếch đại dòng transistor đệm cho các cơ cấu chấp hành.
  • Thiết kế giao diện và lưu đồ giải thuật: Thiết kế giao diện Front Panel của Server (quản trị, cài đặt thông số, vẽ đồ thị sóng Graph) và giao diện hai trạm Client 1, Client 2 trên LabVIEW; xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển phía Server và Client, quy định cơ chế bắt tay và phân luồng dữ liệu TCP/IP.

Chương 4: Kết quả và nhận xét

Chương 4 công bố các kết quả thực nghiệm sau khi tích hợp toàn bộ hệ thống phần cứng và phần mềm:

  • Chế độ điều khiển bằng tay (Manual mode): Người vận hành nhấn các nút điều khiển trực tiếp trên giao diện LabVIEW Server; tín hiệu được truyền qua TCP/IP xuống Client 1 và Client 2 để bật/tắt chính xác các thiết bị quạt, đèn, còi báo và thay đổi tốc độ động cơ theo ý muốn.
  • Chế độ điều khiển tự động (Auto mode): Hệ thống tự động so sánh dữ liệu cảm biến thu thập được với các ngưỡng cài đặt trước trên Server:
    • Khi nhiệt độ vượt ngưỡng cài đặt $\rightarrow$ hệ thống tự động kích hoạt quạt làm mát.
    • Khi cường độ ánh sáng môi trường xuống thấp $\rightarrow$ tự động bật đèn chiếu sáng.
    • Khi phát hiện nồng độ khí gas hoặc có vật cản trước cảm biến IR $\rightarrow$ lập tức phát tín hiệu cảnh báo ra chuông/còi và hiển thị trạng thái lên màn hình trung tâm.
    • Điều chỉnh tốc độ động cơ tự động theo thuật toán điều chế xung PWM tương ứng với mức thông số môi trường đo được.
  • Phân tích kết quả: Hệ thống hoạt động ổn định, dữ liệu truyền nhận giữa Server và các Client qua mạng Wi-Fi có độ trễ thấp, giao diện hiển thị chính xác các giá trị đo thực tế.

Chương 5: Kết luận hướng phát triển và ứng dụng

Tác giả tổng kết lại các mục tiêu đã hoàn thành của đồ án: làm chủ kỹ thuật lập trình đồ họa LabVIEW kết nối kit NI myDAQ, chế tạo thành công các khối mạch cảm biến và mạch đệm chấp hành, xây dựng thành công mô hình mạng điều khiển Server - Client qua TCP/IP. Chương này cũng đề xuất các hướng nâng cấp hệ thống trong tương lai như mở rộng quy mô nhiều trạm Client hơn, tích hợp thuật toán điều khiển mờ (Fuzzy Logic) hoặc PID để điều khiển nhiệt độ/động cơ chính xác hơn, và ứng dụng vào thực tế trong các mô hình nhà thông minh (Smart Home) hoặc giám sát nhà xưởng.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính đạt được

  1. Hoàn thiện phần cứng thu thập và chấp hành:
    • Tích hợp thành công 6 khối cảm biến vật lý (LM35, HS1101 + NE555, quang trở LDR + LM393, cảm biến hồng ngoại, MQ2, ACS712) với kit NI myDAQ.
    • Chế tạo thành công mạch đệm dòng dùng transistor NPN cấp nguồn $5\text{ V}$ ổn định cho phụ tải, bảo vệ an toàn cho các ngõ I/O của kit NI myDAQ ($I_{out\max} \le 4\text{ mA}$).
  2. Xây dựng hệ thống truyền thông mạng ổn định:
    • Triển khai thành công liên kết mạng Client - Server qua giao thức TCP/IP trên nền mạng Wi-Fi cục bộ, cho phép Server kết nối đồng thời và quản lý dữ liệu từ 2 trạm Client 1 và Client 2.
  3. Thực thi điều khiển đa chế độ:
    • Vận hành thành công cả 2 chế độ: Chế độ bằng tay (Manual) qua nút nhấn ảo trên Front Panel và Chế độ tự động (Auto) dựa trên giải thuật so sánh ngưỡng và điều chế xung PWM.

Đóng góp của đề tài

  • Đóng góp về mặt học thuật và kỹ thuật: Đồ án là một trong những công trình tiên phong tại đơn vị đào tạo trong việc khai thác kit NI myDAQ kết hợp với phần mềm LabVIEW 2014 để xây dựng mô hình thu thập dữ liệu và điều khiển thiết bị phân tán qua mạng không dây.
  • Đóng góp về phương pháp tiếp cận: Đưa phương pháp lập trình đồ họa trực quan (Data Flow G-code) thay thế cho các ngôn ngữ dòng lệnh truyền thống, giúp rút ngắn thời gian phát triển giao diện điều khiển và xử lý tín hiệu đo lường.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án

  • Hệ thống mới chỉ thử nghiệm trong phạm vi mạng cục bộ (LAN/Wi-Fi nội bộ), chưa triển khai giám sát qua mạng diện rộng Internet hay nền tảng đám mây.
  • Thuật toán điều khiển tự động chủ yếu dựa trên nguyên lý so sánh ngưỡng đóng/ngắt (On/Off) và điều chế PWM cơ bản, chưa áp dụng các thuật toán điều khiển tối ưu tự động như PID hay Logic mờ (Fuzzy Logic) cho các cơ cấu chấp hành.
  • Số lượng trạm đo thực tế mới dừng lại ở 02 trạm Client do số lượng kit NI myDAQ thử nghiệm có hạn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Nâng cấp thuật toán: Tích hợp các bộ điều khiển nâng cao (PID, Fuzzy Logic) tích hợp sẵn trong LabVIEW để tinh chỉnh tốc độ động cơ và ổn định nhiệt độ chính xác hơn.
  • Mở rộng kết nối: Nghiên cứu giao tiếp từ xa qua Web Server của LabVIEW hoặc truyền nhận dữ liệu qua giao thức Internet phục vụ điều khiển mọi lúc, mọi nơi.
  • Ứng dụng thực tiễn: Hoàn thiện đóng gói phần cứng để ứng dụng trực tiếp vào mô hình tự động hóa tòa nhà (BMS), nhà thông minh (Smart Home) hoặc hệ thống giám sát môi trường chuồng trại nông nghiệp kỹ thuật cao.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án có giá trị tham khảo thiết thực cho:

  1. Sinh viên và giảng viên các ngành Kỹ thuật Máy tính, Điện tử - Viễn thông, Tự động hóa và Cơ điện tử: Dùng làm tài liệu mẫu về quy trình ghép nối phần cứng NI myDAQ với các module cảm biến và mạch công suất.
  2. Người nghiên cứu bắt đầu học lập trình LabVIEW và NI-DAQmx: Tham khảo cấu trúc chương trình mẫu, cách xây dựng SubVI, xử lý dữ liệu đồ họa (Front Panel/Block Diagram) và phương pháp lập trình truyền thông mạng Socket TCP/IP Client - Server trên LabVIEW.
  3. Các nhóm nghiên cứu đề tài ứng dụng IoT và Tự động hóa: Tham khảo thiết kế mạch nguyên lý của các khối cảm biến thông dụng (LM35, LM393, NE555, ACS712, MQ2) và cách thức xử lý sai số, khuếch đại đệm dòng transistor.

Câu hỏi thường gặp

1. Đề tài sử dụng phiên bản phần mềm LabVIEW nào và giao thức mạng gì để truyền nhận dữ liệu giữa các máy tính?
Đồ án sử dụng phần mềm LabVIEW phiên bản 2014 của hãng National Instruments. Giao tiếp giữa máy chủ Server và các máy trạm Client 1, Client 2 được thực hiện thông qua họ giao thức TCP/IP trên nền mạng nội bộ (LAN) và mạng không dây Wi-Fi.

2. Kit NI myDAQ cung cấp những kênh vào/ra (I/O) và nguồn điện nào cho hệ thống?
Theo thông số kỹ thuật trong đồ án, NI myDAQ cung cấp: 2 ngõ vào tương tự (Analog Input - AI) 16-bit băng thông $400\text{ kHz}$; 2 ngõ ra tương tự (Analog Output - AO) 16-bit; 8 chân ngõ vào/ra số (Digital I/O - DIO); chức năng đồng hồ vạn năng số (DMM); cùng các mức nguồn cấp phụ $+15\text{ V}$ ($30\text{ mA}$), $-15\text{ V}$ ($30\text{ mA}$) và $+5\text{ V}$ ($100\text{ mA}$).

3. Tại sao hệ thống cần sử dụng mạch khuếch đại dòng dùng transistor NPN cho ngõ ra điều khiển?
Các chân ngõ ra số (DIO) của kit NI myDAQ có dòng ngõ ra cực đại rất nhỏ ($I_{\max} = 4\text{ mA}$), không đủ khả năng cấp nguồn trực tiếp cho các tải tiêu thụ lớn như quạt làm mát, bóng đèn hoặc còi báo động. Mạch khuếch đại dòng 2 tầng transistor NPN đóng vai trò đệm dòng và kích dẫn nguồn ngoài $5\text{ V}$ ổn định cung cấp cho phụ tải, bảo vệ an toàn cho kit myDAQ.

4. Cảm biến dòng ACS712 được tính toán dòng điện trong chương trình LabVIEW theo công thức nào?
Trong chương trình, tín hiệu điện áp từ chân ngõ ra $V_{out}$ của cảm biến ACS712 được đưa vào kênh ADC để chuyển đổi điện áp, sau đó tính toán cường độ dòng điện $I_p$ (theo độ nhạy $66\text{ mV/A}$) qua công thức: $$\text{Voltage}_0 = \left(\frac{\text{Data_ADC}0}{1023.0}\right) \times 5$$ $$I{p0} = \frac{((\text{Voltage}_0 + 2) - 2.5) \times 1000}{66}$$

5. Hệ thống vận hành ở 2 chế độ (Manual và Auto) như thế nào trong thực tế?
Ở chế độ Manual, người vận hành bật/tắt thiết bị hoặc chỉnh tốc độ động cơ trực tiếp bằng các nút bấm trên giao diện máy chủ Server. Ở chế độ Auto, Server truyền các giá trị ngưỡng cài đặt xuống Client; các trạm Client tự động đọc tín hiệu cảm biến (nhiệt độ LM35, ánh sáng LDR, nồng độ khí gas MQ2, vật cản IR), tự động so sánh với ngưỡng để đóng ngắt rơle/quạt/đèn/còi báo và điều chế độ rộng xung PWM điều khiển tốc độ động cơ theo thông số môi trường đo được.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Giám sát và điều khiển thiết bị sử dụng Kit myDAQ" đã nghiên cứu và triển khai thành công hệ thống thu thập dữ liệu cảm biến đa thông số kết hợp điều khiển thiết bị từ xa qua giao thức mạng TCP/IP trên nền tảng LabVIEW 2014 và kit NI myDAQ. Hệ thống đã tích hợp hoàn chỉnh 6 khối cảm biến vật lý, thiết kế thành công mạch đệm công suất transistor và vận hành chính xác ở cả hai chế độ điều khiển bằng tay và tự động. Kết quả của công trình khẳng định tính hiệu quả và khả thi của phương pháp lập trình đồ họa trong việc xây dựng các hệ thống nhúng đo lường và giám sát tự động hóa phân tán.