Thiết Kế Và Thi Công Thiết Bị Giám Sát, Điều Khiển Kho Mát Từ Xa Thông Qua IoT

Đồ án HCMUTE: Thiết kế và thi công thiết bị giám sát kho mát từ xa qua IoT

• Tác giả: Nguyễn Minh Chương
• Người hướng dẫn: Th.S Ngô Bá Việt
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố 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 Thông Qua IoT
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1.2. MỤC TIÊU
• 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 1.4. GIỚI HẠN
• 1.5. BỐ CỤC
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT KHO LẠNH
• 2.2. ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BẰNG HỒNG NGOẠI
• 2.2.1. Đặc điểm và tính chất tia hồng ngoại
• 2.2.2. Phân loại

Tóm tắt

I. Giám sát kho lạnh từ xa và vai trò của IoT

Đề tài nghiên cứu tập trung vào giám sát kho lạnh từ xa sử dụng công nghệ IoT. Đây là vấn đề cấp thiết trong nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là bảo quản thực phẩm, dược phẩm và hàng hóa dễ hư hỏng. Phương pháp truyền thống tốn nhiều nhân lực và thời gian. Giám sát kho lạnh từ xa qua IoT cung cấp giải pháp hiệu quả hơn, giảm chi phí và nâng cao hiệu suất. Hệ thống tích hợp các cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm và các thiết bị khác, truyền dữ liệu về trung tâm giám sát qua mạng internet. Ứng dụng IoT trong giám sát kho lạnh cho phép người dùng theo dõi tình trạng kho hàng mọi lúc, mọi nơi, kịp thời phát hiện sự cố và điều chỉnh các thông số để đảm bảo chất lượng hàng hóa. Ứng dụng IoT trong kho lạnh mang lại nhiều lợi ích kinh tế và xã hội.

1.1. Thực trạng giám sát kho lạnh truyền thống

Việc giám sát kho lạnh theo phương pháp thủ công gặp nhiều hạn chế. Khó khăn trong việc theo dõi liên tục các thông số nhiệt độ, độ ẩm. Thiếu khả năng cảnh báo kịp thời các sự cố, dẫn đến hao hụt hàng hóa. Quản lý kho hàng lớn gặp nhiều khó khăn, tốn nhiều thời gian và nhân lực. Giám sát độ ẩm kho mát và giám sát nhiệt độ kho mát thủ công không đảm bảo độ chính xác cao. Giám sát kho hàng từ xa là giải pháp tối ưu để khắc phục các vấn đề này. Quản lý kho lạnh từ xa giúp tối ưu hóa quy trình, giảm thiểu rủi ro và tăng hiệu quả kinh doanh. An toàn thực phẩm kho lạnh được đảm bảo tốt hơn nhờ hệ thống giám sát hiện đại. Nguy cơ hư hỏng trong kho lạnh được giảm thiểu đáng kể.

1.2. Lợi ích của giám sát kho lạnh từ xa bằng IoT

Sử dụng IoT trong giám sát kho lạnh mang lại nhiều lợi ích. Giám sát kho lạnh hiệu quả hơn, giúp tiết kiệm chi phí nhân công. Khả năng cảnh báo tự động khi nhiệt độ hoặc độ ẩm vượt quá ngưỡng cho phép. Giải pháp giám sát kho lạnh thông minh hỗ trợ ra quyết định nhanh chóng, chính xác. Tiết kiệm năng lượng kho lạnh nhờ tối ưu hóa hoạt động hệ thống làm lạnh. HCMUTE đóng góp vào việc phát triển công nghệ này thông qua nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn. Trường Đại học Công nghệ TP.HCM luôn cập nhật công nghệ tiên tiến để đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao. Thiết kế hệ thống IoT cho giám sát kho lạnh đòi hỏi kỹ thuật cao và kiến thức chuyên sâu.

II. Thiết kế và thi công hệ thống giám sát kho mát tại HCMUTE

Đề tài thực hiện thiết kế và thi công thiết bị giám sát kho mát tại HCMUTE. Hệ thống sử dụng ESP8266 làm vi điều khiển trung tâm, kết hợp với các cảm biến nhiệt độ độ ẩm. Dữ liệu được truyền về máy chủ thông qua mạng Wifi. Phần mềm giám sát kho mát được phát triển trên nền tảng Android. Hệ thống có khả năng giám sát nhiệt độ kho mát, giám sát độ ẩm kho mát và giám sát kho hàng từ xa. Thiết kế hệ thống giám sát kho lạnh đảm bảo độ tin cậy cao và dễ sử dụng. Thi công hệ thống giám sát kho lạnh tuân thủ các quy chuẩn kỹ thuật. Thiết bị giám sát kho mát được thiết kế nhỏ gọn, dễ dàng lắp đặt và bảo trì.

2.1. Kiến trúc hệ thống

Hệ thống bao gồm các thành phần chính: thiết bị thu thập dữ liệu tại kho lạnh, kết nối mạng không dây, máy chủ lưu trữ và xử lý dữ liệu, giao diện người dùng trên điện thoại thông minh hoặc máy tính. Thiết bị giám sát kho mát chất lượng cao được lựa chọn cẩn thận. Thiết bị giám sát kho mát giá rẻ nhưng đảm bảo chất lượng cũng được xem xét. Cảm biến nhiệt độ độ ẩm kho lạnh chính xác là yếu tố quan trọng. Nền tảng giám sát kho mát được lựa chọn phù hợp. Mô hình giám sát kho lạnh được xây dựng dựa trên các tiêu chuẩn quốc tế. Case study giám sát kho lạnh thành công được nghiên cứu để tham khảo. Nghiên cứu giám sát kho lạnh giúp tối ưu hóa hiệu quả hoạt động của hệ thống.

2.2. Quá trình triển khai và kết quả

Quá trình triển khai bao gồm thiết kế phần cứng, phần mềm, lắp ráp và thử nghiệm. Thiết kế hệ thống giám sát kho lạnh được thực hiện kỹ lưỡng. Thi công hệ thống giám sát kho lạnh đảm bảo đúng kỹ thuật. Kết quả cho thấy hệ thống hoạt động ổn định, chính xác. Giám sát kho lạnh bằng cảm biến đạt độ chính xác cao. Phần mềm giám sát kho mát thân thiện và dễ sử dụng. Chi phí giám sát kho lạnh được tối ưu. Lợi ích giám sát kho lạnh từ xa được chứng minh rõ ràng. So sánh giải pháp giám sát kho lạnh cho thấy sự vượt trội của hệ thống được thiết kế. Xu hướng giám sát kho lạnh đang phát triển mạnh mẽ.

III. Kết luận và hướng phát triển

Nghiên cứu thành công giám sát kho mát từ xa qua IoT. Hệ thống hiệu quả, tiết kiệm chi phí. Giám sát kho lạnh từ xa đóng góp tích cực. Quản lý kho lạnh từ xa đơn giản hóa. Lợi ích giám sát kho lạnh từ xa rõ rệt. Hệ thống giám sát kho mát có thể mở rộng. Giải pháp giám sát kho lạnh thông minh cần phát triển thêm. Nghiên cứu giám sát kho lạnh cần tiếp tục.

3.1. Đánh giá tổng quan

Hệ thống hoạt động ổn định, chính xác. Giao diện người dùng thân thiện, dễ sử dụng. Chi phí triển khai hợp lý. Giám sát an ninh kho lạnh cần được bổ sung. Thiết bị giám sát kho lạnh cần nâng cấp. Phần mềm giám sát kho mát cần tối ưu. Hệ thống giám sát kho mát đạt hiệu quả cao. Giải pháp giám sát kho lạnh đáp ứng nhu cầu thực tiễn. Xu hướng giám sát kho lạnh tiếp tục được cập nhật. Mối quan hệ giữa các thành phần hệ thống giám sát kho lạnh chặt chẽ và hiệu quả. Báo cáo nghiên cứu giám sát kho lạnh cung cấp thông tin chi tiết và hữu ích.

3.2. Hướng phát triển trong tương lai

Tích hợp thêm các chức năng như cảnh báo sự cố, quản lý lịch sử dữ liệu. Nâng cấp phần cứng để tăng độ chính xác và độ bền. Phát triển ứng dụng trên nhiều nền tảng khác nhau. Kết hợp với các hệ thống quản lý kho hàng hiện đại. Giải pháp giám sát kho lạnh thông minh toàn diện hơn. Giám sát kho lạnh bằng AI là hướng phát triển tiềm năng. Nghiên cứu giám sát kho lạnh hướng tới tự động hóa hoàn toàn. Chi phí giám sát kho lạnh giảm thiểu hơn nữa. Lợi ích giám sát kho lạnh từ xa ngày càng lớn.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh nền nông nghiệp và công nghiệp chế biến phát triển, nhu cầu bảo quản và lưu trữ hàng hóa như nông sản, dược phẩm, vắc-xin, hóa chất trong các hệ thống kho mát, kho lạnh, container lạnh ngày càng tăng cao. Nhiệt độ và độ ẩm trong các kho này bắt buộc phải duy trì liên tục ở các ngưỡng tiêu chuẩn nghiêm ngặt. Tuy nhiên, phương thức quản lý tại nhiều cơ sở vẫn mang tính thủ công, phụ thuộc vào nhân viên kỹ thuật đo đạc trực tiếp tại chỗ, dẫn đến tốn kém nhân lực, độ trễ cảnh báo lớn và khó đáp ứng khi quản lý trên diện rộng.

Các hệ thống giám sát và điều khiển công nghiệp hiện hữu trên thị trường (như dòng PLCPis của ATPro Corp hay ECA-GPIs4.4EZ của ECAPRO) thường có chi phí đầu tư cao, cấu hình phức tạp và chủ yếu vận hành với các cơ cấu chấp hành nhận tín hiệu điều khiển điện trực tiếp. Trong thực tế, nhiều kho mát và phòng kỹ thuật vừa và nhỏ sử dụng các hệ thống máy điều hòa không khí dân dụng và thương mại được điều khiển bằng sóng hồng ngoại (IR). Các thiết bị công nghiệp hiện có chưa hỗ trợ khả năng thu, học lệnh và phát lại tín hiệu hồng ngoại đa năng để điều khiển trực tiếp các dòng máy lạnh này. Do đó, đề tài "Thiết kế và thi công hệ thống giám sát, điều khiển kho mát từ xa thông qua IoT" được thực hiện nhằm giải quyết bài toán giám sát môi trường và điều khiển thiết bị làm mát bằng hồng ngoại từ xa qua mạng Internet.

Mục tiêu và các nội dung nhiệm vụ nghiên cứu được xác định cụ thể như sau:

1. Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của module Wi-Fi ESP8266 (ESP-12E), vi điều khiển ESP32, module màn hình LCD 16x2, module thẻ nhớ Micro SD, mắt thu hồng ngoại TL1838, LED phát hồng ngoại IR333-A và màn hình màu TFT 2.4 inch (ILI9341).
2. Nghiên cứu đặc điểm vật lý, dạng sóng và các phương thức mã hóa của tia hồng ngoại ứng dụng trong điều khiển thiết bị từ xa (đặc biệt là giao thức NEC và cấu trúc khung truyền của máy điều hòa).
3. Thiết kế và thi công khối phần cứng có khả năng thu, giải mã, lưu trữ và phát tín hiệu hồng ngoại để điều khiển các loại máy điều hòa.
4. Xây dựng và lập trình ứng dụng điều khiển, giám sát trên hệ điều hành Android bằng công cụ Android Studio và phần mềm giám sát trên máy tính bằng Visual Studio.
5. Thiết kế và thi công hoàn thiện bo mạch phần cứng cho thiết bị trung tâm (Master) và các thiết bị phân tán tại kho (Slave).
6. Thi công mô hình sản phẩm hoàn chỉnh, tích hợp hệ thống truyền nhận dữ liệu qua nền tảng đám mây và giao thức mạng.
7. Thử nghiệm thực tế, đo đạc dạng sóng tín hiệu và đánh giá hiệu năng làm việc của toàn bộ hệ thống.

• Đối tượng nghiên cứu: Tín hiệu điều khiển hồng ngoại của các dòng máy điều hòa không khí; phần cứng vi điều khiển nhúng (ESP8266, ESP32); cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11; các chuẩn giao tiếp dữ liệu (SPI, I2C, UART); giao thức truyền thông IoT (MQTT) và cơ sở dữ liệu thời gian thực (Google Firebase).
• Phạm vi nghiên cứu: Không gian thử nghiệm tại các kho mát mô hình với khoảng cách điều khiển hồng ngoại trong phạm vi 5 – 7 m; thời gian thực hiện đồ án từ ngày 26/02/2019 đến ngày 28/06/2019 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng trên nền tảng kỹ thuật phần cứng nhúng, quang điện tử và truyền thông mạng không dây:

• Nguyên lý bức xạ hồng ngoại và điều chế tín hiệu: Tia hồng ngoại sử dụng trong điều khiển từ xa có bước sóng vùng hồng ngoại gần (NIR: 0,78 – 3 µm, sử dụng LED phát 940 nm), mang tín hiệu được điều chế trên tần số sóng mang 38 kHz. Khóa luận phân tích chi tiết chuẩn truyền tín hiệu NEC: xung dẫn đầu (Leader pulse) kéo dài 9 ms tiếp nối bởi khoảng trống (space) 4,5 ms; bit '0' gồm xung 562,5 µs và khoảng trống 562,5 µs (tổng 1,125 ms); bit '1' gồm xung 562,5 µs và khoảng trống 1,6875 ms (tổng 2,25 ms); gói tin kết thúc bằng xung 562,5 µs. Đối với máy điều hòa không khí, cấu trúc khung truyền được mở rộng gồm $n$ bit dữ liệu mang thông tin toàn diện về trạng thái bật/tắt, nhiệt độ cài đặt, tốc độ quạt, hướng gió và mã kiểm tra (checksum).
• Chuẩn giao tiếp ngoại vi: Giao tiếp I2C hai dây (SDA, SCL) với cơ chế xác nhận ACK, tốc độ 100 – 400 kbps để điều khiển màn hình LCD 16x2 qua IC mở rộng PCF8574; Chuẩn giao tiếp SPI 4 dây (MOSI, MISO, SCLK, CS) ở chế độ song công toàn phần (Full-duplex) để truy xuất dữ liệu thẻ nhớ Micro SD và điều khiển màn hình đồ họa màu TFT 2.4 inch ILI9341.
• Nền tảng phần mềm và giao thức IoT: Giao thức truyền tin MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) theo mô hình Publish/Subscribe qua Broker, hỗ trợ ba mức dịch vụ QoS (QoS 0, QoS 1, QoS 2) và cờ Retain; Nền tảng Google Firebase cung cấp Firebase Realtime Database định dạng JSON đồng bộ thời gian thực và dịch vụ xác thực người dùng (Firebase Authentication).

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa tính toán lý thuyết mạch điện tử, thiết kế phần cứng mô phỏng, lập trình nhúng, thiết kế giao diện phần mềm và kiểm nghiệm thực nghiệm đo sóng trên máy hiện sóng:

• Phương pháp phân tích - tách sóng: Sử dụng mắt thu tích hợp TL1838 để triệt tiêu sóng mang 38 kHz, trích xuất chuỗi xung mã lệnh gốc, sau đó vi điều khiển thực hiện đo độ rộng xung để giải mã hoặc lưu dạng sóng thô (raw data).
• Phương pháp thực nghiệm: Thi công bo mạch in (PCB), lắp ráp khối phát hồng ngoại công suất góc rộng, kết nối hệ thống Master - Slave và đo đạc thực tế trên các dòng máy điều hòa Daikin, LG.

---

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được tổ chức theo cấu trúc phân tán gồm hai loại thiết bị chính kết nối thông qua mạng Internet:

Khối chức năng	Phần cứng & Công nghệ sử dụng	Thông số kỹ thuật / Chức năng chính
Vi điều khiển Slave	ESP8266 NodeMCU V1.0 (ESP-12E)	CPU 32-bit RISC, Wi-Fi 2.4 GHz 802.11 b/g/n, Flash 4MB, điện áp 3.3V
Vi điều khiển Master	ESP32 NodeMCU (ESP32-WROOM-32)	CPU Dual-Core 240 MHz, 520 KB SRAM, 4MB Flash, Wi-Fi & BLE
Cảm biến môi trường	DHT11	Đo nhiệt độ (0 – 50°C, sai số ±2°C), độ ẩm (20 – 80% RH, sai số ±5%), chuẩn 1-wire
Khối thu hồng ngoại	Mắt thu quang điện TL1838	Tần số trung tâm 38 kHz, góc nhận 45°, cự ly thu 10 – 15 m, điện áp 2.7 – 5.5V
Khối phát hồng ngoại	6 LED phát IR333-A + Transistor 2N2222	Bước sóng 940 nm, bố trí vòng tròn 360°, dòng phát mỗi LED 15 mA qua trở $150\ \Omega$
Khối lưu trữ	Module Micro SD Card	Giao tiếp chuẩn SPI, định dạng hệ thống tệp tin FAT16 / FAT32
Khối hiển thị tại chỗ	LCD 16x2 (I2C) & TFT 2.4 inch ILI9341	LCD 16 ký tự x 2 dòng; TFT màu độ phân giải 320x240 pixel, giao tiếp SPI
Nền tảng Cloud/App	Firebase / MQTT, Android, C# Visual Studio	Đồng bộ dữ liệu JSON thời gian thực, quản lý trên Smartphone và PC

Tính toán thiết kế mạch kích phát hồng ngoại

Để đảm bảo khoảng cách phát sóng từ 5 – 7 m trong không gian rộng, nhóm nghiên cứu thiết kế cụm 6 LED hồng ngoại IR333-A mắc song song theo dạng vòng tròn hướng ra các phía. Do chân I/O của ESP8266 chỉ cấp dòng định mức 12 – 20 mA không đủ tải cho cụm 6 LED (tổng dòng $I_C = 6 \times 15\text{ mA} = 90\text{ mA}$), mạch sử dụng transistor NPN 2N2222 làm việc ở chế độ bão hòa để kích đóng ngắt:

• Điện trở hạn dòng cho mỗi nhánh LED: $$R_{LED} = \frac{V_{CC} - V_{LED}}{I_{LED}} = \frac{3,3\text{V} - 1,2\text{V}}{0,015\text{A}} = 140\ \Omega \quad \rightarrow \text{Chọn điện trở chuẩn } 150\ \Omega$$
• Dòng kích cực bazơ yêu cầu để transistor dẫn bão hòa (với hệ số khuếch đại tối thiểu $\beta_{min} = 75$): $$I_B \ge \frac{I_C}{\beta_{min}} = \frac{90\text{ mA}}{75} = 1,2\text{ mA}$$
• Điện trở cực bazơ $R_B$ nối với ngõ ra vi điều khiển ($V_{IN} = 3,3\text{V}$, $V_{BE} = 0,7\text{V}$): $$R_B \le \frac{V_{IN} - V_{BE}}{I_B} = \frac{3,3\text{V} - 0,7\text{V}}{1,2\text{ mA}} \approx 2,16\ \text{k}\Omega \quad \rightarrow \text{Chọn điện trở chuẩn } 2\ \text{k}\Omega$$

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương này phân tích tính cấp thiết của việc tự động hóa giám sát kho lạnh, kho mát bảo quản nông sản và sinh phẩm; chỉ rõ hạn chế của việc điều khiển thủ công và sự bất cập của các thiết bị giám sát chuyên dụng có giá thành cao. Tác giả xác định mục tiêu thiết kế hệ thống phần cứng giá thành thấp, tích hợp chức năng giám sát nhiệt độ - độ ẩm và khả năng học/phát lệnh hồng ngoại để điều khiển máy điều hòa từ xa qua IoT; đồng thời xác định phạm vi nghiên cứu, lịch trình thực hiện và bố cục 6 chương của khóa luận.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương trình bày tổng quan các giải pháp giám sát kho lạnh thương mại (PLCPis, ECA-GPIs4.4EZ). Tiếp theo, chương đi sâu vào bản chất vật lý của tia hồng ngoại (vùng quang phổ NIR, MIR, FIR), cơ chế điều chế và giải mã tín hiệu điều khiển từ xa, cấu trúc khung truyền chuẩn NEC mở rộng trên các dòng máy điều hòa. Tác giả thuyết minh chi tiết thông số kỹ thuật, cấu hình chân và nguyên lý hoạt động của các linh kiện: mắt thu TL1838, LED phát IR333-A, vi điều khiển ESP8266EX (NodeMCU-12E), ESP32-WROOM-32, cảm biến DHT11 (chuẩn truyền 1-wire), module Micro SD, màn hình LCD 16x2 kèm IC I2C PCF8574 và màn hình TFT 2.4 inch ILI9341. Chương cũng làm rõ nguyên lý các bus giao tiếp SPI, I2C, hệ điều hành Android, dịch vụ Google Firebase Realtime Database và cấu trúc giao thức truyền thông MQTT (Client, Broker, Topic, QoS 0/1/2, Retain).

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 trình bày kiến trúc phân tầng của toàn hệ thống Master - Slave. Tác giả tiến hành tính toán mạch chi tiết:

• Thiết kế mạch khối vi điều khiển trung tâm ESP8266 cho thiết bị Slave và ESP32 cho thiết bị Master;
• Tính toán tầng đệm công suất sử dụng transistor 2N2222 kích cụm 6 LED hồng ngoại phát đa hướng ($R_{LED} = 150\ \Omega, R_B = 2\ \text{k}\Omega$);
• Thiết kế mạch ghép nối cảm biến DHT11, mạch giao tiếp thẻ nhớ Micro SD qua chuẩn SPI (chân CS, MOSI, MISO, SCK tương ứng các chân D8, D7, D6, D5 trên ESP8266), mạch hiển thị LCD qua I2C và mạch hiển thị màn hình màu TFT ILI9341 qua bus SPI;
• Thiết kế khối nguồn hạ áp ổn định 5V và 3.3V cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống;
• Xây dựng sơ đồ nguyên lý hoàn chỉnh cho cả hai bo mạch Master và Slave.

Chương 4: Thi công hệ thống và lập trình

Chương 4 mô tả quy trình hiện thực hóa thiết kế:

• Thiết kế sơ đồ mạch in PCB 2 lớp, bố trí linh kiện, hàn lắp và hoàn thiện mô hình thiết bị phần cứng Master và Slave;
• Xây dựng lưu đồ thuật toán chương trình chính cho thiết bị: cấu hình mạng Wi-Fi (sử dụng chế độ SoftAP/Captive Portal), đọc dữ liệu cảm biến DHT11 định kỳ, gửi dữ liệu lên Firebase/MQTT Broker, lắng nghe lệnh từ ứng dụng và thực thi phát xung hồng ngoại tương ứng;
• Thuật toán chế độ học lệnh (Learn Mode): nhận tín hiệu từ remote gốc qua mắt thu TL1838, ghi nhận chuỗi xung vào bộ đệm và lưu trữ cấu trúc mã vào thẻ nhớ Micro SD;
• Lập trình ứng dụng Android bằng Android Studio (Java): xây dựng các màn hình đăng nhập, đăng ký tài khoản, giao diện quản lý phòng/kho, bảng chọn hãng máy lạnh, giao diện nút bấm điều khiển và chức năng học lệnh;
• Lập trình giao diện điều khiển, giám sát trên máy tính sử dụng nền tảng Visual Studio (C#).

Chương 5: Kết quả - Nhận xét - Đánh giá

Chương này công bố kết quả thực nghiệm của hệ thống:

• Hình ảnh thi công thực tế của thiết bị trung tâm Master và các thiết bị Slave;
• Kết quả thu nhận và hiển thị thông số nhiệt độ, độ ẩm chính xác tại chỗ trên màn hình LCD/TFT và đồng bộ lên ứng dụng di động/máy tính;
• Kết quả điều khiển và học lệnh thực tế trên hai dòng máy điều hòa phổ biến là Daikin và LG;
• Kết quả so sánh dạng sóng tín hiệu trên máy đo: đồ thị dạng sóng hồng ngoại phát ra từ thiết bị sau khi học hoàn toàn đồng dạng với dạng sóng phát ra từ remote điều hòa gốc của nhà sản xuất.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Tóm lược các hạng mục đã hoàn thành (thiết kế phần cứng hoàn chỉnh, giải mã và học lệnh thành công remote máy lạnh, đồng bộ dữ liệu thời gian thực qua IoT) và chỉ ra các nội dung chưa đạt được do hạn chế thời gian; đề xuất các hướng mở rộng kỹ thuật trong tương lai.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả nghiên cứu chính

• Thi công hoàn chỉnh phần cứng: Chế tạo thành công 01 bộ điều khiển Master (ESP32, màn hình màu TFT 2.4 inch) và các bộ điều khiển Slave (ESP8266-12E, LCD 16x2 I2C, cảm biến DHT11, cụm 6 LED hồng ngoại phát vòng tròn, khe thẻ nhớ Micro SD).
• Tính năng học và phát tín hiệu hồng ngoại: Mạch phát công suất đạt cự ly điều khiển ổn định trong khoảng 5 – 7 m mà không cần hướng thẳng trực tiếp nhờ bố trí 6 LED đa hướng. Hệ thống đã học lệnh, lưu trữ tệp tin vào thẻ nhớ và phát lại chính xác tín hiệu điều khiển cho các dòng máy lạnh Daikin và LG, được đối chứng qua phân tích dạng sóng xung logic trên thiết bị đo chuyên dụng.
• Hệ thống giám sát và điều khiển đa nền tảng: Xây dựng thành công ứng dụng trên điện thoại thông minh Android và phần mềm máy tính (Visual Studio), cho phép người dùng cấu hình Wi-Fi tự động, giám sát nhiệt độ - độ ẩm thời gian thực, bật/tắt, điều chỉnh nhiệt độ và kích hoạt chế độ học lệnh từ xa qua giao thức MQTT và Google Firebase.

Đóng góp thực tiễn của đề tài

• Đưa ra giải pháp kỹ thuật tích hợp giữa giám sát môi trường và điều khiển thiết bị không dây hồng ngoại, giúp giải quyết triệt để bài toán tự động hóa cho các kho lưu trữ đang sử dụng máy lạnh dân dụng mà không cần can thiệp phần cứng hay đấu nối dây vào mạch điện của máy điều hòa.
• Cung cấp mô hình hệ thống IoT Master - Slave có chi phí linh kiện thấp, mã nguồn mở, dễ dàng nhân rộng số lượng điểm giám sát (nhiều kho Slave kết nối về 1 Master trung tâm và đồng bộ Cloud).

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

• Cảm biến DHT11 có dải đo nhiệt độ hẹp (0 – 50°C, sai số ±2°C) và độ ẩm (20 – 80% RH, sai số 5%), chỉ phù hợp với kho mát hoặc phòng máy thông thường, chưa đáp ứng được môi trường kho lạnh âm sâu (dưới 0°C).
• Dữ liệu học lệnh hồng ngoại của các hãng máy lạnh mới vẫn cần thao tác bấm từng phím remote trực tiếp tại thiết bị để nạp vào thẻ nhớ, chưa có cơ sở dữ liệu mã IR trực tuyến đồng bộ sẵn cho toàn bộ các hãng trên thị trường.
• Hệ thống cảnh báo sự cố chủ yếu hiển thị qua giao diện ứng dụng và phần mềm máy tính khi có kết nối Internet, chưa tích hợp module GSM/SMS dự phòng khi mất kết nối mạng.

Hướng nghiên cứu tiếp (theo đề xuất của tác giả)

• Nâng cấp cảm biến nhiệt độ - độ ẩm công nghiệp có độ chính xác cao hơn và dải đo rộng hơn (như DS18B20 vỏ kim loại hoặc PT100) để ứng dụng cho kho đông lạnh nhiệt độ âm.
• Tích hợp thêm module truyền thông di động (SIM/GSM) để thực hiện cuộc gọi và gửi tin nhắn cảnh báo khẩn cấp khi nhiệt độ vượt ngưỡng hoặc khi mất kết nối Wi-Fi.
• Xây dựng thư viện mã lệnh hồng ngoại trực tuyến (Cloud IR Database) cho tất cả các thương hiệu máy điều hòa, quạt, máy hút ẩm để người dùng chỉ cần chọn model máy trên app mà không cần thực hiện bước học lệnh thủ công.
• Tích hợp thuật toán điều khiển tự động vòng kín (Closed-loop control) để tự động điều chỉnh tăng/giảm nhiệt độ máy lạnh dựa trên thông số nhiệt độ kho đo được theo thời gian thực.

---

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo có giá trị kỹ thuật cao đối với:

• Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, Công nghệ Thông tin (IoT): Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình thiết kế mạch nhúng dùng ESP8266/ESP32, cách tính toán mạch kích công suất transistor cho LED hồng ngoại, giao tiếp bus SPI/I2C và lập trình ứng dụng Android kết nối Firebase/MQTT.
• Kỹ sư và nhà phát triển thiết bị Smart Home / Tự động hóa kho bãi: Tham khảo giải pháp thu - giải mã - phát tín hiệu hồng ngoại của các loại điều khiển điều hòa phức tạp, phương pháp mở rộng mạng giám sát Master - Slave và cấu trúc dữ liệu điều khiển từ xa qua Internet.
• Các nội dung đáng tham khảo nhất trong văn bản: Phương pháp tính toán giá trị điện trở cho mạch kích 6 LED phát hồng ngoại 2N2222; cấu trúc khung truyền tín hiệu NEC mở rộng của máy lạnh; lưu đồ thuật toán thu/phát lệnh hồng ngoại và thiết kế hệ thống Master - Slave.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm tác giả phải sử dụng cụm 6 LED hồng ngoại phát đa hướng thay vì 1 LED đơn?
Do máy điều hòa trong kho mát thường được lắp đặt ở vị trí trên cao và không gian kho rộng, một LED hồng ngoại đơn có góc phát hẹp (khoảng 20°) yêu cầu phải hướng trực diện. Cụm 6 LED IR333-A mắc song song bố trí thành vòng tròn giúp bao quát không gian phát 360 độ, đảm bảo tín hiệu phản xạ hoặc chiếu thẳng đến mắt nhận của máy điều hòa ở cự ly 5 – 7 m trong phòng.

2. Transistor 2N2222 trong mạch phát hồng ngoại có vai trò gì và được tính toán như thế nào?
Chân ngõ ra của vi điều khiển ESP8266 chỉ cấp dòng từ 12 – 20 mA, trong khi cụm 6 LED hồng ngoại tiêu thụ tổng dòng khoảng 90 mA (15 mA mỗi LED). Transistor NPN 2N2222 đóng vai trò công tắc điện tử dẫn bão hòa để cấp đủ dòng cho 6 LED từ nguồn 3.3V thông qua các điện trở hạn dòng $150\ \Omega$ trên mỗi LED và điện trở cực bazơ $R_B = 2\ \text{k}\Omega$.

3. Khung truyền tín hiệu hồng ngoại của máy điều hòa khác gì so với chuẩn NEC thông thường của tivi?
Gói tin chuẩn NEC thông thường chỉ gửi 8 bit địa chỉ và 8 bit lệnh (kèm 8 bit đảo) cho mỗi lần nhấn nút đơn lẻ. Trong khi đó, remote máy điều hòa gửi toàn bộ trạng thái hoạt động trong mỗi lần truyền (nhiệt độ, chế độ làm lạnh, tốc độ quạt, hẹn giờ, checksum) dẫn đến khung dữ liệu dài hơn rất nhiều ($n$ bit dữ liệu), đòi hỏi bộ nhớ đệm và thuật toán giải mã phức tạp hơn.

4. Sự khác biệt về mặt phần cứng và chức năng giữa thiết bị Master và Slave là gì?
Thiết bị Slave sử dụng ESP8266-12E, cảm biến DHT11, LCD 16x2 (I2C) và cụm thu/phát hồng ngoại để giám sát và điều khiển trực tiếp tại một kho mát. Thiết bị Master sử dụng vi điều khiển ESP32 mạnh hơn, trang bị màn hình đồ họa màu cảm ứng TFT 2.4 inch (SPI) để vừa làm nhiệm vụ điều khiển cục bộ, vừa nhận và hiển thị tập trung dữ liệu nhiệt độ/độ ẩm từ tất cả các Slave gửi về qua máy chủ trung gian.

5. Dữ liệu lệnh hồng ngoại sau khi học từ remote được lưu trữ ở đâu và bằng cách nào?
Tín hiệu sau khi nhận qua mắt thu TL1838 được vi điều khiển phân tích, mã hóa thành chuỗi thời gian hoặc mã hex và lưu trực tiếp thành các tệp dữ liệu trên thẻ nhớ Micro SD thông qua module giao tiếp SPI (hỗ trợ hệ thống tệp FAT16/FAT32). Khi có lệnh điều khiển từ người dùng, vi điều khiển đọc dữ liệu từ thẻ nhớ để phát lại qua cụm LED phát.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công hệ thống giám sát, điều khiển kho mát từ xa thông qua IoT" của sinh viên Nguyễn Minh Chương và Phan Nhật Hào đã hiện thực hóa thành công một giải pháp giám sát nhiệt độ - độ ẩm phân tán và điều khiển máy điều hòa không dây qua tín hiệu hồng ngoại. Hệ thống làm chủ kỹ thuật từ thiết kế mạch phần cứng nhúng (ESP8266/ESP32, transistor kích phát 6 LED IR, LCD/TFT, Micro SD), lập trình ứng dụng di động Android, giao diện máy tính đến truyền nhận dữ liệu thời gian thực qua MQTT và Firebase. Kết quả đo đạc thực nghiệm trên máy lạnh Daikin và LG chứng minh tính chính xác của thuật toán học/phát lệnh, tạo tiền đề vững chắc cho việc mở rộng sang các hệ thống nhà thông minh và tự động hóa công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN  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 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2.1 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT KHO LẠNH Với sự phát triển hiện nay, việc sử dụng kho lạnh 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 lạnh từ xa là vấn đề mà rất nhiều doanh nghiệp cần. Hiện nay, đã có nhiều công ty, đơn vị cung cấp các thiết phục vụ cho nhu cầu trên. Chủ yếu các được chia thành 2 loại theo chức năng của thiết bị.  Thiết bị giám sát, cảnh báo nhiệt độ kho lạnh từ xa.

 Thiết bị điều khiển nhiệt độ kho lạnh.  Thiết bị giám sát kho lạnh từ xa của công ty ATPro Corp Sản phẩm “Hệ thống giám sát nhiệt độ cho kho lạnh bằng PLCPis” của công ty ATPro Corp [5], sử dùng bộ điều khiển PLC để giám sát nhiệt độ của kho lạnh, 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 lạnh bằng PLCPis Hiện tại có hai loại chính là loại đơn lẻ, chỉ gồm một thiết bị sử dụng cho một kho lạnh; loại sử dụng một thiết bị trung tâm kết hợp nhiều thiết bị con được lắp đặt cho nhiều kho lạnh khác nhau. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT  Thiết bị điều khiển kho lạnh từ xa Sản phẩm “ Thiết bị điều khiển nhiệt độ kho lạnh ECA-GPIs4.4EZ” được cung cấp bởi công ty ECAPRO [6].

Thiết bị có chức năng giám sát và điều khiển nhiệt độ kho lanh, máy lạnh. 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 lạnh 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 do an 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 do an 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 Remote máy điều hòa Daikin 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 nhưng cũng không cần thiết lắm, trong khi điều này lại làm giảm tuổi BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT thọ pin điều khiển [9]. 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 do an 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), v.

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 2.3 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. Đối với led thu 2 chân là photodiode thì cấp nguồn ngược, khi có ánh sáng hồng ngoại nó sẽ dẫn.