Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong công tác y tế và chăm sóc sức khỏe cộng đồng, thuốc là chế phẩm đặc thù đòi hỏi quy trình bảo quản nghiêm ngặt nhằm duy trì hoạt tính sinh học và chất lượng dược chất. Quá trình lưu trữ thuốc chịu tác động trực tiếp bởi các yếu tố môi trường, trong đó nhiệt độ và độ ẩm là hai đại lượng vật lý có ảnh hưởng lớn nhất. Khi các yếu tố này vượt quá ngưỡng quy định, quá trình sinh thái và biến đổi sinh hóa trong dược phẩm sẽ diễn ra nhanh chóng, gây suy giảm hiệu lực điều trị hoặc hư hỏng thuốc.

Tại nhiều cơ sở y tế và phòng lưu trữ thuốc ở Việt Nam, việc giám sát vi khí hậu vẫn được thực hiện chủ yếu bằng phương pháp thủ công:

  • Nhân viên kiểm tra thông qua nhiệt kế hoặc ẩm kế gắn cố định tại một số vị trí cục bộ trong phòng theo các thời điểm cố định trong ngày, sau đó ghi chép thủ công vào sổ nhật trình.
  • Phương pháp thủ công tồn tại nhiều nhược điểm như: độ chính xác không cao, không đo đạc được thông số chi tiết bên trong các tủ bảo quản chuyên dụng, không thể theo dõi liên tục 24/7 và thiếu khả năng phản ứng kịp thời khi có sự cố biến động nhiệt - ẩm.

Trước thực tế đó, đề tài “Giám sát nhiệt độ - độ ẩm phòng bảo quản thuốc” được thực hiện tại Trường Đại học Bà Rịa - Vũng Tàu (ĐHBRVT) nhằm nghiên cứu, thiết kế và lắp ráp hệ thống tự động hóa quá trình thu thập dữ liệu và điều khiển thiết bị môi trường từ xa.

Nhiệm vụ và mục tiêu cụ thể của đề tài bao gồm:

  1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về kỹ thuật bảo quản thuốc và nền tảng lập trình IoT (Internet of Things).
  2. Xây dựng mô hình thu thập dữ liệu và điều khiển máy lạnh, máy phun sương thông qua máy chủ web (web server).
  3. Ứng dụng công nghệ điều khiển từ xa qua mạng Internet trên giao diện máy tính hoặc điện thoại thông minh, không phụ thuộc vào phần mềm bên thứ ba đóng gói sẵn.
  4. Thiết kế mạch điều khiển hoàn chỉnh, tối ưu hóa chi phí đầu tư phần cứng, nâng cao tính ổn định và độ bền của thiết bị.
  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống giám sát, điều khiển nhiệt độ - độ ẩm môi trường kho/phòng bảo quản thuốc sử dụng vi điều khiển ESP8266 kết hợp cảm biến DHT11, module relay và giao diện web.
  • Phạm vi nghiên cứu: Mô hình thử nghiệm quy mô vừa và nhỏ, ứng dụng kiểm soát cơ cấu chấp hành là máy lạnh (làm giảm nhiệt độ) và máy phun sương (tăng cường độ ẩm).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và công nghệ nền tảng

  • Lý thuyết về dược phẩm và quản lý thuốc: Định nghĩa về thuốc theo quy định y tế, phân loại các nhóm thuốc thiết yếu (tiêu hóa, giảm đau - hạ sốt, da liễu, nước muối sinh lý...), tầm quan trọng của việc duy trì tiêu chuẩn bảo quản và chính sách quốc gia về thuốc.
  • Nền tảng Internet of Things (IoT): Cơ chế định danh và kết nối mạng giữa các đối tượng vật lý qua Wi-Fi, 3G/4G, Bluetooth, ZigBee; các đặc tính cốt lõi của IoT (kết nối liên thông, tính không đồng nhất, thay đổi linh hoạt và quy mô lớn).
  • Nguyên lý nhiệt động và làm mát:
    • Cơ chế làm mát bay hơi của máy phun sương (giúp hạ nhiệt độ từ 5–10°C và tăng độ ẩm không khí lên mức tối đa 90%).
    • Chu trình nén lạnh cơ học của máy nén kho lạnh. Công thức xác định công suất nhiệt phòng lạnh: $$P = \frac{V}{35 \div 40} \times 9000 \quad (\text{Btu/h})$$ (Trong đó $V$ là thể tích không gian phòng lạnh; định mức tiêu chuẩn là $600\text{ Btu/m}^2$ đối với phòng ít ánh sáng và $900\text{ Btu/m}^2$ đối với phòng nhiều ánh sáng).

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp thu thập và tổng hợp tài liệu: Nghiên cứu tài liệu chuyên ngành, sách báo khoa học và tài liệu kỹ thuật trực tuyến liên quan đến công nghệ vi điều khiển, giao thức truyền thông không dây và nguyên lý cảm biến.
  • Phương pháp thiết kế và tích hợp phần cứng: Lựa chọn linh kiện điện tử, sơ đồ phối ghép các chân tín hiệu giữa Kit phát triển NodeMCU ESP8266, module I2C, màn hình LCD 16x2, cảm biến DHT11 và module Relay 4 kênh cách ly quang.
  • Phương pháp lập trình nhúng và phát triển giao diện: Sử dụng môi trường Arduino IDE để viết firmware nhúng cho vi điều khiển; sử dụng chuẩn ngôn ngữ HTML5 để cấu trúc máy chủ web phục vụ giám sát và điều khiển.
  • Phương pháp thực nghiệm mô hình: Lắp ráp mạch thực tế, nạp chương trình, kiểm thử khả năng đọc dữ liệu từ cảm biến và kích hoạt rơ-le theo các kịch bản ngưỡng nhiệt - ẩm đặt trước.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc điều khiển vòng kín gồm ba khối chức năng: Khối thu thập dữ liệu (cảm biến), Khối xử lý trung tâm (vi điều khiển tích hợp Web Server) và Khối cơ cấu chấp hành (module relay đóng/ngắt thiết bị tải).

                 [ Web Server HTTP ]             [ Relay 4 Kênh ]
                  [ Người dùng ]       [ Máy lạnh ]          [ Máy phun sương ]

Kiến trúc phần cứng và kết nối chân tín hiệu

  • Bộ xử lý trung tâm: ESP8266 NodeMCU Lua CP2102 tiếp nhận dữ liệu số từ cảm biến, xử lý thuật toán so sánh ngưỡng và gửi tín hiệu điều khiển ra các cổng GPIO.
  • Hiển thị tại chỗ: Màn hình LCD 16x2 kết hợp module chuyển đổi I2C giúp tiết kiệm chân vi điều khiển (chỉ sử dụng 2 đường SDA và SCL).
  • Mạch đóng ngắt công suất: Relay 4 kênh kích mức thấp (Low) tích hợp optocoupler cách ly quang bảo vệ mạch logic trước xung điện áp ngược từ tải AC/DC.
Tên thiết bị / Module Chân kết nối trên Module Chân kết nối trên ESP8266 Ghi chú chức năng
LCD 16x2 (Module I2C) GND GND Nối mass hệ thống
VCC 5V (Vin) Cấp nguồn nuôi mạch điều khiển
SDA D6 (GPIO12) Đường truyền dữ liệu nối tiếp I2C
SCL D7 (GPIO13) Đường xung nhịp đồng hồ I2C
Module Relay 4 kênh IN1 (Pump1) D0 (GPIO16) Điều khiển đóng/ngắt máy lạnh
IN2 (Pump2) D4 (GPIO2) Điều khiển đóng/ngắt máy phun sương
Cảm biến DHT11 DATA Cổng GPIO chỉ định Giao tiếp chuẩn số 1-Wire

Nguyên lý vận hành và thuật toán điều khiển

  1. Cảm biến DHT11 định kỳ lấy mẫu nhiệt độ và độ ẩm môi trường phòng thuốc và gửi về ESP8266.
  2. Vi điều khiển cập nhật thông số lên màn hình LCD 16x2 và đồng bộ trạng thái lên máy chủ web nhúng.
  3. Thuật toán tự động so sánh giá trị đo thực tế với ngưỡng giới hạn cài đặt:
    • Nếu Nhiệt độ $T \ge 32^\circ\text{C}$: Kích hoạt rơ-le mở máy lạnh; hệ thống duy trì hoạt động đến khi nhiệt độ hạ xuống dưới $32^\circ\text{C}$ thì ngắt máy lạnh.
    • Nếu Độ ẩm $H \le 72%$: Kích hoạt rơ-le mở máy phun sương bổ sung độ ẩm; duy trì đến khi độ ẩm đạt trên $72%$ thì ngắt máy bơm.
  4. Song song với chế độ tự động, người dùng có thể can thiệp điều khiển trực tiếp trạng thái rơ-le thông qua giao diện Web HTTP.

Lập trình nhúng và giao tiếp Web Server

Chương trình firmware viết trên nền tảng Arduino IDE với các thư viện chính: <ESP8266WiFi.h>, <ESP8266WebServer.h>, <ESP8266mDNS.h>, <DHTesp.h>.

  • Máy chủ web khởi tạo tại cổng mặc định 80.
  • Endpoint /ReadDHT (giao thức HTTP GET): Trả về chuỗi định dạng JSON gồm các trường thông tin: Temp, Humi, Pump1, auto1, Pump2, auto2.
  • Endpoint /AllButton (giao thức HTTP GET): Trả về trạng thái điều khiển rơ-le và các biến cấu hình chế độ tự động status_a1, status_a2.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của bài toán đo lường và kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm trong bảo quản dược phẩm. Tác giả phân tích những hạn chế của phương thức ghi chép nhật ký thủ công tại các cơ sở lưu trữ thuốc hiện nay, từ đó xác lập mục tiêu nghiên cứu và phương thức tiếp cận của đề tài: ứng dụng công nghệ IoT và máy chủ web nhúng để tạo ra hệ thống giám sát tự động, vận hành ổn định, chi phí đầu tư thấp và có khả năng mở rộng linh hoạt.

Chương 2: Giới thiệu về thuốc và tầm quan trọng của thuốc

Nội dung chương 2 tập trung vào hai khối kiến thức:

  • Ngành dược: Khái niệm pháp lý và chuyên môn về thuốc (chế phẩm sinh học, hóa dược, thuốc cổ truyền, vắc xin); tầm quan trọng của thuốc đối với hệ thống an sinh y tế; tình hình sản xuất, cung ứng và những bất cập trong công tác quản lý phân phối thuốc tại Việt Nam; phân loại các nhóm thuốc tiêu biểu thường gặp trong cộng đồng.
  • Công nghệ IoT: Lịch sử phát triển và bản chất của mô hình kết nối vạn vật; trích dẫn dự báo của Cisco về sự bùng nổ của 50 tỷ thiết bị kết nối; phân tích 4 đặc tính cơ bản của IoT (tính kết nối liên thông, tính không đồng nhất, khả năng biến đổi trạng thái linh hoạt, quy mô kết nối lớn) và tổng quan các lĩnh vực ứng dụng của IoT trong đời sống hiện đại.

Chương 3: Giới thiệu thiết bị

Chương này cung cấp bảng đặc tính kỹ thuật chi tiết của toàn bộ linh kiện phần cứng sử dụng trong mô hình:

Linh kiện / Thiết bị Thông số kỹ thuật chính Đặc điểm cấu tạo & Chức năng
Kit ESP8266 NodeMCU - SoC ESP8266, Module ESP-12E
- Nguồn cấp: 5VDC (MicroUSB hoặc Vin)
- Kích thước: 49 x 24 mm		 - Chip nạp UART CP2102 tự nhận driver trên Windows/Linux.
- Tương thích hoàn toàn với trình biên dịch Arduino IDE.
- Tích hợp nút Reset, Flash và LED báo trạng thái.
Module Relay 4 kênh - Điện áp nuôi: 5VDC, dòng 200mA/relay
- Tiếp điểm max: 250VAC-10A / 30VDC-10A
- Kích thước: 72 x 55 x 19 mm		 - Tích hợp transistor kích và IC cách ly quang (optocoupler).
- Lựa chọn mức kích High (5V) hoặc Low (0V) qua jumper.
Cảm biến DHT11 - Nguồn cấp: 3 ÷ 5VDC, dòng: 2.5mA
- Dải đo ẩm: 20 ÷ 80%RH (sai số 5%)
- Dải đo nhiệt: 0 ÷ 50°C (sai số ±2°C)
- Chu kỳ lấy mẫu: 1Hz (1 lần/giây)		 - Tích hợp bộ tiền xử lý tín hiệu số nội bộ.
- Giao tiếp vi điều khiển qua giao thức 1-Wire (1 chân dữ liệu).
- Kích thước: 15 x 12 x 5.5 mm, cấu trúc 4 chân.
Màn hình LCD 16x2 - Cấu trúc: 16 ký tự x 2 dòng
- Chip điều khiển: HD44780
- Font ma trận: 5x8 điểm ảnh		 - 2 thanh ghi: Thanh ghi lệnh (IR) và Thanh ghi dữ liệu (DR).
- Bộ nhớ: DDRAM (80x8 bit), CGROM (240 mẫu ký tự).
- Tích hợp cờ bận BF và bộ đếm địa chỉ AC.
Module I2C cho LCD - Giao tiếp 2 dây: SCL (xung nhịp) & SDA (dữ liệu)
- Tần số chuẩn: 100kHz / 400kHz		 - Định địa chỉ 7-bit (quản lý tối đa 128 thiết bị) hoặc 10-bit.
- Tiết kiệm chân IO cho vi điều khiển trung tâm.
Máy phun sương 220V - Điện áp hoạt động: 220VAC
- Hiệu quả: Giảm 5 ÷ 10°C, tăng ẩm tới 90%		 - Tạo hạt sương mịn bằng cơ chế bay hơi nước tự nhiên, an toàn cho thiết bị xung quanh.
Máy nén kho lạnh - Nén môi chất lạnh từ áp suất thấp lên cao
- Công thức: $P = \frac{V}{35 \div 40} \times 9000\text{ (Btu/h)}$		 - Hệ thống dàn ngưng, bình tách lỏng và tháp giải nhiệt phục vụ điều hòa không khí diện tích lớn.

Chương 3 cũng phân tích cấu trúc tập lệnh của chip điều khiển HD44780 (Clear Display, Return Home, Entry Mode Set, Display ON/OFF, Function Set, Set DDRAM/CGRAM address, Read BF) và quy trình khởi tạo LCD bằng phần cứng cũng như bằng chuỗi lệnh điều khiển.

Chương 4: Thiết kế mô hình thực tế

Chương 4 mô tả toàn bộ quá trình hiện thực hóa hệ sinh thái phần cứng và phần mềm:

  • Xây dựng sơ đồ nối dây liên kết giữa ESP8266, DHT11, LCD16x2 I2C và Module Relay.
  • Lập trình giao diện trang web giám sát bằng ngôn ngữ HTML5.
  • Cấu hình môi trường Arduino IDE, bổ sung đường dẫn quản lý bo mạch ESP8266 (http://arduino.com/stable/package_esp8266com_index.json).
  • Cài đặt mã nguồn điều khiển: khai báo thư viện, định nghĩa chân I/O, tạo dịch vụ mDNS, cấu hình web server lắng nghe cổng 80 và các hàm xử lý đóng gói dữ liệu JSON gửi về trình duyệt.

Kết quả và đóng góp

Kết quả đạt được

  • Chế tạo thành công mô hình phần cứng: Kết nối hoàn chỉnh giữa vi điều khiển ESP8266, cảm biến DHT11, module hiển thị LCD 16x2 qua giao tiếp I2C và khối relay 4 kênh công suất 250VAC-10A.
  • Xây dựng giải pháp phần mềm nhúng: Vi điều khiển tự động đọc dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm theo chu kỳ lấy mẫu 1Hz của DHT11 và điều khiển đóng ngắt tải theo đúng logic ngưỡng thiết lập ($T \ge 32^\circ\text{C}$ bật máy lạnh; $H \le 72%$ bật máy phun sương).
  • Triển khai Web Server độc lập: Tạo lập giao diện HTML5 nhúng trực tiếp trong chip nhớ ESP8266, cho phép theo dõi dữ liệu và điều khiển thiết bị qua mạng nội bộ mà không cần phụ thuộc vào máy chủ trung gian hay dịch vụ đám mây trả phí.

Đóng góp thực tiễn của đề tài

  • Cung cấp một giải pháp kỹ thuật tự động hóa giá thành thấp, thay thế phương pháp ghi chép thủ công trong các phòng lưu trữ thuốc nhỏ.
  • Giảm thiểu chi phí nhân công theo dõi định kỳ, hạn chế sai sót do con người trong việc phát hiện sự cố vi khí hậu phòng thuốc.
  • Mô hình có tính module hóa cao, dễ dàng mở rộng chân kết nối và phát triển thêm các tính năng điều khiển theo nhu cầu thực tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên phạm vi và nội dung triển khai được trình bày trong văn bản:

  • Độ chính xác và dải đo của cảm biến: Cảm biến DHT11 có sai số độ ẩm ±5% và sai số nhiệt độ ±2°C, dải đo nhiệt độ hẹp ($0 \div 50^\circ\text{C}$); văn bản chỉ rõ cảm biến này có độ chính xác và dải đo kém hơn đáng kể so với phiên bản nâng cấp DHT22.
  • Phạm vi giao tiếp web: Hệ thống sử dụng web server nội bộ (Local IP) xử lý qua mạng Wi-Fi; chưa tích hợp cơ chế đồng bộ cơ sở dữ liệu đám mây diện rộng hay cảnh báo tự động qua tin nhắn SMS/Email khi xảy ra sự cố khẩn cấp.
  • Hướng phát triển: Nâng cấp sử dụng cảm biến có độ chính xác cao hơn (như DHT22); mở rộng quy mô mạng cảm biến đa điểm trong các kho dược diện tích lớn; tối ưu hóa giao diện web theo hướng đáp ứng (responsive) trên nhiều thiết bị di động.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên các ngành: Kỹ thuật Điện - Điện tử, Tự động hóa, Công nghệ Thông tin, Kỹ thuật Máy tính đang thực hiện đồ án môn học hoặc khóa luận tốt nghiệp về IoT ứng dụng.
  • Nội dung tham khảo chuyên sâu:
    • Cấu trúc thanh ghi, tập lệnh và phương pháp lập trình điều khiển màn hình LCD sử dụng chip HD44780 qua bus I2C.
    • Kỹ thuật xây dựng Web Server nhúng trên nền vi điều khiển ESP8266 NodeMCU bằng Arduino IDE.
    • Phương pháp xây dựng API trả về chuỗi JSON để truyền dữ liệu trạng thái cảm biến và nút bấm điều khiển.

Câu hỏi thường gặp

1. Ngưỡng nhiệt độ và độ ẩm nào được thiết lập để kích hoạt thiết bị trong mô hình?

Theo thuật toán điều khiển trong văn bản, hệ thống kích hoạt rơ-le bật máy lạnh khi nhiệt độ môi trường đo được đạt ngưỡng $T \ge 32^\circ\text{C}$ (và tắt khi nhiệt độ hạ xuống dưới $32^\circ\text{C}$), đồng thời kích hoạt rơ-le bật máy phun sương khi độ ẩm môi trường giảm xuống ngưỡng $H \le 72%$ (và tắt khi độ ẩm vượt trên $72%$).

2. Sự khác biệt giữa cảm biến DHT11 sử dụng trong đề tài và DHT22 là gì?

Văn bản nêu rõ DHT11 là dòng cảm biến giá rẻ, giao tiếp 1-Wire số, đo được độ ẩm $20 \div 80%\text{RH}$ (sai số 5%) và nhiệt độ $0 \div 50^\circ\text{C}$ (sai số $\pm 2^\circ\text{C}$). So với dòng cảm biến đời mới hơn là DHT22, DHT11 cho khoảng đo hẹp hơn và độ chính xác kém hơn nhiều.

3. Chip điều khiển HD44780 của màn hình LCD 16x2 gồm những thanh ghi và bộ nhớ nào?

Chip HD44780 bao gồm 2 thanh ghi 8-bit quan trọng: Thanh ghi lệnh IR (Instruction Register) và Thanh ghi dữ liệu DR (Data Register). Về bộ nhớ, chip tích hợp bộ đếm địa chỉ AC, vùng nhớ hiển thị DDRAM (dung lượng 80x8 bit, chứa tối đa 80 ký tự) và vùng nhớ ký tự CGROM (chứa sẵn 240 mẫu ký tự gồm 208 mẫu ma trận 5x8 và 32 mẫu ma trận 5x10).

4. Giao thức I2C trên module LCD sử dụng bao nhiêu đường tín hiệu và hỗ trợ tối đa bao nhiêu thiết bị?

Module I2C sử dụng 2 đường truyền tín hiệu: đường xung nhịp đồng hồ (SCL do Master phát) và đường dữ liệu hai chiều (SDA). Ở chế độ địa chỉ 7-bit, chuẩn I2C có thể định danh $2^7 = 128$ địa chỉ (trong đó 16 địa chỉ dành cho mục đích riêng, còn lại 112 thiết bị kết nối); ở chế độ 10-bit hỗ trợ 1024 địa chỉ với 1008 thiết bị có thể kết nối.

5. Công thức tính công suất máy nén phòng lạnh được đề cập trong đồ án là gì?

Công suất phòng lạnh được tính toán theo công thức: $$P = \frac{V}{35 \div 40} \times 9000 \quad (\text{Btu/h})$$ Trong đó $V$ là thể tích không gian phòng lạnh, hệ số mẫu số từ 35 đến 40 phụ thuộc vào điều kiện phòng. Định mức nhiệt tiêu chuẩn tương ứng là $600\text{ Btu/m}^2$ cho phòng ít ánh sáng và $900\text{ Btu/m}^2$ cho phòng có nhiều ánh sáng.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Giám sát nhiệt độ - độ ẩm phòng bảo quản thuốc" tại Trường Đại học Bà Rịa - Vũng Tàu đã giải quyết thành công bài toán giám sát vi khí hậu tự động phục vụ công tác bảo quản dược phẩm. Hệ thống kết hợp hài hòa giữa phần cứng chi phí thấp (ESP8266, DHT11, Relay 4 kênh, LCD I2C) và phần mềm điều khiển nhúng trên nền tảng Web Server HTML5/JSON. Kết quả thực nghiệm cho thấy mô hình vận hành ổn định, phản hồi chính xác theo ngưỡng nhiệt - ẩm cài đặt, mang lại giá trị ứng dụng thực tế và là tài liệu tham khảo có cấu trúc rõ ràng cho các nghiên cứu phát triển hệ thống nhúng IoT.