I. Giới thiệu Hệ thống Điều khiển Bồn Cầu Tự Động
Bài báo cáo này trình bày thiết kế giao tiếp nhúng cho một hệ thống điều khiển bồn cầu tự động. Hệ thống điều khiển bồn cầu thông minh này tích hợp nhiều chức năng, bao gồm tự động xả nước, xịt rửa, sấy khô và làm ấm. Bài tập lớn thiết kế nhúng này tập trung vào việc thiết kế phần cứng và phần mềm, sử dụng ngôn ngữ lập trình nhúng như Verilog, System Verilog và C. Quá trình kiểm thử hệ thống nhúng được thực hiện trên phần mềm QuestaSim và Vivado. Vi điều khiển đóng vai trò trung tâm trong việc điều khiển các thành phần của hệ thống, bao gồm các cảm biến bồn cầu thông minh như cảm biến nhiệt độ, cảm biến trọng lực và cảm biến hồng ngoại. Thiết kế phần cứng nhúng được tối ưu hóa về hiệu năng và độ tin cậy. Internet vạn vật (IoT) trong nhà vệ sinh cũng là một hướng phát triển tiềm năng được xem xét.
1.1 Mục tiêu và Phạm vi
Mục tiêu chính của báo cáo dự án nhúng là thiết kế và triển khai một hệ thống điều khiển bồn cầu tự động hoạt động ổn định và hiệu quả. Bài báo cáo tập trung vào việc thiết kế phần cứng và phần mềm, sử dụng vi xử lý và các cảm biến siêu âm, cảm biến hồng ngoại, cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm. Phạm vi bao gồm thiết kế mạch điều khiển, lập trình microcontroller, tích hợp các cảm biến bồn cầu thông minh, và kiểm thử hệ thống nhúng. Thiết kế phần mềm nhúng đảm bảo tính thời gian thực và độ chính xác cao. Thiết kế mạch điều khiển nhúng được tối ưu để giảm tiêu thụ năng lượng. Hệ thống giảm sát bồn cầu được tích hợp để giám sát hoạt động của hệ thống. Tự động hóa nhà thông minh là xu hướng chính được hướng đến.
1.2 Phương pháp luận
Thiết kế hệ thống nhúng được thực hiện theo mô hình V-Model. Giai đoạn đầu, mô phỏng hệ thống nhúng được thực hiện bằng UML để mô tả chức năng, cấu trúc và giao tiếp giữa các thành phần. Ngôn ngữ lập trình nhúng C và Verilog được sử dụng để phát triển phần mềm và phần cứng. Kiểm thử hệ thống nhúng được thực hiện ở nhiều cấp độ, từ mô phỏng đơn vị đến tích hợp hệ thống. Arduino trong điều khiển tự động và ESP32 trong điều khiển bồn cầu là các công nghệ được xem xét nhưng không được áp dụng trong dự án này. Phân tích hệ thống nhúng được thực hiện để đánh giá hiệu năng và độ tin cậy của hệ thống. Thiết kế giao diện người dùng nhúng đơn giản và dễ sử dụng. An toàn hệ thống nhúng được ưu tiên hàng đầu.
II. Thiết kế Hệ thống
Phần này trình bày chi tiết thiết kế hệ thống nhúng, bao gồm thiết kế phần cứng nhúng và thiết kế phần mềm nhúng. Thiết kế phần cứng tập trung vào việc lựa chọn vi điều khiển, các cảm biến bồn cầu thông minh, và mạch điện tử. Thiết kế phần mềm bao gồm việc lập trình vi điều khiển để điều khiển các chức năng của hệ thống điều khiển bồn cầu tự động. Ngôn ngữ lập trình nhúng được lựa chọn phù hợp với khả năng thực hiện và độ phức tạp của hệ thống. Kiến trúc phần mềm nhúng được thiết kế để đảm bảo tính thời gian thực và hiệu quả hoạt động. Phân tích hệ thống nhúng được thực hiện để xác định các thông số quan trọng như độ trễ, độ chính xác và tiêu thụ năng lượng.
2.1 Thiết kế Phần cứng
Thiết kế mạch điều khiển nhúng dựa trên vi điều khiển Zynq®-7000 All Programmable SoC. Sơ đồ khối hệ thống bao gồm vi điều khiển, các cảm biến bồn cầu thông minh (cảm biến nhiệt độ, cảm biến trọng lực, cảm biến hồng ngoại), và các thành phần điều khiển khác. Thiết kế phần cứng nhúng được mô tả bằng ngôn ngữ Verilog. Mạch điện tử điều khiển được thiết kế để đảm bảo độ tin cậy và hiệu suất cao. Kiến trúc phần cứng nhúng được tối ưu hóa để giảm tiêu thụ năng lượng. Prototyping được sử dụng để xác minh tính khả thi của thiết kế. Mở rộng hệ thống nhúng có thể được thực hiện bằng cách thêm các cảm biến hoặc chức năng mới. Điều khiển bồn cầu tự động được thực hiện thông qua các tín hiệu điều khiển được tạo ra bởi vi điều khiển.
2.2 Thiết kế Phần mềm
Phần mềm được viết bằng ngôn ngữ C và được chạy trên vi điều khiển. Phần mềm điều khiển bồn cầu chứa các thuật toán điều khiển các chức năng của hệ thống. Giao tiếp nhúng giữa phần mềm và phần cứng được thiết kế để đảm bảo truyền dữ liệu hiệu quả. Phần mềm điều khiển bồn cầu được thiết kế để hoạt động ổn định và đáng tin cậy trong điều kiện thực tế. Thiết kế phần mềm nhúng tích hợp các cảm biến bồn cầu thông minh và xử lý dữ liệu từ các cảm biến này. Phần mềm điều khiển bồn cầu tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn và bảo mật. Ứng dụng điều khiển bồn cầu được thiết kế để dễ dàng sử dụng và bảo trì. Tiết kiệm nước bồn cầu thông minh là một trong những mục tiêu chính của phần mềm.
III. Triển khai và Kiểm thử
Phần này trình bày quá trình triển khai trên FPGA, kiểm thử hệ thống nhúng, và phân tích hệ thống nhúng. Triển khai hệ thống nhúng được thực hiện trên phần mềm Vivado. Kiểm thử hệ thống nhúng được thực hiện bằng cách sử dụng phần mềm QuestaSim. Kết quả kiểm thử được phân tích để đánh giá hiệu năng và độ tin cậy của hệ thống. Mô phỏng hệ thống nhúng được thực hiện để xác minh hoạt động của hệ thống trước khi triển khai thực tế. Báo cáo kiểm thử hệ thống nhúng cung cấp thông tin chi tiết về quá trình kiểm thử và kết quả đạt được. Báo cáo hệ thống nhúng tóm tắt toàn bộ quá trình thiết kế, triển khai và kiểm thử.
3.1 Triển khai trên FPGA
Triển khai trên FPGA được thực hiện sử dụng phần mềm Vivado. Quá trình này bao gồm việc tạo project, thêm các file source code mô tả phần cứng, tạo Block design, tạo constraint file, và generate bitstream. Tổng hợp và triển khai trên phần mềm Vivado đảm bảo hệ thống hoạt động đúng yêu cầu. Thiết kế trên SDK (Software Development Kit) cho phép lập trình và chạy phần mềm trên vi điều khiển. Kết quả trên kit FPGA xác nhận chức năng hoạt động của hệ thống. Điện tử nhúng đóng vai trò quan trọng trong quá trình triển khai này. Kỹ thuật điều khiển tự động được áp dụng để tối ưu hóa hiệu năng của hệ thống. Phần cứng nhúng được tích hợp với phần mềm để tạo nên một hệ thống hoàn chỉnh.
3.2 Kiểm thử và Phân tích
Kiểm thử hệ thống nhúng được thực hiện sử dụng phần mềm QuestaSim. Kịch bản test được thiết kế để kiểm tra tất cả các chức năng của hệ thống. Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống hoạt động đúng với yêu cầu. Phân tích hệ thống nhúng được thực hiện để đánh giá hiệu năng của hệ thống. Báo cáo về công suất của thiết kế được cung cấp để đánh giá hiệu quả năng lượng. Kiểm thử thiết kế phần cứng bộ điều khiển bồn cầu đảm bảo độ tin cậy của hệ thống. Phân tích dữ liệu giúp đánh giá hiệu quả của thiết kế và tìm ra các điểm cần cải thiện. Mở rộng hệ thống nhúng trong tương lai có thể bao gồm việc tích hợp thêm các chức năng mới.
