Đồ án tốt nghiệp: Hệ thống điều khiển và giám sát qua mạng LoRa - ĐH SPKT

Đồ án tốt nghiệp Hệ thống điều khiển và giám sát qua mạng LoRa. Trình bày chi tiết thiết kế, thi công mô hình sử dụng ESP32, PLC, Node.js và React.

• Tác giả: Nguyễn Quốc Khánh
• Người hướng dẫn: Ts. Trần Vi Đô
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
• Đề tài: Hệ thống điều khiển và giám sát qua mạng LoRa
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hệ Thống Điều Khiển và Giám Sát Qua Mạng LoRa

Hệ thống điều khiển và giám sát qua mạng LoRa là một giải pháp công nghệ hiện đại cho các ứng dụng IoT (Internet of Things) và tự động hóa công nghiệp. Đồ án tốt nghiệp này được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Vi Đô, nhằm nghiên cứu và phát triển một nền tảng truyền thông không dây toàn diện. Hệ thống kết hợp công nghệ LoRa với vi điều khiển ESP32, máy chủ Node.js và giao diện người dùng React để tạo ra một giải pháp quản lý và điều khiển từ xa hiệu quả. Kiến trúc hệ thống bao gồm một Gateway chính và 03 Node slave để xử lý các dữ liệu từ cảm biến, điều khiển cơcấu chấp hành và truyền thông với máy chủ trung tâm một cách an toàn và đáng tin cậy.

1.1. Khái Niệm Công Nghệ LoRa

LoRa (Long Range) là công nghệ truyền thông vô tuyến tiết kiệm năng lượng, cho phép truyền dữ liệu trên khoảng cách xa (từ 2-15km) với tốc độ truyền thấp nhưng rất ổn định. Công nghệ này hoạt động ở tần số không cấp phép (868 MHz, 915 MHz), phù hợp cho các ứng dụng IoT, nông nghiệp thông minh, quản lý năng lượng và giám sát môi trường. LoRa tiêu thụ rất ít năng lượng, cho phép thiết bị hoạt động liên tục với thời gian pin lên tới nhiều năm.

1.2. Cấu Trúc Hệ Thống Nhiều Tầng

Hệ thống sử dụng kiến trúc Gateway-Node gồm một trạm Gateway trung tâm kết nối với máy chủ Node.js, và ba trạm Node Slave phân tán. Mỗi Node được trang bị ESP32 để thu thập dữ liệu từ cảm biến, điều khiển thiết bị, và truyền thông qua LoRa đến Gateway. Gateway đóng vai trò trung gian, nhận dữ liệu từ các Node và đẩy lên máy chủ qua kết nối Ethernet hoặc WiFi, giúp người dùng giám sát và điều khiển từ xa thông qua ứng dụng web React.

II. Các Thành Phần Chính Của Đồ Án

Đồ án này tích hợp nhiều công nghệ và thành phần phần cứng-phần mềm để tạo nên một hệ thống hoàn chỉnh. Phần cứng bao gồm vi điều khiển ESP32, module LoRa, cảm biến nhiệt độ, cảm biến quang học, mạch PCB custom, PLC công nghiệp và các cơcấu chấp hành. Phần mềm được phát triển trên nền tảng Node.js cho máy chủ, React cho giao diện người dùng web, và PostgreSQL cho cơ sở dữ liệu. Hệ thống cũng tích hợp các thuật toán điều khiển PID để điều chỉnh tốc độ động cơ, hệ thống phân loại bằng mã vạch và cảnh báo cháy thông minh. Toàn bộ hệ thống được thiết kế để hoạt động ổn định, an toàn và dễ mở rộng cho các ứng dụng công nghiệp.

2.1. Vi Điều Khiển ESP32 và Module LoRa

ESP32 là vi điều khiển mạnh mẽ với bộ xử lý kép, hỗ trợ WiFi và Bluetooth, hoàn hảo cho các ứng dụng IoT. Kết hợp với module LoRa RFM95, ESP32 có khả năng truyền thông long-range đáng tin cậy. Mỗi Node được lập trình để thu thập dữ liệu từ cảm biến và truyền qua LoRa đến Gateway. Hệ thống sử dụng mạch PCB thiết kế riêng để tối ưu hóa khả năng tiêu thụ năng lượng và độ ổn định của hệ thống.

2.2. Máy Chủ Node.js và Cơ Sở Dữ Liệu PostgreSQL

Máy chủ Node.js đóng vai trò xử lý dữ liệu nhận từ Gateway, lưu trữ thông tin và xử lý yêu cầu từ giao diện người dùng. PostgreSQL cung cấp hệ thống cơ sở dữ liệu mạnh mẽ với khả năng lưu trữ lịch sử hoạt động, dữ liệu cảm biến, và nhật ký điều khiển. Kiến trúc này cho phép truy vấn dữ liệu nhanh, phân tích xu hướng và báo cáo hiệu suất hệ thống một cách hiệu quả.

III. Các Ứng Dụng Thực Tiễn Trong Đồ Án

Đồ án này triển khai ba ứng dụng thực tiễn chính để chứng minh hiệu quả của hệ thống điều khiển và giám sát qua mạng LoRa. Node 1 thực hiện hệ thống phân loại sản phẩm bằng mã vạch trên băng tải công nghiệp, tự động nhận diện sản phẩm, đếm số lượng và đo tốc độ động cơ. Node 2 điều khiển bồn nước bằng thuật toán PID để duy trì mức nước ổn định, tiết kiệm năng lượng và tránh tình trạng tràn nước. Node 3 triển khai hệ thống cảnh báo cháy thông minh với khả năng phát hiện nhiệt độ bất thường, phát hiện khói và gửi cảnh báo tức thời đến người dùng. Mỗi ứng dụng đều cho thấy tính linh hoạt và sức mạnh của nền tảng LoRa trong tự động hóa công nghiệp.

3.1. Hệ Thống Phân Loại Sản Phẩm Bằng Mã Vạch

Node 1 trang bị cảm biến quang học để quét mã vạch trên các sản phẩm di chuyển trên băng tải. Hệ thống xác định loại sản phẩm, phân loại tự động và gửi dữ liệu lên PLC để điều khiển động cơ với tốc độ phù hợp. Cảm biến nhiệt độ giám sát nhiệt độ động cơ để phòng chống quá tải. Tất cả dữ liệu được truyền qua LoRa đến Gateway và lưu trữ trên máy chủ để phân tích thống kê và tối ưu hoá quá trình sản xuất.

3.2. Điều Khiển Bồn Nước Bằng Thuật Toán PID

Node 2 sử dụng cảm biến mực nước và van điều khiển để duy trì mức nước mục tiêu trong bồn. Thuật toán PID được lập trình trên ESP32 để tính toán lưu lượng nước cần thiết, giảm thiểu dao động và tiết kiệm năng lượng bơm. Hệ thống có khả năng tự động hóa hoàn toàn, không cần can thiệp thủ công, và gửi thông báo khi mực nước bất thường qua giao diện React.

IV. Giao Diện Người Dùng và Giám Sát Từ Xa

Giao diện người dùng React cung cấp một dashboard trực quan cho phép người dùng giám sát các Node từ bất kỳ đâu trên thế giới. Giao diện hiển thị dữ liệu thời gian thực từ các cảm biến, cho phép người dùng thay đổi tham số điều khiển, bật/tắt thiết bị và nhận cảnh báo tức thì khi có sự cố. Hệ thống lưu trữ lịch sử tất cả hoạt động, cho phép người dùng xem lại dữ liệu lịch sử, tạo báo cáo và phân tích xu hướng. Giao tiếp hai chiều giữa giao diện người dùng và máy chủ Node.js được bảo mật bằng mã hóa để đảm bảo an toàn dữ liệu. Kiến trúc này cho phép mở rộng hệ thống dễ dàng, thêm nhiều Node mới mà không cần thay đổi cơ sở hạ tầng chính.

4.1. Dashboard Giám Sát Thời Gian Thực

Dashboard React cung cấp giao diện trực quan với biểu đồ động, bảng dữ liệu và chỉ báo trạng thái. Người dùng có thể xem dữ liệu từ các Node một cách rõ ràng, phát hiện sự cố ngay lập tức. Hệ thống hỗ trợ thiết bị di động để người dùng giám sát mọi lúc mọi nơi. Thông báo push sẽ được gửi ngay khi có cảnh báo, giúp người dùng phản ứng nhanh chóng trước các tình huống khẩn cấp.

4.2. Tính Năng Điều Khiển và Báo Cáo

Giao diện cho phép điều khiển tất cả các thiết bị từ xa: bật/tắt máy bơm, điều chỉnh nhiệt độ, thay đổi tốc độ động cơ. Hệ thống báo cáo tự động tạo báo cáo hàng ngày/hàng tuần về hiệu suất hệ thống, lịch sử hoạt động và mức tiêu thụ năng lượng. Người dùng có thể xuất dữ liệu dưới dạng CSV/PDF để phân tích chi tiết hoặc trình bày cho quản lý.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan Chương 2: Cơsở lý thuyết Chương 3: Tính toán và thiết kế hệ thống Chương 4: Thi công hệ thống Chương 5: Kết quả so sánh, thực nghiệm, phân tích, tổng hợp Chương 6: Kết luận và hướng phát triển 1. Giới hạn Đề tài tập trung nghiên cứu, xây dựng và phát triển dựa trên công nghệ LoRa và truyền thông Internet (cụ thể là tự xây dựng hệ thống máy chủ và giao diện người dùng) với một số công việc sau: - Cách gửi nhận dữ liệu từ người dùng đến thiết bị cuối thông qua các phương thức truyền thông như LoRa. - Nghiên cứu và xây dựng toàn bộ hệ thống trang web giám sát và điều khiển từ xa với Node.js và React. - Ứng dụng các đối tượng, dữ liệu từ các đồ án môn học trước như hệ thống phân loại sản phẩm bằng mã vạch, hệ thống bồn nước,… để thu thập và điều khiển.

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 2 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trong chương cơsở lý thuyết, chúng tôi sẽ nghiên cứu và tìm hiểu về những khái niệm quan trọng mà đề tài cần phải thực hiện bao gồm IoT và mạng không dây, sóng truyền thông vô tuyến LoRa, tổng quan về truyền tải thông tin trên internet, máy chủ Node.js và React.js, cơsở dữ liệu quan hệ và cuối cùng là PLC (Programmable Logic Controller). Giới thiệu chung 2. Tổng quan về IoT IoT – Internet of Things (vạn vật kết nối internet) là một mô hình đang phát triển rất nhanh chóng khi cho phép các thiết bị điện tử, máy móc, đồ gia dụng và cảm biến kết nối với nhau thông qua internet để thu thập, truyền tải và chia sẻ dữ liệu từ đó giúp cuộc sống của con người trở nên dễ dàng và tiện lợi hơn bao giờ hết. IoT sử dụng các thiết bị thông minh và internet để cung cấp các giải pháp cho nhiều thử thách và vấn đề liên quan đến thương mại, chính phủ và đặc biệt là công nghiệp trên thế giới.

IoT cũng là một trong những xu hướng công nghiệp phát triển mạnh mẽ trong thời gian gần đây. Các thiết bị IoT trong công nghiệp, ví dụ như cảm biến, máy đo, robot và các thiết bị tự động khác, có khả năng thu thập dữ liệu về các hoạt động sản xuất và truyền dữ liệu đó về cho hệ thống quản lý. Hệ thống này sẽ phân tích và xử lý dữ liệu để cho ra các thông tin hữu ích. Khi áp dụng IoT vào công nghiệp, có thể tăng cường hiệu suất sản xuất, giảm chi phí và nâng cao chất lượng sản phẩm.

Công nghệ IoT cho phép các doanh nghiệp theo dõi các thành phần sản xuất của mình và phát hiện các vấn đề trước khi chúng trở thành vấn đề lớn. Ngoài ra, IoT cũng giúp các doanh nghiệp tiết kiệm năng lượng và tài nguyên nhờ việc tự động hóa quá trình sản xuất. IoT và mạng truyền thông không dây (Wireless Communication Network) có mối liên hệ mật thiết với nhau. IoT cần sự kết nối để các thiết bị IoT có thể truyền tải dữ liệu về cho hệ thống quản lý, đồng thời nhận được các tín hiệu điều khiển từ hệ thống.

Mạng truyền thông không dây cung cấp phương tiện để các thiết bị IoT có thể kết nối với mạng internet và kết nối với nhau. Các công nghệ mạng truyền thông không dây như Wi-Fi, Bluetooth, NFC, ZigBee, LoRa, Cellular,. được sử dụng để kết nối các thiết bị IoT với nhau và với hệ thống quản lý. Các loại mạng này có ưu điểm khác nhau về khoảng cách truyền tải, băng thông, tiêu thụ năng lượng và chi phí, do đó các doanh nghiệp cần chọn loại BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 3 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT mạng phù hợp với nhu cầu của mình.

Chúng tôi sẽ giải thích tổng quan ưu nhược điểm của từng mạng truyền thông không dây trong phần tiếp theo. Các công nghệ mạng truyền thông không dây a. Mạng WiFi Mạng WiFi chắc hẳn không còn xa lạ gì với chúng ta khi hầu hết các địa điểm như nhà ở, nhà hàng, trường học, bệnh viện, quán cà phê,. đều được phủ sóng WiFi.

Vậy WiFi là gì? “Wireless Fidelity” - WiFi là tên gọi phổ biến của chuẩn không dây Ethernet IEEE 802. Chúng sử dụng sóng vô tuyến để gửi và nhận tín hiệu từ các thiết bị lân cận nhằm cung cấp khả năng truy cập Internet cho các thiết bị được kết nối với nó. Về cơbản, WiFi là kết nối không dây giữa các thiết bị và Internet.  Nguyên lý hoạt động WiFi dựa vào việc truyền và nhận sóng vô tuyến, một loại sóng điện từ (các thành phần khác của phổ điện từ bao gồm ánh sáng khả kiến, tia cực tím, tia hồng ngoại, tia X,.) để giao tiếp giữa các thiết bị.1 The Electromagnetic Spectrum (Photo Credit: Designua / Shutterstock) Tần số vô tuyến của tín hiệu WiFi khác so với tần số của radio ô tô, điện thoại di động hoặc bộ đàm vì tần số WiFi nằm trong phạm vi Gigahertz (2,4 GHz hoặc 5 GHz).

Tần số cao hơn cho phép tín hiệu mang nhiều dữ liệu hơn. Các kết nối 2,4 GHz hiện được coi là hơi lỗi thời. Tuy nhiên, băng tần 2.4 vẫn tiếp tục được sử dụng vì tần số thấp hơn có thể phủ sóng trên vài trăm feet. Trong điều kiện lý tưởng, băng tần BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 4 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5GHz có phạm vi tối đa khoảng 200 feet (61 mét), nhưng trong thế giới thực, băng tần này dễ bị nhiễu từ tường, cửa và các vật thể khác.

Băng tần 2,4 có thể sẽ nhanh hơn đối với người dùng kết nối với bộ định tuyến cách xa vài phòng còn băng tần 5GHz chắc chắn sẽ nhanh hơn đối với kết nối gần.  Ưu điểm Tiện lợi: Bản chất không dây của WiFi cho phép người dùng truy cập tài nguyên mạng từ hầu hết mọi vị trí trong vùng phủ sóng của WiFi. Chi phí: Phần cứng của mạng không dây có chi phí thấp so với các mạng có dây vì không cần tốn chi phí để lắp đặt cáp.  Nhược điểm Độ tin cậy: Giống như bất kỳ đường truyền tần số vô tuyến nào, tín hiệu mạng không dây sẽ phải chịu nhiều loại nhiễu.

Phạm vi: Phạm vi trung bình của mạng WiFi là hàng chục mét. Nó sẽ không đủ để phủ sóng được cả nhà máy công nghiệp. Để mở rộng phạm vi sẽ phải mua bộ lặp hoặc điểm truy cập bổ sung từ đó sinh ra một khoản phí rất lớn. Bluetooth  Khái niệm Bluetooth là công nghệ vô tuyến không dây cho phép nhiều thiết bị khác nhau kết nối với nhau và hoạt động cùng nhau.

Ban đầu nó được phát minh như một giải pháp không dây cho bàn phím, tai nghe, loa và các thiết bị ngoại vi khác. Giờ đây, nhiều loại thiết bị sử dụng Bluetooth như điện thoại di động, dàn âm thanh, máy theo dõi sức khỏe,. Hầu như các thiết bị không dây đều có thể sử dụng công nghệ Bluetooth.  Nguyên lý hoạt động Các thiết bị được kết nối trong mạng Bluetooth giao tiếp với nhau bằng sóng vô tuyến tần số cực cao (UHF).

Đây là những sóng điện từ có tần số khoảng 2,4 gigahertz (2,4 tỷ sóng mỗi giây). Các thiết bị Bluetooth giao tiếp trực tiếp với nhau, thay vì gửi lưu lượng qua một thiết bị ở giữa, chẳng hạn như bộ định tuyến không dây như WiFi. Điều này làm cho mức sử dụng năng lượng cực thấp, cải thiện tuổi thọ pin. BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 5 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Có hai loại công nghệ Bluetooth là Bluetooth Low Energy (LE) và Bluetooth Classic (có tên chính xác là Bluetooth Basic Rate/Enhanced Data Rate hoặc BR/EDR).

Cả hai đều hoạt động cùng một dải tần, nhưng Bluetooth LE thì phổ biến hơn vì Bluetooth LE cần ít năng lượng hơn để hoạt động và cũng có thể được sử dụng cho các mạng lưới thiết bị. Trong khi đó, công nghệ Bluetooth Classic có thể cung cấp tốc độ dữ liệu cao hơn một chút so với Bluetooth LE (3 Mbs so với 1Mbs hoặc 2 Mbs) nhưng chỉ có thể được sử dụng để liên lạc trực tiếp giữa hai thiết bị sử dụng kết nối điểm-điểm.  Ưu điểm - Tiêu thụ điện năng và năng lượng thấp. - Có thể kết nối thông qua các bức tường hay bất kỳ chướng ngại vật nào.

- Phần lớn các thiết bị đều được tích hợp Bluetooth để thuận tiện, dễ sử dụng và truy cập.  Nhược điểm - Chậm hơn so với công nghệ không dây khác như Wi-Fi. - Có phạm vi giao tiếp nhỏ (chỉ khoảng 50 mét). - Có băng thông thấp.

- Công nghệ RF hoạt động cùng tần số của Bluetooth, do đó đôi khi có thể gây ra nhiễu. - Để truyền một lượng lớn dữ liệu, nên sử dụng công nghệ truyền thông khác. - Hạn chế số lượng thiết bị kết nối Bluetooth c. Zigbee  Khái niệm Zigbee là một công nghệ không dây được phát triển như một tiêu chuẩn kết nối nhằm giải quyết các nhu cầu đặc biệt của mạng dữ liệu IoT không dây như công suất thấp, chi phí thấp.

Chuẩn kết nối Zigbee hoạt động dựa trên IEEE 802.4 được tạo ra bởi Zigbee Alliance. ZigBee là một giao thức mở, dựa trên packet được thiết kế để cung cấp một kiến trúc dễ sử dụng cho các mạng không dây công suất thấp, an toàn, đáng tin cậy.  Nguyên lý hoạt động Các thiết bị thông minh Zigbee giao tiếp với nhau bằng bộ thu phát vô tuyến. Con chip này hoạt động dựa trên giao thức IEEE 802.4, trên 2,4 GHz, cùng một băng tần được sử dụng bởi Wi-Fi và Bluetooth.

Không giống như Wi-Fi, Zigbee có BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 6 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT phạm vi ngắn hơn khoảng 10-20 mét vì sử dụng ít năng lượng hơn. Điều này làm tăng đáng kể tuổi thọ pin cho các thiết bị Zigbee. Thiết bị Zigbee có thể gửi và nhận dữ liệu từ các thiết bị Zigbee khác. Thiết bị Zigbee cũng có thể sao chép và chuyển tiếp tin nhắn Zigbee từ thiết bị này sang thiết bị khác.

Có khả năng tạo chuỗi các thiết bị thông minh và liên kết chúng với một trung tâm, ngay cả khi một số thiết bị này nằm ngoài phạm vi (trực tiếp) của trung tâm đó.  Ưu điểm - Được thiết kế để tiêu thụ điện năng thấp. - Chi phí thấp: Các chip và mô-đun Zigbee tương đối rẻ, ưu điểm này làm cho Zigbee trở thành một giải pháp hiệu quả về chi phí cho các ứng dụng IoT. - Kết nối mạng lưới: Zigbee sử dụng cấu trúc liên kết mạng lưới, cho phép các thiết bị giao tiếp với nhau mà không cần bộ định tuyến.