Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế và thi công hệ thống giám sát, điều khiển môi trường container lạnh

Khám phá đồ án thiết kế và thi công hệ thống giám sát, điều khiển môi trường container lạnh từ xa, ứng dụng vi điều khiển STM32 và module GSM/GPS.

• Tác giả: Lâm Tấn Dũng
• Người hướng dẫn: Phan Vân Hoàn
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện tử Viễn thông
• Đề tài: Thiết kế và thi công hệ thống giám sát, điều khiển môi trường container lạnh
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Hệ thống Giám sát Điều khiển Container Lạnh từ xa

Hệ thống giám sát, điều khiển container lạnh từ xa là một giải pháp công nghệ hiện đại để quản lý môi trường lạnh một cách hiệu quả. Đây là một ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực logistics, bảo quản thực phẩm và vận chuyển hàng hóa nhạy cảm. Hệ thống này kết hợp các công nghệ tiên tiến như vi điều khiển STM32, cảm biến thông minh và giao thức truyền thông không dây để theo dõi nhiệt độ, độ ẩm và các thông số khác trong thời gian thực. Với khả năng điều khiển từ xa qua internet, hệ thống cho phép các quản lý viên theo dõi và điều chỉnh điều kiện bảo quản mà không cần có mặt trực tiếp tại hiện trường. Điều này giúp giảm thiểu tổn thất hàng hóa, đảm bảo chất lượng sản phẩm và nâng cao hiệu quả hoạt động logistic.

1.1. Khái niệm Container Lạnh và Tầm quan trọng của Giám sát

Container lạnh là các thiết bị lưu trữ có khả năng duy trì nhiệt độ thấp để bảo quản hàng hóa. Việc giám sát hiệu quả môi trường bên trong container là yếu tố then chốt để đảm bảo chất lượng sản phẩm. Hệ thống giám sát tự động giúp phát hiện sớm các sự cố về nhiệt độ, cảnh báo kịp thời và ghi nhật ký dữ liệu để phục vụ quản lý.

1.2. Ứng dụng Thực tiễn của Hệ thống

Hệ thống giám sát container lạnh từ xa được áp dụng rộng rãi trong ngành vận chuyển thực phẩm, dược phẩm và hóa chất. Nó cho phép doanh nghiệp theo dõi tình trạng hàng hóa, tối ưu hóa chi phí năng lượng và đảm bảo tuân thủ các tiêu chuẩn vệ sinh an toàn.

II. Cấu trúc và Thành phần Kỹ thuật của Hệ thống

Hệ thống giám sát điều khiển container lạnh bao gồm nhiều thành phần kỹ thuật phức tạp hoạt động hiệp đồng. Trạm 1 được cài đặt trực tiếp trong container lạnh với nhiệm vụ thu thập dữ liệu từ các cảm biến, xử lý tín hiệu và điều khiển các thiết bị làm lạnh. Trạm 2 đóng vai trò là trạm quan sát, nhận dữ liệu từ Trạm 1 qua các giao thức truyền thông như GSM A7680C hoặc NRF24L01. Bộ xử lý trung tâm sử dụng vi điều khiển STM32F103C8T6 để thực hiện các thuật toán điều khiển như PID và xử lý logic. Giao diện Web giám sát được thiết kế để cho phép người dùng truy cập thông tin từ bất kỳ đâu thông qua internet.

2.1. Vi Điều khiển STM32 và Khối Xử lý Trung tâm

Vi điều khiển STM32F103C8T6 là lõi xử lý chính của hệ thống với tốc độ xung nhịp cao và khả năng xử lý tín hiệu mạnh mẽ. Nó điều phối tất cả các hoạt động của hệ thống bao gồm thu thập dữ liệu cảm biến, thực hiện thuật toán điều khiển PID và giao tiếp với các module ngoại vi.

2.2. Cảm biến DS18B20 và Hệ thống Thu thập Dữ liệu

Cảm biến nhiệt độ DS18B20 sử dụng giao thức One Wire để truyền dữ liệu nhiệt độ với độ chính xác cao. Hệ thống có thể lắp đặt nhiều cảm biến tại các vị trí khác nhau trong container để giám sát toàn diện môi trường bảo quản.

2.3. Module Truyền thông GSM và GPS

Module GSM A7680C cho phép hệ thống kết nối internet và gửi dữ liệu về máy chủ. Module GPS Neo-M6 cung cấp vị trí địa lý của container, giúp theo dõi hành trình vận chuyển theo thời gian thực.

III. Nguyên lý Hoạt động Điều khiển PID và Tối ưu hóa Hiệu suất

Thuật toán điều khiển PID là nền tảng của hệ thống quản lý nhiệt độ hiệu quả trong container lạnh. Hệ thống liên tục đo nhiệt độ hiện tại và so sánh với giá trị đặt sẵn. Thuật toán PID tính toán sai lệch và điều chỉnh công suất làm lạnh để duy trì nhiệt độ ổn định. Các thành phần P (tỉ lệ), I (tích phân) và D (vi phân) hoạt động phối hợp để giảm thiểu biến động nhiệt độ. Việc tối ưu hóa các tham số PID cho phép hệ thống đạt được đáp ứng nhanh chóng, ổn định lâu dài và tiết kiệm năng lượng. Giao diện Web hiển thị biểu đồ nhiệt độ theo thời gian, cho phép người dùng phân tích hiệu suất và điều chỉnh thiết lập khi cần thiết.

3.1. Nguyên tắc Hoạt động của Bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID gồm ba thành phần: Phần P phản ứng tức thời với sai lệch, I loại bỏ sai lệch bền vững, D dự đoán và làm mịn quá trình điều chỉnh. Sự kết hợp ba thành phần này giúp hệ thống đạt ổn định nhanh chóng và duy trì nhiệt độ chính xác.

3.2. Chiến lược Tiết kiệm Năng lượng qua Điều khiển Thông minh

Hệ thống áp dụng chiến lược điều khiển thích ứng để giảm consumption điện. Bằng cách điều chỉnh linh hoạt công suất máy lạnh dựa trên thực tế nhu cầu làm mát, hệ thống giảm lãng phí năng lượng while maintaining température ổn định, tối ưu hóa chi phí vận hành.

IV. Giao diện Web Giám sát và Đặc điểm Nổi bật của Hệ thống

Giao diện Web giám sát là một thành phần quan trọng cho phép người dùng truy cập thông tin hệ thống từ máy tính hoặc thiết bị di động bất kỳ lúc nào. Giao diện hiển thị nhiệt độ thực tế, giá trị đặt sẵn, tình trạng thiết bị và lịch sử dữ liệu chi tiết. Người dùng có thể điều chỉnh tham số từ xa, đặt cảnh báo tự động và tải xuống báo cáo. Hệ thống được thiết kế với độ bảo mật cao, sử dụng xác thực người dùng và mã hóa dữ liệu truyền thông. Khả năng lưu trữ dữ liệu dài hạn cho phép phân tích xu hướng, tối ưu hóa quy trình và tuân thủ yêu cầu kiểm toán. Hệ thống cảnh báo thông minh gửi thông báo tức thời khi nhiệt độ vượt ngưỡng, giúp người quản lý phản ứng nhanh chóng.

4.1. Các Tính năng Chính của Giao diện Web

Giao diện Web cung cấp dashboard trực quan với biểu đồ nhiệt độ, chỉ báo trạng thái thiết bị và cảnh báo. Người dùng có thể tùy chỉnh mức cảnh báo, xem lịch sử dữ liệu chi tiết và xuất báo cáo theo định kỳ. Tính năng phân tích dữ liệu giúp tối ưu hóa hiệu suất hệ thống.

4.2. Lợi ích và Ứng dụng Thực tiễn của Hệ thống Hoàn chỉnh

Hệ thống giám sát điều khiển container lạnh mang lại nhiều lợi ích như giảm tổn thất hàng hóa, cải thiện chất lượng sản phẩm, tiết kiệm năng lượng và nâng cao hiệu quả quản lý. Nó có thể áp dụng rộng rãi trong logistics, thực phẩm, dược phẩm và vận chuyển quốc tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Giới thiệu phần mềm lập trình cho vi điều khiển STM32 và WEB, lưu đồ giải thuật, giải thích, và chương trình hoạt động cho toàn hệ thống. Chương 5: Kết quả thực hiện, nhận xét và đánh giá Thể hiện những kết quả đạt được của phần cứng và phần mềm thông qua hình ảnh và những thông số kỹ thuật, nhận xét đánh giá kết quả đạt được trong quá trình thực hiện. Chương 6: Kết luận và hướng phát triển Trình bày những gì nhóm làm được và những gì chưa làm được, nêu hướng phát triển của hệ thống ứng dụng trong các dự án thực tế.

4 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2.1 BỘ ĐIỀU KHIỂN PID Bộ điều khiển PID còn được gọi là điều khiển vi tích phân tỉ lệ dựa trên 3 thông số riêng biệt: Proportional (tỉ lệ), Integrative (tích phân), Derivative (vi phân). Một bộ điều khiển PID hoạt động dựa trên nguyên lý lấy giá trị ngõ ra của hệ thống so sánh với giá trị đặt ban đầu để lấy sai số, từ đó điều chỉnh hệ thống sao cho sai số được giảm một cách tối đa.  Bộ điều khiển PID liên tục Hình 2.

1: Cấu trúc của bộ điều khiển PID liên tục Hình 2.1 cho thấy cấu trúc của một bộ điều khiển PID liên tục. Trong đó u là tín hiệu điều khiển tác động vào hệ thống, y là tín hiệu ngõ ra của hệ thống, 𝑦𝑟 là tín hiệu đặt và e là sai số giữa tín hiệu đặt và tín hiệu thực tế. Sai số e sẽ được đưa vào bộ điều khiển PID và tín hiệu u tương ứng sẽ được bộ điều khiển xuất ra để tác động vào hệ thống. Nếu tín hiệu y và 𝑦𝑟 bằng nhau thì e = 0, u = 0, lúc này không có tín hiệu tác động vào hệ thống.

Với ngõ vào là e, bộ điều khiển PID sẽ xuất ra tín hiệu ngõ ra u dựa theo công thức: 𝑑𝑒 u = 𝐾𝑃 .1) 𝑑𝑡 Trong đó: 𝐾𝑃 , 𝐾𝐼, 𝐾𝐷 là các thông số của bộ điều khiển PID mà ta phải lựa chọn phù hợp để PID hoạt động tốt.  Bộ điều khiển PID rời rạc 5 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2. 2: Cấu trúc bộ điều khiển PID rời rạc Bộ điều khiển PID rời rạc sẽ lấy mẫu với chu kỳ T để lấy tín hiệu rời rạc e(k) đưa vào hàm truyền và cho ra kết quả là tín hiệu điều khiển rời rạc u(k).

Khối “ZOH” trên hình 2.2 có chức năng lưu trữ dữ liệu để giữ tín hiệu khi đợi chu kỳ lấy mẫu tiếp theo, do đó khối này sẽ cho ra tín hiệu liên tục 𝑢𝑅 (t) và tín hiệu này tác động vào hệ thống. Hệ thống xuất ra tín hiệu y và tiếp tục hồi tiếp về bộ điều khiển PID rời rạc. Hàm truyền cho bộ điều khiển PID rời rạc: 𝑈(𝑧) 𝐾1 𝑇 𝑧+1 𝐾𝐷 𝑧−1 = 𝐺𝑃𝐼𝐷 (z) = 𝐾𝑃 + + (2.3) ∆ Với các thông số được đặt: 6 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CHƯƠNG 2. Bộ điều khiển PID được cho là tối ưu nhất khi độ vọt lố, sai số xác lập và thời gian xác lập càng nhỏ thì càng tốt.

Trong quá trình hoạt động, ngõ ra y của hệ thống thay đổi theo thời gian và sau một khoảng thời gian thì ngõ ra y sẽ không thay đổi nữa do đã ổn định. Giá trị cao nhất của ngõ ra y trong quá trình hoạt động được gọi là 𝑦𝑚𝑎𝑥. Tuy nhiên, trên thực tế thì giá trị ngõ ra y vẫn lệch so với giá trị đặt 𝑦𝑟 một khoảng nhất định, giá trị này sau một khoảng thời gian sẽ không thay đổi được gọi là giá trị ngõ ra xác lập 𝑦𝑥𝑙. Từ các thông số trên ta có thể tính được độ vọt lố của bộ điều khiển PID theo công thức sau: 𝑦 − 𝑦𝑥𝑙 POT (%)= 𝑚𝑎𝑥 .4) 𝑦𝑥𝑙 Tiếp theo là sai số xác lập được xác định dựa trên ngõ ra y và giá trị đặt 𝑦𝑟 .5) 𝑡→∞ Thời gian xác lập có thể hiểu là thời gian từ khi hệ thống bắt đầu dao động cho đến khi hệ thống bắt đầu ổn định.2 TRUYỀN DỮ LIỆU UART Bộ thu phát không đồng bộ (UART) là một trong những giao thức truyền dữ liệu đơn giản nhất giữa 2 thiết bị với nhau.

Dữ liệu được truyền giữa 2 thiết bị thông qua 2 đường truyền, 1 đường truyền để truyền, đường còn lại để nhận dữ liệu. Ưu điểm của UART là 2 thiết bị không cần phải cùng tần số xung nhịp, ví dụ như 2 vi điều khiển hoạt động với tần số dao động khác nhau vẫn có thể truyền dữ liệu thông qua giao tiếp nối tiếp. Tuy nhiên tốc độ truyền hay còn gọi là tốc độ baud cần được xác định trước bởi 2 thiết bị, ngoài ra còn các thông số cần phải thiết lập như số bit dữ liệu, số bit stop và bit parity có được dùng hay không. 7 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2. 3: Giao tiếp UART giữa 2 thiết bị Bộ phát cần có một thanh ghi dịch để nạp dữ liệu song song và sau đó dịch từng bit ra với tốc độ xác định. Bộ nhận sẽ dịch từng bit dữ liệu vào rồi tổng hợp lại thành gói dữ liệu. 4: Khung truyền dữ liệu giữa hệ thống phát và nhận Dữ liệu được truyền đi theo dạng gói dữ liệu.

Mỗi gói dữ liệu bao gồm bit start, các bit dữ liệu, bit parity (có thể có hoặc không) và bit stop. Ở trạng thái không có thực hiện truyền dữ liệu hay gọi là trạng thái rỗi, đường truyền ở mức logic 1. Khi bắt đầu truyền dữ liệu, từ mức logic 1 hệ thống sẽ đưa về mức logic 0 để truyền bit start đến bộ thu để báo hiệu đường truyền. Sau đó, hệ thống phát lần lượt gửi đi các bit dữ liệu và thời gian gửi phụ thuộc vào tốc độ baud.

Khi các bit dữ liệu đã truyền xong, nếu có bit parity thì gửi bit này đến bộ thu, bit parity được dùng để phát hiện lỗi. Đối với kiểm tra lẻ thì bit parity bằng 1 khi tổng số bit 1 trong gói dữ liệu là lẻ và ngược lại bằng 0 khi số bit 1 là chẵn. Sau khi gửi bit parity, stop bit sẽ thông báo dữ liệu đã kết thúc, có thể có 2 stop bit làm chậm tốc độ truyền để bộ thu có thêm thời gian khi phải nhận nhiều gói dữ liệu liên tiếp và giảm tỉ lệ xảy ra sai số. 8 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CHƯƠNG 2.3 GIAO THỨC I2C I2C (Inter-Integrated Circuit) là chuẩn giao tiếp truyền thông cho phép giao tiếp một thiết bị chủ với nhiều thiết bị tớ với nhau.

Trong đó, các thiết bị tớ không thể giao tiếp với nhau mà chỉ đợi cho đến khi thiết bị chủ gửi tín hiệu cho thiết bị tớ tương ứng, khi đó 2 thiết bị chủ và tớ sẽ tiến hành giao tiếp với nhau bằng cách truyền hoặc nhận dữ liệu. Mỗi thiết bị tớ sẽ có một địa chỉ riêng và khi thiết bị chủ muốn giao tiếp với thiết bị tớ nào thì sẽ gửi một gói tin chứa địa chỉ của thiết bị tớ đó trên đường dây data. 5: Hệ thống các thiết bị giao tiếp theo chuẩn I2C Qua hình 2.4 có thể thấy giao thức I2C dùng 2 đường truyền là SDA và SCL. Đường SDA dùng để truyền dữ liệu còn SCL dùng để truyền xung clock.

Chức năng của xung clock trong giao thức I2C là để đồng bộ tức là khi truyền 1 bit data thì đi kèm với 1 xung clock. Chân SDA của thiết bị chủ sẽ nối chung với các chân SDA của thiết bị tớ và tương tự với chân SCL. Ngoài ra, trên 2 đường dây của giao thức I2C còn được mắc thêm 2 điện trở kéo lên nguồn để phục vụ cho truyền nhận dữ liệu ở mức 1 và mức 0. 6: Dạng gói tin trong giao tiếp I2C Khi muốn truyền nhận dữ liệu, trước tiên phải có 1 điều kiện để bắt đầu giao tiếp.

Sau đó master gửi địa chỉ của slave, một địa chỉ có thể có 7 bit hoặc là 10 bit. Nếu địa chỉ có 7 bit thì nó sẽ kèm theo 1 bit để quy định chế độ đọc hoặc ghi của master. 9 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Sau bước trên, nếu slave nhận được gói tin chứa địa chỉ giống với slave thì nó sẽ phản hồi lại 1 bit ACK và ngược lại, nếu không trùng địa chỉ thì trả về bit NACK.

Tiếp theo, master sẽ gửi khung dữ liệu đầu tiên gồm 8 bit cho slave. Sau khi master đã gửi thì nó cũng phải kiểm tra phản hồi của slave, nếu bị lỗi đường truyền khi gửi khung dữ liệu, slave sẽ phản hồi lại bit NACK, còn trong trường hợp slave phản hồi ACK thì master tiếp tục gửi 8 bit dữ liệu tiếp theo và tiếp tục quá trình trên. Khi master không muốn truyền dữ liệu nữa, nó sẽ tạo ra điều kiện để kết thúc quá trình truyền nhận.4 GIAO THỨC SPI Giao thức truyền thông SPI sử dụng 4 đường dây để giao tiếp với cơ chế master và slave. Các dây phục vụ cho giao thức SPI bao gồm:  SCLK: dây tạo tín hiệu xung clock từ master.

 MOSI: dây truyền dữ liệu ra từ master và slave sẽ nhận dữ liệu vào từ dây này.  MISO: dây truyền dữ liệu từ slave vào cho master.  CS: dây chọn chip, khi muốn slave hoạt động thì master xuất tín hiệu mức thấp ra dây này và tín hiệu được nhận vào từ slave. 7: Giao tiếp SPI giữa master và slave So với 2 chuẩn truyền là UART và I2C thì giao thức SPI có tốc độ truyền nhanh nhất với tốc độ cao nhất có thể đạt được là 60Mbit/s.

Nhưng nhược điểm của giao thức này là dùng 4 dây và số lượng slave sẽ bị giới hạn bởi chân CS, ví dụ nếu có 10 thiết bị slave thì cần phải có 10 chân CS để cho phép từng slave hoạt động. Khi lập trình về SPI cần quan tâm đến những vấn đề sau đây:  Trình tự gửi các bit dữ liệu trên đường dây: có thể cấu hình để gửi bit MSB/LSB trước. 10 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT  Tốc độ truyền nhận SPI: có thể cấu hình để điều chỉnh tốc độ giao tiếp SPI phù hợp với mục đích sử dụng.

 Chế độ lấy mẫu: có 4 chế độ liên quan đến vấn đề lấy mẫu, các chế độ này được mô tả ở bảng 2.1 và ta có thể lựa chọn chế độ thông qua việc cấu hình.