Nghiên cứu Phát triển Mô-đun IoT Gateway và Ứng dụng Máy Nấu Ăn Thông Minh

Trong ngành dịch vụ, các doanh nghiệp đang gặp khó khăn trong việc thuê nhân công sau đại dịch. Nhiều nhân viên không còn mặn mà với công việc vất vả. Việc hạn chế tiếp xúc làm tăng nhu cầu về robot phục vụ trong ngành ẩm thực. Tại Paris, một cửa hàng pizza sử dụng robot Pazzi để làm bánh, từ nhào bột đến đóng gói. Tuy nhiên, theo Business Insider, các nhà hàng ở Anh, Pháp, Mỹ cho rằng robot chưa thể thay thế hoàn toàn con người. Robot thiếu khả năng thích nghi với môi trường mới và các tình huống bất ngờ. Mặc dù hiệu quả trong các công việc tẻ nhạt, robot thiếu trí tuệ để hiểu các yêu cầu phức tạp hơn. Hơn nữa, robot không hề rẻ, chi phí Servia của Bear Robotics là 999 USD/tháng, bao gồm cài đặt và hỗ trợ. Các nhà đầu tư phải cân nhắc chi phí và giá trị gia tăng sau đầu tư IoT Gateway.

Đề án tập trung vào loại robot dịch vụ có tính năng vừa đủ đáp ứng yêu cầu công việc, robot có thao tác cố định được quản lý từ xa, thay vì dùng robot 5,6 bậc tự do. Mục tiêu nghiên cứu là xây dựng mô hình Robot nấu ăn thông minh có thể thực hiện thao tác cố định và điều khiển thời gian thực thông qua mô-đun IoT gateway. Sản phẩm có thể triển khai thành các mô hình kinh doanh dịch vụ thông minh, mang lại hiệu quả cho người sử dụng trong các mô hình kinh doanh ẩm thực và nhà thông minh. Trên thế giới, robot dịch vụ đang được nghiên cứu và phát triển. Robot bán hàng, nấu ăn, chăm sóc sức khỏe, hút bụi và giữ nhà ngày càng phổ biến. Các sản phẩm thương mại này có chi phí khá cao. Việc điều khiển từ xa và thu nhận dữ liệu từ quá trình sử dụng hầu như không mở để truy cập thông tin. Nghiên cứu này sẽ xây dựng nền tảng công nghệ nguồn phục vụ chuyển đổi số trong lĩnh vực dịch vụ.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm tìm hiểu về máy nấu ăn tự động thực hiện các món chiên xào, các lý thuyết liên quan, dòng chip ESP32, thiết kế sơ đồ tổng thể và mô hình trong không gian đề án. Phương pháp nghiên cứu sử dụng khảo sát các công trình liên quan, sử dụng các công cụ phần mềm để thiết kế mô hình, phần cứng điều khiển máy nấu ăn thông minh, và các phần mềm để truy xuất dữ liệu, điều khiển và quản lý máy nấu ăn thông minh. Mô-đun IoT Gateway là một thiết bị hoặc phần mềm trung gian giữa các thiết bị và cảm biến trong mạng IoT và các hệ thống trung tâm. Nó thu thập dữ liệu từ các thiết bị, xử lý dữ liệu trước khi chuyển tiếp, chuyển tiếp dữ liệu đến máy chủ, ứng dụng đám mây, hoặc hệ thống quản lý dữ liệu. Nó cũng hỗ trợ nhiều giao thức giao tiếp và cung cấp các tính năng bảo mật và quản lý thiết bị. ESP32 WROOM.

Chương trình điều khiển hệ thống bao gồm các chương trình cấp thấp điều khiển trực tiếp thiết bị nấu ăn, chương trình giám sát hệ thống dùng cho nghiên cứu phát triển, xây dựng hệ thống thông tin I/O, và các chương trình firmware IoT bảo đảm kết nối thiết bị với người sử dụng và nhân viên bảo trì. Chương trình điều khiển cấp thấp lập trình điều khiển thiết bị với các logic điều khiển dùng ngôn ngữ Ladder với phần mềm lập trình GX Works2. Chương trình IoT lập trình cho mô-đun IoT Gateway dùng Arduino IDE thực hiện các tính năng truyền thông RS485/RS232 để thu nhận dữ liệu I/O với PLC. Chương trình quản lý dữ liệu và điều khiển từ xa sẽ được xây dựng trên nền tảng Cloud Platform (AWS IoT, Azure IoT Hub, Google Cloud IoT), cho phép người dùng điều khiển và giám sát máy nấu ăn thông minh từ bất cứ đâu.

Kết nối Wifi cho phép mô-đun IoT Gateway giao tiếp với mạng internet, từ đó người dùng có thể điều khiển máy nấu ăn từ xa thông qua điện thoại thông minh hoặc máy tính bảng. Việc kết nối IoT Gateway với PLC (Programmable Logic Controller) là cần thiết để điều khiển các cơ cấu chấp hành của máy nấu ăn như hệ thống gia nhiệt, hệ thống trộn, và hệ thống cấp liệu. Giao thức MODBUS thường được sử dụng để truyền thông giữa IoT Gateway và PLC. PLC Mitsubishi FX3U-24MT sẽ được sử dụng để điều khiển các cơ cấu chấp hành.

Lập trình điều khiển trên PLC được thực hiện bằng phần mềm GX Works2. Ngôn ngữ lập trình Ladder được sử dụng để xây dựng các logic điều khiển cho máy nấu ăn. Các chương trình điều khiển bao gồm điều khiển hệ thống gia nhiệt, điều khiển hệ thống trộn, điều khiển hệ thống cấp liệu, và điều khiển hệ thống nắp. Truyền thông MODBUS được sử dụng để truyền dữ liệu giữa IoT Gateway và PLC. Các thông số như nhiệt độ, thời gian, và trạng thái của các cơ cấu chấp hành sẽ được truyền qua giao thức MODBUS. Giao thức truyền thông IoT cần được bảo mật để tránh các tấn công mạng.

Tự động hóa nấu ăn cho phép máy nấu ăn thực hiện các thao tác nấu nướng theo công thức đã được lập trình. Người dùng không cần trực tiếp tham gia vào quá trình nấu nướng, tiết kiệm thời gian và công sức. Việc giám sát máy nấu ăn từ xa thông qua IoT Gateway giúp người dùng kiểm soát quá trình nấu nướng và nhận các thông báo khi có sự cố xảy ra. Điều này giúp đảm bảo an toàn thực phẩm và chất lượng món ăn.

Dữ liệu thu thập được từ máy nấu ăn thông qua IoT Gateway có thể được phân tích để cải thiện hiệu suất nấu ăn. Các thông số như nhiệt độ, thời gian, và số lượng nguyên liệu có thể được tối ưu hóa để tạo ra những món ăn ngon hơn và tiết kiệm năng lượng hơn. Học máy (Machine Learning) có thể được sử dụng để xây dựng các mô hình dự đoán và tối ưu hóa quy trình nấu nướng. Trí tuệ nhân tạo (AI) có thể được tích hợp vào máy nấu ăn để tự động điều chỉnh các thông số nấu nướng dựa trên sở thích của người dùng.

Về phần cứng, mô-đun IoT Gateway có thể được tích hợp thêm các cảm biến để thu thập dữ liệu về môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, và ánh sáng. Về phần mềm, mô-đun IoT Gateway có thể được phát triển để hỗ trợ nhiều giao thức truyền thông hơn, và có khả năng xử lý dữ liệu tại biên (Edge Computing). Bảo mật IoT cần được tăng cường để bảo vệ dữ liệu và ngăn chặn các tấn công mạng.

Mô-đun IoT Gateway có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như nhà hàng, khách sạn, và gia đình. Các nhà sản xuất thiết bị gia dụng có thể tích hợp mô-đun IoT Gateway vào các sản phẩm của mình để tạo ra những sản phẩm thông minh hơn và tiện lợi hơn. Việc thương mại hóa mô-đun IoT Gateway có thể mang lại lợi nhuận lớn cho các doanh nghiệp và góp phần thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp IoT.