Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế phát triển công nghiệp và hội nhập kinh tế, quá trình tự động hóa các khâu sản xuất và quản lý vận hành đang trở thành yêu cầu thiết yếu nhằm nâng cao năng suất và chất lượng dịch vụ. Quản lý kho hàng là một mắt xích trọng yếu trong chuỗi cung ứng hiện đại, chịu nhiều áp lực gia tăng từ sự bùng nổ của thương mại điện tử và lưu chuyển hàng hóa toàn cầu. Phương thức quản lý và giám sát kho bãi truyền thống bộc lộ nhiều điểm hạn chế như tốn kém nhân lực kiểm kê, dễ phát sinh sai sót do con người, thiếu tính liên tục trong việc giám sát các điều kiện môi trường có nguy cơ gây hư hại hàng hóa hoặc cháy nổ (nhiệt độ, độ ẩm, khói).

Trước thực trạng đó, đề tài "Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển, giám sát kho hàng qua Internet" được nhóm tác giả Vũ Đức Sơn và Nguyễn Hoàng Trung thực hiện nhằm ứng dụng công nghệ điều khiển thông minh và mạng không dây vào việc quản lý các thông số an toàn môi trường cũng như nắm bắt sơ bộ lượng hàng lưu kho từ xa.

Mục tiêu chung của đồ án là thiết kế và thi công hoàn chỉnh một mô hình hệ thống có khả năng điều khiển các thiết bị phụ trợ, giám sát thông số môi trường và ước lượng số lượng hàng hóa hiện có trong kho thông qua ứng dụng chạy trên hệ điều hành Android qua kết nối Internet. Cụ thể, các nhiệm vụ nghiên cứu được phân định thành 8 nội dung chính:

  • Nội dung 1: Tìm hiểu các module cảm biến sử dụng trong hệ thống và phương thức kết nối phần cứng.
  • Nội dung 2: Nghiên cứu hệ điều hành Android, cách thức sử dụng nền tảng Blynk, phương thức truyền và nhận dữ liệu qua máy chủ Blynk Server.
  • Nội dung 3: Tìm hiểu vi điều khiển ESP32, cơ chế thu nhận và truyền dữ liệu qua giao diện mạng Internet.
  • Nội dung 4: Nghiên cứu và lập trình thuật toán xử lý dữ liệu giữa các khối giao tiếp trong toàn bộ hệ thống.
  • Nội dung 5: Thiết kế mô hình nhà kho, sơ đồ nguyên lý mạch, layout board mạch in (PCB) và lắp ráp các khối điều khiển.
  • Nội dung 6: Thi công mô hình kho hàng thực tế cùng mạch điều khiển; vận hành thử nghiệm, kiểm tra và cân chỉnh hệ thống.
  • Nội dung 7: Viết và hoàn thiện báo cáo đồ án tốt nghiệp.
  • Nội dung 8: Chuẩn bị slide và bảo vệ đồ án trước hội đồng chuyên môn.

Về phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống phần cứng nhúng dựa trên vi điều khiển ESP32, các cảm biến đo lường môi trường (DHT11, MP-2), cảm biến đo khoảng cách (HC-SR04), cơ cấu đóng mở RFID/Servo và phần mềm điều khiển qua nền tảng Blynk.
  • Phạm vi không gian: Mô hình thực nghiệm dạng sa bàn thu nhỏ có kích thước thực tế là dài 55 cm, rộng 45 cm và cao 40 cm.
  • Phạm vi thời gian: Đồ án được triển khai trong thời gian 16 tuần (từ ngày nhận nhiệm vụ 11/09/2023 đến khi hoàn thành báo cáo vào tháng 01/2024).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Về mặt lý thuyết, đề tài khai thác các nền tảng công nghệ thuộc lĩnh vực Điện tử - Viễn thông và Hệ thống nhúng IoT:

  • Internet of Things (IoT): Cấu trúc mạng kết nối vạn vật qua giao thức Internet mà không cần sự can thiệp trực tiếp của con người, bao gồm các lớp thiết bị thu thập (IoT Devices), tầng kết nối mạng (Connectivity), nền tảng đám mây xử lý (IoT Platform) và giao diện ứng dụng người dùng (Application Interface).
  • Mạng cục bộ không dây (Wi-Fi): Ứng dụng chuẩn IEEE 802.11 b/g/n hoạt động ở dải tần 2.4 GHz với chế độ mạng Infrastructure Mode (kết nối tập trung qua Access Point) để gửi/nhận gói tin giữa thiết bị biên và máy chủ.
  • Hệ điều hành Android và Nền tảng Blynk: Cấu trúc ứng dụng Android dựa trên nền tảng Linux Kernel và Android Framework. Hệ thống sử dụng nền tảng trung gian Blynk (gồm Blynk Server và App Blynk) để thiết lập giao diện điều khiển, hiển thị đồ thị và ánh xạ các chân ảo (Virtual Pins) điều khiển rơ-le và hiển thị số liệu cảm biến.
  • Giao thức truyền thông phần cứng: Giao tiếp 1 dây (One-Wire) dùng cho cảm biến DHT11; giao thức nối tiếp đồng bộ bốn dây SPI (Serial Peripheral Interface) ở chế độ Master-Slave điều khiển module đọc thẻ RFID RC522; kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) tần số 50 Hz (chu kỳ 20 ms, độ rộng xung dương 1–2 ms) để xác định góc quay từ 0° đến 180° của động cơ servo.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được tác giả áp dụng qua các bước:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu kỹ thuật: Khảo sát datasheet của các linh kiện bán dẫn, vi điều khiển ESP32, các cảm biến môi trường và đặc tính điện thế của nguồn cấp.
  • Phương pháp tính toán và thiết kế kỹ thuật: Tính toán mức tiêu thụ dòng áp toàn hệ thống để chọn bộ nguồn kép thích hợp; thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển; thiết kế mạch in PCB 2 lớp (lớp trên và lớp dưới); thiết kế bản vẽ mô hình 3D cho sa bàn kho hàng.
  • Phương pháp lập trình và thuật toán nhúng: Sử dụng môi trường phát triển tích hợp Arduino IDE để viết mã nguồn C/C++ nạp cho vi điều khiển ESP32; xây dựng lưu đồ giải thuật cho chương trình chính và các hàm ngắt xử lý ngoại vi.
  • Phương pháp thực nghiệm kiểm chứng: Đo lường độ trễ mạng, kiểm tra ngưỡng đáp ứng của cảm biến khói, kiểm tra độ chính xác phát hiện khoảng cách của cảm biến siêu âm trong việc kiểm đếm vật thể lưu kho.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được tổ chức thành các phân khu chức năng độc lập nhưng phối hợp đồng bộ thông qua bộ vi điều khiển trung tâm, bao gồm:

Cấu trúc phần cứng hệ thống

  1. Khối điều khiển trung tâm: Sử dụng Module Wifi ESP-WROOM-32 (tích hợp chip ESP32-D0WDQ6, hai nhân xử lý Xtensa LX6 32-bit tốc độ tối đa 240 MHz, 520 KB SRAM, 4 MB bộ nhớ Flash, hỗ trợ chuẩn Wi-Fi 802.11 b/g/n và Bluetooth).
  2. Khối cảm biến thu thập (Input):
    • Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11: Hoạt động ở điện áp 5VDC, dòng tiêu thụ tối đa 2.5 mA; dải đo độ ẩm 20% – 80% RH (sai số ±5%), dải đo nhiệt độ 0°C – 50°C (sai số ±2°C), tần số lấy mẫu 1 Hz.
    • Cảm biến nồng độ khói MP-2: Cảm biến điện hóa có điện áp nguồn ≤10VDC, điện áp sưởi $V_H$ là 5.0V ± 0.1V (AC hoặc DC), công suất tiêu thụ nhiệt $P_H \le 240\text{ mW}$, cung cấp cả ngõ ra tín hiệu số (D0) và tín hiệu tương tự (A0).
    • Cảm biến khoảng cách siêu âm HC-SR04 (4 module): Điện áp 5VDC, dòng làm việc <15 mA, tần số phát sóng 40 kHz, góc quét 15°, khoảng cách đo 2 cm đến 450 cm với độ phân giải khoảng cách 3 mm.
    • Module nhận dạng tần số vô tuyến RFID RC522: Hoạt động ở tần số 13.56 MHz, giao tiếp với vi điều khiển bằng giao thức SPI để nhận dạng thẻ từ người quản lý.
  3. Khối cơ cấu chấp hành và cảnh báo (Output):
    • Động cơ Servo SG90: Trọng lượng 13.4 g, điện áp 4.8V – 6VDC, lực kéo 1.8 kg/cm (tại 4.8V) và 2.2 kg/cm (tại 6V), tốc độ quét 0.13 giây/60°, thực hiện việc đóng/mở cánh cửa kho.
    • Module Rơ-le (Relay) 1 kênh (3 module): Điều khiển cách ly kích hoạt tải công suất cao (đèn, quạt, bơm).
    • Còi báo động Buzzer KY-012: Phát tín hiệu âm thanh cảnh báo khi có sự cố khói hoặc phản hồi quẹt thẻ.
    • Quạt mini 12VDC (kích thước 40 x 40 x 10 mm): Thông gió và giảm nhiệt độ kho.
    • Đèn Led Luxeon 10W (12VDC): Chiếu sáng bên trong kho.
    • Máy bơm chìm mini (kích thước 42.9 mm): Bơm nước chữa cháy khẩn cấp khi phát hiện khói/hỏa hoạn.
  4. Khối nguồn cấp: Sử dụng bộ nguồn xung đôi MEANWELL D-30A cung cấp đồng thời 2 đường điện áp ổn định: 5VDC cấp cho vi điều khiển ESP32, các cảm biến, module rơ-le và servo; 12VDC cấp cho máy bơm chìm, quạt làm mát và đèn Led Luxeon.
Thiết bị / Linh kiện Số lượng Kích thước / Thông số cơ bản Chức năng chính trong hệ thống
Module ESP-WROOM-32 1 18 x 25.5 x 3 mm; Dual-core 240 MHz, 4MB Flash Xử lý dữ liệu trung tâm, kết nối Wi-Fi
Cảm biến DHT11 1 15 x 12 x 5.5 mm; $0-50^\circ\text{C}$, $20-80%\text{ RH}$ Giám sát nhiệt độ và độ ẩm không khí
Cảm biến khói MP-2 1 21 x 13 x 10 mm; Ngõ ra A0/D0, $P_H \le 240\text{ mW}$ Phát hiện khói, cảnh báo nguy cơ cháy
Cảm biến siêu âm HC-SR04 4 45.3 x 17 mm; Dải đo 2–450 cm, góc quét $15^\circ$ Xác định sự có mặt của kiện hàng
Module RFID RC522 1 38.5 x 19 x 9 mm; Chuẩn SPI, tần số 13.56 MHz Kiểm soát quyền truy cập cửa ra vào kho
Động cơ Servo SG90 1 22.2 x 11.8 x 31 mm; Lực kéo $1.8-2.2\text{ kg/cm}$ Chấp hành đóng/mở cánh cửa kho
Rơ-le 5V 1 kênh 3 Mạch kích mức thấp/cao; đóng cắt tải AC/DC Điều khiển bật/tắt thiết bị 12VDC
Còi Buzzer KY-012 1 16 x 10 mm; Tích hợp sẵn bộ tạo dao động Phát âm thanh báo động và chỉ báo
Quạt mini 12VDC 1 40 x 40 x 10 mm; Điện áp định mức 12VDC Thông gió, tản nhiệt buồng kho
Máy bơm chìm mini 1 Chiều dài thân 42.9 mm; Nguồn 12VDC Mô phỏng hệ thống phun nước dập lửa
Đèn Led Luxeon 1 Công suất tiêu thụ 10W; Nguồn cấp 12VDC Chiếu sáng không gian làm việc trong kho
Nguồn MEANWELL D-30A 1 Nguồn xung đôi ngõ ra 5VDC và 12VDC Cung cấp toàn bộ năng lượng cho hệ thống

Thiết kế phần mềm và giải thuật vận hành

Mã nguồn được biên dịch và nạp thông qua phần mềm Arduino IDE. Quy trình điều khiển vận hành qua 4 khối giải thuật chính:

  • Xử lý khoảng cách và kiểm đếm: Vi điều khiển phát xung 10 $\mu\text{s}$ vào chân Trig của cảm biến HC-SR04, tiếp nhận thời gian phản hồi $T_{\text{on}}$ trên chân Echo và quy đổi khoảng cách theo biểu thức: $$\text{Khoảng cách (cm)} = \frac{\text{Thời gian } (\mu\text{s})}{58}$$ Nếu khoảng cách đo được tại vị trí cảm biến nhỏ hơn ngưỡng tham chiếu xác định trước, ô chứa được tính là "đang có hàng". Hệ thống gộp dữ liệu từ 4 cảm biến để ước lượng tổng số lượng hàng hóa.
  • Xác thực ra vào qua RFID: Khi quét thẻ từ vào đầu đọc RC522, dữ liệu mã UID được truyền qua bus SPI về ESP32 so sánh với mã định danh lưu sẵn. Nếu trùng khớp, ESP32 xuất xung PWM tương ứng đưa Servo về góc 90° hoặc 180° để mở cửa kho, đồng thời kích âm chuông Buzzer KY-012; bên ngoài bố trí nút nhấn cơ để người vận hành chủ động đóng cửa lại khi đã rời vị trí.
  • Đồng bộ hóa dữ liệu môi trường qua Blynk: Các giá trị độ ẩm, nhiệt độ từ DHT11 và tín hiệu cảnh báo từ MP-2 được định kỳ đóng gói và gửi lên Blynk Server qua giao thức mạng TCP/IP Wi-Fi. Ứng dụng Blynk trên Android phân tích các gói tin này để hiển thị trực quan lên màn hình giao diện, đồng thời lắng nghe sự kiện người dùng bấm các nút ảo trên điện thoại để truyền lệnh đóng/ngắt các rơ-le điều khiển đèn chiếu sáng, quạt thông gió và máy bơm cứu hỏa.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 giới thiệu tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh phát triển tự động hóa sản xuất và quản trị chuỗi cung ứng hiện đại. Tác giả phân tích mục tiêu thiết kế và thi công hệ thống giám sát môi trường và ước lượng số lượng hàng hóa qua mạng không dây. Chương này công bố 8 nội dung triển khai, lập bảng thống kê danh mục 11 loại thiết bị, linh kiện cấu thành phần cứng (Bảng 1.1) và nêu rõ các giới hạn vật lý của mô hình (kích thước sa bàn $55\text{ cm} \times 45\text{ cm} \times 40\text{ cm}$, sai số ước lượng hàng hóa khoảng 2, hiện tượng không đồng bộ trạng thái lên app khi bật/tắt thiết bị bằng công tắc cơ).

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 2 trình bày tổng quan về hệ thống IoT, chỉ rõ 5 ứng dụng thực tiễn (nhà thông minh, công nghiệp thông minh, y tế, thành phố thông minh, nông nghiệp thông minh) cùng 5 thách thức lớn (bảo mật, chuẩn hóa thiết bị, quản lý dữ liệu lớn, thay đổi quy trình văn hóa và tiêu hao năng lượng). Tiếp đó, chương này phân tích nguyên lý mạng Wi-Fi theo chuẩn IEEE 802.11 (tần số 2.4 GHz và 5 GHz, chế độ kết nối Infrastructure Mode và Peer-to-Peer), kiến trúc hệ điều hành Android (Linux Kernel, Libraries, Android Runtime, Application Framework và các thành phần Activity, Service, Broadcast Receiver, Content Provider). Phần trọng tâm của chương dành để mô tả cấu trúc chân, nguyên lý đo lường, thông số kỹ thuật và sơ đồ mạch chi tiết của: ESP32-WROOM-32, cảm biến DHT11, cảm biến MP-2, servo SG90, cảm biến siêu âm HC-SR04, module thẻ từ RFID RC522, chuẩn truyền thông SPI, rơ-le 5V, buzzer KY-012, máy bơm chìm, quạt 12VDC và đèn Led Luxeon 10W.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 trình bày chi tiết thiết kế sơ đồ khối toàn hệ thống và các mối liên kết tín hiệu giữa khối cảm biến, khối điều khiển trung tâm ESP32, khối thiết bị ngoại vi và ứng dụng Android. Tác giả đưa ra các phân tích so sánh kỹ thuật làm căn cứ chọn linh kiện: so sánh DHT11 với DHT22, so sánh cảm biến khói MP-2 với cảm biến MAX30105, so sánh vi điều khiển ESP32 với ESP8266, đồng thời lập bảng tính toán dòng tiêu thụ và điện áp của từng linh kiện để chọn bộ nguồn kép MEANWELL D-30A (5V–12V). Chương này cũng công bố sơ đồ nguyên lý toàn hệ thống, sơ đồ kết nối chân, bản vẽ thiết kế mạch in PCB 2 lớp (lớp mặt trên Top Layer và lớp mặt dưới Bottom Layer) cùng mô hình không gian 3D của nhà kho nhìn từ 4 phía (mặt trên, mặt trước, mặt bên, mặt sau).

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 ghi lại các bước thi công thực tế: lắp ráp kết cấu cơ khí mô hình nhà kho, thi công mạch điều khiển in hoàn thiện, lắp ráp cụm cửa servo và còi báo động, bố trí cụm cảm biến đo lường và dây nối ngoại vi. Song song với phần cứng, tác giả trình bày việc thiết kế giao diện điều khiển trên nền tảng Blynk Server và hiển thị dữ liệu trên thiết bị di động Android. Về mặt phần mềm, chương thể hiện các lưu đồ giải thuật hoàn chỉnh: lưu đồ chương trình chính trên vi điều khiển ESP32, lưu đồ chương trình con giao tiếp truyền/nhận dữ liệu giữa ESP32 với cơ sở dữ liệu Blynk, lưu đồ giải thuật chương trình con điều khiển cơ cấu ngoại vi và lưu đồ giải thuật đọc, lọc dữ liệu cảm biến.

Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá

Chương 5 báo cáo kết quả nghiệm thu sa bàn thực tế sau khi tích hợp. Đồ án kiểm thử thành công từng chức năng riêng biệt: điều khiển bật/tắt đèn chiếu sáng qua app, bật/tắt quạt thông gió, kiểm soát đóng/mở cửa bằng thẻ RFID RC522, đóng cửa bằng nút nhấn cơ, chức năng cảnh báo chuông khi có sự cố và tính toán ước lượng số lượng hàng hóa qua 4 cảm biến siêu âm. Dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm và trạng thái cảm biến được cập nhật liên tục lên ứng dụng Android. Tác giả tổng hợp bảng đánh giá thực nghiệm hoạt động của từng khối chức năng, lập bảng dự toán chi phí linh kiện cho toàn bộ đề tài và chỉ ra các sai số, độ trễ phát sinh trong quá trình vận hành mạng.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương cuối tóm tắt toàn bộ khối lượng công việc đã đạt được so với nhiệm vụ ban đầu, xác nhận hệ thống đáp ứng tốt các yêu cầu đo lường, giám sát và điều khiển cơ bản. Tác giả chỉ ra các mặt hạn chế còn tồn đọng và đề xuất các giải pháp nâng cấp, hoàn thiện công nghệ nhằm hướng tới khả năng ứng dụng thực tiễn trong các nhà xưởng, kho bãi công nghiệp.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm chính

Căn cứ trên các thử nghiệm thực tế được ghi nhận trong văn bản, hệ thống đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật sau:

  • Thi công hoàn chỉnh phần cứng sa bàn kho hàng: Mô hình có kết cấu cơ khí vững chắc với kích thước chuẩn xác $55\text{ cm} \times 45\text{ cm} \times 40\text{ cm}$, bo mạch in 2 lớp được lắp đặt gọn gàng, cách ly tốt giữa đường nguồn 5VDC logic và 12VDC công suất từ bộ nguồn xung kép MEANWELL D-30A.
  • Giám sát môi trường thời gian thực: Module ESP32 đọc chính xác dữ liệu từ cảm biến DHT11 (nhiệt độ dải $0-50^\circ\text{C}$, độ ẩm $20-80%\text{ RH}$) và mức khói từ cảm biến MP-2, truyền dữ liệu qua Wi-Fi và hiển thị trực tiếp lên giao diện app Android với độ trễ thấp trong điều kiện mạng ổn định.
  • Kiểm soát an ninh cửa kho: Khối RFID RC522 nhận dạng chính xác thẻ từ hợp lệ, kích hoạt động cơ Servo SG90 xoay góc mở cửa và đồng thời phát tín hiệu âm thanh qua còi báo KY-012. Bên cạnh đó, hệ thống đáp ứng tốt việc đóng cửa thông qua nút nhấn cơ bố trí ở mặt ngoài kho.
  • Ước lượng số lượng hàng hóa: Cụm 4 cảm biến siêu âm HC-SR04 đặt tại các vị trí kệ hàng phát hiện được vật thể trong phạm vi đo, thực hiện thuật toán tính toán tổng hợp và truyền số lượng hàng ước tính lên điện thoại. Mức sai số ghi nhận trong thử nghiệm thực tế khoảng 2 đơn vị sản phẩm.
  • Điều khiển chấp hành ngoại vi: Người vận hành có thể thao tác trực tiếp trên màn hình cảm ứng điện thoại để đóng/ngắt mạch rơ-le kích hoạt đèn Led Luxeon 10W chiếu sáng, quạt làm mát 12VDC và máy bơm chìm mini dập lửa khi có nguy cơ cháy.

Đóng góp của đề tài

  • Về mặt kỹ thuật: Tích hợp thành công nhiều chuẩn giao tiếp phần cứng không đồng nhất (One-Wire, SPI, PWM, ngõ ra tương tự/số) trên nền tảng một vi điều khiển SoC giá thành thấp (ESP32-WROOM-32), kết hợp mạch nguồn đôi đáp ứng đồng thời cả linh kiện logic và tải động cơ/bơm/đèn.
  • Về mặt ứng dụng: Cung cấp giải pháp giám sát kho từ xa trọn gói phù hợp cho các kho hàng vừa và nhỏ, vừa đảm bảo an toàn phòng chống cháy nổ, vừa tự động hóa khâu kiểm soát ra vào và hỗ trợ theo dõi sơ bộ biến động hàng hóa tồn kho qua thiết bị di động cá nhân.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế ghi nhận

Theo công bố từ nội dung thực hiện và giới hạn đề tài của tác giả, hệ thống còn tồn tại một số nhược điểm:

  1. Phụ thuộc vào hạ tầng mạng Internet: Toàn bộ việc điều khiển từ xa và cập nhật thông số lên điện thoại phụ thuộc hoàn toàn vào đường truyền Internet và sóng Wi-Fi tại trạm phát; tốc độ cập nhật dữ liệu từ sa bàn lên ứng dụng có độ trễ nhất định.
  2. Sai số trong kiểm đếm hàng hóa: Giải pháp đo khoảng cách bằng 4 cảm biến siêu âm HC-SR04 mới chỉ dừng lại ở mức ước lượng số lượng hàng hóa hiện có bên trong kho, mức độ sai số được văn bản ghi nhận là khoảng 2 sản phẩm (do phụ thuộc vào hướng phản xạ sóng âm và hình dáng bề mặt của kiện hàng).
  3. Hiện tượng bất đồng bộ trạng thái khi dùng công tắc cơ: Khi người dùng thao tác bật hoặc tắt đèn chiếu sáng và quạt làm mát bằng công tắc cơ học gắn trên hộp điều khiển, trạng thái hiển thị của đèn và quạt trên giao diện ứng dụng Blynk không được cập nhật tương ứng.
  4. Quy mô mô hình thử nghiệm: Hệ thống mới được thi công trên mô hình phòng thí nghiệm kích thước $55\text{ cm} \times 45\text{ cm} \times 40\text{ cm}$, các thiết bị như máy bơm mini và quạt mini 12V mang tính chất mô phỏng nguyên lý hoạt động, chưa thể đáp ứng ngay cho kho chứa công nghiệp diện tích lớn.

Hướng phát triển tiếp theo

Từ các hạn chế trên, văn bản đồ án đề xuất các định hướng nâng cấp trong tương lai:

  • Bổ sung cơ chế phản hồi trạng thái hai chiều (feedback loop) từ các công tắc cơ vật lý về vi điều khiển để cập nhật chính xác trạng thái lên ứng dụng di động dù điều khiển bằng bất kỳ phương thức nào.
  • Tăng cường số lượng cảm biến, áp dụng cảm biến tải trọng (loadcell) hoặc tích hợp camera xử lý ảnh AI/quét mã vạch/mã QR để loại bỏ hoàn toàn sai số trong khâu kiểm đếm số lượng và phân loại mặt hàng.
  • Xây dựng máy chủ nội bộ (Local Server) để hệ thống vẫn duy trì vận hành và điều khiển tự động liên tục trong mạng LAN ngay cả khi xảy ra sự cố gián đoạn đường truyền Internet ra bên ngoài.
  • Nâng cấp công suất cơ cấu chấp hành (bơm áp lực, hệ thống thông gió công nghiệp), thiết kế mạch chống nhiễu chuyên dụng để triển khai thử nghiệm trên kho hàng quy mô thực tế.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Điện tử Công nghiệp và Kỹ thuật Điều khiển - Tự động hóa: Là tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình thiết kế và thi công mạch in PCB 2 lớp tích hợp vi điều khiển ESP32, phương pháp phối ghép các chuẩn giao tiếp ngoại vi (SPI, One-Wire, PWM) và cách thức cấp nguồn kép (5VDC - 12VDC) cho tải hỗn hợp.
  • Người nghiên cứu các giải pháp IoT ứng dụng: Có thể tham khảo phương pháp xây dựng giao diện điều khiển và giám sát trên nền tảng đám mây Blynk, cách ánh xạ các kênh dữ liệu ảo (Virtual Pins) và cấu trúc lưu đồ giải thuật cho một hệ thống nhúng đa nhiệm thu thập dữ liệu cảm biến định kỳ.
  • Phần đáng lưu ý tham khảo trong văn bản: Chương 2 và Chương 3 chứa hệ thống sơ đồ mạch nguyên lý, sơ đồ chân cụ thể của các module ESP32, DHT11, MP-2, HC-SR04, RC522; bảng so sánh lựa chọn linh kiện; cùng phương pháp tính toán công suất tiêu thụ mạch in.

Câu hỏi thường gặp

1. Vi điều khiển trung tâm trong đồ án là loại nào và có thông số xử lý ra sao?
Hệ thống sử dụng module vi điều khiển ESP-WROOM-32 (chứa chip ESP32-D0WDQ6) do Espressif Systems sản xuất. Module sở hữu bộ vi xử lý Xtensa LX6 32-bit lõi kép chạy ở xung nhịp tối đa 240 MHz, bộ nhớ RAM dung lượng 520 KB, bộ nhớ Flash 4 MB và tích hợp sẵn chuẩn truyền thông Wi-Fi IEEE 802.11 b/g/n cùng Bluetooth.

2. Chức năng ước lượng số lượng hàng hóa được thực hiện bằng phương pháp nào và sai số là bao nhiêu?
Chức năng này được thực hiện thông qua cụm 4 module cảm biến siêu âm HC-SR04 lắp đặt tại các ô lưu trữ trong kho. Cảm biến phát xung siêu âm 40 kHz và đo thời gian sóng phản hồi để xác định khoảng cách đến bề mặt hàng hóa (theo công thức $\text{Thời gian}/58$). Qua đó, hệ thống ước lượng tổng số lượng hàng hiện có với mức sai số khoảng 2 sản phẩm.

3. Khối cơ cấu chấp hành và cảnh báo của hệ thống gồm những thiết bị nào?
Khối chấp hành và cảnh báo gồm có: 1 động cơ Servo SG90 để đóng mở cửa, 1 còi Buzzer KY-012 phát âm thanh cảnh báo, 3 module rơ-le 5V 1 kênh để đóng cắt các thiết bị ngoại vi gồm 1 đèn Led Luxeon 10W (12VDC), 1 quạt mini 12VDC kích thước $40 \times 40 \times 10\text{ mm}$ và 1 máy bơm chìm mini dài 42.9 mm dùng cho mục đích dập lửa.

4. Vì sao hệ thống xuất hiện tình trạng không đồng bộ trạng thái khi dùng công tắc cơ?
Theo giới hạn được tác giả nêu trong văn bản, khi người dùng bật hoặc tắt đèn chiếu sáng và quạt bằng công tắc cơ học lắp ngoài hộp điều khiển, mạch điện chưa có đường tín hiệu phản hồi ngược trạng thái tiếp điểm về vi điều khiển ESP32, dẫn đến việc ứng dụng trên điện thoại không ghi nhận và không cập nhật được trạng thái thực tế của thiết bị.

5. Khối nguồn của hệ thống được tính toán và thiết kế như thế nào?
Để đảm bảo cung cấp năng lượng ổn định cho cả mạch logic và các thiết bị công suất, tác giả sử dụng bộ nguồn xung đôi MEANWELL D-30A cung cấp đồng thời 2 mức điện áp: đường 5VDC cấp cho vi điều khiển ESP32, các module cảm biến, servo và rơ-le; đường 12VDC cấp riêng cho đèn Led Luxeon 10W, quạt tản nhiệt mini và máy bơm chìm chữa cháy.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển, giám sát kho hàng qua Internet" của sinh viên Vũ Đức Sơn và Nguyễn Hoàng Trung đã hoàn thành đầy đủ các nhiệm vụ thiết kế phần cứng và lập trình phần mềm cho một mô hình kho hàng thông minh quy mô sa bàn $55\text{ cm} \times 45\text{ cm} \times 40\text{ cm}$. Hệ thống đáp ứng các chức năng thu thập dữ liệu môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, khói), kiểm soát cửa kho bằng thẻ từ RFID kết hợp động cơ servo, ước lượng số lượng hàng hóa bằng cụm cảm biến siêu âm và điều khiển các thiết bị ngoại vi từ xa thông qua ứng dụng Android trên nền tảng Blynk. Dù còn tồn tại các hạn chế về độ trễ mạng, sai số kiểm đếm khoảng 2 đơn vị và tính bất đồng bộ khi dùng công tắc cơ, đồ án đã chứng minh tính khả thi của giải pháp kỹ thuật và cung cấp tài liệu tham khảo thực nghiệm chi tiết cho các nghiên cứu phát triển hệ thống nhúng IoT phục vụ giám sát kho bãi.