Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế chế tạo mạch giám sát và điều khiển cho kho lạnh từ xa ứng dụng Blynk" được thực hiện bởi sinh viên Phan Văn Hiếu (ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện – Điện tử, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Nha Trang) dưới sự hướng dẫn của TS. Nhữ Khải Hoàn vào tháng 01 năm 2023.

Lý do chọn đề tài và bối cảnh thực tiễn

Sự phát triển của cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0 (bắt nguồn từ chiến lược điện toán hóa sản xuất năm 2013 tại Đức) đã thúc đẩy việc nghiên cứu và ứng dụng các công nghệ mũi nhọn như Trí tuệ nhân tạo (AI), Dữ liệu lớn (Big Data) và Internet kết nối vạn vật (IoT) vào đời sống và sản xuất. Tại Việt Nam, IoT đang được ưu tiên phát triển trong các chương trình đào tạo và nghiên cứu kỹ thuật.

Trong thực tiễn vận hành kho lạnh công nghiệp và dân dụng (dùng để lưu trữ nông sản, thực phẩm, thủy hải sản, hóa chất, dược phẩm, vắc-xin, máu y tế), việc kiểm soát chính xác các thông số nhiệt độ và độ ẩm đóng vai trò quyết định đến chất lượng bảo quản. Tuy nhiên, nhiều hệ thống kho lạnh vừa và nhỏ hiện nay vẫn sử dụng phương pháp giám sát cục bộ, thiếu tính năng điều khiển từ xa, hoặc phần điều khiển bị tách rời khỏi hệ thống đo lường. Điều này gây khó khăn cho việc quản lý nhiều điểm đo cùng lúc, làm tăng công sức vận hành và tiềm ẩn nguy cơ hư hỏng hàng hóa khi xảy ra sự cố thiết bị mà không được cảnh báo kịp thời. Xuất phát từ nhu cầu đó, đồ án lựa chọn nghiên cứu thiết kế và thi công một hệ thống phần cứng hoàn chỉnh kết hợp nền tảng IoT Blynk để quản lý kho lạnh từ xa theo thời gian thực.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Văn bản đồ án xác định 4 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Hiểu được nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển từ xa qua mạng Internet.
  2. Nắm được phương pháp giám sát và điều khiển kho lạnh.
  3. Chế tạo thành công bộ điều khiển phần cứng.
  4. Củng cố lại những kiến thức đã được học tập tại trường và trao đổi, bổ sung thêm kiến thức chuyên ngành mới.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu:
    • Phương thức truyền nhận và xử lý dữ liệu qua mạng Internet.
    • Hoạt động vận hành của kho lạnh và phương pháp điều khiển các cơ cấu chấp hành.
    • Kỹ thuật lập trình vi điều khiển và nguyên lý làm việc của các linh kiện, module điện tử.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Nghiên cứu lý thuyết về công nghệ IoT, mạng truyền thông và hệ thống lạnh.
    • Thi công mô hình mạch phần cứng thực tế và thử nghiệm điều khiển, giám sát ứng dụng cho kho lạnh quy mô vừa và nhỏ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình kỹ thuật

Nghiên cứu dựa trên các nền tảng lý thuyết và công nghệ kỹ thuật sau:

  • Hệ thống kho lạnh công nghiệp: Khảo sát các tiêu chuẩn phân loại kho lạnh theo công dụng (kho sơ bộ, kho chế biến, kho phân phối/trung chuyển, kho thương nghiệp, kho vận tải, kho sinh hoạt); phân loại theo nhiệt độ (kho bảo quản lạnh -2°C đến 5°C, kho bảo quản đông tối thiểu -18°C, kho đa năng -12°C); phân loại theo dung tích chứa (tính theo tấn thịt - MT) và phân loại theo kết cấu cách nhiệt (kho xây bọc cách nhiệt, kho panel lắp ghép EPS/PU sử dụng khóa camlocking). Cấu trúc kỹ thuật bao gồm hệ thống vỏ kho, cửa kho (tiêu chuẩn Gatter), cụm máy nén (giải nhiệt gió, giải nhiệt nước) và hệ thống dàn bay hơi (tiết lưu khô, ngập lỏng).
  • Mạng máy tính và giao thức truyền thông Internet: Nghiên cứu cơ chế chuyển mạch gói (packet switching) dựa trên giao thức IP và các giao thức truyền tải dữ liệu gồm: TCP (Transmission Control Protocol), IP (Internet Protocol), HTTP (HyperText Transfer Protocol), FTP (File Transfer Protocol), SMTP, POP3, MIME và WAP.
  • Công nghệ mạng không dây: Cơ chế hoạt động của mạng cục bộ không dây WiFi theo tiêu chuẩn IEEE 802.11, bao gồm chuẩn IEEE 802.11ax (WiFi 6 công bố năm 2021 với tốc độ lý thuyết 10–14 Gbps). Đồng thời đối sánh với các công nghệ truyền thông không dây tầm xa khác như ZigBee (khoảng cách 1 km trong môi trường thông thoáng, công suất thấp) và LoRa (Long Range Radio phát triển bởi Cycleo/Semtech, sử dụng kỹ thuật điều chế Chirp Spread Spectrum với tín hiệu up-chirp và down-chirp).

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Thu thập, phân tích tài liệu kỹ thuật về thiết bị lạnh, tài liệu datasheet của linh kiện bán dẫn và các nghiên cứu liên quan trước đó.
  • Phương pháp thiết kế kỹ thuật: Thiết kế sơ đồ nguyên lý (Schematic) và layout mạch in (PCB) 2 lớp, mô phỏng 3D trên phần mềm chuyên dụng Altium Designer.
  • Phương pháp thực nghiệm - chế tạo: Lắp ráp, gia công mạch phần cứng thực tế; lập trình firmware nhúng trên môi trường Visual Studio Code (VS Code); tích hợp hệ thống điều khiển đám mây qua nền tảng Blynk (Web Dashboard và App di động).
  • Phương pháp kiểm thử giả lập: Thiết lập các bài toán kịch bản vận hành thực nghiệm để kiểm tra khả năng đóng ngắt rơ le, tính chính xác của cảm biến đo lường và tốc độ phản hồi cảnh báo khi có sự cố.

Nguồn dữ liệu

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu bao gồm tài liệu kỹ thuật từ nhà sản xuất chip Espressif Systems (ESP32), Allegro MicroSystems (ACS712), Maxim Integrated (DS18B20), Peacefair (PZEM-004T), Texas Instruments (LM2596) và các giáo trình kỹ thuật lạnh, IoT công nghiệp.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo kiến trúc module hóa nhằm đáp ứng 9 yêu cầu kỹ thuật: có màn hình giám sát tại chỗ, điều khiển được các cơ cấu chính của kho lạnh, có nút nhấn cấu hình tại chỗ, kết nối Internet giám sát từ xa, phản hồi trạng thái thiết bị, đo đạc thông số nhiệt độ/độ ẩm/điện năng, phát tín hiệu cảnh báo sự cố, tự ngắt bảo vệ thiết bị và có kích thước gọn nhẹ.

Sơ đồ khối và chức năng các khối phần cứng

Phần cứng của mạch điện tử được tổ chức thành 7 khối chức năng liên kết với nhau:

  1. Khối nguồn: Tiếp nhận nguồn cấp 12VDC từ Adapter, sử dụng module hạ áp xung LM2596 để chuyển đổi thành nguồn 5V-3A ổn định cấp cho vi điều khiển, màn hình và các module cảm biến.
  2. Khối vi điều khiển trung tâm: Sử dụng kit ESP32 DevKit tích hợp vi xử lý 32-bit Tensilica Xtensa Dual-Core LX6 (tần số hoạt động 160–240 MHz, 520 KB SRAM liền chip), tích hợp kết nối không dây WiFi 802.11 b/g/n và Bluetooth BLE.
  3. Khối cảm biến đo lường: Thu thập dữ liệu môi trường kho và dàn lạnh thông qua 3 cảm biến: cảm biến nhiệt điện trở NTC (10 kΩ), cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số DS18B20 (chuẩn giao tiếp 1-Wire, độ phân giải 12-bit) và cảm biến độ ẩm DHT11.
  4. Khối đo dòng và công suất điện:
    • Sử dụng 02 module cảm biến dòng Hall ACS712 loại 30A (độ nhạy 64–68 mV/A, sai số tuyến tính ±1.5%) để đo riêng biệt dòng làm việc của động cơ máy nén và quạt dàn nóng.
    • Sử dụng 01 module đo điện năng đa năng AC PZEM-004T giao tiếp qua cổng UART (đo dải điện áp 80–260VAC, dải dòng điện 0–100A, công suất 0–23kW với độ chính xác phép đo 0.5%).
  5. Khối chấp hành Relay: Bao gồm 4 rơ le 5V đóng ngắt các cơ cấu: máy nén, quạt dàn lạnh, quạt dàn nóng và điện trở xả đá. Tín hiệu kích từ vi điều khiển được cách ly quang hoàn toàn bằng 4 IC Opto PC817 kết hợp transistor C1815 và diode dập xung ngược 1N4007. Đầu ra relay kết nối với các khởi động từ (Contactor) trong mạch động lực.
  6. Khối hiển thị tại chỗ: Sử dụng màn hình OLED 0.96 inch (độ phân giải 128×64 điểm, chuẩn giao tiếp I2C) hiển thị các thông số nhiệt độ, độ ẩm, dòng điện, công suất và điện áp nguồn tại tủ điều khiển.
  7. Khối cảnh báo và nút nhấn: Còi chip 5V phát tín hiệu âm thanh khi xảy ra sự cố; 4 nút nhấn 2 chân phục vụ bật/tắt thiết bị và cài đặt ngưỡng thông số vận hành trực tiếp.

Danh mục linh kiện phần cứng

STT Tên linh kiện / Module Khối chức năng Số lượng Thông số / Giá trị kỹ thuật
1 Kit ESP32 DevKit Vi điều khiển 1 32-bit, Dual-Core 240MHz, WiFi/BLE
2 Jack DC Khối nguồn 1 Chân cắm nguồn vào 12VDC
3 Module hạ áp LM2596 Khối nguồn 1 Đầu ra 5V – dòng định mức 3A
4 Module đo dòng ACS712 Đo dòng & công suất 2 Dải đo 30A AC/DC, 66mV/A
5 Module đo điện PZEM-004T Đo dòng & công suất 1 80–260VAC, 0–100A, giao tiếp UART
6 Cảm biến nhiệt trở NTC Cảm biến 1 10 kΩ, hệ số nhiệt âm
7 Cảm biến nhiệt độ DS18B20 Cảm biến 1 -55°C đến 125°C, chuẩn 1-Wire
8 Cảm biến độ ẩm DHT11 Cảm biến 1 Dải đo độ ẩm không khí
9 Màn hình OLED 0.96 inch Hiển thị 1 128×64 pixel, giao tiếp I2C
10 Relay 5 pin Khối Relay 4 Điện áp cuộn hút 5VDC
11 Opto cách ly PC817 Khối Relay 4 Cách ly quang bảo vệ vi điều khiển
12 Diode 1N4007 Khối Relay 4 Diode dập xung bảo vệ
13 Transistor C1815 Khối Relay 4 Transistor NPN điều khiển relay
14 Còi chip 5V Cảnh báo 1 Cảnh báo âm thanh sự cố
15 Nút nhấn 2 chân Nút nhấn 4 Điều khiển và cấu hình tại chỗ
16 Điện trở các loại Đa chức năng 22 10 kΩ, 4.7 kΩ, 750 Ω
17 LED chỉ thị màu đỏ Khối Relay 4 Báo trạng thái đóng ngắt rơ le
18 Header cắm các loại Kết nối 4 Loại 2 pin, 3 pin, 4 pin

Phát triển phần mềm và giao diện IoT

  • Môi trường lập trình: Quản lý dự án trên Visual Studio Code (VS Code) với cấu trúc thư mục gồm lib (thư viện ngoài), include (thư viện hệ thống) và SRC (chứa mã nguồn main.cpp).
  • Giải thuật điều khiển: Xây dựng lưu đồ thuật toán cho chế độ tự động (Auto Mode) dựa trên so sánh nhiệt độ đo được với ngưỡng cài đặt, thuật toán phát hiện sự cố (quá dòng máy nén, quạt không quay, nhiệt độ vượt ngưỡng an toàn) để tự ngắt relay và kích hoạt còi báo, cùng thuật toán quét nút bấm tại chỗ.
  • Nền tảng Blynk IoT: Cấu hình các luồng dữ liệu (Datastreams), thiết kế giao diện giám sát trên Web Blynk Dashboard và ứng dụng di động Blynk App gồm 2 Tab chức năng: hiển thị biểu đồ nhiệt độ/độ ẩm/điện năng theo thời gian thực, các công tắc điều khiển bật/tắt thủ công và cài đặt ngưỡng nhiệt độ, đồng thời đẩy thông báo (Push Notification) về điện thoại khi có cảnh báo.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tổng quan về kỹ thuật kho lạnh và các phương thức giám sát, điều khiển:

  • Định nghĩa kho lạnh là công trình cách nhiệt đặc biệt nhằm bảo quản hàng hóa (thực phẩm, nông sản, hóa chất, sinh phẩm, dược phẩm) tránh các tác động tiêu cực của môi trường.
  • Phân loại chi tiết các dạng kho lạnh theo công dụng, dải nhiệt độ bảo quản (-2°C đến 5°C cho rau quả, tối thiểu -18°C cho thực phẩm đông lạnh, -12°C cho kho đa năng), dung tích chứa (tính theo đơn vị MT) và kết cấu cách nhiệt (kho xây hoặc kho ghép tấm panel EPS/PU khóa camlocking).
  • Trình bày cấu tạo các cụm thiết bị nhiệt: cụm máy nén (giải nhiệt gió hoặc giải nhiệt nước), hệ thống dàn lạnh bay hơi (kiểu khô hoặc ngập lỏng), hệ thống cửa kho tiêu chuẩn Đức.
  • Phân tích yêu cầu giám sát môi trường: duy trì độ ẩm khoảng 95%RH cho kho gần nhiệt độ đóng băng, 75%RH cho các điều kiện bảo quản mát; kiểm soát dải nhiệt độ 2°C đến 8°C cho lưu trữ thuốc và 65% độ ẩm cho vắc-xin.
  • Đánh giá quá trình phát triển các giải pháp giám sát: từ phương pháp đơn giản (nhiệt kế thủy ngân, cảm biến điện trở hiển thị cục bộ LCD/LED 7 đoạn), phương pháp dùng mạch điện tử bán dẫn, phương pháp điều khiển tự động qua vi điều khiển tại chỗ, đến các giải pháp truyền thông không dây tầm xa (ZigBee, LoRa) và hệ thống giám sát thời gian thực qua máy tính/Internet.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 tập trung vào nền tảng mạng Internet và truyền thông không dây WiFi:

  • Khái niệm về hệ thống Internet, cấu trúc mạng liên kết chuyển mạch gói dựa trên giao thức chuẩn hóa IP.
  • Phân tích chức năng của các giao thức truyền thông tiêu biểu: TCP (chia nhỏ và đảm bảo truyền gói tin), IP (định tuyến gói tin), HTTP (truyền siêu văn bản), FTP (truyền file), SMTP/POP3/MIME (gửi/nhận thư điện tử kèm tệp tin) và WAP (trao đổi thông tin không dây). Phân biệt rõ khái niệm mạng Internet và dịch vụ World Wide Web (WWW).
  • Cơ chế hoạt động của sóng vô tuyến hai chiều trong công nghệ WiFi (chuẩn IEEE 802.11) và vai trò của bộ định tuyến Router.
  • Tổng quan ứng dụng thực tiễn của WiFi trong hệ thống công nghiệp và đời sống, cùng sự phát triển của chuẩn WiFi 6 (IEEE 802.11ax-2021) với dải tốc độ từ 10 Gbps đến 14 Gbps.

Chương 3: Giới thiệu các linh kiện và module

Chương 3 thuyết minh thông số kỹ thuật và nguyên lý làm việc của từng linh kiện:

  • Module ESP32-WROOM: Sử dụng chip 32-bit Xtensa Dual-Core LX6 (160–240 MHz), 520 KB SRAM, hỗ trợ WiFi 802.11 b/g/n, Bluetooth v4.2 BR/EDR và BLE. Trang bị các ngoại vi: 2 cổng DAC 8-bit, 16 cổng ADC 12-bit, 2 cổng I2C, 3 cổng UART, 3 cổng SPI, 2 cổng I2S, CAN bus 2.0, PWM tất cả các chân và cảm biến Hall/nhiệt độ tích hợp.
  • Module đo dòng ACS712: Cảm biến dòng Hall đo dòng AC/DC, băng thông DC ~ 80kHz, sai số tuyến tính ±1.5%, thời gian đáp ứng 5μs, nhiệt độ làm việc -40°C đến 85°C. Phiên bản ACS712-30A có độ nhạy từ 64 đến 68 mV/A.
  • Module hạ áp LM2596: IC xung hạ áp nhận điện áp vào 4.5V đến 40V, dòng ra liên tục tối đa 3A (dòng đỉnh 6.9A), tần số chuyển mạch 150kHz, hiệu suất đạt 92%.
  • Module đo điện PZEM-004T: Đo điện áp 80–260VAC (độ phân giải 0.1V), dòng điện 0–100A (bắt đầu đo từ 0.001A), điện năng 0–23kW (bắt đầu đo từ 0.1W), tần số 45–65Hz với độ chính xác phép đo 0.5%, giao tiếp UART.
  • Màn hình OLED 0.96 inch: Độ phân giải 128×64 pixel, góc nhìn trên 160 độ, công suất tiêu thụ 0.04W, màu hiển thị Vàng – Xanh, giao tiếp qua bus I2C (2 chân GPIO).
  • Các linh kiện phụ trợ: Cảm biến nhiệt điện trở NTC 10 kΩ (dải đo -55°C đến 200°C); cảm biến số DS18B20 (dải đo -55°C đến 125°C, sai số ±0.5°C trong khoảng -10°C đến 85°C, giao tiếp 1-Wire); Opto quang cách ly PC817 và Relay điện từ 5V.
  • Môi trường lập trình: Phân tích ưu thế của VS Code so với Arduino IDE về tính năng tự động hoàn thiện code (Auto-complete), xem nhanh mã nguồn thư viện liên kết, truy cập trực tiếp hàm gốc bằng thao tác Ctrl + Click và tự động nhận cổng kết nối COM.

Chương 4: Thiết kế và thi công mạch điện tử

Chương 4 mô tả quy trình thiết kế và chế tạo phần cứng:

  • Xác định mục tiêu thiết kế mạch: đáp ứng đầy đủ khả năng đo lường đa điểm (nhiệt độ kho, dàn lạnh, độ ẩm), giám sát dòng động cơ (máy nén, quạt dàn nóng), đo lường điện năng tổng và đóng ngắt tải AC an toàn.
  • Phân tích chi tiết sơ đồ khối và xây dựng sơ đồ nguyên lý (Schematic) gồm 7 khối chức năng.
  • Lập bảng thống kê danh mục 25 thành phần linh kiện điện tử chi tiết (Bảng 4.1 trong đồ án).
  • Trình bày quy trình sử dụng phần mềm Altium Designer để thiết kế mạch in (PCB): thiết lập luật thiết kế (Design Rules), sắp xếp linh kiện tối ưu, đi dây tín hiệu và dây công suất, kiểm tra khoảng cách an toàn điện, mô phỏng PCB 3D và tiến hành gia công, hàn lắp mạch thực tế hoàn thiện.

Chương 5: Xây dựng giải thuật điều khiển, giao diện giám sát và lập trình

Chương 5 trình bày việc lập trình thuật toán và tích hợp hệ thống IoT:

  • Xây dựng sơ đồ khối tổng thể của hệ sinh thái phần mềm kết nối giữa mạch phần cứng ESP32, máy chủ đám mây Blynk, giao diện Web và ứng dụng di động.
  • Thiết lập các lưu đồ thuật toán:
    • Lưu đồ tổng quát điều khiển hệ thống.
    • Lưu đồ thuật toán chế độ tự động (Auto): tự động kích hoạt máy nén và quạt dàn lạnh khi nhiệt độ vượt ngưỡng trên, tự động ngắt khi nhiệt độ đạt ngưỡng dưới.
    • Lưu đồ thuật toán khối sự cố và cảnh báo bảo vệ: liên tục kiểm tra dòng tiêu thụ của máy nén và quạt dàn nóng từ module ACS712; nếu phát hiện mất dòng hoặc quá dòng, hệ thống lập tức ngắt relay cấp nguồn, bật còi chip cảnh báo và gửi thông báo khẩn cấp lên server.
    • Lưu đồ thuật toán quét phím bấm vật lý để cài đặt chế độ vận hành.
  • Thiết kế giao diện giám sát trên nền tảng Blynk:
    • Giao diện Web Dashboard: hiển thị đồng hồ đo (Gauge), đồ thị diễn biến nhiệt độ/độ ẩm/dòng điện theo thời gian thực và các nút gạt chuyển đổi trạng thái tải.
    • Giao diện App di động: thiết kế 2 Tab hiển thị thông số chi tiết và bảng điều khiển nút nhấn, tích hợp cửa sổ thông báo đẩy (Push Notification).
  • Thực nghiệm vận hành mạch theo các bài toán kịch bản giả định (quá dòng máy nén, nhiệt độ tăng cao bất thường) để đánh giá độ trễ và tính ổn định của hệ thống.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính của đồ án

  • Chế tạo hoàn chỉnh phần cứng: Thiết kế và thi công thành công bo mạch điện tử tích hợp vi điều khiển ESP32, module nguồn LM2596, các cổng giao tiếp cảm biến (DS18B20, NTC, DHT11, ACS712, PZEM-004T), khối hiển thị OLED 0.96 inch và khối relay 4 kênh có cách ly quang Opto PC817.
  • Đo lường đa thông số chính xác: Thu thập và xử lý đồng thời dữ liệu nhiệt độ kho, nhiệt độ dàn lạnh, độ ẩm môi trường, dòng điện tiêu thụ từng động cơ (máy nén, quạt), điện áp lưới (80–260VAC) và công suất tiêu thụ tổng của hệ thống.
  • Điều khiển linh hoạt hai chế độ: Vận hành thành công chế độ điều khiển tại chỗ (bằng 4 nút nhấn vật lý và OLED) song song với chế độ điều khiển từ xa qua mạng WiFi (thông qua Web Dashboard và App Blynk).
  • Cảnh báo và tự động bảo vệ thời gian thực: Hệ thống tự động ngắt nguồn thiết bị khi phát hiện sự cố quá dòng hoặc sai lệch nhiệt độ, đồng thời phát tín hiệu còi chip tại chỗ và gửi thông báo cảnh báo tức thời về điện thoại của người quản trị qua ứng dụng Blynk.

Giải pháp kỹ thuật tác giả đề xuất

  • Đề xuất phương án giám sát kết hợp: vừa đo lường thông số môi trường (nhiệt độ, độ ẩm), vừa đo lường thông số điện động lực (dòng điện động cơ máy nén và quạt tản nhiệt qua cảm biến ACS712) để chủ động phát hiện sớm nguy cơ kẹt máy nén hoặc hỏng quạt trước khi gây ra sự cố nghiêm trọng cho kho lạnh.
  • Ứng dụng giải pháp chuyển đổi nguồn xung LM2596 và cách ly quang bằng Opto PC817 kết hợp diode 1N4007 nhằm triệt tiêu nhiễu đóng cắt và chống sốc điện từ các khởi động từ công suất lớn về vi điều khiển.

Đóng góp của đề tài

  • Đồ án đã giải quyết được hạn chế của các hệ thống đo nhiệt độ kho lạnh truyền thống vốn chỉ có tính năng hiển thị cục bộ tại chỗ.
  • Xây dựng thành công một mô hình phần cứng - phần mềm hoàn chỉnh có chi phí linh kiện thấp, dễ chế tạo, hoạt động ổn định và có khả năng ứng dụng thực tế cho các kho lạnh sinh hoạt, kho bảo quản thực phẩm, nhà thuốc hoặc kho đông lạnh quy mô vừa và nhỏ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Hệ thống mới được thử nghiệm và đánh giá trên mô hình mạch điện tử thực nghiệm với các kịch bản sự cố giả định trong phòng thí nghiệm; chưa được lắp đặt vận hành dài hạn trên hệ thống kho lạnh công nghiệp thực tế với môi trường độ ẩm cao và nhiệt độ âm sâu kéo dài.
  • Hệ thống phụ thuộc vào sự ổn định của mạng không dây WiFi tại vị trí đặt kho; nếu mất tín hiệu WiFi hoặc gián đoạn kết nối Internet, tính năng giám sát và điều khiển từ xa qua Blynk sẽ tạm thời không hoạt động (chỉ duy trì chế độ điều khiển cục bộ tại chỗ).

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Hoàn thiện vỏ hộp bảo vệ đạt tiêu chuẩn công nghiệp (chống ẩm, chống bụi, chống rung lắc) để lắp đặt thử nghiệm trực tiếp tại các kho lạnh công nghiệp đang hoạt động.
  • Nghiên cứu tích hợp thêm các phương thức truyền thông không dây dự phòng như module sóng di động (GSM/GPRS/4G) hoặc mạng tầm xa LoRa để duy trì cảnh báo và truyền dữ liệu liên tục ngay cả khi mất sóng WiFi hoặc mất điện lưới.
  • Phát triển thêm các thuật toán điều khiển mờ (Fuzzy Logic) hoặc thuật toán tối ưu hóa năng lượng để tự động điều chỉnh chu kỳ xả đá và công suất làm lạnh nhằm tiết kiệm điện năng cho hệ thống.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án này có giá trị tham khảo thiết thực cho các nhóm đối tượng và lĩnh vực nghiên cứu sau:

  • Sinh viên và học viên ngành Điện – Điện tử, Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, Cơ điện tử: Tham khảo phương pháp thiết kế phần cứng hoàn chỉnh từ sơ đồ nguyên lý đến layout PCB 2 lớp trên phần mềm Altium Designer; kỹ thuật lập trình vi điều khiển ESP32 và phương pháp phân tách các khối cách ly quang bảo vệ vi xử lý khi đóng cắt tải AC.
  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Nhiệt - Lạnh: Tham khảo các giải pháp tích hợp điều khiển điện tử, đo lường các thông số dòng điện máy nén, nhiệt độ dàn bay hơi và cơ chế tự động hóa bảo vệ hệ thống lạnh.
  • Kỹ sư và người phát triển hệ thống IoT: Tham khảo cách thức cấu hình luồng dữ liệu (Datastreams), xây dựng giao diện giám sát Web và ứng dụng di động trên nền tảng Blynk IoT kết hợp với vi điều khiển ESP32.
  • Nội dung đáng giá nhất để tra cứu: Bảng danh mục linh kiện chi tiết (Bảng 4.1), sơ đồ nguyên lý phân khối chức năng (Chương 4) và các lưu đồ thuật toán điều khiển tự động, thuật toán xử lý sự cố (Chương 5).

Câu hỏi thường gặp

1. Vi điều khiển trung tâm và các module cảm biến chính được sử dụng trong hệ thống là gì?
Hệ thống sử dụng vi điều khiển ESP32 DevKit (chip 32-bit Tensilica Xtensa Dual-Core LX6). Cảm biến bao gồm: cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số DS18B20 (chuẩn 1-Wire), cảm biến nhiệt điện trở NTC 10 kΩ, cảm biến độ ẩm DHT11, 02 module cảm biến dòng Hall ACS712 (loại 30A) và 01 module đo điện năng AC PZEM-004T (giao tiếp UART).

2. Đồ án sử dụng giải pháp kỹ thuật nào để điều khiển an toàn các thiết bị công suất cao của kho lạnh?
Mạch sử dụng 4 rơ le 5V để đóng cắt các cơ cấu máy nén, quạt dàn lạnh, quạt dàn nóng và xả đá. Tín hiệu điều khiển từ ESP32 được cách ly điện hoàn toàn thông qua 4 IC Opto quang PC817, kích đóng qua transistor NPN C1815 và trang bị diode dập xung ngược 1N4007. Các tiếp điểm của rơ le sẽ kích hoạt các khởi động từ (Contactor) trong mạch động lực.

3. Hệ thống giám sát những thông số điện năng nào và bằng các module chuyên dụng nào?
Hệ thống đo lường dòng điện làm việc riêng biệt của máy nén và quạt dàn nóng bằng 2 module cảm biến dòng ACS712 (dải đo 30A). Đồng thời, toàn bộ thông số lưới điện cấp cho hệ thống gồm điện áp (80–260VAC), dòng điện tổng (0–100A) và công suất tiêu thụ (0–23kW) được thu thập chính xác thông qua module PZEM-004T.

4. Người vận hành nhận cảnh báo và tương tác với hệ thống bằng những phương thức nào?
Người vận hành có thể giám sát tại chỗ thông qua màn hình OLED 0.96 inch (I2C) và điều khiển bằng 4 nút nhấn vật lý. Từ xa, người dùng tương tác qua giao diện Web Dashboard hoặc ứng dụng Blynk App trên điện thoại. Khi có sự cố vượt ngưỡng nhiệt độ hoặc quá tải dòng điện, còi chip 5V tại mạch sẽ phát âm thanh báo động, hệ thống tự ngắt thiết bị và gửi thông báo đẩy (Push Notification) tức thời về điện thoại.

5. Phần mềm nào được sử dụng để thiết kế phần cứng và lập trình mã nguồn cho hệ thống?
Toàn bộ sơ đồ nguyên lý, mạch in PCB và mô phỏng 3D được thiết kế trên phần mềm Altium Designer. Phần mềm nhúng cho ESP32 được xây dựng, biên dịch và nạp chương trình trên môi trường Visual Studio Code (VS Code).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Phan Văn Hiếu đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu thiết kế và chế tạo thành công mạch giám sát, điều khiển kho lạnh từ xa ứng dụng vi điều khiển ESP32 và nền tảng đám mây Blynk. Hệ thống đáp ứng tốt các yêu cầu thu thập đa thông số (nhiệt độ kho, nhiệt độ dàn lạnh, độ ẩm, dòng điện máy nén/quạt và công suất tiêu thụ) theo thời gian thực với độ chính xác cao. Khả năng kết hợp linh hoạt giữa điều khiển tại chỗ (OLED, nút bấm) và điều khiển từ xa qua mạng WiFi (Web, App di động), cùng cơ chế tự động bảo vệ ngắt tải khi xảy ra sự cố, đã chứng minh tính khả thi và độ tin cậy của mô hình. Đây là tài liệu nghiên cứu thực nghiệm có giá trị thực tiễn cao, làm cơ sở kỹ thuật vững chắc cho việc ứng dụng IoT vào quản lý và tự động hóa các kho lạnh quy mô vừa và nhỏ.