Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, quy mô các nhà máy và công xưởng sản xuất liên tục được mở rộng. Đi kèm với sự phát triển này là thách thức trong việc kiểm soát các yếu tố môi trường làm việc tác động trực tiếp đến sức khỏe của người lao động cũng như chất lượng của sản phẩm đầu ra, bao gồm nhiệt độ, độ ẩm, cường độ ánh sáng, mức độ bụi, tiếng ồn và khí độc hại (đặc biệt là khí CO). Mô hình phân xưởng thông minh (Smart Factory) đã và đang được nhiều cơ quan, trường đại học và doanh nghiệp tại Việt Nam nghiên cứu, áp dụng. Tuy nhiên, việc triển khai trên thực tế đối với các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ còn gặp nhiều trở ngại do chi phí đầu tư ban đầu cao, chi phí vận hành chưa tối ưu và giao diện điều khiển, giám sát chưa thực sự thân thiện, dễ tiếp cận.
Trước thực trạng đó, đề tài "Thiết kế Mô Hình Giám Sát Phân Xưởng Qua Web Server" được thực hiện nhằm ứng dụng công nghệ Internet of Things (IoT) và hệ thống nhúng để xây dựng một giải pháp giám sát các thông số môi trường từ xa qua mạng Internet với chi phí thấp và giao diện trực quan.
Mục tiêu nghiên cứu:
Thiết kế và thi công hoàn chỉnh mô hình giám sát môi trường phân xưởng thông qua Web Server. Hệ thống có nhiệm vụ thu thập dữ liệu từ các khối cảm biến tại trạm phân xưởng, hiển thị trực quan lên màn hình LCD cục bộ, đồng thời truyền dữ liệu qua mạng Wi-Fi lên cơ sở dữ liệu để hiển thị trên giao diện Web Server theo thời gian thực, hỗ trợ người quản lý theo dõi và điều khiển các thiết bị công suất (đèn, quạt làm mát, chuông báo động) phù hợp.
Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể (gồm 9 nội dung):
- Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của các mô hình giám sát phân xưởng hiện có trên thị trường.
- Đưa ra các giải pháp hoạt động và tính toán thiết kế sơ đồ khối toàn hệ thống.
- Thiết kế và thi công khối xử lý trung tâm giao tiếp với cảm biến nhiệt độ, cảm biến cường độ ánh sáng, cảm biến khói/CO, cảm biến bụi, cảm biến âm thanh, màn hình LCD và mạch điều khiển thiết bị công suất.
- Thiết kế giao diện người dùng trên Web Server bằng ngôn ngữ PHP, HTML và CSS.
- Viết chương trình điều khiển cho vi điều khiển Arduino và module Wi-Fi ESP8266 NodeMCU bằng phần mềm Arduino IDE.
- Lắp ráp các khối phần cứng, kết nối hoàn chỉnh và tiến hành điều khiển, vận hành thử nghiệm.
- Hiệu chỉnh, sửa lỗi phần cứng và phần mềm phát sinh trong quá trình thử nghiệm.
- Tổng hợp kết quả và viết báo cáo luận văn tốt nghiệp.
- Bảo vệ đồ án tốt nghiệp trước hội đồng chuyên môn.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Mô hình phần cứng thu thập thông số môi trường phân xưởng (nhiệt độ, khói CO, âm thanh, ánh sáng, bụi), vi điều khiển xử lý trung tâm, module truyền thông không dây và hệ thống máy chủ Web Server giám sát.
- Phạm vi ứng dụng: Giám sát môi trường tại các phân xưởng sản xuất quy mô nhỏ có diện tích từ 200 m² đến 300 m² (như xưởng gia công linh kiện xe máy, linh kiện ô tô, xưởng in, xưởng may mặc, đóng gói).
- Thời gian và địa điểm thực hiện: Từ ngày 15/9/2022 đến ngày 24/12/2022 tại Khoa Đào tạo Chất lượng cao, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đề tài vận dụng các kiến thức chuyên ngành về kỹ thuật điện tử, vi xử lý, truyền thông không dây và lập trình hệ thống mạng để xây dựng giải pháp đo lường và giám sát toàn diện.
Khung lý thuyết và công nghệ sử dụng
- Công nghệ truyền thông không dây: Nghiên cứu tổng quan các chuẩn truyền thông tầm ngắn và mạng cục bộ gồm Bluetooth (chuẩn 2.0 tốc độ 3 Mbps, phạm vi 30 m), Zigbee (cấu trúc mạng mesh, tốc độ 256 Kbps), NFC (truyền cự ly gần vài cm) và Wi-Fi (chuẩn IEEE 802.11 b/g/n băng tần 2.4 GHz) làm cơ sở lựa chọn Wi-Fi cho bài toán truyền dữ liệu giám sát phân xưởng.
- Nguyên lý cảm biến đo lường môi trường:
- Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11: Hoạt động theo chuẩn giao tiếp số 1-Wire, điện áp cấp 3–5 VDC, dải đo nhiệt độ 0–50 °C (độ chính xác ±2 °C), chuỗi dữ liệu truyền gồm 40 bit (8 bit nguyên độ ẩm + 8 bit thập phân độ ẩm + 8 bit nguyên nhiệt độ + 8 bit thập phân nhiệt độ + 8 bit checksum), tần số lấy mẫu 1 Hz.
- Cảm biến khí CO MQ-7: Sử dụng lớp bán dẫn $SnO_2$, dải phát hiện nồng độ từ 10 đến 1000 ppm, tích hợp mạch so sánh LM393 cung cấp đồng thời ngõ ra Analog (0–5 V) và Digital, công suất tiêu thụ 350 mW.
- Cảm biến âm thanh KY-037: Tích hợp micro điện dung (condenser microphone) và bộ khuếch đại so sánh LM393, hỗ trợ ngõ ra analog A0 và ngõ ra digital D0 với ngưỡng điều chỉnh thông qua biến trở.
- Cảm biến bụi Sharp GP2Y1010AU0F: Hoạt động dựa trên nguyên lý tán xạ ánh sáng hồng ngoại giữa IR LED và Phototransistor, điện áp 5 VDC, dòng tiêu thụ 10 mA, độ nhạy 0.1 mg/m³, chu kỳ đo 10 ms (bật IR LED trong 0.32 ms, lấy mẫu ADC sau 0.28 ms, tắt LED và trễ 9.68 ms).
- Cảm biến ánh sáng TEMT6000: Cảm biến dạng Phototransistor silicon NPN, có dải phổ nhạy đỉnh tại bước sóng 570 nm (tương đương quang phổ mắt người), góc mở nhạy ±60°, điện áp hoạt động 3.3–5 VDC.
- Hiển thị và cơ cấu chấp hành: Màn hình LCD2004A (20 cột x 4 dòng ký tự) tích hợp IC điều khiển HD44780 giao tiếp thông qua module chuyển đổi bus $I^2C$ (sử dụng 2 dây SDA và SCL); khối đóng ngắt sử dụng module Relay 5 VDC cách ly quang điều khiển các thiết bị 12 VDC và 220 VAC.
- Phần cứng xử lý: Vi điều khiển ATmega328P 8-bit trên mạch Arduino Uno R3 (xung nhịp 16 MHz, 32 KB Flash, 2 KB SRAM) và vi xử lý 32-bit Tensilica Xtensa LX106 trên kit ESP8266 NodeMCU (xung nhịp 80 MHz, hỗ trợ Wi-Fi SoC, tích hợp chip nạp UART CP2102).
- Mô hình Web Server: Kiến trúc máy chủ web dựa trên giải pháp phần mềm mã nguồn mở LAMP/WAMP gồm hệ điều hành Linux, phần mềm máy chủ Apache tiếp nhận yêu cầu HTTP, ngôn ngữ kịch bản PHP xử lý logic phía máy chủ và hệ quản trị cơ sở dữ liệu MySQL kết hợp nền tảng dữ liệu thời gian thực Firebase.
Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Thu thập, đối chiếu thông số kỹ thuật (datasheet) của các linh kiện điện tử, vi điều khiển và tiêu chuẩn môi trường lao động (bảng ngưỡng tiếng ồn Decibel và bảng độ rọi ánh sáng Lux tiêu chuẩn).
- Phương pháp thiết kế và mô phỏng mạch: Sử dụng phần mềm Altium Designer để xây dựng sơ đồ nguyên lý (schematic), thiết kế mạch in (PCB layout) và dựng mô hình 3D bố trí linh kiện.
- Phương pháp thực nghiệm và hiệu chỉnh hệ thống: Lập trình trên Arduino IDE, tiến hành đo kiểm thực tế các mức điện áp ngõ ra của cảm biến, áp dụng phương pháp phương trình tuyến tính (Linear Equation) để hiệu chỉnh sai số cho cảm biến bụi GP2Y1010AU0F theo công thức:
$$\text{dustDensity} = \frac{V_o \times v_{pd}}{0.5}$$
Trong đó $v_{pd} = \frac{V_{ref}}{1024}$ với $V_{ref} = 5\text{ V}$.
- Nguồn dữ liệu: Dữ liệu kỹ thuật từ nhà sản xuất linh kiện, các phép đo thực nghiệm tín hiệu cảm biến trong môi trường mô hình và dữ liệu đồng bộ thời gian thực ghi nhận trên cơ sở dữ liệu Web Server.
Thiết kế và triển khai
Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module hóa phân tầng, tách biệt giữa tầng thu thập/điều khiển tại chỗ và tầng truyền thông/quản lý từ xa.
Sơ đồ khối và chức năng các khối
Hệ thống gồm 11 khối chức năng chính:
- Khối xử lý trung tâm (Arduino Uno R3): Đọc dữ liệu từ các cảm biến môi trường, xử lý tín hiệu số/tương tự, xuất dữ liệu hiển thị lên LCD, điều khiển các module relay và giao tiếp dữ liệu nối tiếp với khối truyền thông qua UART.
- Khối cảm biến (5 module): Khối cảm biến nhiệt độ DHT11 (chân Digital 4), cảm biến khí CO MQ-7 (chân Analog A1), cảm biến ánh sáng TEMT6000 (chân Analog A3), cảm biến âm thanh KY-037 (chân Analog A2) và cảm biến bụi GP2Y1010AU0F (chân Analog A0).
- Khối hiển thị (LCD 20x4): Kết nối giao tiếp $I^2C$ với Arduino Uno R3 thông qua chân A4 (SDA) và chân A5 (SCL), hiển thị đầy đủ các giá trị đo và trạng thái đóng ngắt thiết bị.
- Khối giao tiếp tải và chấp hành: Sử dụng 1 module 4-relay và 3 module 1-relay kích hoạt mức thấp (0V) kết nối với các chân Digital 7, 8, 9, 10, 11 của Arduino Uno R3 để điều khiển chuông cảnh báo (220 VAC), quạt 1 & quạt 2 làm mát (12 VDC), đèn 1 & đèn 2 chiếu sáng/gia nhiệt (220 VAC).
- Khối giao tiếp truyền thông (ESP8266 NodeMCU): Đóng vai trò cầu nối dữ liệu, nhận gói tin từ Arduino qua chuẩn UART, kết nối mạng Wi-Fi và đẩy dữ liệu lên cơ sở dữ liệu Web Server.
- Khối nguồn: Nguồn xung tổ ong 12 VDC - 3A cung cấp nguồn tổng cho hệ thống, kết hợp IC ổn áp AMS1117 (hạ áp từ 5V xuống 3.3V) và các đường nguồn 5 VDC cấp cho vi điều khiển và các module cảm biến.
| Thiết bị / Linh kiện |
Dòng tiêu thụ thiết kế (mA) |
| Board Arduino Uno R3 |
30 mA |
| Khối Module Relay |
560 mA |
| Màn hình LCD 20x4 |
2 mA |
| Cảm biến nhiệt độ DHT11 |
2.5 mA |
| Cảm biến khí CO MQ-7 |
70 mA |
| Cảm biến bụi GP2Y1010AU0F |
10 mA |
| Cảm biến ánh sáng TEMT6000 |
10 mA |
| Cảm biến âm thanh KY-037 |
10 mA |
| Kit ESP8266 NodeMCU |
160 mA |
| Tổng dòng tiêu thụ ước tính |
~854.5 mA (Lựa chọn nguồn 12V-3A đáp ứng hệ số an toàn) |
| Tiêu chí so sánh |
Kit ESP8266 NodeMCU |
Board Arduino Uno R3 |
| Vi điều khiển trung tâm |
ESP8266 SoC (32-bit Tensilica Xtensa) |
ATmega328P (8-bit AVR) |
| Tần số hoạt động |
80 MHz (có thể ép xung 160 MHz) |
16 MHz |
| Bộ nhớ chương trình (Flash) |
512 KB đến 4 MB |
32 KB |
| Bộ nhớ RAM |
64 KB Instruction + 96 KB Data |
2 KB SRAM |
| Tích hợp truyền thông |
Wi-Fi IEEE 802.11 b/g/n tích hợp sẵn |
Không tích hợp sẵn Wi-Fi (cần shield mở rộng) |
| Điện áp hoạt động logic |
3.3 V |
5.0 V |
Lưu đồ thuật toán và phần mềm
- Giải thuật chương trình chính: Khởi tạo các chân I/O, thiết lập cổng nối tiếp UART và giao tiếp $I^2C$. Đọc tuần tự dữ liệu từ cảm biến nhiệt độ, khói, ánh sáng, âm thanh và bụi. So sánh dữ liệu với các ngưỡng cài đặt trước để tự động đóng/ngắt thiết bị chấp hành tương ứng (chế độ Auto) hoặc nhận lệnh điều khiển cưỡng bức (chế độ Manual). Đóng gói dữ liệu và gửi sang ESP8266 qua UART, đồng thời cập nhật dữ liệu hiển thị lên LCD2004.
- Giải thuật truyền nhận Web Server: ESP8266 lắng nghe cổng UART, giải mã chuỗi dữ liệu nhận được, kiểm tra kết nối mạng Wi-Fi và thực hiện gửi dữ liệu lên máy chủ cơ sở dữ liệu (Firebase/MySQL).
- Giao diện Web: Xây dựng bằng PHP/HTML/CSS bao gồm 2 giao diện chính: Trang giới thiệu (thông tin đề tài, sơ đồ phân xưởng) và Trang giám sát (hiển thị trực quan theo thời gian thực các thông số nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ bụi, nồng độ khí CO, cường độ ánh sáng, mức độ ồn và trạng thái hoạt động của đèn, quạt, chuông).
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan
Chương 1 trình bày tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh các khu công nghiệp và nhà xưởng hiện đại ngày càng mở rộng, đòi hỏi các giải pháp giám sát môi trường làm việc thông minh nhằm bảo đảm an toàn lao động và duy trì chất lượng gia công. Tác giả phân tích những khó khăn thực tế của các giải pháp Smart Factory hiện hành tại Việt Nam (chi phí lắp đặt và vận hành cao, hệ thống cồng kềnh, giao diện khó thao tác). Từ đó, chương xác định rõ 9 nhiệm vụ nghiên cứu trọng tâm, xác định phạm vi áp dụng cho các nhà xưởng quy mô 200–300 m², đồng thời chỉ ra các giới hạn kỹ thuật của mô hình nghiên cứu.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 2 cung cấp cơ sở lý thuyết nền tảng về công nghệ truyền thông và cảm biến:
- Tổng hợp các công nghệ truyền thông không dây (Bluetooth, Zigbee, NFC, Wi-Fi 802.11 b/g/n).
- Trình bày cấu tạo, sơ đồ chân và nguyên lý lấy mẫu của cảm biến nhiệt độ DHT11, cảm biến khí CO MQ-7 ($SnO_2$, 10–1000 ppm), cảm biến âm thanh KY-037 kết hợp IC so sánh LM393, cảm biến bụi Sharp GP2Y1010AU0F và cảm biến quang TEMT6000.
- Khái quát các phương pháp đo lường môi trường phụ trợ: đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở, cặp nhiệt ngẫu, IC bán dẫn, phương pháp hỏa quang kế không tiếp xúc; đo khí CO bằng phương pháp hấp thụ hồng ngoại bước sóng 4.7 µm và cảm biến điện hóa.
- Phân tích chuẩn giao tiếp bus $I^2C$ (2 dây SCL/SDA, định địa chỉ 7-bit cho tối đa 112 thiết bị khả dụng), màn hình hiển thị LCD 20x4 (HD44780) và module Relay cách ly quang.
- Khảo sát chi tiết thông số kỹ thuật của vi điều khiển ATmega328P trên Arduino Uno R3, vi xử lý 32-bit ESP8266 NodeMCU (ESP-12E), cùng kiến trúc máy chủ Web Server PHP, phần mềm web server Apache và hệ quản trị cơ sở dữ liệu MySQL.
Chương 3: Tính toán và thiết kế
Chương 3 đi sâu vào thiết kế chi tiết phần cứng và giải thuật phần mềm của hệ thống:
- Xây dựng sơ đồ khối toàn hệ thống gồm 11 khối chức năng tương tác chặt chẽ.
- Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch chi tiết cho từng khối cảm biến, khối hiển thị LCD2004 qua giao tiếp $I^2C$ (chân A4, A5), khối module relay điều khiển tải (các chân Digital 7, 8, 9, 10, 11) và khối kết nối truyền thông nối tiếp giữa Arduino Uno R3 và ESP8266 NodeMCU.
- Tính toán công suất và dòng tiêu thụ toàn mạch (tổng dòng ~854.5 mA), lựa chọn bộ nguồn xung 12 VDC - 3A và mạch hạ áp AMS1117 3.3V bảo đảm tính ổn định điện áp.
- Xây dựng hệ thống lưu đồ giải thuật hoàn chỉnh: lưu đồ chương trình chính, lưu đồ điều khiển đèn tự động từ cảm biến ánh sáng, lưu đồ điều khiển quạt từ cảm biến bụi và cảm biến nhiệt độ, lưu đồ điều khiển chuông báo động từ cảm biến khói CO, lưu đồ điều khiển quạt từ cảm biến âm thanh, lưu đồ chế độ điều khiển thủ công (Manual) và lưu đồ truyền nhận dữ liệu giữa vi điều khiển, ESP8266 và cơ sở dữ liệu Web Server.
- Thiết kế mạch in PCB và mô hình bố trí linh kiện 3D cho toàn bộ hệ thống phần cứng.
Chương 4: Kết quả - Nhận xét - Đánh giá
Chương 4 công bố các kết quả thực nghiệm đạt được sau khi thi công và thử nghiệm:
- Hoàn thiện bảng mạch phần cứng PCB thực tế, đấu nối đầy đủ các khối cảm biến, khối rơ-le và khối hiển thị.
- Màn hình LCD 20x4 hiển thị chính xác các thông số môi trường qua 3 chế độ màn hình (Mode 1, Mode 2, Mode 3).
- Chế tạo thành công mô hình vật lý phân xưởng thu nhỏ tích hợp đầy đủ hệ thống đèn chiếu sáng, quạt thông gió và chuông cảnh báo.
- Thiết kế và triển khai hoàn chỉnh giao diện Web Server gồm Trang giới thiệu và Trang giám sát thời gian thực, đồng bộ dữ liệu ổn định từ trạm phân xưởng lên máy chủ qua mạng Wi-Fi.
- Đưa ra các nhận xét, đánh giá khách quan về khả năng đáp ứng thời gian thực, độ ổn định của đường truyền và mức độ chính xác của các cảm biến đo lường.
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển
Chương 5 tổng kết lại toàn bộ khối lượng công việc đã hoàn thành so với mục tiêu đề ra ban đầu, khẳng định tính khả thi của mô hình giám sát phân xưởng qua mạng Internet. Đồng thời, chương chỉ rõ các điểm còn hạn chế của đề tài và đề xuất các hướng mở rộng kỹ thuật nhằm nâng cao độ chính xác, mở rộng công suất tải và bổ sung tính năng điều khiển hai chiều từ giao diện Web.
Kết quả và đóng góp
Kết quả nghiên cứu chính
- Về phần cứng: Chế tạo thành công board mạch điều khiển trung tâm trên cơ sở phối hợp Arduino Uno R3 và ESP8266 NodeMCU. Hệ thống kết nối và đọc ổn định tín hiệu từ 5 module cảm biến môi trường (DHT11, MQ-7, TEMT6000, KY-037, GP2Y1010AU0F), hiển thị thông số liên tục trên màn hình LCD 20x4 qua 3 chế độ giao diện và điều khiển chính xác 5 kênh tải (2 quạt 12 VDC, 2 đèn 220 VAC, 1 chuông 220 VAC). Hệ thống vận hành an toàn với bộ nguồn xung 12 VDC - 3A.
- Về phần mềm và truyền thông: Thiết lập thành công luồng truyền dữ liệu UART hai chiều giữa Arduino và ESP8266; kết nối Wi-Fi ổn định và đẩy dữ liệu lên cơ sở dữ liệu Firebase. Xây dựng hoàn chỉnh giao diện Web Server trên nền tảng PHP/HTML/CSS với Trang giới thiệu và Trang giám sát, cho phép theo dõi trực quan các biến số môi trường từ xa.
- Về mô hình thực nghiệm: Hoàn thiện mô hình phân xưởng thu nhỏ, minh họa trực quan quy trình giám sát tự động và cảnh báo môi trường theo các ngưỡng thông số xác định.
Đóng góp của đề tài
- Đưa ra giải pháp phân tầng xử lý kỹ thuật tối ưu chi phí cho các xưởng sản xuất nhỏ: sử dụng vi điều khiển Arduino Uno R3 chuyên trách đọc cảm biến thời gian thực và đóng ngắt tải, kết hợp kit Wi-Fi ESP8266 NodeMCU chuyên trách giao tiếp mạng, tránh hiện tượng quá tải tài nguyên vi điều khiển.
- Cung cấp tài liệu thiết kế phần cứng chi tiết (sơ đồ nguyên lý, bảng tính dòng tiêu thụ, layout PCB) và thuật toán lấy mẫu cảm biến bụi quang học bằng phương trình tuyến tính có giá trị tham khảo thực tiễn cao cho các dự án IoT công nghiệp chi phí thấp.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế kỹ thuật
Dựa trên phạm vi và kết quả thử nghiệm được nhóm tác giả ghi nhận, hệ thống còn tồn tại các hạn chế sau:
- Quy mô tải công suất: Mô hình hiện tại mới chỉ tích hợp và thử nghiệm với các thiết bị công suất nhỏ (đèn chiếu sáng, quạt làm mát 12V), chưa đáp ứng trực tiếp các tải công nghiệp công suất lớn trong nhà xưởng thực tế.
- Độ chính xác cảm biến: Các cảm biến sử dụng (DHT11, MQ-7, KY-037...) là các dòng module thông dụng có độ nhạy và độ chính xác ở mức cơ bản, dễ bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, độ ẩm môi trường và có thể xuất hiện sai số trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt.
- Môi trường hoạt động: Hệ thống mới chỉ vận hành ổn định trong điều kiện môi trường ít biến động mạnh.
- Khả năng tương tác từ xa: Hệ thống chưa hỗ trợ chức năng điều khiển thiết bị hai chiều trực tiếp từ giao diện Web Server xuống phần cứng phân xưởng.
- Cấu hình tham số: Người quản trị chưa thể cài đặt hoặc thay đổi các giá trị ngưỡng cảnh báo trực tiếp thông qua giao diện Web Server mà vẫn phải cấu hình cố định trong mã nguồn vi điều khiển.
Hướng nghiên cứu tiếp
- Nâng cấp và thay thế các module đo lường bằng các dòng cảm biến chuẩn công nghiệp có độ bền cao, sai số thấp và khả năng chống nhiễu tốt.
- Phát triển tính năng truyền thông hai chiều toàn diện, cho phép người dùng bật/tắt thiết bị chấp hành và tùy chỉnh các ngưỡng thông số cảnh báo trực tiếp từ giao diện Web Server.
- Mở rộng tầng công suất và tích hợp các mạch bảo vệ công nghiệp để điều khiển các động cơ, hệ thống quạt hút và máy móc công suất lớn trong phân xưởng thực tế.
Giá trị tham khảo
Đồ án tốt nghiệp này là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư trong các lĩnh vực:
- Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông và Kỹ thuật Điều khiển - Tự động hóa: Cung cấp tài liệu mẫu mực về quy trình thiết kế hệ thống nhúng từ sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý, tính toán chọn nguồn, phân tích dòng tiêu thụ đến thiết kế mạch in PCB bằng Altium Designer.
- Sinh viên ngành Công nghệ Thông tin và Kỹ thuật Phần mềm (chuyên hướng IoT): Cung cấp mô hình tham khảo về giải pháp kết nối phần cứng vi điều khiển với Web Server thông qua module Wi-Fi ESP8266, xử lý dữ liệu với PHP và đồng bộ cơ sở dữ liệu thời gian thực.
- Các nội dung nổi bật đáng tham khảo trực tiếp:
- Quy trình và thuật toán điều khiển lấy mẫu cảm biến bụi Sharp GP2Y1010AU0F theo giản đồ xung thời gian thực (0.32 ms / 9.68 ms) và phương pháp chuyển đổi tuyến tính.
- Sơ đồ ghép nối giao tiếp bus $I^2C$ cho màn hình LCD2004 và kỹ thuật phân tách nhiệm vụ giữa Arduino Uno R3 và ESP8266 NodeMCU qua cổng UART.
Câu hỏi thường gặp
1. Hệ thống sử dụng những loại cảm biến nào để giám sát môi trường phân xưởng và chân kết nối với Arduino Uno R3 ra sao?
Hệ thống sử dụng 5 loại cảm biến: cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11 (kết nối chân Digital 4), cảm biến khí CO MQ-7 (kết nối chân Analog A1), cảm biến ánh sáng TEMT6000 (kết nối chân Analog A3), cảm biến âm thanh KY-037 (kết nối chân Analog A2) và cảm biến bụi quang học Sharp GP2Y1010AU0F (kết nối chân Analog A0).
2. Phương pháp lấy mẫu và tính toán nồng độ bụi của cảm biến Sharp GP2Y1010AU0F được thực hiện như thế nào?
Một chu kỳ đo của cảm biến kéo dài 10 ms. Trong 0.32 ms đầu tiên, LED hồng ngoại (IR LED) được kích hoạt bật và hệ thống tiến hành đọc giá trị ADC tại chân $V_o$ sau 0.28 ms, sau đó tắt IR LED và giữ trạng thái nghỉ trong 9.68 ms tiếp theo. Giá trị điện áp đọc về được tính qua công thức $v_{pd} = V_{ref} / 1024$ (với $V_{ref} = 5\text{ V}$), từ đó nồng độ bụi được quy đổi theo phương trình $\text{dustDensity} = (V_o \times v_{pd}) / 0.5$ và hiệu chỉnh qua phương trình tuyến tính (Linear Equation).
3. Tại sao hệ thống lại kết hợp cả Arduino Uno R3 và ESP8266 NodeMCU thay vì chỉ dùng một vi điều khiển duy nhất?
Nhóm nghiên cứu phân chia nhiệm vụ để tối ưu hóa tài nguyên: Arduino Uno R3 (vi điều khiển 8-bit ATmega328P) chuyên trách việc đọc tín hiệu tương tự/số từ 5 cảm biến, xử lý điều khiển đóng ngắt relay và hiển thị LCD cục bộ; trong khi ESP8266 NodeMCU (vi xử lý 32-bit Tensilica Xtensa) đóng vai trò là khối truyền thông kết nối Wi-Fi, nhận dữ liệu qua UART từ Arduino và đồng bộ lên cơ sở dữ liệu Web Server.
4. Tổng dòng điện tiêu thụ của phần cứng được tính toán là bao nhiêu và nguồn cấp được lựa chọn như thế nào?
Tổng dòng tiêu thụ ước tính của các linh kiện phần cứng là khoảng 854.5 mA (trong đó Module Relay tiêu thụ 560 mA, ESP8266 tiêu thụ 160 mA, MQ-7 tiêu thụ 70 mA, Arduino Uno R3 tiêu thụ 30 mA, GP2Y1010AU0F 10 mA, TEMT6000 10 mA, KY-037 10 mA, DHT11 2.5 mA, LCD 20x4 2 mA). Nhóm tác giả lựa chọn bộ nguồn xung 12 VDC - 3A kết hợp mạch hạ áp AMS1117 3.3V để bảo đảm nguồn điện dư tải và hệ thống vận hành ổn định.
5. Những hạn chế kỹ thuật chính của hệ thống được nhóm tác giả thừa nhận là gì?
Các hạn chế chính gồm: mô hình mới chỉ thử nghiệm với các thiết bị công suất nhỏ; sử dụng các cảm biến đơn giản có độ chính xác chưa cao trong môi trường công nghiệp phức tạp; hệ thống chỉ vận hành ổn định trong môi trường ít biến động; chưa hỗ trợ điều khiển thiết bị hai chiều từ Web Server và chưa cho phép người dùng thay đổi giá trị ngưỡng cảnh báo trực tiếp trên giao diện web.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế Mô Hình Giám Sát Phân Xưởng Qua Web Server" của sinh viên Chu Vĩnh Sang và Bùi Mạnh Cường đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu thiết kế và chế tạo mô hình giám sát đa thông số môi trường phục vụ phân xưởng quy mô 200–300 m². Bằng việc kết hợp hiệu quả giữa vi điều khiển Arduino Uno R3, kit truyền thông Wi-Fi ESP8266 NodeMCU và hệ thống máy chủ Web Server trên nền PHP, đề tài đã giải quyết thành công bài toán thu thập, hiển thị cục bộ trên LCD2004 và giám sát thời gian thực các thông số nhiệt độ, bụi, âm thanh, khí CO, ánh sáng từ xa. Dù còn một số giới hạn về độ chính xác cảm biến và khả năng điều khiển hai chiều, công trình đã thể hiện phương pháp tiếp cận kỹ thuật bài bản, có tính ứng dụng thực tiễn cao và tạo nền tảng vững chắc cho các nghiên cứu phát triển hệ thống IoT công nghiệp chi phí thấp.
