Luận văn thạc sĩ về thiết kế và thi công hệ thống giám sát sản xuất tại HCMUTE

Tổng hợp kiến thức Thiết kế và thi công hệ thống giám sát sản xuất tại HCMUTE, tiếp cận khoa học, hỗ trợ học tập và nghiên cứu hiệu quả trong chuyên

• Tác giả: Dương Văn Lực
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển - TĐH
• Đề tài: Thiết Kế Và Thi Công Hệ Thống Giám Sát Sản Xuất
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1.2. MỤC TIÊU
• 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 1.4. GIỚI HẠN
• 1.5. BỐ CỤC
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. GIỚI THIỆU BẢNG ĐIỆN TỬ QUẢN LÍ SẢN XUẤT
• 2.2. GIỚI THIỆU MODULE LORA
• 2.2.1. Giới thiệu về chân AUX
• 2.2.2. Các chế độ truyền của lora
• 2.3. GIỚI THIỆU VI ĐIỀU KHIỂN AVR
• 2.3.1. Hoạt động của AVR

Tóm tắt

I. Giới thiệu hệ thống giám sát sản xuất

Hệ thống giám sát sản xuất tại HCMUTE được thiết kế nhằm nâng cao hiệu quả quản lý sản xuất trong các nhà máy. Hệ thống giám sát này sử dụng công nghệ Lora để truyền tải dữ liệu không dây, cho phép theo dõi số lượng sản phẩm được sản xuất và lưu trữ thông tin vào cơ sở dữ liệu. Điều này giúp cho việc quản lý sản xuất trở nên dễ dàng và hiệu quả hơn. Theo nghiên cứu, việc áp dụng công nghệ này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn giảm thiểu sai sót trong quá trình sản xuất. Hệ thống này có khả năng hiển thị thông tin theo thời gian thực, từ đó giúp các nhà quản lý có cái nhìn tổng quan về quy trình sản xuất.

1.1. Mục tiêu của hệ thống

Mục tiêu chính của hệ thống là thiết kế và thi công một hệ thống giám sát có khả năng theo dõi và quản lý sản lượng sản xuất một cách hiệu quả. Hệ thống sẽ cung cấp thông tin về số lượng sản phẩm, tiến độ sản xuất và các vấn đề phát sinh trong quá trình sản xuất. Việc tự động hóa trong giám sát sản xuất không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao năng suất lao động. Hệ thống cũng được thiết kế để dễ dàng mở rộng và tích hợp với các công nghệ mới trong tương lai, đảm bảo tính linh hoạt và khả năng thích ứng với sự phát triển của ngành công nghiệp.

II. Thiết kế hệ thống

Thiết kế hệ thống giám sát sản xuất bao gồm nhiều thành phần chính như bảng điện tử, module Lora, và vi điều khiển AVR. Mỗi thành phần đều có vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả. Bảng điện tử sẽ hiển thị thông tin sản xuất, trong khi module Lora sẽ đảm nhiệm việc truyền tải dữ liệu không dây. Vi điều khiển AVR sẽ xử lý các tín hiệu và điều khiển hoạt động của hệ thống. Thiết kế sơ đồ khối của hệ thống cho thấy sự kết nối giữa các thành phần, từ đó giúp cho việc lắp ráp và thi công trở nên dễ dàng hơn. Hệ thống cũng được thiết kế với tính năng bảo mật cao, đảm bảo rằng dữ liệu sản xuất được bảo vệ an toàn.

2.1. Các thành phần của hệ thống

Hệ thống bao gồm các thành phần chính như bảng điện tử quản lý sản xuất, module Lora, cảm biến nhiệt độ, và vi điều khiển AVR. Mỗi thành phần đều được lựa chọn kỹ lưỡng để đảm bảo tính tương thích và hiệu suất cao. Bảng điện tử sẽ hiển thị thông tin sản xuất theo thời gian thực, giúp người quản lý dễ dàng theo dõi tiến độ. Module Lora cho phép truyền tải dữ liệu không dây với khoảng cách xa, trong khi vi điều khiển AVR xử lý các tín hiệu và điều khiển hoạt động của hệ thống. Việc lựa chọn các linh kiện này không chỉ dựa trên tính năng mà còn dựa trên khả năng tiết kiệm năng lượng và chi phí.

III. Thi công hệ thống

Quá trình thi công hệ thống bao gồm việc lắp ráp các linh kiện, kiểm tra mạch và đóng gói sản phẩm. Các bước thi công được thực hiện theo quy trình nghiêm ngặt để đảm bảo chất lượng và hiệu suất của hệ thống. Việc lắp ráp các linh kiện như bảng điện tử, module Lora, và vi điều khiển AVR cần được thực hiện cẩn thận để tránh sai sót. Sau khi lắp ráp, hệ thống sẽ được kiểm tra để đảm bảo rằng tất cả các thành phần hoạt động đúng cách. Cuối cùng, hệ thống sẽ được đóng gói và chuẩn bị cho việc triển khai tại các nhà máy sản xuất.

3.1. Quy trình thi công

Quy trình thi công hệ thống bao gồm các bước như lắp ráp bo mạch, kiểm tra chức năng và đóng gói sản phẩm. Mỗi bước đều được thực hiện theo tiêu chuẩn chất lượng cao để đảm bảo rằng hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả. Việc kiểm tra chức năng là rất quan trọng, giúp phát hiện sớm các lỗi có thể xảy ra trong quá trình hoạt động. Sau khi hoàn tất, hệ thống sẽ được đóng gói cẩn thận để đảm bảo an toàn trong quá trình vận chuyển và lắp đặt tại các nhà máy sản xuất.

IV. Kết quả và đánh giá

Kết quả đạt được từ việc triển khai hệ thống giám sát sản xuất cho thấy sự cải thiện rõ rệt trong việc quản lý sản xuất. Hệ thống đã giúp giảm thiểu thời gian giám sát và tăng cường khả năng theo dõi sản lượng sản xuất. Các số liệu thu thập được từ hệ thống cho phép các nhà quản lý đưa ra quyết định kịp thời và chính xác hơn. Đánh giá về tính ổn định và hiệu suất của hệ thống cho thấy rằng nó hoạt động hiệu quả trong môi trường sản xuất thực tế. Hệ thống cũng đã chứng minh được tính khả thi và ứng dụng thực tiễn trong ngành công nghiệp sản xuất.

4.1. Đánh giá hiệu quả

Đánh giá hiệu quả của hệ thống giám sát sản xuất cho thấy rằng việc áp dụng công nghệ Lora và vi điều khiển AVR đã mang lại nhiều lợi ích cho quy trình sản xuất. Hệ thống không chỉ giúp theo dõi sản lượng mà còn cung cấp thông tin chi tiết về tiến độ sản xuất và các vấn đề phát sinh. Điều này giúp cho các nhà quản lý có thể đưa ra các quyết định kịp thời, từ đó nâng cao hiệu quả sản xuất. Hệ thống cũng cho thấy khả năng mở rộng và tích hợp với các công nghệ mới trong tương lai, đảm bảo tính bền vững và phát triển lâu dài.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp hiện đại, đặc biệt tại các ngành nghề đòi hỏi công nhân phải trực tiếp tham gia hoàn thiện từng sản phẩm ở khâu đóng gói hoặc lắp ráp cuối cùng (như may mặc, giày da, đóng nắp thùng sơn...), việc kiểm soát chính xác năng suất và tiến độ đóng vai trò then chốt. Tại các xưởng sản xuất quy mô vừa và nhỏ, khối lượng sản phẩm tạo ra mỗi ngày rất lớn khiến việc ghi chép, thống kê thủ công bộc lộ nhiều nhược điểm: độ trễ cao, dễ sai sót, khó quản lý tổng thể và không cung cấp được dữ liệu trực quan theo thời gian thực cho người quản lý cũng như bản thân người lao động.

Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn đó, đề tài "Thiết kế và thi công hệ thống giám sát sản xuất" do tác giả Dương Văn Lực thực hiện (ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển - Tự động hóa, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, 2017) đã được triển khai nhằm tự động hóa quá trình giám sát sản lượng thông qua công nghệ truyền thông không dây tầm xa LoRa.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu gồm:

1. Thiết kế và thi công hệ thống giám sát năng suất sản xuất bán tự động phục vụ trực tiếp cho các dây chuyền gia công, lắp ráp hoàn thiện.
2. Giám sát chặt chẽ các thông số vận hành: số lượng sản phẩm kế hoạch, số lượng sản phẩm đạt, số lượng sản phẩm lỗi và tỷ lệ phần trăm tiến độ hoàn thành trong từng ca làm việc.
3. Đồng bộ hóa toàn bộ dữ liệu sản xuất bằng truyền thông không dây về bảng hiển thị LED kích thước lớn tại xưởng và máy tính trung tâm để lưu trữ cơ sở dữ liệu.

Nhiệm vụ nghiên cứu được xác định qua 6 bước:

1. Khảo sát, tìm hiểu và lựa chọn module truyền thông LoRa, vi điều khiển, cảm biến nhiệt độ và module thời gian thực.
2. Xây dựng ứng dụng giám sát trên máy tính (hệ điều hành Windows) để nhận tín hiệu, trực quan hóa dữ liệu và quản trị cơ sở dữ liệu.
3. Thiết kế và thi công phần cứng các khối điều khiển, khối xử lý, khối hiển thị và mạch nguồn.
4. Tích hợp, kết nối không dây các module phần cứng và phần mềm.
5. Chạy thử nghiệm, kiểm tra độ ổn định, đo đạc sai số và cân chỉnh mô hình.
6. Hoàn thiện báo cáo và tài liệu kỹ thuật của đồ án.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống phần cứng điều khiển, mạng truyền thông không dây RF LoRa, giao diện giám sát và cơ sở dữ liệu quản lý sản xuất.
• Phạm vi chức năng và kỹ thuật: Giám sát sản lượng trong ngày dưới 10.000 sản phẩm; đo nhiệt độ môi trường nhà xưởng trong dải từ -55°C đến 125°C; cự ly truyền thông không dây giữa trạm con và trạm hiển thị trung tâm đạt dưới 300 m trong môi trường nhà xưởng có nhiều vật cản và nhiễu công nghiệp; phần mềm quản lý vận hành trên nền tảng Windows.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận được xây dựng dựa trên sự kết hợp giữa lý thuyết vi điều khiển nhúng, kỹ thuật truyền thông không dây công nghiệp và công nghệ phần mềm quản trị dữ liệu.

Khung lý thuyết và công nghệ cốt lõi

• Công nghệ truyền thông không dây RF LoRa: Sử dụng module thu phát RF UART LoRa AS-TTL-100 (tích hợp IC Semtech SX1278), băng tần hoạt động 410–441 MHz, công suất phát 20 dBm (100 mW), khoảng cách truyền lý tưởng tối đa 3.000 m. Hệ thống khai thác 4 chế độ làm việc của module (Bình thường, Đánh thức, Tiết kiệm năng lượng, Ngủ) qua cấu hình các chân M0, M1 và giám sát trạng thái truyền nhận qua chân chỉ báo AUX.
• Kiến trúc vi điều khiển AVR: Sử dụng vi điều khiển ATmega328P (và nghiên cứu nền tảng kiến trúc RISC trên ATmega32) với tập lệnh rút gọn 131 lệnh, hoạt động ở tần số 16 MHz. Hệ thống tận dụng các khối ngoại vi tích hợp gồm Timer/Counter, các vector ngắt ngoài (INT0, INT1, INT2) quản lý qua các thanh ghi MCUCR, MCUCSR, GICR, GIFR, giao tiếp nối tiếp USART và giao tiếp hai dây I2C.
• Cảm biến và thiết bị ngoại vi: Cảm biến nhiệt độ số DS18B20 giao tiếp theo chuẩn 1-Wire, dải đo -55°C đến +125°C, độ phân giải cấu hình từ 9 đến 12 bit, sai số ±0.5°C trong khoảng -10°C đến +85°C; module thời gian thực DS1307 giao tiếp I2C đi kèm pin nuôi 3V và bộ nhớ EEPROM AT24C32 (32 Kbit).
• Mạch lái và hiển thị: IC ghi dịch 8-bit 74HC595 kết hợp IC đệm dòng Darlington ULN2803 điều khiển các module LED 7 đoạn kích thước lớn (1.8 inch và 1.2 inch); IC driver chuyên dụng MAX7219 quét và điều khiển 8 LED 7 đoạn kích thước 0.56 inch tại trạm con.
• Giao tiếp máy tính: Mạch chuyển đổi USB sang UART TTL dựa trên chip PL2303HX / CP2102.

Phương pháp nghiên cứu

• Phương pháp phân tích - tính toán kỹ thuật: Tính toán điện trở hạn dòng cho từng đoạn LED 7 đoạn (kết hợp các thông số điện áp thuận $V_{LED}$ và dòng định mức $I_{LED}$), tính toán tổng công suất tiêu thụ dòng của toàn bộ bảng hiển thị để lựa chọn nguồn cấp Adapter phù hợp, tính toán thời gian phóng nạp của tụ điện phục vụ mạch phát hiện mất nguồn khẩn cấp.
• Phương pháp thực nghiệm và thi công phần cứng: Thiết kế sơ đồ nguyên lý, vẽ mạch in (PCB) trên máy tính, gia công mạch đồng, hàn lắp linh kiện và đóng vỏ hộp công nghiệp cho trạm con và trạm chính.
• Phương pháp phát triển phần mềm: Xây dựng firmware nhúng trên nền tảng Arduino IDE; lập trình ứng dụng máy tính bằng ngôn ngữ C# trên Microsoft Visual Studio 2015; thiết kế hệ thống bảng dữ liệu lưu trữ trên Microsoft SQL Server.

---

Thiết kế và triển khai hệ thống

Kiến trúc phần cứng hệ thống

Hệ thống quản lý dây chuyền sản xuất được phân tách thành 3 khối trạm hoạt động độc lập và liên kết dữ liệu qua sóng vô tuyến:

Trạm chức năng	Thành phần phần cứng chính	Chức năng hoạt động
Trạm con (Slave)	- MCU ATmega328P - Module LoRa SX1278 (AS-TTL-100) - IC MAX7219 + LED 7 đoạn 0.56 inch - Cụm nút nhấn sắt công nghiệp - Adapter nguồn 5V/1A	Nhận thao tác tăng/giảm số lượng sản phẩm đạt và lỗi từ công nhân; hiển thị tức thời; phát gói tin dữ liệu qua LoRa; chờ nhận tín hiệu xác nhận (ACK).
Trạm chính (Master)	- MCU ATmega328P - Module LoRa SX1278 - Bảng hiển thị: 5 module LED 1.8 inch (4 số) + 3 module LED 1.2 inch (2 số) - IC 74HC595 + IC đệm dòng ULN2803 - Cảm biến DS18B20 + RTC DS1307 - 6 nút nhấn cấu hình - Adapter nguồn 9V/5A + AMS1117-5V	Thu thập dữ liệu từ trạm con và máy tính; đọc nhiệt độ môi trường và thời gian thực; xử lý quét dữ liệu ra bảng hiển thị LED cỡ lớn; gửi tín hiệu phản hồi xác nhận cho trạm con.
Trạm máy tính (PC)	- Máy tính cài Windows - Ứng dụng Visual Studio 2015 + SQL Server - Mạch chuyển đổi USB-UART (PL2303HX/CP2102) - Module LoRa SX1278	Nhập chỉ tiêu kế hoạch ca; tiếp nhận dữ liệu không dây; hiển thị trực quan biểu đồ sản lượng; lưu trữ lịch sử vào CSDL; xuất báo cáo định dạng Excel.

Tính toán mạch điện và nguồn cung cấp

1. Tính toán trở hạn dòng cho LED 1.8 inch (Trạm chính):

   • Cấu tạo mỗi thanh gồm 3 LED đơn mắc nối tiếp ($V_{LED} = 2{,}2\text{V}$, $I_{LED} = 15\text{mA}$), nguồn cấp $V_{CC} = 9\text{V}$.
   • Trở hạn dòng cho các đoạn $a, b, c, d, e, f, g$: $$R = \frac{V_{CC} - 3 \times V_{LED}}{I_{LED}} = \frac{9 - 3 \times 2{,}2}{0{,}015} = 160,\Omega$$
   • Trở hạn dòng cho dấu chấm ($dp$, chỉ gồm 1 LED đơn, dòng chọn $30\text{mA}$): $$R_{dp} = \frac{V_{CC} - V_{LED}}{I_{dp}} = \frac{9 - 2{,}2}{0{,}03} = 227,\Omega$$

2. Tính toán trở hạn dòng cho LED 1.2 inch (Trạm chính):

   • Cấu tạo mỗi thanh gồm 2 LED đơn nối tiếp, nguồn cấp $V_{CC} = 5\text{V}$.
   • Trở hạn dòng cho các thanh: $$R = \frac{V_{CC} - 2 \times V_{LED}}{I_{LED}} = \frac{5 - 2 \times 2{,}2}{0{,}015} = 40,\Omega$$
   • Trở hạn dòng cho dấu chấm ($dp$): $$R_{dp} = \frac{V_{CC} - V_{LED}}{I_{dp}} = \frac{5 - 2{,}2}{0{,}03} = 90,\Omega$$

3. Tính toán công suất nguồn bảng hiển thị trạm chính:

   • Dòng tiêu thụ 1 LED 7 đoạn: $15\text{mA} \times 8 = 120\text{mA}$.
   • Dòng tiêu thụ 1 module 4 số (1.8 inch): $4 \times 120\text{mA} = 480\text{mA}$.
   • Dòng tiêu thụ 1 module 2 số (1.2 inch): $2 \times 120\text{mA} = 240\text{mA}$.
   • Tổng dòng cấp cho 5 module 4 số và 3 module 2 số: $$I_{\text{tổng}} = (5 \times 480\text{mA}) + (3 \times 240\text{mA}) = 2.400\text{mA} + 720\text{mA} = 3.120\text{mA}$$
   • Cộng thêm dòng tiêu thụ của khối điều khiển vi xử lý ($<500\text{mA}$), hệ thống lựa chọn Adapter nguồn 9V/5A nhằm đảm bảo dự phòng tải.

Cơ chế chống mất dữ liệu khi mất điện đột ngột

Nhằm tránh mất mát số liệu đếm khi nguồn lưới bị ngắt, đề tài thiết kế mạch phần cứng chuyên dụng kết hợp phần mềm:

• Mạch phát hiện mất điện liên tục giám sát điện áp đầu vào.
• Khi mất nguồn, mạch gửi tín hiệu ngắt khẩn cấp đến vi điều khiển ATmega328P.
• Năng lượng điện tích trữ trong các tụ lọc nguồn lớn trên bo mạch phóng điện duy trì điện áp cho MCU trong khoảng thời gian đủ để thực thi chương trình con: ghi toàn bộ dữ liệu biến đếm hiện thời vào bộ nhớ EEPROM nội của chip.
• Khi hệ thống được cấp nguồn trở lại, chương trình khởi động sẽ đọc lại các giá trị từ EEPROM để khôi phục trạng thái sản xuất.

Giao thức truyền thông và phần mềm máy tính

• Giao thức truyền dữ liệu không dây: Trạm con đóng gói dữ liệu thành khung 256 bytes và truyền qua LoRa. Sau khi phát, trạm con kích hoạt bộ đếm thời gian chờ 1 giây. Nếu nhận được phản hồi ACK từ trạm chính, quá trình truyền hoàn tất; nếu quá 1 giây không có phản hồi, trạm con tự động truyền lại. Sau 3 lần gửi lại không thành công, hệ thống sẽ phát tín hiệu báo lỗi truyền thông.
• Phần mềm quản trị C# .NET: Cung cấp giao diện trực quan cho phép người dùng nhập thông tin ca, mã sản phẩm, mục tiêu kế hoạch. Tỷ lệ phần trăm hoàn thành được tự động tính toán theo công thức: $$\text{Tỷ lệ đạt (%)} = \left(\frac{\text{Thực tế}}{\text{Tiến độ}}\right) \times 100$$ Phần mềm kết nối cơ sở dữ liệu SQL Server, lưu vết toàn bộ ca sản xuất và cung cấp tính năng trích xuất báo cáo ra định dạng bảng tính Excel.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Trình bày tính cấp thiết của việc hiện đại hóa khâu giám sát sản xuất tại các nhà máy, xí nghiệp; nêu rõ mục tiêu nghiên cứu, 6 nội dung công việc cần thực hiện, các giới hạn kỹ thuật của hệ thống và cấu trúc bố cục 6 chương của toàn bộ khóa luận.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Cung cấp chi tiết nguyên lý hoạt động của bảng điện tử quản lý năng suất; cấu trúc phần cứng, chân chức năng, các chế độ truyền (Điểm - Điểm, Cố định, Broadcast) và thông số kỹ thuật của module LoRa AS-TTL-100 (SX1278); phân tích kiến trúc vi điều khiển AVR (ATmega32/ATmega328P), cơ chế ngắt, bộ Timer/Counter và chuẩn truyền thông UART, I2C; trình bày thông số kỹ thuật và sơ đồ chân của cảm biến DS18B20, IC ghi dịch 74HC595, IC driver MAX7219, IC thời gian thực DS1307 và chip chuyển đổi CP2102.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Xây dựng sơ đồ khối chi tiết cho trạm con, trạm chính, trạm máy tính và sơ đồ khối toàn hệ thống; phân tích yêu cầu kỹ thuật và đưa ra các lựa chọn linh kiện tối ưu; tính toán chi tiết điện trở hạn dòng cho các module LED 7 đoạn kích thước 1.8 inch, 1.2 inch và 0.56 inch; tính toán chọn nguồn Adapter 5V/1A và 9V/5A; thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch phát hiện mất nguồn và lưu dữ liệu khẩn cấp vào EEPROM; thiết lập sơ đồ nguyên lý hoàn chỉnh cho toàn bộ các khối phần cứng.

Chương 4: Thi công hệ thống

Trình bày quy trình thiết kế và chế tạo mạch in (PCB) cho mạch xử lý trạm con, mạch xử lý trạm chính, mạch hiển thị LED 7 đoạn 1.8 inch, LED 1.2 inch, module MAX7219, mạch giao tiếp máy tính và mạch báo mất nguồn; chi tiết quá trình lắp ráp linh kiện, đóng hộp bộ điều khiển trạm con và gia công khung vỏ bảng hiển thị trạm chính; xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển cho vi điều khiển (trạm con, trạm chính, kiểm tra truyền nhận dữ liệu); thiết lập giao diện phần mềm máy tính trên Visual Studio 2015, cơ sở dữ liệu Microsoft SQL Server; biên soạn tài liệu hướng dẫn vận hành và các bước thao tác trên phần mềm.

Chương 5: Kết quả - Nhận xét - Đánh giá

Trình bày hình ảnh sản phẩm thực tế đã chế tạo hoàn chỉnh gồm bảng hiển thị LED trạm chính, hộp điều khiển trạm con và giao diện phần mềm trên PC; đánh giá hoạt động thực nghiệm về độ ổn định truyền thông không dây LoRa, độ chính xác của cảm biến nhiệt độ DS18B20, tính chuẩn xác của thời gian thực DS1307, khả năng đáp ứng của giao diện phần mềm và độ tin cậy của tính năng lưu dữ liệu EEPROM khi mất điện.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Tổng kết các kết quả đạt được đối chiếu với các mục tiêu đề ra ban đầu; phân tích các ưu điểm nổi bật và những mặt còn hạn chế của đề tài; đề xuất các hướng mở rộng kỹ thuật nhằm nâng cao tính tự động hóa và khả năng ứng dụng thực tiễn của sản phẩm trong môi trường công nghiệp.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

• Chế tạo thành công phần cứng hoàn chỉnh:
  • 01 Bảng hiển thị trạm chính kích thước lớn sử dụng 5 module 4 số LED 1.8 inch và 3 module 2 số LED 1.2 inch, hiển thị rõ nét từ cự ly xa các thông số: Kế hoạch, Thực tế, Lỗi, Tỷ lệ hoàn thành, Nhiệt độ môi trường (từ DS18B20) và Thời gian thực (từ DS1307).
  • 01 Bộ điều khiển trạm con nhỏ gọn, trang bị nút nhấn sắt công nghiệp chống va đập và màn hình LED 7 đoạn 0.56 inch (lái bởi MAX7219).
  • 01 Khối thu phát USB-UART LoRa kết nối trực tiếp với máy tính.
• Hoàn thiện giải pháp phần mềm và truyền thông:
  • Ứng dụng Windows Form (C#) trên Visual Studio 2015 giao tiếp ổn định với trạm chính qua cổng COM ảo, kết nối Microsoft SQL Server để lưu trữ số liệu ca làm việc và hỗ trợ xuất dữ liệu ra bảng tính Excel.
  • Mạng không dây LoRa 433 MHz truyền nhận dữ liệu thông suốt, ổn định trong môi trường nhà xưởng có nhiều vật cản ở cự ly dưới 300 m.
  • Thuật toán tự động phát lại (timeout 1s, tối đa 3 lần) và cơ chế lưu trữ EEPROM khi mất điện hoạt động chính xác, đảm bảo không thất thoát dữ liệu sản xuất.

Đóng góp thực tiễn của đề tài

• Cung cấp một giải pháp giám sát sản xuất bán tự động chi phí thấp, phù hợp với điều kiện ứng dụng tại các xưởng sản xuất vừa và nhỏ tại Việt Nam.
• Thay thế hoàn toàn phương thức thống kê sản lượng thủ công bằng giấy tờ, giúp giảm thiểu sai sót do con người và rút ngắn thời gian tổng hợp báo cáo ca.
• Tạo tính trực quan tại hiện trường sản xuất thông qua bảng LED cỡ lớn, giúp công nhân tự theo dõi tiến độ và tạo động lực hoàn thành chỉ tiêu kế hoạch.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

• Giới hạn dung lượng đếm: Hệ thống được thiết kế với dải hiển thị số lượng sản phẩm trong một ngày dưới 10.000 đơn vị.
• Phương thức thu thập dữ liệu đầu vào: Vẫn phụ thuộc vào việc công nhân thao tác bấm nút nhấn bằng tay ở khâu cuối, chưa tích hợp cảm biến đếm tự động trên băng chuyền.
• Nền tảng phần mềm: Ứng dụng giám sát máy tính mới chỉ tương thích với hệ điều hành Windows, chưa hỗ trợ giám sát đa nền tảng qua Web hoặc thiết bị di động.
• Khoảng cách truyền vô tuyến: Cự ly truyền thông thực tế bị suy giảm đáng kể (dưới 300 m) so với thông số lý thuyết của nhà sản xuất (3.000 m) do ảnh hưởng của tường bê tông, máy móc kim loại và nhiễu sóng trong môi trường nhà xưởng.

Hướng phát triển

• Tích hợp thêm các loại cảm biến công nghiệp (cảm biến quang điện, cảm biến tiệm cận hoặc camera xử lý ảnh) để tự động nhận diện và đếm sản phẩm trên băng chuyền thay cho nút bấm thủ công.
• Mở rộng giao thức truyền thông mạng LoRa để kết nối đồng thời nhiều trạm con (nhiều dây chuyền sản xuất) về cùng một trạm chính và một máy tính trung tâm.
• Phát triển hệ thống giám sát trên nền tảng Web Server / Điện toán đám mây (Cloud) để người quản lý có thể theo dõi tiến độ sản xuất từ xa thông qua điện thoại thông minh hoặc máy tính bảng.
• Bổ sung các thuật toán tính toán chỉ số hiệu suất thiết bị tổng thể (OEE - Overall Equipment Effectiveness) vào phần mềm máy tính.

---

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án là nguồn tham khảo kỹ thuật hữu ích cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Điện tử - Viễn thông, Cơ điện tử, và Kỹ thuật Máy tính.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu gồm:

• Kỹ thuật thiết kế mạch công suất hiển thị: Phương pháp tính toán điện trở hạn dòng, thiết kế tầng đệm dòng sử dụng kết hợp IC 74HC595 và ULN2803 để lái các loại LED 7 đoạn kích thước lớn (1.8 inch và 1.2 inch) dùng nguồn đa cấp (5V, 9V).
• Thiết kế an toàn dữ liệu nhúng: Sơ đồ nguyên lý và giải pháp phần mềm cho mạch cảnh báo mất điện đột ngột kết hợp phóng nạp tụ điện và ghi bộ nhớ EEPROM khẩn cấp trên vi điều khiển AVR.
• Ứng dụng truyền thông LoRa công nghiệp: Quy trình cấu hình chân AUX, chuyển đổi 4 chế độ hoạt động và thiết lập các hình thức truyền (Point-to-Point, Broadcast) trên module LoRa SX1278 (AS-TTL-100).
• Tích hợp hệ thống SCADA/HMI cơ bản: Kỹ thuật lập trình ứng dụng C# giao tiếp cổng nối tiếp (Serial Port/UART), quản trị cơ sở dữ liệu Microsoft SQL Server và xuất báo cáo Excel.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống xử lý như thế nào khi quá trình truyền nhận dữ liệu LoRa giữa trạm con và trạm chính gặp sự cố?

Khi trạm con phát gói tin dữ liệu số lượng sản phẩm đi, vi điều khiển ATmega328P sẽ kích hoạt bộ đếm thời gian chờ trong 1 giây để nhận tín hiệu xác nhận (ACK) từ trạm chính. Nếu sau 1 giây không nhận được phản hồi, vi điều khiển sẽ tự động gửi lại gói tin. Quy trình gửi lại được lặp lại tối đa 3 lần; nếu sau 3 lần vẫn không nhận được ACK, hệ thống trạm con sẽ phát tín hiệu báo lỗi truyền thông để người vận hành kiểm tra.

2. Cơ chế lưu trữ dữ liệu của hệ thống khi nguồn điện lưới bị ngắt đột ngột hoạt động ra sao?

Hệ thống được trang bị mạch phát hiện mất nguồn chuyên dụng. Khi điện áp nguồn chính bị ngắt, mạch này gửi tín hiệu ngắt đến vi điều khiển ATmega328P. Nhờ năng lượng tích trữ trong các tụ điện dung lượng lớn trên bo mạch xả ra từ từ, vi điều khiển duy trì hoạt động thêm một khoảng thời gian ngắn đủ để thực thi lệnh lưu toàn bộ các biến số đếm sản lượng hiện tại vào bộ nhớ EEPROM nội của chip. Khi có điện trở lại, vi điều khiển tự động đọc dữ liệu từ EEPROM để tiếp tục ca làm việc mà không bị mất số liệu.

3. Tại sao trạm chính sử dụng IC 74HC595 kết hợp ULN2803 để điều khiển LED 7 đoạn, trong khi trạm con lại dùng IC MAX7219?

Tại trạm chính, bảng hiển thị sử dụng các LED 7 đoạn kích thước lớn (1.8 inch và 1.2 inch) gồm nhiều LED đơn mắc nối tiếp nên đòi hỏi điện áp cấp cao (9V) và dòng điện lớn (mỗi đoạn tiêu thụ khoảng 15 mA, toàn bảng lên tới hơn 3,1 A). Do đó, cần kết hợp IC ghi dịch 74HC595 với IC đệm dòng chịu áp cao ULN2803. Ngược lại, tại trạm con chỉ cần hiển thị 8 chữ số LED 7 đoạn loại nhỏ (0.56 inch) phục vụ người bấm nút ở khoảng cách gần, nên việc sử dụng 01 IC điều khiển chuyên dụng MAX7219 giúp mạch nhỏ gọn, tiết kiệm chân vi điều khiển và đơn giản hóa thiết kế phần cứng.

4. Bảng hiển thị trạm chính tiêu thụ dòng điện bao nhiêu và lựa chọn nguồn cấp như thế nào?

Theo tính toán thiết kế, bảng hiển thị gồm 5 module 4 số (LED 1.8 inch) và 3 module 2 số (LED 1.2 inch). Dòng tiêu thụ cực đại của mỗi chữ số LED là $120\text{mA}$ ($15\text{mA} \times 8$ đoạn). Tổng dòng tiêu thụ của toàn bộ các module LED là $(5 \times 4 \times 120\text{mA}) + (3 \times 2 \times 120\text{mA}) = 2.400\text{mA} + 720\text{mA} = 3.120\text{mA}$. Cộng thêm dòng tiêu thụ của mạch điều khiển vi xử lý ($<500\text{mA}$), tổng dòng điện yêu cầu khoảng 3,6 A. Do đó, hệ thống trang bị Adapter nguồn 9V/5A để đảm bảo cung cấp đủ công suất và độ bền cho thiết bị.

5. Những giới hạn kỹ thuật chính của hệ thống được tác giả xác định là gì?

Khóa luận giới hạn phạm vi kỹ thuật của hệ thống gồm: số lượng sản phẩm giám sát tối đa trong ngày dưới 10.000 sản phẩm; dải đo nhiệt độ môi trường từ -55°C đến +125°C; cự ly truyền thông không dây RF LoRa giữa các trạm đạt dưới 300 m trong môi trường nhà xưởng có nhiều vật cản và nhiễu điện từ; phần mềm quản lý trên máy tính được xây dựng chuyên biệt và chỉ tương thích với hệ điều hành Windows.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công hệ thống giám sát sản xuất" của tác giả Dương Văn Lực đã hoàn thành trọn vẹn các mục tiêu nghiên cứu và yêu cầu kỹ thuật đề ra ban đầu. Hệ thống giải quyết hiệu quả bài toán quản lý năng suất bán tự động trong các dây chuyền gia công, lắp ráp hoàn thiện thông qua việc tích hợp vi điều khiển ATmega328P, truyền thông không dây LoRa tầm xa và bảng hiển thị LED kích thước lớn. Toàn bộ mô hình phần cứng và ứng dụng máy tính C# kết nối cơ sở dữ liệu SQL Server đã được chế tạo, thử nghiệm thực tế với độ ổn định cao, thời gian đáp ứng nhanh và cơ chế bảo toàn dữ liệu an toàn khi xảy ra sự cố mất nguồn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Chương này trình bày khái quát về công nghệ Lora, các thông số và ý nghĩa của các linh kiện chính sử dụng cho thiết kế bộ điều khiển (vi điều khiển Arduino, module Lora, cảm biến nhiệt độ, module thời gian thực).  Chương 3: Thiết kế và tính toán Chương này sẽ trình bày sơ đồ khối của bộ điều khiển, đưa ra các phương án thực hiện và lựa chọn phương án tối ưu nhất để thực hiện. Chương này cũng trình bày các yêu cầu cần có đối với phần mềm điều khiển trên máy tính, từ đó làm cơ sở để viết ứng dụng.

Ngoài ra, còn trình bày phần yêu cầu đối với phần mềm điều khiển của vi điều khiển và lưu đồ hoạt động của chương trình.  Chương 4: Thi công hệ thống Trình bày quá trình thi công PCB, lắp ráp và kiểm tra mạch.  Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá Chương này sẽ trình bày các kết quả đạt được sau thời gian thực hiện đề tài gồm có hình ảnh về sản phẩm (bộ điều khiển và ứng dụng trên máy tính), đánh giá sai số, tính ổn định của hệ thống, thời gian đáp ứng của hệ thống, tính thẩm mỹ, tính an toàn, tính dễ sử dụng, tính bảo mật, …  Chương 6: Kết luận và hướng phát triển Trình bày ngắn gọn kết quả thu được, những gì làm được và chưa làm được so với mục tiêu ban đầu. Đưa ra hướng phát triển để sản phẩm hoàn thiện hơn.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3 Luan van CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2 .1 GIỚI THIỆU BẢNG ĐIỆN TỬ QUẢN LÍ SẢN XUẤT Bảng điện tử quản lý sản xuất hay còn gọi bảng giám sát năng xuất, bảng đếm sản phẩm… hiện nay đang được đưa vào các khâu sản xuất trong các nhà máy sản xuất thiết bị hàng loạt, nhằm nâng cao hiệu quả quản lý, đồng thời thúc đẩy quá trình lao động của công nhân, giúp họ chủ động hơn trong việc hoàn thành mục tiêu sản xuất đã được đặt ra. Ngoài vấn đề tương thích dễ dàng với dây chuyền sản xuất nó còn mang tính kinh tế, giúp giảm phần lớn chi phí cho nhà máy.1: Bảng điện tử quản lí sản xuất Bảng hiển thị kế hoạch, thực tế, tỷ lệ đạt của hàng sản xuất trong cả một ca (Tổng số) và của từng mã hàng trong ca đó (Đơn vị). Khi hoạt động, ô kế hoạch ở cả hai cột sẽ tự động đếm lên một đơn vị trong khoảng thời gian xác định.

Khoảng thời gian này được đặt bởi người dùng bằng điều khiển từ xa đi kèm mỗi bảng. Ô thực tế ở hai cột sẽ đếm lên một đơn vị khi có sản phẩm được hoàn thành. Ô tỷ lệ đạt hiển thị tiến độ sản xuất của ca (Tổng số) hay của từng mã hàng (Đơn vị) theo phần trăm. Được tính bằng công thức: Tỷ lệ đạt = (Thực tế/Tiến độ)x100.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 Luan van CHƯƠNG 2.2 GIỚI THIỆU MODULE LORA LoRa là một module thu phát sóng RF với khoảng cách xa khoảng vài trăm mét đến vài ngàn mét trong môi trường lý tưởng. Với băng tần hoạt động là 433Mhz.2: Phạm vi ứng dụng của công nghệ truyền thông RF LoRa Trước đây LoRa được dùng trong quân sự và không gian do khoảng cách truyền xa hơn các thiết bị thu phát RF khác. Ngày nay LoRa được dùng trong thương mại do giá thành rẻ và dễ sử dụng. Ưu điểm của LoRa là truyền tín hiệu ở 1 khoảng cách xa.

1 trạm thu phát sử dụng LoRa có thể bao phủ một vùng có bán kính lên đến 3000m tùy vào môi trường, địa hình và công suất cấp cho LoRa. Mạch thu phát LoRa được sử dụng trong hệ thống là RF UART LoRa AS-TTL- 100 433 Mhz có khoảng cách truyền tối đa là 3000m trong môi trường lý tưởng.3: AS-TTL-100 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 Luan van CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chuẩn LoRa mang đến 2 yếu tố quan trọng là tiết kiệm năng lượng và khoảng cách siêu xa và có thể cấu hình thành mạng.1: Chức năng các chân của module Số chân Kí hiệu Ứng dụng 1 M0 Kết hợp với M1 để cài đặt 4 chế độ hoạt động của LoRa 2 M1 Kết hợp với M0 để cài đặt 4 chế độ hoạt động của LoRa 3 RXD Nối với chân TX của Vi điều khiển để truyền tín hiệu 4 TXD Nối với chân RX của Vi điều khiển để truyền tín hiệu 5 AUX Chỉ các trạng thái của LoRa 6 VCC Kết nối với nguồn 5V 7 GND Kết nối với Mass (0V)  Thông số kỹ thuật: - Module: E32-TTL-100 RF. - IC chính: SX1278 từ SEMTECH.

- Điện áp hoạt động: 2. - Điện áp giao tiếp: TTL. - Tần số hoạt động : 410 -441Mhz. - Công suất: 20dbm (100mW).

- Dòng điện ở chế độ ngủ (M1=1 M0=1): 1,7uA. - Chuẩn giao tiếp: UART. - Độ dài chuỗi khi nhận: gói dữ liệu 256 bytes. - Độ dài chuỗi khi truyền: gói dữ liệu 256 bytes.

- Khoảng cách truyền tối đa trong điều kiện lý tưởng: 3000m.2 Kbps ( mặc định 2. - Hỗ trợ 65536 địa chỉ cấu hình. - Nhiệt độ hoạt động bình thường: -30oC ~ +85 oC. - Độ ẩm hoạt động bình thường : 10% ~ 90%.

- Nhiệt độ hoạt động: -40oC~125oC. - Kích cỡ: 21x36mm. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 Luan van CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Bảng 2.2: Các chế độ làm việc của LORA Chế độ Trạng M1 M0 Mô tả Chú ý làm việc thái Mở serial, Thiết bị nhận sẽ nhận được Bình 0 0 0 wireless.

Truyền dữ liệu khi hoạt động ở chế thường nhận liên tục. Đánh Mở serial, Thiết bị nhận chỉ nhận được 1 0 1 thức wireless. dữ liệu khi ở chế độ 0,1,2. Tiết Thiết bị nhận chỉ nhận được Đóng serial.

kiệm dữ liệu khi thiết bị truyền ở 2 1 0 Wireless ở trạng năng chế độ 1 ( thiết bị truyền thái đánh thức. lượng không được ở chế này) Module ở chế độ ngủ, và có thể 3 Ngủ 1 1 nhận các thông số để cài đặt cấu hình.  Chế độ hoạt động bình thường (M1 = 0, M1 = 0) Truyền: LoRa nhận dữ liệu người dùng từ cổng Serial. Khi LoRa nhận được dữ liệu đầu tiên, đầu ra AUX ở mức thấp thấp, đặt tất cả các dữ liệu vào IC RF và khởi động bắt đầu, chân TX ở mức cao.

Tại thời điểm này, gói dữ liệu không dây đã bắt đầu truyền, bạn có thể truyền lên đến 256 byte dữ liệu/s. Các gói dữ liệu được gửi thông qua chế độ 0, nó chỉ có thể được nhận bởi các LoRa ở chế độ 0,1. Nhận: LoRa mở cổng nhận dữ liệu không dây, Chân AUX sẽ ở mức cao khi nhận xong gói dữ liệu. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 Luan van CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT  Chế độ hoạt động báo thức (M0 = 1, M1 = 0) Truyền: LoRa truyền dữ liệu giống chế độ 0. Khi ở chế độ này thì khi truyền thì LoRa sẽ tự động gửi kèm 1 mã dùng để kích hoạt chế độ wake-up trong mỗi gói dữ liệu. Nhận: LoRa hoạt động giống chế độ Nomal.  Chế độ hoạt động tiết kiệm pin (M0 = 0, M1 = 1) Truyền: LoRa sẽ không truyền được dữ liệu.

Nhận: LoRa sẽ nhận dữ liệu khi nhận thì LoRa sẽ nhận mã đánh thức ở chế độ 1, chân AUX sẽ lên lại mức cao khi nhận xong gói dữ liệu.3: Theo dõi dòng điện khi ở chế độ tiết kiệm pin của nhà sản xuất Rate\ 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 Delay(ms) 1KBPS 1,16 0,58 0,39 0,29 0,23 0,19 0,17 0,15 mA mA mA mA mA mA mA mA 10KBPS 179u 92uA 63uA 48uA 39uA 34uA 30uA 27uA A 20KBPS 121u 63uA 43uA 34uA 27uA 24uA 21uA 19uA A 25KBPS 121u 63uA 43uA 34uA 27uA 24uA 21uA 19uA A  Chế độ hoạt động ngủ (M0=1, M1=1) Truyền: LoRa sẽ không thể truyền tải dữ liệu Nhận: LoRa sẽ không nhận được dữ liệu Chế độ “ngủ” này dùng để cấu hình LoRa. Thay đổi thông số cài đặt. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 Luan van CHƯƠNG 2.1 Giới thiệu về chân AUX Chân AUX là 1 chân ngõ ra dùng để báo hiệu LoRa có truyền nhận được hay không. Chân AUX sẽ ở mức thấp khi LoRa không có tín hiệu truyền đi hoặc nhận vào.

Truyền theo kiểu nối tiếp (Serial).4: Mô tả hoạt động của chân AUX trong việc truyền dữ liệu Chân AUX sẽ ở mức 1 và sẽ xuống mức 0 khi TX, RX bắt đầu truyền nhận trong khoảng 1-2ms và khi kết thúc việc truyền hoặc nhận gói dữ liệu đó thì chân AUX sẽ lên mức 1.5: Mô tả hoạt động của chân aux khi cấu hình Chân AUX sẽ ở mức 0 khi LoRa còn trong quá trình cấu hình các thông số hoạt động và sẽ lên mức 1 khi cấu hình xong. Chú ý:  Chân AUX ở mức 0 nếu LoRa đang hoạt động có nghĩa là LoRa ko truyền nhận được.  Khi LoRa truyền nhận, AUX sẽ chuyển mức hoạt động trong 2ms. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 9 Luan van CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT  Khi chuyển chế độ từ ngủ qua bình thường chân AUX sẽ ở hoạt động mức 0.2 Các chế độ truyền của lora  Chế độ truyền điểm- điểm (Point to Point) Hình 2.6: Chế độ truyền điểm - điểm Ở hình thức truyền này, cả 2 LoRa được đặt cùng địa chỉ và cùng kênh. Ở hình thức truyền này không phân biệt LoRa nào là địa chỉ Host hay địa chỉ thường.  Chế độ truyền cố định Hình 2.7: Chế độ truyền cố định Ở hình thức này, một module có thể giao tiếp với một module khác cả khi khác kênh và khác địa chỉ. Ở chế độ này thì phải chọn chế độ chỉ định (Target) trong mục chế độ truyền (Transmit mode).

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 10 Luan van CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT  Truyền theo chế độ Broadcast Hình 2.8: Hình thức truyền broadcast Ở hình thức này, một module được cấu hình với địa chỉ là FF FF, module này có thể phát dữ liệu đến tất cả các module có cùng kênh. Để chuyển tới một địa chỉ mong muốn thì phải chuyển module sang chế độ Target. Khi chọn chế độ này thì phải chọn chế độ truyền liên tục (Transparent) trong mục chế độ truyền (Transmit mode).3 GIỚI THIỆU VI ĐIỀU KHIỂN AVR Vi điều khiển AVR thuộc họ vi điều khiển do Atmel sản xuất (Atmel cũng là nhà sản xuất các vi điều khiển họ 89C51).

Đây là họ vi điều khiển được chế tạo theo kiến trúc RISC (Reduced Intruction Set Computer) có cấu trúc tập lệnh rút gọn.