CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .1 Lý do chọn đề tài .2 Mục tiêu nghiên cứu .3 Phương pháp nghiên cứu .4 Giới hạn của đề tài .5 Đối tượng nghiên cứu .6 Nội dung nghiên cứu .7 Bố cục quyển báo cáo. 4 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .1 Tổng quan về phòng sạch .2 Tổng quan về hệ thống IoT .3 Công nghệ mạng Bluetooth Mesh .1 Cơ sở lý thuyết về công nghệ Bluetooth .2 Cơ sở lý thuyết về công nghệ mạng Bluetooth Mesh .3 Cấu trúc một mạng Bluetooth Mesh.4 Các thành phần trong một Node của mạng Bluetooth Mesh.5 Sensor Model trong mạng Bluetooth Mesh. 10 iii MỤC LỤC 2.6 Cấu trúc gói tin trong mạng Bluetooth Mesh .7 Quá trình thêm Node mới vào mạng Bluetooth Mesh .8 Quá trình xóa Node ra khỏi mạng Bluetooth Mesh .4 Các chuẩn giao tiếp .1 Cơ sở lý thuyết về chuẩn giao tiếp UART.2 Cơ sở lý thuyết về chuẩn giao tiếp RS-232 .3 Cơ sở lý thuyết về chuẩn giao tiếp RS-485 .4 Cơ sở lý thuyết về chuẩn giao tiếp I2C .5 Cơ sở lý thuyết về chuẩn giao tiếp SPI .6 Cơ sở lý thuyết về chuẩn giao tiếp SDIO .7 Cơ sở lý thuyết về chuẩn giao tiếp USB .5 Giới thiệu phần cứng .1 Mạch lọc EMI .2 IC truyền nhận RS-232 MAX3232 .3 IC truyền nhận RS-485 MAX3485 .4 IC thời gian thực DS3231 .5 IC thời gian thực PCF8563 .6 Màn hình LCD SSD1306 .7 Màn hình DWIN DMG10600T101_A5WTC .8 Vi điều khiển ESP32 và ESP32-S3 .9 Module nguồn xung AC-DC Hi-Link PM01, 5M24 và 10M12 .10 IC hạ áp DC-DC TPS5430 .11 IC hạ áp LDO AMS1117 .1 Cảm biến chênh áp FPS1000. 43 iv MỤC LỤC 2.2 Cảm biến gió, nhiệt độ và độ ẩm AM1100 .3 Cảm biến bụi mịn PMS7003 .4 Cảm biến IRCO2 .7 Các phần mềm và khung phần mềm (FRAMEWORK) .5 FreeRTOS trên ESP32 .6 ESP-BLE-MESH .8 Thiết bị đo chuẩn .1 Buồng tạo gió OMEGA Engineering WT4401-D .2 Máy đo lưu lượng không khí KIMO DBM-610 .3 Tủ vi khí hậu Memmert ICH110 .4 Máy nồng độ Oxygen và CO2 Quantek Model 902D DualTrack .5 Máy đếm hạt tiểu phân CliMET CI-450t.
55 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG .1 Yêu cầu hệ thống .2 Mô hình hệ thống.3 Thiết kế phần cứng .1 Chức năng phần cứng .2 Sơ đồ khối phần cứng .3 Phần cứng Gateway .4 Phần cứng các Node .4 Thiết kế phần mềm .1 Phần mềm trên Gateway .2 Phần mềm trên Node .5 Thiết kế giao diện người dùng .1 Giao diện HMI trên Gateway .2 Giao diện LCD trên Node. 126 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ .1 Kết quả phần cứng .1 Thiết bị Gateway .2 Thiết bị Node .2 Kết quả phần mềm .1 Thiết bị Gateway .2 Thiết bị Node .3 Thực nghiệm kiểm tra độ chính xác của các thiết bị với các máy đo chuẩn .1 Kết quả đo giữa cảm biến IRCO2 với máy đo nồng độ Oxygen và CO2 Quantek Model 902D .2 Kết quả đo giữa cảm biến tốc độ gió AM1100-3-BV với buồng tạo gió OMEGA Engineering WT4401-D.3 Kết quả đo giữa cảm biến chênh áp FPS1000-250EV-B với đồng hồ đo chênh áp KIMO DBM-610.4 Kết quả đo giữa cảm biến nhiệt độ, độ ẩm AM1100-3-BV với tủ vi khí hậu Memmert ICH110 .5 Kết quả đo giữa cảm biến đếm hạt bụi mịn PMS7003 với máy đếm tiểu phân CLIMET CI-450t .4 Thực nghiệm sản phẩm của đề tài với phòng sạch. 158 vi MỤC LỤC 4.5 Thực nghiệm kiểm tra độ ổn định của hệ thống .1 Thực nghiệm khoảng cách truyền sóng của thiết bị trong môi trường không vật cản .2 Thực nghiệm khoảng cách truyền sóng của thiết bị trong môi trường có vật cản .3 Thực nghiệm khoảng cách truyền sóng của hệ thống trong môi trường có vật cản. 163 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .1 Kết quả đạt được.2 Hạn chế của đề tài.2 Hướng phát triển.
169 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 171 vii DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 2.1 Cấu trúc liên kết của một mạng Bluetooth Mesh.2 Các thành phần trong một Node.3 Cấu trúc của một Network PDU.4 Sơ đồ nối dây giao tiếp UART.5 Cấu trúc khung truyền dữ liệu UART.6 Dạng sóng truyền nhận dữ liệu chuẩn UART.7 Sơ đồ nối dây giữa 2 thiết bị giao tiếp RS-232.8 Dạng sóng và mức điện áp Logic giữa TTL/CMOS và RS-232 trên máy tính.9 Sơ đồ nối dây của chế độ truyền đơn công.10 Sơ đồ nối dây của chế độ truyền song công.11 Hình ảnh mô tả triệt tiêu nhiễu khi qua bộ vi sai.12 Dạng sóng trên cặp dây A-B và mức Logic tương ứng.13 Hệ thống các thiết bị giao tiếp theo chuẩn I2C.14 Cấu tạo phần cứng của chuẩn I2C.15 Lựa chọn giá trị điện trở kéo lên theo tốc độ giao tiếp.16 Cấu trúc khung truyền dữ liệu I2C.17 Dạng sóng truyền nhận dữ liệu chuẩn I2C.18 Sơ đồ nối dây đơn giản giữa thiết bị chủ và thiết bị tớ.19 Dạng sóng truyền nhận dữ liệu của SPI với trạng thái CLK đặt thấp và lấy mẫu dữ liệu cạnh lên.20 Mô tả cách kết nối dùng nhiều chân CS.21 Mô tả cách kết nối dùng một chân CS.22 Sơ đồ kết nối dây giữa thiết bị chủ và 2 thiết bị tớ với 4-bit SDIO. 28 viii DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 2.23 Mô tả truyền nhận dữ liệu lệnh và phản hồi trong SDIO.24 Khung truyền dữ liệu của lệnh gửi từ thiết bị chủ trong SDIO.25 Khung truyền dữ liệu của phản hồi gửi từ thiết bị tớ trong SDIO.26 Quá trình đọc dữ liệu từ thiết bị tớ trong SDIO.27 Quá trình ghi dữ liệu vào thiết bị tớ trong SDIO.28 Truyền nhận dữ liệu theo từng byte.29 Truyền nhận dữ liệu theo chuỗi dài các bit.30 Sơ đồ kết nối dây của USB.31 Mô tả cách xác định tính hiệu nhận được là 0 hay 1.32 Khung truyền bảng tin thông báo.33 Khung truyền bảng tin dữ liệu.34 Khùng truyền bảng tin bắt tay.35 Khung truyền bảng tin bắt đầu khung truyền.36 Mô dòng hiệu nhiễu different mode và cách loại bỏ.37 Mô tả dòng điện nhiễu common mode và cách loại bỏ.38 Sơ đồ nguyên lý mạch lọc EMI.39 Thanh công cụ cung cấp các tính năng tạo giao diện trên DWIN DGUS.40 Các nút nhận sự kiện được tạo với phần mềm DWIN DGUS.41 Vị trí theo dõi chênh lệch áp suất tạo ra gió.42 Các mặt cản không khí.43 Vị trí lắp các mặt cản không khí.44 Giá trị quy đổi chênh áp ra tốc độ gió và phạm vi buồng gió tạo ra với các mặt cản khí.45 Mặt trước bộ đo các thông số trong buồng tạo gió. 52 ix DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 2.46 Mặt trước của thiết bị KIMO DBM-610.47 Mặt sau của thiết bị KIMO DBM-610.48 Hình ảnh thiết bị Quantek Model 902D DualTrack.1 Tổng quan mô hình hệ thống.2 Sơ đồ khối tổng quan phần cứng cho Gateway.3 Sơ đồ khối phần cứng chung của Node.4 Sơ đồ nguyên lý vi điều khiển ESP32-S3 của Gateway.5 Sơ đồ nguyên lý khối thông báo của Gateway.6 Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị của Gateway.7 Sơ đồ nguyên lý khối thời gian thực của Gateway.8 Sơ đồ nguyên lý khối thẻ nhớ của Gateway.9 Sơ đồ nguyên lý khối USB của Gateway.10 Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi điện xoay chiều thành một chiều của Gateway.11 Sơ đồ nguyên lý mạch hạ áp của Gateway.12 Sơ đồ nguyên lý mạch hạ áp tuyến tính của Gateway.13 Mặt trên bo mạch Gateway.14 Mặt dưới bo mạch Gateway.15 Các đường mạch của Gateway.16 Hình ảnh 3D mặt trên của Gateway.17 Hình ảnh 3D mặt dưới của Gateway.18 Hình ảnh 3D góc nhìn các cổng kết nối bên dưới của Gateway.19 Góc nhìn phía trên của Gateway.20 Mô hình 3D góc nhìn tổng quan của Gateway.21 Mô hình 3D vỏ hộp và màn hình HMI của Gateway.
72 x DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 3.22 Mô hình 3D vị trí các cổng kết nối của Gateway.23 Mô hình 3D vị trí đặt bo mạch của Gateway.24 Mô hình 3D phần khung vỏ của Gateway.25 Bản vẽ 2D Chi tiết số 1 của hộp Gateway .26 Bản vẽ 2D Chi tiết số 2 của hộp Gateway.27 Bản vẽ 2D Chi tiết số 3 của hộp Gateway.28 Bản vẽ 2D Chi tiết số 4 của hộp Gateway.29 Sơ đồ nguyên lý khối ESP32 của Node.30 Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị của Node.31 Sơ đồ nguyên lý khối thời gian thực của Node.32 Sơ đồ nguyên lý khối thẻ nhớ của Node.33 Sơ đồ nguyên lý khối thông báo của Node .34 Sơ đồ nguyên lý khối đọc cảm biến gió, nhiệt độ và độ ẩm AM1100- 3-BV.35 Sơ đồ nguyên lý mạch đọc cảm biến nồng độ CO2 IRCO2.36 Sơ đồ nguyên lý mạch đọc cảm biến bụi mịn PMS7003.37 Sơ đồ nguyên lý mạch đọc cảm biến chênh áp FSP1000.38 Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi AC-DC của Node.39 Sơ đồ nguyên lý mạch hạ áp của Node.40 Sơ đồ nguyên lý mạch hạ áp tuyến tính của Node.41 Mặt trên của bo Node đọc cảm biến gió, nhiệt độ và độ ẩm AM1100- 3-BV .42 Mặt dưới của bo Node đọc cảm biến gió, nhiệt độ và độ ẩm AM1100- 3-BV.43 Các đường mạch của Node đọc cảm biến gió, nhiệt độ và độ ẩm AM1100-3-BV. 86 xi DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 3.44 Hình ảnh 3D mặt trên của Node đọc cảm biến gió, nhiệt độ và áp suất AM1100-3-BV.45 Hình ảnh 3D mặt dưới của Node đọc cảm biến gió, nhiệt độ và độ ẩm AM1100-3-BV.46 Hình ảnh 3D góc nhìn khác của Node đọc cảm biến AM1100-3-BV.47 Mặt trên của bo Node đọc cảm biến nồng độ CO2 IRCO2.48 Mặt dưới bo Node đọc cảm biến nồng độ CO2 IRCO2.49 Các đường mạch bo Node đọc cảm biến nồng độ CO2 IRCO2.50 Hình ảnh 3D mặt trên bo Node đọc cảm biến nồng độ CO2 IRCO2.51 Hình ảnh 3D mặt dưới bo Node đọc cảm biến nồng độ CO2 IRCO2.52 Hình ảnh 3D góc nhìn khác của Node đọc cảm biến IRCO2.53 Mặt trên bo Node đọc cảm biến bụi mịn PMS7003.54 Mặt dưới bo Node đọc cảm biến bụi mịn PMS7003.55 Các đường dây mạch bo Node đọc cảm biến bụi mịn PMS7003.56 Hình ảnh 3D mặt trên board Node đọc cảm biến bụi mịn PMS7003.57 Hình ảnh 3D mặt dưới mạch đọc cảm biến bụi mịn PMS7003.58 Hình ảnh 3D góc nhìn khác bo Node đọc cảm biến bụi mịn PMS7003.59 Mặt trên bo Node đọc cảm biến chênh áp FSP1000.60 Mặt dưới bo Node đọc cảm biến chênh áp FSP1000.61 Các đường mạch của Node đọc cảm biến chênh áp FSP1000.62 Hình ảnh 3D mặt trên bo đọc cảm biến chênh áp FSP1000.63 Hình ảnh 3D mặt dưới bo đọc cảm biến chênh áp FSP1000.64 Góc nhìn khác từ Node đọc cảm biến chênh áp FSP1000.65 Vỏ hộp cho các Node. 97 xii DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 3.66 Bản vẽ của vỏ hộp Node.67 Lưu đồ chương trình chính trên Gateway.68 Lưu đồ chương trình trên Gateway (tiếp theo).69 Lưu đồ chương trình thực thi chức năng người dùng chọn từ HMI.70 Lưu đồ chương trình chức năng thêm Node tự động.