Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Phòng sạch là môi trường không gian khép kín đóng vai trò quan trọng trong các lĩnh vực yêu cầu kiểm soát nghiêm ngặt các thông số hóa học và vật lý như dược phẩm, y tế, chế biến thực phẩm, công nghệ sinh học và sản xuất bán dẫn - điện tử vi mạch. Trong không gian này, các yếu tố môi trường bao gồm bụi mịn, độ ẩm, nhiệt độ, nồng độ khí carbon dioxide ($CO_2$), tốc độ gió của hệ thống thông gió và độ chênh lệch áp suất giữa bên trong với bên ngoài cần được duy trì ổn định. Sự xuất hiện của các hạt bụi mịn có thể gây hư hại các vi mạch điện tử, hoặc độ ẩm biến động làm suy giảm chất lượng thuốc và chế phẩm sinh học. Đồng thời, quá trình thao tác của nhân viên, sự cố hệ thống điều hòa - lọc khí (HVAC), hoặc rủi ro rò rỉ khí từ hệ thống cung cấp $CO_2$ và hệ thống phòng cháy chữa cháy có thể làm nồng độ $CO_2$ tăng vọt, đe dọa trực tiếp tính mạng và sức khỏe người làm việc bên trong.
Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn đó, Công ty LABone SCIENTIFIC (doanh nghiệp sản xuất, cung cấp thiết bị và thi công phòng sạch) đã đặt hàng phòng nghiên cứu 3DVisionLab thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh thiết kế một hệ thống giám sát, cảnh báo và thu thập dữ liệu tập trung qua kết nối không dây, nhằm tăng tính linh hoạt và giảm chi phí đi dây trong môi trường phòng sạch. Đề tài đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa được thực hiện bởi hai sinh viên Phạm Minh Tân và Nguyễn Trung Thảo, dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Văn Thái.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được xác định gồm:
- Thiết kế phần cứng và lập trình phần mềm cho hệ thống giám sát, cảnh báo và thu thập dữ liệu 6 thông số phòng sạch: nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió, nồng độ $CO_2$, số lượng hạt bụi mịn và độ chênh lệch áp suất.
- Xây dựng hoàn chỉnh 4 thiết bị Node cảm biến đo đạc độc lập và 1 thiết bị Gateway đóng vai trò làm bộ thu thập trung tâm.
- Ứng dụng công nghệ mạng không dây Bluetooth Mesh để thiết lập kết nối trao đổi dữ liệu tin cậy giữa Gateway và các Node.
- Thiết kế giao diện tương tác người - máy (HMI) màn hình cảm ứng công nghiệp trên Gateway và màn hình LCD trên từng Node.
- Thiết kế và gia công cơ khí vỏ hộp chuyên dụng bảo vệ các bo mạch thiết bị.
- Thực nghiệm đo kiểm, hiệu chỉnh thiết bị với các hệ thống đo chuẩn công nghiệp và thử nghiệm thực tế tại phòng sạch.
Đối tượng nghiên cứu của đồ án bao gồm: công nghệ mạng Bluetooth Mesh; các chuẩn giao tiếp có dây (UART, RS-232, RS-485, I2C, SPI, SDIO, USB); vi điều khiển ESP32 và ESP32-S3; kỹ thuật mạch nguồn xung và lọc nhiễu điện từ (EMI); phần mềm thiết kế mạch KiCad; màn hình HMI DWIN; và các dòng cảm biến đo môi trường phòng sạch.
Phạm vi nghiên cứu:
- Không gian nghiên cứu: Phòng thí nghiệm 3DVisionLab, Trung tâm Hiệu chuẩn và Thử nghiệm Vinacalib, và không gian phòng sạch thực tế do Công ty LABone SCIENTIFIC quản lý và khảo sát.
- Thời gian thực hiện: Từ tháng 2/2024 đến tháng 6/2024 (bảo vệ tốt nghiệp ngày 21/06/2024).
- Giới hạn đề tài: Đề tài tập trung thiết kế phần cứng và phần mềm nhúng cho các khối thiết bị; không tham gia thi công kiến trúc phòng sạch. Danh mục cảm biến và màn hình HMI được chỉ định và tài trợ bởi doanh nghiệp. Hệ thống hoàn thiện phạm vi thu thập dữ liệu qua Bluetooth Mesh và lưu trữ cục bộ, chưa tích hợp kết nối Internet để truyền thông dữ liệu lên nền tảng đám mây từ xa.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đồ án xây dựng dựa trên hệ thống cơ sở lý thuyết về tiêu chuẩn môi trường phòng sạch, kiến trúc mạng truyền thông không dây diện rộng công suất thấp, các chuẩn giao tiếp nối tiếp vi điều khiển và mạch điện tử công nghiệp.
Tiêu chuẩn phòng sạch được tác giả viện dẫn từ TCVN 8664-1:2011 (tương đương tiêu chuẩn quốc tế ISO 14644-1), tiêu chuẩn liên bang Hoa Kỳ FED STD 209E và các quy định Thực hành sản xuất tốt (GMP bao gồm GMP EU, GMP WHO, cGMP). Đánh giá môi trường phòng sạch dựa trên ba trạng thái: thiết lập (đang xây dựng), ngưng nghỉ (lắp đặt xong nhưng chưa có nhân sự), và hoạt động (vận hành đầy đủ máy móc và con người).
Khung lý thuyết mạng Bluetooth Mesh do Bluetooth SIG ban hành năm 2017 dựa trên nền tảng Bluetooth Low Energy (BLE). Bluetooth Mesh hoạt động theo cơ chế phát quảng bá (Advertising) và quét (Scanning) đa hướng (flooding), không yêu cầu duy trì kết nối điểm - điểm liên tục. Hệ thống phân chia các vai trò:
- Node: Thiết bị cơ bản tham gia mạng.
- Relay Node: Chuyển tiếp gói tin qua nhiều chặng (hop), giúp mở rộng phạm vi truyền thông.
- Low Power Node và Friend Node: Tiết kiệm năng lượng cho các cảm biến dùng pin thông qua cơ chế lưu trữ đệm tin nhắn.
- Mô hình Sensor Model: Sử dụng các mô hình Sensor Server Model (thu thập, lưu trữ, cung cấp dữ liệu), Sensor Client Model (gửi lệnh yêu cầu đọc dữ liệu) và Sensor Setup Server Model (cấu hình chu kỳ lấy mẫu Cadence, thiết lập ngưỡng kích hoạt cảnh báo Thresholds).
- Cấu trúc đơn vị dữ liệu mạng (Network PDU): Gồm các trường IVI (1 bit), NID (7 bit), CTL (1 bit), TTL (7 bit xác định số chặng chuyển tiếp tối đa 127), SEQ (24 bit quản lý chống trùng lặp gói tin), SRC (16 bit địa chỉ nguồn), DST (16 bit địa chỉ đích), TransportPDU (chứa khối dữ liệu tải), và mã xác thực NetMIC (32 bit hoặc 64 bit).
- Quá trình gia nhập mạng (Provisioning) gồm 5 giai đoạn: Beaconing, Invitation, Exchanging Public Keys, Authentication và Distribution of Provisioning Data; cùng quy trình loại bỏ nút an toàn thông qua danh sách từ chối và làm mới khóa mạng (Key Refresh).
Phương pháp nghiên cứu thực tế gồm có:
- Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Nghiên cứu cấu trúc giao thức ESP-BLE-MESH từ Espressif Systems, hệ điều hành thời gian thực FreeRTOS, tài liệu kỹ thuật IC phần cứng và các chuẩn truyền thông UART, RS-232, RS-485, I2C, SPI.
- Phương pháp thiết kế kỹ thuật: Sử dụng phần mềm KiCad để thiết kế sơ đồ nguyên lý và layout mạch in 2 lớp cho bo mạch Gateway và 4 bo mạch Node; phần mềm DWIN DGUS để lập trình giao diện HMI; thiết kế cơ khí 2D/3D cho vỏ hộp.
- Phương pháp thực nghiệm đo kiểm và đối chứng: Đo đạc thực nghiệm các cảm biến và so sánh độ chính xác với các thiết bị đo chuẩn chuyên dụng tại Trung tâm Hiệu chuẩn và Thử nghiệm Vinacalib và phòng 3DVisionLab.
- Phương pháp khảo sát thực địa: Bố trí toàn bộ thiết bị vào phòng sạch thực tế của Công ty LABone SCIENTIFIC để đánh giá tính tương thích và kiểm tra khoảng cách truyền sóng Bluetooth Mesh trong môi trường không vật cản và có vật cản.
Thiết kế và triển khai
Hệ thống được thiết kế theo kiến trúc phân tán gồm hai thành phần vật lý chính: Khối thu thập trung tâm (Gateway) và Khối các điểm đo ngoại vi (Node cảm biến).
| Thiết bị / Thành phần |
Mã hiệu / Công nghệ |
Vai trò kỹ thuật trong hệ thống |
| Bộ xử lý Gateway |
ESP32-S3 |
Vi điều khiển trung tâm, quản trị mạng Bluetooth Mesh (Provisioner/Client), xử lý giao diện HMI và lưu trữ |
| Bộ xử lý các Node |
ESP32 |
Vi điều khiển tại các trạm đo, đọc tín hiệu cảm biến, đóng vai trò Server Model truyền dữ liệu |
| Màn hình Gateway |
DWIN DMG10600T101_A5WTC |
Màn hình cảm ứng HMI 10.1 inch, độ phân giải 1024x600, giao tiếp UART/RS-232 |
| Màn hình Node |
LCD SSD1306 |
Màn hình OLED mini hiển thị thông số đo tức thời tại nút |
| Khối thời gian thực |
DS3231 / PCF8563 |
IC thời gian thực giao tiếp I2C gắn pin dự phòng, định thời gian chuẩn cho dữ liệu ghi chép |
| Mạch nguồn Gateway & Node |
HLK-PM01, HLK-5M24, HLK-10M12, TPS5430, AMS1117 |
Chuyển đổi nguồn lưới AC 220V sang DC 24V, 12V, hạ áp xung DC-DC xuống 5V và LDO xuống 3.3V |
| Khối lọc nhiễu nguồn |
Mạch lọc EMI (cuộn lọc common-mode, tụ X, tụ Y) |
Triệt tiêu nhiễu vi sai (different mode) và nhiễu đồng pha (common mode) từ lưới điện công nghiệp |
| Cảm biến chênh áp |
FPS1000 / FPS1000-250EV-B |
Đo độ chênh lệch áp suất phòng sạch với bên ngoài |
| Cảm biến khí hậu |
AM1100 / AM1100-3-BV |
Tích hợp đo tốc độ gió hệ thống cấp khí, nhiệt độ và độ ẩm không khí |
| Cảm biến bụi mịn |
PMS7003 |
Đo đếm nồng độ các hạt bụi siêu mịn trong không khí theo nguyên lý tán xạ laser |
| Cảm biến khí độc |
IRCO2 |
Cảm biến hồng ngoại không tán xạ (NDIR) đo nồng độ $CO_2$ |
| Thiết bị chuẩn đối chứng CO2 |
Quantek Model 902D DualTrack |
Máy đo chuẩn nồng độ Oxygen và $CO_2$ dùng đối chứng cảm biến IRCO2 |
| Thiết bị chuẩn đối chứng gió |
OMEGA Engineering WT4401-D |
Buồng tạo gió chuẩn dùng đối chứng cảm biến AM1100-3-BV |
| Thiết bị chuẩn đối chứng áp |
KIMO DBM-610 |
Máy đo lưu lượng không khí và áp suất chuẩn dùng đối chứng FPS1000 |
| Thiết bị chuẩn vi khí hậu |
Memmert ICH110 |
Tủ vi khí hậu kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm chuẩn dùng đối chứng AM1100-3-BV |
| Thiết bị chuẩn bụi mịn |
CliMET CI-450t |
Máy đếm hạt tiểu phân chuẩn phòng sạch dùng đối chứng PMS7003 |
Gateway được trang bị vi điều khiển ESP32-S3 hiệu năng cao, kết nối trực tiếp với màn hình HMI DWIN qua giao tiếp nối tiếp, khe cắm thẻ nhớ MicroSD qua giao tiếp SDIO/SPI và cổng USB Host cho phép người dùng cắm USB để sao chép dữ liệu. Mạch nguồn của Gateway tích hợp các khối cách ly và biến đổi xung công nghiệp từ AC-DC Hi-Link, mạch lọc EMI bảo vệ vi điều khiển khỏi các xung nhiễu điện lưới, cùng các IC hạ áp TPS5430 (3A) và AMS1117 cấp nguồn 3.3V ổn định. Gateway có vỏ hộp bảo vệ bằng kim loại gia công gồm 4 chi tiết cơ khí riêng biệt.
Mỗi Node cảm biến dùng vi điều khiển ESP32, tích hợp một màn hình OLED SSD1306 nhỏ trên bề mặt vỏ để người vận hành kiểm tra tại chỗ. Trên bo mạch Node tích hợp sẵn khe cắm thẻ nhớ để lưu trữ dữ liệu độc lập phòng khi mất kết nối mạng. Tùy thuộc vào loại cảm biến gắn ngoài (AM1100-3-BV, PMS7003, IRCO2, FPS1000), bo mạch Node được thiết kế các mạch chuyển đổi và giao tiếp vật lý phù hợp (UART, I2C, ADC, RS-485).
Phần mềm hệ thống được xây dựng trên nền tảng FreeRTOS:
- Cơ chế đa tác vụ trên Gateway quản lý đồng thời: Tác vụ nhận bản tin Bluetooth Mesh từ các Node; Tác vụ giao tiếp màn hình HMI để cập nhật đồ thị thời gian thực và nhận lệnh thao tác; Tác vụ quản trị mạng Mesh (quét và thêm Node qua định danh UUID 128-bit, xóa Node, đổi khóa bảo mật); Tác vụ ghi tệp nhật ký (log) dữ liệu vào thẻ nhớ và chức năng sao chép sang bộ nhớ flash USB; Tác vụ giám sát ngưỡng và kích hoạt còi cảnh báo.
- Phần mềm trên Node đảm nhiệm: Tác vụ đọc giá trị cảm biến định kỳ theo thời gian thực (RTC); Tác vụ cập nhật màn hình hiển thị OLED; Tác vụ ghi dữ liệu dự phòng vào thẻ nhớ nội bộ; Tác vụ phát dữ liệu Sensor Model thông qua mạng Bluetooth Mesh về Gateway.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan
Chương 1 giới thiệu lý do chọn đề tài dựa trên tính cấp thiết của việc kiểm soát chất lượng không khí và an toàn lao động trong môi trường phòng sạch công nghiệp. Tác giả trình bày đơn đặt hàng thực tế từ Công ty LABone SCIENTIFIC đối với phòng nghiên cứu 3DVisionLab. Chương này xác định rõ mục tiêu chế tạo hệ thống IoT hoàn chỉnh gồm 1 Gateway và 4 Node đo lường 6 thông số thông qua mạng Bluetooth Mesh; đồng thời phân định cụ thể các giới hạn đề tài, đối tượng nghiên cứu, phương pháp thực hiện và cấu trúc 5 chương của quyển báo cáo tốt nghiệp.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 2 cung cấp hệ thống cơ sở lý thuyết toàn diện hỗ trợ quá trình thiết kế:
- Trình bày định nghĩa, các yếu tố ảnh hưởng, ba trạng thái đánh giá và các bộ tiêu chuẩn phòng sạch (FED STD 209E, ISO 14644-1, GMP, TCVN 8664-1:2011).
- Trình bày kiến trúc hệ thống IoT tổng quát.
- Đi sâu vào công nghệ Bluetooth Mesh: Quá trình phát triển từ BLE, cấu trúc mạng lưới (Node, Low Power Node, Relay Node, Friend Node), kiến trúc bên trong một Node (Elements, Models, States), đặc tả Sensor Model, cấu trúc chi tiết từng trường của gói tin Network PDU, cùng các bước trong quy trình Provisioning và quy trình xóa Node.
- Phân tích nguyên lý hoạt động, cấu trúc khung truyền và dạng sóng của các chuẩn giao tiếp vật lý: UART, RS-232, RS-485, I2C, SPI, SDIO và USB.
- Giới thiệu thông số kỹ thuật của các IC phần cứng sử dụng: IC giao tiếp MAX3232, MAX3485; IC thời gian thực DS3231, PCF8563; màn hình LCD SSD1306 và HMI DWIN DMG10600T101_A5WTC; vi điều khiển ESP32, ESP32-S3; các module nguồn xung Hi-Link (HLK-PM01, 5M24, 10M12), IC hạ áp TPS5430, AMS1117; nguyên lý mạch lọc nhiễu EMI.
- Trình bày đặc tính kỹ thuật các cảm biến: FPS1000, AM1100, PMS7003, IRCO2.
- Giới thiệu các công cụ phần mềm: Hệ điều hành thời gian thực FreeRTOS, ESP-BLE-MESH, phần mềm DWIN DGUS.
- Thống kê thông số kỹ thuật của 5 thiết bị đo kiểm chuẩn: Buồng tạo gió OMEGA WT4401-D, máy đo lưu lượng KIMO DBM-610, tủ vi khí hậu Memmert ICH110, máy phân tích Quantek Model 902D DualTrack và máy đếm hạt tiểu phân CliMET CI-450t.
Chương 3: Thiết kế hệ thống
Chương 3 trình bày chi tiết các công đoạn tính toán và thiết kế hệ thống kỹ thuật:
- Đưa ra yêu cầu hệ thống và sơ đồ khối mô hình kết nối tổng quan.
- Thiết kế phần cứng Gateway: Lập sơ đồ nguyên lý khối vi điều khiển ESP32-S3, khối hiển thị HMI, khối thông báo (còi chíp, đèn LED), khối thời gian thực, khối thẻ nhớ SDIO, khối giao tiếp USB, khối chuyển đổi nguồn xoay chiều AC-DC kết hợp mạch lọc EMI và các khối hạ áp DC-DC/LDO. Thiết kế layout PCB 2 lớp mặt trên, mặt dưới, xuất mô hình không gian 3D và lập bản vẽ cơ khí 2D cho 4 chi tiết vỏ hộp Gateway.
- Thiết kế phần cứng Node: Xây dựng sơ đồ khối chung và sơ đồ nguyên lý riêng biệt cho 4 bo mạch Node (Node AM1100-3-BV đo gió/nhiệt/ẩm; Node IRCO2 đo $CO_2$; Node PMS7003 đo bụi mịn; Node FPS1000 đo chênh áp). Thiết kế layout mạch in PCB, mô hình 3D và bản vẽ chế tạo vỏ hộp Node.
- Thiết kế phần mềm: Lập lưu đồ thuật toán chương trình chính trên Gateway và các hàm chức năng (quản lý HMI, thêm/xóa Node tự động hoặc thủ công qua UUID, tạo tệp ghi dữ liệu thẻ nhớ, sao chép sang USB, cài đặt thời gian thực, thiết lập đồ thị). Lập lưu đồ chương trình chính trên Node và các tác vụ FreeRTOS (xử lý nút bấm, đọc RTC, đọc tín hiệu cảm biến, cập nhật màn hình OLED, xử lý sự kiện tháo lắp thẻ nhớ và ghi thẻ nhớ).
- Thiết kế giao diện người dùng: Thiết kế các trang màn hình vận hành, đồ thị theo dõi, bảng thông số, trang quản lý Node, cài đặt ngưỡng cảnh báo trên HMI DWIN; thiết kế các trang trạng thái hiển thị trên màn hình LCD mini của Node.
Chương 4: Kết quả
Chương 4 công bố toàn bộ sản phẩm thực tế và các dữ liệu thực nghiệm:
- Hình ảnh chụp thực tế bo mạch phần cứng, vị trí lắp ráp và thiết bị hoàn thiện của Gateway và 4 Node cảm biến.
- Giao diện vận hành phần mềm trên HMI: Hiển thị đồ thị độ ẩm, bảng thông số nồng độ $CO_2$, chức năng thêm/xóa nút Mesh, danh sách tệp lưu trữ và giao diện sao chép sang USB.
- Kết quả thực nghiệm kiểm tra độ chính xác cảm biến với các máy đo chuẩn:
- So sánh cảm biến IRCO2 với máy Quantek Model 902D qua các mức nồng độ $CO_2$.
- So sánh cảm biến tốc độ gió AM1100-3-BV với buồng tạo gió OMEGA WT4401-D.
- So sánh cảm biến chênh áp FPS1000-250EV-B với đồng hồ đo áp KIMO DBM-610.
- So sánh cảm biến nhiệt độ - độ ẩm AM1100-3-BV với tủ vi khí hậu Memmert ICH110.
- So sánh cảm biến đếm hạt bụi mịn PMS7003 với máy đếm hạt chuẩn CliMET CI-450t.
- Thực nghiệm lắp đặt toàn bộ hệ thống tại phòng sạch của Công ty LABone SCIENTIFIC để khảo sát hoạt động thực tế.
- Thực nghiệm kiểm tra độ ổn định và cự ly truyền thông Bluetooth Mesh:
- Thử nghiệm truyền nhận không vật cản: Gateway thu thập dữ liệu ổn định từ Node ở khoảng cách lên đến 40m.
- Thử nghiệm truyền nhận có vật cản: Đo cự ly trực tiếp giữa Gateway và 1 Node đạt 6m xuyên tường.
- Thử nghiệm hệ thống mạng 4 Node trong môi trường có vật cản: Dữ liệu từ các Node đo ($CO_2$, bụi mịn, gió - nhiệt - ẩm, chênh áp) được chuyển tiếp ổn định về Gateway qua 2 lần đo kiểm thử độc lập.
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển
Chương 5 tổng kết các kết quả đạt được so với mục tiêu ban đầu; chỉ ra các điểm còn tồn tại (hạn chế về cự ly kết nối khi có nhiều vật cản ngăn cách, chưa có kết nối Internet để theo dõi từ xa); và đề xuất các giải pháp phát triển hệ thống trong tương lai.
Kết quả và đóng góp
Đồ án đã chế tạo thành công sản phẩm phần cứng hoàn chỉnh gồm 1 Gateway và 4 Node cảm biến, hoạt động ổn định và đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật do Công ty LABone SCIENTIFIC đặt ra.
Dữ liệu đo kiểm đối chứng giữa các cảm biến trong đồ án với các thiết bị đo chuẩn công nghiệp được tác giả ghi nhận qua các bảng số liệu cụ thể:
| Cảm biến đề tài |
Thiết bị chuẩn đối chứng |
Thông số kiểm tra |
Giá trị đo kiểm thực nghiệm |
| IRCO2 |
Quantek Model 902D |
Nồng độ $CO_2$ |
Đối chứng nồng độ từ mức môi trường đến các mức tăng cường, đường đặc tính đáp ứng bám sát thiết bị chuẩn |
| AM1100-3-BV |
OMEGA WT4401-D |
Tốc độ gió |
Đặt các mức lưu lượng gió qua buồng tạo gió và các mặt cản; cảm biến phản hồi chính xác theo thời gian |
| FPS1000-250EV-B |
KIMO DBM-610 |
Độ chênh áp |
Đo kiểm chênh lệch áp suất phòng, giá trị bám sát đồng hồ đo vi sai KIMO DBM-610 |
| AM1100-3-BV |
Memmert ICH110 |
Nhiệt độ & Độ ẩm |
Kiểm tra trong tủ vi khí hậu ở các ngưỡng nhiệt độ và độ ẩm cài đặt; sai lệch nhiệt - ẩm duy trì trong ngưỡng cho phép |
| PMS7003 |
CliMET CI-450t |
Số hạt bụi mịn |
Đối chứng số lượng hạt bụi mịn theo các kích thước hạt, cho kết quả tương quan tốt với máy đếm tiểu phân chuyên dụng |
Kết quả thử nghiệm cự ly truyền thông mạng Bluetooth Mesh:
- Trong điều kiện không vật cản: Khoảng cách truyền nhận dữ liệu giữa Node và Gateway đạt 40 mét mà không làm mất gói tin.
- Trong điều kiện có tường và vật cản phòng sạch: Cự ly kết nối trực tiếp đạt 6 mét. Khi triển khai cấu hình lưới gồm 4 Node, các Node đóng vai trò chuyển tiếp (Relay), giúp toàn bộ dữ liệu từ các vị trí phòng sạch được truyền về Gateway thông suốt qua cả 2 phiên thử nghiệm.
Hệ thống cung cấp cơ chế lưu trữ phân tán hai lớp: Dữ liệu được ghi đồng thời vào thẻ nhớ MicroSD cục bộ trên từng Node và thẻ nhớ trên Gateway. Người dùng có thể cắm USB vào Gateway để sao chép toàn bộ tệp lịch sử định dạng bảng tính phục vụ phân tích mà không cần kết nối máy tính.
Các đóng góp chính do tác giả nêu ra:
- Chế tạo thành công một giải pháp giám sát phòng sạch không dây ứng dụng chuẩn Bluetooth Mesh, giúp loại bỏ việc đi dây tín hiệu phức tạp trong môi trường yêu cầu vô trùng và độ kín cao.
- Ứng dụng thành công giao thức Sensor Model trong Bluetooth Mesh trên các dòng chip ESP32 và ESP32-S3, tối ưu hóa việc quản lý và thêm/xóa thiết bị linh hoạt.
- Toàn bộ cảm biến sử dụng đều trải qua quy trình đo kiểm, so sánh thực nghiệm với hệ thống máy chuẩn đạt chứng nhận kiểm định chất lượng, tạo độ tin cậy khoa học cao cho các thông số thu thập.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của đề tài:
- Hệ thống hoạt động theo mô hình mạng nội bộ cục bộ, chưa tích hợp kết nối Internet (Wi-Fi, Ethernet hoặc mạng di động 4G/LTE), do đó người vận hành chưa thể giám sát, nhận cảnh báo hoặc truy xuất dữ liệu từ xa qua Web Server hay ứng dụng di động. Đây cũng là điểm hạn chế được giảng viên hướng dẫn TS. Nguyễn Văn Thái ghi nhận trong phiếu đánh giá đồ án.
- Các dòng cảm biến và màn hình HMI sử dụng phụ thuộc hoàn toàn vào danh mục thiết bị do doanh nghiệp tài trợ cung cấp, nhóm tác giả không trực tiếp nghiên cứu tối ưu hóa việc lựa chọn linh kiện cảm biến từ đầu.
- Khoảng cách truyền sóng Bluetooth Mesh đơn chặng trong môi trường có vật cản ngăn cách bị suy hao đáng kể (từ 40m trong không gian mở giảm xuống còn 6m khi có tường chắn), đòi hỏi phải bố trí mật độ các Node chuyển tiếp (Relay Node) phù hợp để duy trì tính liên tục của mạng.
Hướng nghiên cứu tiếp:
- Tích hợp thêm module truyền thông Internet (qua Wi-Fi hoặc modem mạng di động) vào thiết bị Gateway để truyền dữ liệu lên nền tảng đám mây (Cloud Server) qua giao thức MQTT/HTTP, phát triển ứng dụng di động và giao diện Web giám sát từ xa.
- Nghiên cứu cơ chế tự động điều khiển liên động: Mở rộng Gateway để xuất tín hiệu điều khiển trực tiếp đến hệ thống quạt thông gió, bộ lọc khí HEPA hoặc hệ thống điều hòa HVAC nhằm tự động cân bằng áp suất và nhiệt độ khi phát hiện thông số vượt ngưỡng cho phép.
- Nghiên cứu tối ưu hóa công suất phát và thuật toán định tuyến gói tin trên mạng Bluetooth Mesh nhằm tăng cường độ bền kết nối và mở rộng quy mô số lượng Node trong các nhà máy có diện tích phòng sạch lớn.
Giá trị tham khảo
Tài liệu đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo hữu ích cho các nhóm đối tượng sau:
- Sinh viên, học viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Công nghệ Thông tin (chuyên ngành Hệ thống nhúng và IoT) đang làm đồ án tốt nghiệp hoặc các đề tài nghiên cứu liên quan đến mạng cảm biến không dây.
- Kỹ sư thiết kế phần cứng và hệ thống nhúng trong công nghiệp: Đồ án cung cấp tài liệu chi tiết về sơ đồ nguyên lý mạch nguồn công nghiệp (AC-DC kết hợp DC-DC), mạch lọc chống nhiễu điện từ EMI, sơ đồ phối ghép các IC giao tiếp RS-232, RS-485, I2C, SDIO và cách bố trí bo mạch PCB 2 lớp đạt chuẩn hoạt động ổn định.
- Kỹ sư phát triển phần mềm nhúng: Phần tài liệu về cách triển khai thư viện ESP-BLE-MESH trên nền tảng FreeRTOS của vi điều khiển ESP32/ESP32-S3, quy trình cấu hình Sensor Model, đóng gói Network PDU, thuật toán thêm/xóa nút Mesh qua UUID 128-bit và giao tiếp với màn hình cảm ứng HMI DWIN qua DGUS là tài liệu thực hành có giá trị áp dụng trực tiếp.
- Kỹ thuật viên và cán bộ quản lý phòng sạch: Quy trình bố trí cảm biến, các lưu đồ thực nghiệm và phương pháp kiểm chuẩn cảm biến đối chứng với các máy đo chuẩn (buồng tạo gió OMEGA, máy đếm bụi CliMET, tủ vi khí hậu Memmert, máy phân tích khí Quantek, máy đo chênh áp KIMO) là nguồn tài liệu tham khảo thực tế để kiểm tra và vận hành môi trường phòng sạch.
Câu hỏi thường gặp
1. Đồ án sử dụng các dòng vi điều khiển nào cho Gateway và các Node cảm biến?
Đồ án sử dụng vi điều khiển ESP32-S3 cho thiết bị Gateway trung tâm nhờ năng lực tính toán cao, hỗ trợ quản lý màn hình HMI, lưu trữ tệp thẻ nhớ, USB Host và đóng vai trò làm Provisioner trong mạng Bluetooth Mesh. Đối với 4 thiết bị Node cảm biến đo lường ngoại vi, đồ án sử dụng vi điều khiển ESP32 để thu thập tín hiệu cảm biến và truyền dữ liệu về Gateway.
2. Hệ thống thu thập những thông số nào của phòng sạch và kiểm chuẩn bằng các máy đo chuyên dụng nào?
Hệ thống giám sát 6 thông số môi trường thông qua 4 cảm biến và được đối chứng bằng 5 thiết bị đo chuẩn công nghiệp:
- Cảm biến chênh áp FPS1000-250EV-B kiểm chuẩn bằng đồng hồ đo lưu lượng và áp suất không khí KIMO DBM-610.
- Cảm biến AM1100-3-BV đo tốc độ gió kiểm chuẩn bằng buồng tạo gió OMEGA Engineering WT4401-D; đo nhiệt độ và độ ẩm kiểm chuẩn bằng tủ vi khí hậu Memmert ICH110.
- Cảm biến nồng độ khí $CO_2$ IRCO2 kiểm chuẩn bằng máy đo nồng độ Oxygen và $CO_2$ Quantek Model 902D DualTrack.
- Cảm biến đếm hạt bụi mịn PMS7003 kiểm chuẩn bằng máy đếm hạt tiểu phân phòng sạch CliMET CI-450t.
3. Mạng Bluetooth Mesh trong đồ án truyền nhận dữ liệu theo cơ chế nào và mở rộng được bao nhiêu thiết bị?
Bluetooth Mesh trong đồ án hoạt động theo cơ chế phát bản tin quảng cáo (Advertising Bearer) và quét (Scanning) không cần duy trì kết nối điểm - điểm cố định, sử dụng mô hình Sensor Model (Sensor Server trên Node và Sensor Client trên Gateway) để quản lý việc truyền dữ liệu cảm biến theo chu kỳ (Cadence). Về mặt lý thuyết, công nghệ mạng Bluetooth Mesh cho phép kết nối và mở rộng hệ thống lên tới 32.768 thiết bị ngoại vi với tính năng bảo mật 2 lớp bằng khóa mạng NetKey và khóa ứng dụng AppKey.
4. Khi chưa có kết nối Internet, việc lưu trữ và trích xuất dữ liệu cảm biến được giải quyết ra sao?
Hệ thống triển khai cơ chế lưu trữ phân tán hai cấp: Tại mỗi Node, dữ liệu cảm biến được đồng thời ghi vào thẻ nhớ MicroSD nội bộ có định thời gian thực từ IC RTC. Tại Gateway, dữ liệu nhận được từ tất cả các Node được ghi vào thẻ nhớ trung tâm. Để trích xuất dữ liệu ra ngoài mà không cần kết nối máy tính, người vận hành có thể cắm trực tiếp ổ đĩa USB Flash vào cổng USB trên Gateway, sau đó sử dụng giao diện HMI DWIN để thực hiện lệnh sao chép các tệp nhật ký đo đạc từ thẻ nhớ sang USB.
5. Khoảng cách truyền thông của mạng Bluetooth Mesh trong các điều kiện thực nghiệm đạt bao nhiêu mét?
Trong điều kiện thực nghiệm không có vật cản, cự ly truyền thông ổn định giữa Gateway và Node cảm biến đạt 40 mét. Trong môi trường thực tế có tường ngăn và các tấm panel kim loại của phòng sạch gây cản trở sóng, cự ly kết nối trực tiếp đạt 6 mét. Tuy nhiên, nhờ cơ chế chuyển tiếp gói tin (Relay Node) của mạng Bluetooth Mesh, khi cả 4 Node cùng hoạt động, dữ liệu từ các vị trí xa trong phòng sạch vẫn được chuyển tiếp về Gateway ổn định và tin cậy.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công hệ thống IoT giám sát, cảnh báo và thu thập dữ liệu phòng sạch ứng dụng công nghệ mạng Bluetooth Mesh" đã giải quyết thành công bài toán thực tế do Công ty LABone SCIENTIFIC đặt ra cho phòng nghiên cứu 3DVisionLab. Nhóm tác giả đã hoàn thiện cả phần cứng mạch in lẫn phần mềm điều khiển cho 1 Gateway trung tâm tích hợp HMI DWIN và 4 Node cảm biến đo lường đầy đủ 6 thông số cốt lõi của phòng sạch. Các kết quả thực nghiệm đối chứng với 5 dòng thiết bị đo chuẩn chuyên dụng đã khẳng định độ tin cậy kỹ thuật của hệ thống, chứng minh tính khả thi của việc ứng dụng công nghệ Bluetooth Mesh trong môi trường công nghiệp yêu cầu kiểm soát chất lượng không khí nghiêm ngặt.
