Thiết kế và thi công hệ thống IoT giám sát cảnh báo phòng sạch ứng dụng Bluetooth Mesh

LỜI CAM ĐOAN

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. Lý do chọn đề tài

1.2. Mục tiêu nghiên cứu

1.3. Phương pháp nghiên cứu

1.4. Giới hạn của đề tài

1.5. Đối tượng nghiên cứu

1.6. Nội dung nghiên cứu

1.7. Bố cục quyển báo cáo

2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1. Tổng quan về phòng sạch

2.2. Tổng quan về hệ thống IoT

2.3. Công nghệ mạng Bluetooth Mesh

2.3.1. Cơ sở lý thuyết về công nghệ Bluetooth

2.3.2. Cơ sở lý thuyết về công nghệ mạng Bluetooth Mesh

2.3.3. Cấu trúc một mạng Bluetooth Mesh

2.3.4. Các thành phần trong một Node của mạng Bluetooth Mesh

2.3.5. Sensor Model trong mạng Bluetooth Mesh

2.3.6. Cấu trúc gói tin trong mạng Bluetooth Mesh

2.3.7. Quá trình thêm Node mới vào mạng Bluetooth Mesh

2.3.8. Quá trình xóa Node ra khỏi mạng Bluetooth Mesh

2.4. Các chuẩn giao tiếp

2.4.1. Cơ sở lý thuyết về chuẩn giao tiếp UART

2.4.2. Cơ sở lý thuyết về chuẩn giao tiếp RS-232

2.4.3. Cơ sở lý thuyết về chuẩn giao tiếp RS-485

2.4.4. Cơ sở lý thuyết về chuẩn giao tiếp I2C

2.4.5. Cơ sở lý thuyết về chuẩn giao tiếp SPI

2.4.6. Cơ sở lý thuyết về chuẩn giao tiếp SDIO

2.4.7. Cơ sở lý thuyết về chuẩn giao tiếp USB

2.5. Giới thiệu phần cứng

2.5.1. Mạch lọc EMI

2.5.2. IC truyền nhận RS-232 MAX3232

2.5.3. IC truyền nhận RS-485 MAX3485

2.5.4. IC thời gian thực DS3231

2.5.5. IC thời gian thực PCF8563

2.5.6. Màn hình LCD SSD1306

2.5.7. Màn hình DWIN DMG10600T101_A5WTC

2.5.8. Vi điều khiển ESP32 và ESP32-S3

2.5.9. Module nguồn xung AC-DC Hi-Link PM01, 5M24 và 10M12

2.5.10. IC hạ áp DC-DC TPS5430

2.5.11. IC hạ áp LDO AMS1117

2.6. Cảm biến chênh áp FPS1000

2.7. Cảm biến gió, nhiệt độ và độ ẩm AM1100

2.8. Cảm biến bụi mịn PMS7003

2.9. Cảm biến IRCO2

2.10. Các phần mềm và khung phần mềm (FRAMEWORK)

2.10.1. FreeRTOS trên ESP32

2.10.2. ESP-BLE-MESH

2.11. Thiết bị đo chuẩn

2.11.1. Buồng tạo gió OMEGA Engineering WT4401-D

2.11.2. Máy đo lưu lượng không khí KIMO DBM-610

2.11.3. Tủ vi khí hậu Memmert ICH110

2.11.4. Máy nồng độ Oxygen và CO2 Quantek Model 902D DualTrack

2.11.5. Máy đếm hạt tiểu phân CliMET CI-450t

3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG

3.1. Yêu cầu hệ thống

3.2. Mô hình hệ thống

3.3. Thiết kế phần cứng

3.3.1. Chức năng phần cứng

3.3.2. Sơ đồ khối phần cứng

3.3.3. Phần cứng Gateway

3.3.4. Phần cứng các Node

3.4. Thiết kế phần mềm

3.4.1. Phần mềm trên Gateway

3.4.2. Phần mềm trên Node

3.5. Thiết kế giao diện người dùng

3.5.1. Giao diện HMI trên Gateway

3.5.2. Giao diện LCD trên Node

4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ

4.1. Kết quả phần cứng

4.1.1. Thiết bị Gateway

4.1.2. Thiết bị Node

4.2. Kết quả phần mềm

4.2.1. Thiết bị Gateway

4.2.2. Thiết bị Node

4.3. Thực nghiệm kiểm tra độ chính xác của các thiết bị với các máy đo chuẩn

4.3.1. Kết quả đo giữa cảm biến IRCO2 với máy đo nồng độ Oxygen và CO2 Quantek Model 902D

4.3.2. Kết quả đo giữa cảm biến tốc độ gió AM1100-3-BV với buồng tạo gió OMEGA Engineering WT4401-D

4.3.3. Kết quả đo giữa cảm biến chênh áp FPS1000-250EV-B với đồng hồ đo chênh áp KIMO DBM-610

4.3.4. Kết quả đo giữa cảm biến nhiệt độ, độ ẩm AM1100-3-BV với tủ vi khí hậu Memmert ICH110

4.3.5. Kết quả đo giữa cảm biến đếm hạt bụi mịn PMS7003 với máy đếm tiểu phân CLIMET CI-450t

4.4. Thực nghiệm sản phẩm của đề tài với phòng sạch

4.5. Thực nghiệm kiểm tra độ ổn định của hệ thống

4.5.1. Thực nghiệm khoảng cách truyền sóng của thiết bị trong môi trường không vật cản

4.5.2. Thực nghiệm khoảng cách truyền sóng của thiết bị trong môi trường có vật cản

4.5.3. Thực nghiệm khoảng cách truyền sóng của hệ thống trong môi trường có vật cản

5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

5.1. Kết quả đạt được

5.2. Hạn chế của đề tài

5.3. Hướng phát triển

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Thiết kế hệ thống IoT

Phần này tập trung vào thiết kế hệ thống IoT cho việc giám sát và cảnh báo phòng sạch. Hệ thống được thiết kế để thu thập dữ liệu từ các cảm biến như nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió, nồng độ CO2, số lượng hạt bụi mịn và độ chênh lệch áp suất. Công nghệ IoT được áp dụng để tạo ra một hệ thống tự động hóa, giúp quản lý phòng sạch hiệu quả hơn. Phần cứng và phần mềm được thiết kế để đảm bảo tính ổn định và độ chính xác cao.

1.1. Thiết kế phần cứng

Phần cứng của hệ thống bao gồm các thiết bị Node cảm biến và Gateway. Các Node được thiết kế để thu thập dữ liệu từ cảm biến và truyền dữ liệu qua Bluetooth Mesh. Gateway đóng vai trò trung tâm, thu thập dữ liệu từ các Node và hiển thị thông tin trên giao diện HMI. Vi điều khiển ESP32 và ESP32-S3 được sử dụng để xử lý dữ liệu và kết nối không dây.

1.2. Thiết kế phần mềm

Phần mềm được phát triển để điều khiển các thiết bị Node và Gateway. Các chương trình được viết để đọc giá trị từ cảm biến, xử lý dữ liệu và truyền thông qua Bluetooth Mesh. Giao diện HMI được thiết kế để hiển thị thông tin và cho phép người dùng tương tác với hệ thống. Phần mềm cũng hỗ trợ việc ghi lại dữ liệu và cảnh báo khi các thông số vượt ngưỡng cho phép.

II. Thi công hệ thống IoT

Phần này mô tả quá trình thi công hệ thống IoT từ thiết kế đến thực nghiệm. Các bước thi công bao gồm lắp đặt phần cứng, cài đặt phần mềm và hiệu chỉnh hệ thống. Hệ thống được thử nghiệm trong môi trường phòng sạch để đảm bảo tính chính xác và độ ổn định. Công nghệ Bluetooth Mesh được sử dụng để kết nối các thiết bị, tạo ra một mạng lưới truyền thông hiệu quả và tiết kiệm năng lượng.

2.1. Lắp đặt phần cứng

Các thiết bị Node và Gateway được lắp đặt và kết nối với nhau thông qua Bluetooth Mesh. Các cảm biến được lắp đặt tại các vị trí thích hợp trong phòng sạch để thu thập dữ liệu chính xác. Gateway được kết nối với màn hình HMI để hiển thị thông tin và cảnh báo. Quá trình lắp đặt được thực hiện cẩn thận để đảm bảo tính ổn định và độ bền của hệ thống.

2.2. Hiệu chỉnh hệ thống

Hệ thống được hiệu chỉnh để đảm bảo độ chính xác của dữ liệu thu thập. Các cảm biến được so sánh với thiết bị đo chuẩn để điều chỉnh sai số. Phần mềm được cập nhật để tối ưu hóa quá trình xử lý dữ liệu và truyền thông. Hệ thống được thử nghiệm trong các điều kiện khác nhau để đảm bảo tính ổn định và độ tin cậy.

III. Giám sát và cảnh báo phòng sạch

Hệ thống được thiết kế để giám sát phòng sạch và đưa ra cảnh báo khi các thông số vượt ngưỡng cho phép. Các cảm biến thu thập dữ liệu liên tục và truyền về Gateway để xử lý. Hệ thống cảnh báo được tích hợp để thông báo kịp thời khi có sự cố. Tự động hóa phòng sạch giúp giảm thiểu rủi ro và nâng cao hiệu quả quản lý.

3.1. Giám sát thông số môi trường

Hệ thống giám sát các thông số môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió, nồng độ CO2 và số lượng hạt bụi mịn. Dữ liệu được thu thập liên tục và hiển thị trên giao diện HMI. Hệ thống giám sát giúp người quản lý theo dõi tình trạng phòng sạch một cách chính xác và kịp thời.

3.2. Hệ thống cảnh báo

Hệ thống cảnh báo được tích hợp để thông báo khi các thông số vượt ngưỡng cho phép. Cảnh báo được hiển thị trên giao diện HMI và có thể được gửi qua các kênh thông báo khác. Hệ thống cảnh báo giúp ngăn ngừa các sự cố và đảm bảo an toàn cho phòng sạch.

IV. Ứng dụng Bluetooth Mesh

Bluetooth Mesh được sử dụng để kết nối các thiết bị trong hệ thống. Công nghệ này cho phép tạo ra một mạng lưới truyền thông hiệu quả và tiết kiệm năng lượng. Các thiết bị Node và Gateway được kết nối thông qua Bluetooth Mesh, đảm bảo tính ổn định và độ tin cậy của hệ thống. Kết nối không dây giúp giảm thiểu chi phí lắp đặt và bảo trì.

4.1. Cấu trúc mạng Bluetooth Mesh

Mạng Bluetooth Mesh được thiết kế với các Node và Gateway. Các Node thu thập dữ liệu từ cảm biến và truyền về Gateway. Gateway đóng vai trò trung tâm, xử lý dữ liệu và hiển thị thông tin. Cấu trúc mạng đảm bảo tính ổn định và khả năng mở rộng của hệ thống.

4.2. Ưu điểm của Bluetooth Mesh

Bluetooth Mesh mang lại nhiều ưu điểm như tiết kiệm năng lượng, khả năng mở rộng và độ tin cậy cao. Công nghệ này cho phép kết nối nhiều thiết bị trong một mạng lưới, giúp hệ thống hoạt động hiệu quả hơn. Kết nối không dây cũng giúp giảm thiểu chi phí lắp đặt và bảo trì.

Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế và thi công hệ thống IoT giám sát cảnh báo phòng sạch sử dụng công nghệ Bluetooth Mesh