Tài liệu: Ứng dụng iot điều khiển và giám sát nhiệt độ tủ lạnh

Tài liệu ứng dụng iot điều khiển và giám sát nhiệt độ tủ lạnh tổng hợp lý thuyết và thực hành, phục vụ học tập ngành tại Việt Nam

• Tác giả: Nguyễn Cát Tường
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Minh Tâm
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Ứng Dụng Iot Điều Khiển Và Giám Sát Nhiệt Độ Tủ Lạnh
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về Ứng dụng IoT Điều khiển và Giám sát

Ứng dụng IoT điều khiển và giám sát là một giải pháp công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực tự động hóa và điều khiển từ xa. Hệ thống này kết hợp các thiết bị cảm biến, bộ điều khiển thông minh và kết nối internet để cho phép người dùng kiểm soát và theo dõi các thông số công nghiệp hoặc dân dụng. Với sự phát triển của công nghệ IoT (Internet of Things), các ứng dụng điều khiển và giám sát đã trở nên phổ biến trong nhiều lĩnh vực như quản lý nhiệt độ tủ lạnh, hệ thống khí hậu, và các quy trình sản xuất công nghiệp. Đề tài này tập trung vào việc xây dựng một hệ thống IoT để điều khiển và giám sát nhiệt độ tủ lạnh thông qua các nền tảng ứng dụng Android và website, mang đến sự tiện lợi và hiệu quả cao trong quản lý năng lượng.

1.1. Khái niệm và tầm quan trọng của IoT

IoT (Internet of Things) là công nghệ kết nối các thiết bị vật lý thông qua mạng internet, cho phép chúng giao tiếp và chia sẻ dữ liệu. Trong bối cảnh hiện đại, IoT điều khiển và giám sát đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa quy trình hoạt động, giảm chi phí vận hành và nâng cao hiệu suất công việc. Các ứng dụng này giúp người dùng quản lý các thiết bị từ xa, tiết kiệm thời gian và tài nguyên, đồng thời cung cấp dữ liệu thực tế để ra quyết định.

1.2. Ứng dụng trong bảo quản thực phẩm

Hệ thống IoT điều khiển nhiệt độ tủ lạnh là một ứng dụng thực tiễn quan trọng trong bảo quản thực phẩm. Việc giữ ổn định nhiệt độ kho lạnh là yếu tố quyết định đến chất lượng thực phẩm. Thông qua giám sát nhiệt độ tự động và điều khiển từ xa, hệ thống đảm bảo thực phẩm được bảo quản tối ưu, giảm thiểu tổn hao và nâng cao an toàn thực phẩm.

II. Phương pháp thiết kế Hệ thống IoT Điều khiển

Hệ thống IoT điều khiển và giám sát nhiệt độ được thiết kế dựa trên kiến trúc ba tầng: tầng thiết bị (hardware), tầng kết nối (connectivity) và tầng ứng dụng (application). Tầng thiết bị bao gồm các cảm biến nhiệt độ, bộ điều khiển module ESP32, và bộ điều khiển Hanyoung VX4 để quản lý hệ thống làm lạnh. Tầng kết nối sử dụng giao thức Modbus RTU để truyền thông giữa các thiết bị. Tầng ứng dụng cung cấp giao diện người dùng thông qua ứng dụng Android và website, cho phép kiểm soát và theo dõi nhiệt độ từ bất kỳ nơi nào có kết nối internet. Phương pháp này đảm bảo tính linh hoạt, độ tin cậy cao và khả năng mở rộng hệ thống.

2.1. Các thành phần phần cứng chính

Hệ thống bao gồm module ESP32 làm bộ điều khiển chính, cảm biến nhiệt độ để đo lường, bộ điều khiển Hanyoung VX4 để điều chỉnh nhiệt độ, và các thiết bị kết nối khác. ESP32 được lập trình để giao tiếp với bộ điều khiển Hanyoung thông qua giao thức Modbus RTU, từ đó đưa ra các lệnh điều khiển tự động hoặc thủ công.

2.2. Giao thức truyền thông Modbus RTU

Modbus RTU là giao thức truyền thông tiêu chuẩn trong các ứng dụng công nghiệp, cho phép ESP32 giao tiếp với bộ điều khiển Hanyoung VX4. Giao thức này sử dụng truyền thông nối tiếp, hỗ trợ đọc/ghi dữ liệu từ các thiết bị khác nhau. Điều này giúp hệ thống IoT điều khiển hoạt động ổn định và hiệu quả.

III. Phát triển Ứng dụng Android và Website

Để tạo giao diện thân thiện với người dùng, đề tài phát triển ứng dụng Android và website cho phép giám sát và điều khiển nhiệt độ từ xa. Ứng dụng Android được thiết kế với giao diện trực quan, hiển thị dữ liệu nhiệt độ thực tế, lịch sử đo lường và cho phép người dùng thiết lập các thông số điều khiển. Website cung cấp các tính năng tương tự, có thể truy cập từ bất kỳ thiết bị nào có trình duyệt web. Cả hai ứng dụng kết nối với máy chủ IoT thông qua API, nhận dữ liệu từ cảm biến và gửi các lệnh điều khiển đến hệ thống. Việc lưu trữ dữ liệu trên cơ sở dữ liệu đám mây cho phép người dùng xem lịch sử và phân tích xu hướng nhiệt độ theo thời gian.

3.1. Thiết kế giao diện Ứng dụng Android

Ứng dụng Android cho hệ thống IoT điều khiển nhiệt độ được phát triển với các tính năng chính như hiển thị nhiệt độ real-time, đặt ngưỡng cảnh báo, và điều khiển bộ làm lạnh. Giao diện được thiết kế đơn giản, dễ sử dụng, với các biểu đồ để theo dõi biến động nhiệt độ. Ứng dụng cũng hỗ trợ thông báo push khi nhiệt độ vượt quá giới hạn cho phép.

3.2. Phát triển Platform Website Giám sát

Website giám sát được xây dựng để cung cấp giao diện tương tương với ứng dụng mobile, cho phép điều khiển từ xa thông qua trình duyệt web. Nó hiển thị dữ liệu cảm biến theo thời gian thực, biểu đồ lịch sử, và ghi nhật ký sự kiện. Website kết nối với máy chủ IoT qua API, cho phép quản trị viên theo dõi và điều khiển toàn bộ hệ thống từ bất kỳ vị trí nào.

IV. Kiểm thử Hiệu chuẩn và Triển khai Hệ thống

Quá trình kiểm thử hệ thống IoT điều khiển bao gồm các bước: kiểm tra kết nối phần cứng, xác thực giao thức Modbus RTU, kiểm thử chức năng của ứng dụng Android và website, và đánh giá độ chính xác của các cảm biến nhiệt độ. Hiệu chuẩn hệ thống được thực hiện bằng cách so sánh dữ liệu từ các cảm biến với các thiết bị đo chuẩn, đảm bảo sai số nằm trong phạm vi cho phép. Sau đó, hệ thống được triển khai vào môi trường thực tế để kiểm chứng hiệu suất và độ ổn định. Các tài liệu hướng dẫn sử dụng và bảo trì được chuẩn bị để hỗ trợ người dùng và kỹ thuật viên bảo dưỡng.

4.1. Quá trình Kiểm thử Hệ thống

Kiểm thử hệ thống IoT bao gồm các giai đoạn: kiểm tra kết nối ESP32 với bộ điều khiển Hanyoung, xác minh truyền thông Modbus RTU, kiểm thử giao diện ứng dụng Android và website, và đánh giá phản ứng của hệ thống khi nhiệt độ thay đổi. Các bài kiểm thử tình huống được tiến hành để đảm bảo hệ thống hoạt động chính xác trong điều kiện bình thường và bất thường.

4.2. Hiệu chuẩn và Triển khai

Hiệu chuẩn hệ thống đảm bảo rằng các cảm biến nhiệt độ và bộ điều khiển hoạt động với độ chính xác cao. Quá trình này bao gồm so sánh dữ liệu từ hệ thống với các thiết bị đo chuẩn. Sau triển khai, hệ thống IoT điều khiển được theo dõi liên tục để đảm bảo hoạt động bình thường, và các cải tiến được thực hiện dựa trên phản hồi của người dùng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Ngày nay xã hội ngày càng phát triển, công nghiệp hóa, hiện đại hóa ngày càng được nâng cao địa phát triển đất nước và cải thiện cuộc sống của người dân. Vì vậy việc ứng dụng khoa học kỹ thuật ngày càng rộng rãi, phổ biến và mang lại hiệu quả trong hầu hết các lĩnh vực y tế, kỹ thuật cũng như trong đời sống xã hội. Trong sản xuất và nông nghiệp, việc bảo quản thực phẩm đóng vai trò thiết yếu. Trong đó, nhiệt độ là một đại lượng ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm.

Vì thế, điều chỉnh nhiệt độ bảo quản một cách nhanh chóng và chính xác nhất là mục tiêu quan trọng trong đề tài của nhóm. Công nghệ ngày càng phát triển, các tiêu chuẩn mới cho việc bảo quản ngày càng khắt khe. Các sản phẩm tủ lạnh cũng cần được cải tiến tính năng, hiệu suất để đáp ứng nhu cầu của con người. Đặc biệt các sản phẩm tủ lạnh thông minh ngày càng phổ biến và được ưa chuộng.

Với các ưu điểm tuyệt vời so với tủ lạnh cơ điện lạnh truyền thống, việc ứng dụng các linh kiện điện tử giúp khả năng tương tác, hoạt động của tủ lạnh được đáp ứng một cách toàn diện. Với mong muốn bảo quản thực phẩm một cách tối ưu, nhóm đã lựa chọn đề tài “Ứng dụng IoT điều khiển và giám sát nhiệt độ kho lạnh”. Đây là một đề tài sát với thực tế, nhất là trong thời đại công nghệ 4.0 này đã tạo động lực cho nhóm để nghiên cứu kỹ hơn về các yếu tố kỹ thuật và dần làm chủ công nghệ. Mục tiêu đề tài Đề tài nghiên cứu được lên ý tưởng và thực hiện hướng đến những mục tiêu sau đây: • Thiết kế và thi công hoàn thiện mô hình phần cứng hệ thống, đảm bảo độ chắc chắn, gọn nhẹ, thẩm mỹ.

• Hệ thống có khả năng cho biết nhiệt độ hiện tại trong kho lạnh với độ chính xác cao. • Hệ thống hoạt động ổn định, dễ dàng vận hành, đảm bảo an toàn kĩ thuật. • Có thể giám sát và điều khiển quá trình hoạt động của hệ thống thông qua máy tính, thu thập dữ liệu và điều khiển trên điện thoại Android có kết nối 4G/Wifi. Phương pháp nghiên cứu Để có thể thực hiện để tài này, nhóm đã dựa trên những phương pháp và cơ sở như sau: • Từ những kiến thức cơ bản về lập trình arduino, thiết kế điện, cơ khí thông qua các môn học tại trường Đại học.

• Nghiên cứu kiến thức về lập trình ứng dụng android, lập trình web cơ bản. • Xây dựng đề tài dựa trên việc phát triển những đồ án môn học đã thực hiện trước đó. • Đánh giá nhu cầu thực tiễn của hệ thống trên khu vực địa bàn cũng như cả nước. • Tìm hiểu những hệ thống tương tự trên thế giới thông qua internet, để có được cái nhìn tồng quan nhất về nguyên lý hoạt hoạt động.

• Tham khảo tài liệu trong và ngoài nước của các cá nhân cũng, tập thể đã từng nghiên cứu về những hệ thống có tính năng tương tự. • Cuối cùng là đánh giá chi phí đề tài cũng như năng lực tài chính của nhóm để cho ra một mô hình hệ thống phù hợp và đảm bảo nhất. Giới hạn đề tài Trong đề tài này, để đảm bảo tính nhất quán đối với một mô hình, nhóm đã giới hạn các thông số như: • Số lượng thiết bị được điều khiển. • Tốc độ cấp lạnh của tủ lạnh.

• Đồng thời các yêu cầu khác về cơ cấu cơ khí và điện lạnh cũng nằm ngoài phạm vi nghiên cứu của đề tài. Nội dung đề tài Dưới đây là phần còn lại của đề tài, bao gồm các nội dung chính sẽ được thực hiện: • Chương 2. Cơ sở lý thuyết: Trình bày lý thuyết về tiêu chuẩn bảo quản thực phẩm, các kiến thức liên quan đến IoT, giao thức Modbus RTU thông qua chuẩn RS-485, nguyên lý hoạt động của tủ lạnh, cách thức hoạt động của bộ điều khiển Hanyoung VX4. Thiết kế phần cứng: Nêu yêu cầu của hệ thống, cách lựa chọn thiết 2 bị, thiết kế cơ khí, thiết kế sơ đồ kết nối phần cứng, sơ đồ nối dây.

Thuật toán điều khiển: Trình bày trình tự hoạt động của hệ thống, trình bày lưu đồ thuật toán, phần mềm và giao diện giám sát. Kết quả thực hiện, nhận xét và đánh giá: Thể hiện những kết quả đạt được của phần cứng và phần mềm thông qua hình ảnh và những thông số kỹ thuật. Thảo luận về kết quả thu được. Kết luận và hướng phát triển: Nêu những vấn đề đã giải quyết được và chưa giải quyết được.

Tiềm năng ứng dụng trong thực tế và giáo dục của hệ thống. Tổng quan về bảo quản thực phẩm Bảo quản thực phẩm được định nghĩa là quá trình ngăn ngừa vi khuẩn và kéo dài thời gian sử dụng của thực phẩm bằng cách lưu trữ thực phẩm trong các điều kiện phù hợp để sử dụng sau. Với lượng dân số ngày càng đông như hiện nay, nhu cầu lương thực thực phẩm là rất lớn, song song với đó là nguồn cung thực phẩm cũng phải dồi dào để có thể đáp ứng được. Tuy nhiên, việc sản xuất ra một số lượng lớn thực phẩm tươi cùng lúc, nếu không được tiêu thụ kịp thời sẽ gây ra lãng phí.

Vì vậy, con người đã nghĩ tới chuyện bảo quản thực phẩm. Người xưa bảo quản bằng cách sử dụng muối, giấm hoặc đường. Ngày nay, khi khoa học công nghệ đã phát triển, các phương pháp bảo quản thực phẩm cũng đa dạng và đơn giản hơn, hiệu quả cũng cao hơn. Bảo quản thực phẩm giúp kéo dài tuổi thọ của chúng, ngăn ngừa hư hỏng, bảo đảm nguồn cung thực phẩm được ổn định, cũng như đa dạng hóa thực phẩm trong cả năm thay vì phải đợi đến mùa.1 Bảo quản thực phẩm trong tủ lạnh Đảm bảo chất lượng thực phẩm trong quá trình bảo quản là vấn đề cốt lõi.

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của thực phẩm trong quá trình bảo quản, mà thông thường nhất chúng ta biết đó chính là nhiệt độ và độ ẩm không khí. Bên cạnh đó còn có 2 yếu tố cũng góp phần quan trọng không kém nhưng ít người để ý, đó là thành phần không khí và tốc độ dòng khí trong kho bảo quản. Với mỗi loại thực phẩm hay sản phẩm khác nhau, 4 chúng có các tiêu chuẩn khác nhau đối với mỗi yếu tố bảo quản đã được liệt kê ở trên. ❖ Nhiệt độ Đây là yếu tố quan trọng nhất.

Nhiệt độ ảnh hưởng đáng kể đến các quá trình hoạt động của vi sinh vật và phản ứng hóa học trong thực phẩm, sản phẩm. Nhiệt độ thấp làm chậm quá trình phát triển của vi sinh vật. Đối với nhiều vi khuẩn, điều kiện phát triển tối ưu được xác định ở nhiệt độ trên 00C (ví dụ như …), trong khi những loài khác vẫn có thể sinh sôi ở nhiệt độ thấp hơn, thậm chí xuống tới -120C (ví dụ như …). Độ lạnh sâu thường chỉ tiêu diệt được từ 10 cho đến 90% vi khuẩn.

Nói cách khác, không thể tiêu diệt toàn bộ vi khuẩn bởi quá trình đông lạnh. Thời gian tăng hay giảm nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến chất lượng của quá trình bảo quản. Một số loại thực phẩm yêu cầu nhiệt độ đáp ứng nhanh, một số khác lại cần thời gian đáp ứng chậm để tránh sự tác động đột ngột đến cấu trúc thực phẩm, sản phẩm cần bảo quản. Dưới đây là nhiệt độ thích hợp để bảo quản của một số loại thực phẩm: Bảng 2.

Nhiệt độ bảo quản một số loại thực phẩm. Loại thực phẩm Nhiệt độ bảo quản thích hợp (0C) Thịt tươi các loại -18 Tôm, cá tươi các loại -25 Rau, trái cây tươi 0~5 Mứt 0 ~ 20 Nước hoa quả 0 ~ 10 ❖ Độ ẩm Đây là thành phần quan trọng không kém gì so với yếu tố nhiệt độ. Sự phát triển của vi sinh vật cũng bị ảnh hưởng bởi không khí xung quanh. Khi độ ẩm môi trường quá thấp, hơi ẩm sẽ thoát ra khỏi sản phẩm, thực phẩm khiến chúng suy giảm về trọng lượng lẫn chất lượng.

Do đó, chúng ta cần duy trì một tỉ lệ độ ẩm thích hợp nhất định để giữ cho thực phẩm được tươi ngon cũng như kéo dài thời hạn sử dụng. Dưới dây là tỉ lệ độ ẩm không khí thích hợp đối với một số loại thực phẩm phổ biến: 5 Bảng 2. Độ ẩm bảo quản một số loại thực phẩm Loại thực phẩm Độ ẩm bảo quản thích hợp (%) Khoai tây 90~95 Cà chua 90~95 Táo 90~95 Hành, tỏi khô 65~70 Thịt gà 95~100 Cá tươi 95~100 ❖ Thành phần không khí Đối với một só loại trái cây, chẳng hạn như táo và lê, thành phần không khí trong phòng bảo quản thậm chí còn được điều chỉnh để duy trì chất lượng sản phẩm. Điều này được thực hiện bằng cách tăng tỉ lệ CO2 trong không khí, làm chậm quá trình hô hấp và phân hủy, do đó làm tăng tuổi thọ lưu trữ.

❖ Tốc độ dòng khí Đây là một yếu tố phụ, tuy nhiên lại ảnh hưởng đến sự hiệu quả của các yếu tố khác. Cần tìm được một giá trị trung bình thích hợp, không quá nhanh khiến sản phẩm bị mất nước, cũng không quá chậm, làm ảnh hưởng đến quá trình phân phối không khí, làm chậm quá trình làm lạnh cũng như điều tiết thành phần không khí. Để bảo quản được tốt nhất, chúng ta cần điều chỉnh các nhân tố sao cho thích hợp nhất. Hiện nay, điều khiển nhiệt độ để bảo quản thực phẩm được xem như là phương pháp phổ biến nhất.

Bộ điều khiển nhiệt độ Bộ điều khiển nhiệt độ là thiết bị chuyên dụng trong điều khiển và kiểm soát nhiệt độ, được thiết kế sẵn, cung cấp khả năng xử lí tín hiệu của cảm biến nhiệt độ, hiển thị và đưa ra các lệnh để điều khiển các thiết bị chấp hành như máy nén, lò sưởi, quạt,…Với tính năng này, bộ điều khiển nhiệt độ trở thành thành phần không thể thiếu trong các hệ thống gia nhiệt, máy ép nhựa, lò sấy, hệ thống khí nén, … Ngoài tên gọi phổ biến nhất là bộ điều khiển nhiệt độ, các kỹ sư cơ khí còn gọi chúng bằng nhiều cái tên khác như: bộ cảm biến nhiệt độ, đồng hồ đo nhiệt độ, đồng hồ điều khiển 6 nhiệt độ, đồng hồ hiệu chỉnh nhiệt độ, bộ điều khiển nhiệt độ PID, bộ điều khiển nhiệt kỹ thuật số, … Hình 2. Đồng hồ nhiệt và các thiết bị hỗ trợ. ❖ Nguyên lý hoạt động: Bộ điều khiển nhiệt độ trước tiên sẽ đo nhiệt độ môi trường (biến quá trình), sau đó so sánh nó với giá trị nhiệt độ mong muốn (giá trị cài đặt).