THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Thiết kế hệ thống
2.1.1 Sơ đồ khối hệ thống
2.1.1.1 Cấu tạo của sản phẩm:
Hình 4 Sơ đồ khối cấu tạo sản phẩm
* Trong đó chức năng của các khối hệ thống như sau:
- Hệ thống thu thập dữ liệu: Thu thập dữ liệu vị trí hiện tại của hệ thống thông qua module GPS và dữ liệu báo hộ SOS.
- Hệ thống truyền dữ liệu: Khi thu thập được dữ liệu về tọa độ và dữ liệu báo hộ thì sẽ được truyền lên Blynk Server.
- Hệ thống truyền dữ liệu lên thư viện Blynk: Dữ liệu truyền về thư viện sẽ là thông báo SOS và dữ liệu tọa độ hiện tại.
Thông báo SOS sẽ được hiển thị ngay trên ứng dụng Blynk, cho phép người dùng nhận thông tin khẩn cấp trên smartphone Ngoài ra, vị trí của tín hiệu sẽ được xác định từ dữ liệu tọa độ và hiển thị trên tính năng bản đồ của ứng dụng Blynk.
2.1.1.2 Sơ đồ khối chi tiết các hệ thống trong mô hình:
Hình 5 Sơ đồ khối chi tiết các sản phẩm
Sản phẩm có sơ đồ mạch điện với các linh kiện đơn giản và gọn nhẹ, mỗi bộ phận đảm nhận chức năng riêng nhưng hoạt động đồng bộ, mang lại hiệu quả sử dụng cao Ưu điểm này vượt trội hơn so với các thiết bị cồng kềnh khác, đồng thời thao tác sử dụng dễ dàng, phù hợp với mọi người Điều này tạo điều kiện cho sản phẩm có khả năng thương mại hóa rất cao.
Thiết kế và chế tạo sản phẩm là quy trình tương đối đơn giản, không yêu cầu quá nhiều thời gian và công sức Bài viết này sẽ trình bày một cách tổng quan về các bước thiết kế, cấu hình và chế tạo nhằm tạo ra một mô hình hoàn chỉnh.
2.1.2 Linh kiện và công cụ nền tảng của hệ thống
Blynk là ứng dụng di động trên iOS và Android, giúp lập trình viên phát triển ứng dụng cho thiết bị IoT chỉ trong vài phút Ứng dụng này cho phép kết nối dễ dàng với các mạch tích hợp và nền tảng phổ biến như Arduino, Raspberry Pi, Esp8266, và Particle (Photon/SparkCore) qua Internet Với Blynk Cloud, người dùng có thể đồng bộ dữ liệu từ các thư viện trên các nền tảng khác nhau với ứng dụng di động Đây là nền tảng lý tưởng để người dùng tự tạo sản phẩm IoT DIY một cách dễ dàng.
Hình 4 Cách thức hoạt động
Có ba thành phần chính trong nền tảng:
- Blynk App - cho phép tạo giao diện cho sản phẩm của bạn bằng cách kéo thả các widget khác nhau mà nhà cung cấp đã thiết kế sẵn.
Blynk Server là nền tảng xử lý dữ liệu trung tâm kết nối giữa điện thoại, máy tính bảng và phần cứng Người dùng có thể lựa chọn sử dụng Blynk Cloud hoặc tự xây dựng máy chủ Blynk riêng Với mã nguồn mở, Blynk cho phép tích hợp dễ dàng vào các thiết bị, bao gồm cả việc sử dụng Raspberry Pi làm máy chủ.
Thư viện Blynk hỗ trợ hầu hết các nền tảng phần cứng phổ biến, cho phép người dùng giao tiếp hiệu quả với máy chủ và xử lý tất cả các lệnh đến và đi một cách mượt mà.
Khi nhấn nút trong ứng dụng Blynk, yêu cầu sẽ được gửi đến server của Blynk, nơi kết nối với phần cứng thông qua thư viện Ngược lại, thiết bị phần cứng cũng sẽ truyền dữ liệu trở lại server.
2.1.2.2 Module ESP8266 V1.0 ESP-12E a) Giới thiệu chung
Module WiFi ESP8266 NodeMCU v1.0 ESP-12E là phiên bản mới nhất và có thể được sử dụng làm thay thế WiFi cho Arduino trong nhiều ứng dụng.
Module ESP8266 V1.0 ESP-12E là một giải pháp lý tưởng cho các ứng dụng Internet of Things (IOT), được trang bị firmware sẵn có để người dùng dễ dàng giao tiếp với wifi thông qua lệnh AT qua giao tiếp UART với baudrate mặc định 9600.
Hình 5 Sơ đồ chân cắm NodeMCU ESP-12 development kit V1.0
WiFi: 2.4 GHz hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n Điện áp hoạt động: 3.3V Điện áp vào: 5V thông qua cổng USB
Số chân I/O: 11 (tất cả các chân I/O đều có Interrupt/PWM/I2C/One-wire, trừ chân D0)
Số chân Analog Input: 1 (điện áp vào tối đa 3.3V)
Giao tiếp: Cable Micro USB
Hỗ trợ bảo mật: WPA/WPA2
Tích hợp giao thức TCP/IP
Lập trình trên các ngôn ngữ: C/C++, Micropython, NodeMCU – Lua
Thông số kỹ thuật cơ bản:
- Độ nhạy điều hướng: -161dBm
- Giao thức giao tiếp: NMEA, UBX Binary, RTCM
- Tốc độ Baud: hỗ trợ từ 4800bps đến 230400bps ( mặc định 9600bps )
- Có 2 loại: loại có công micro USB gắn liền anten, và loại không có cổng micro USB và dùng anten rời.
- Điện năng tiêu thụ: 45mA
2.1.2.4 Hệ thống pin năng lượng Mặt Trời
Hình 7 Tấm pin năng lượng mặt trời
Công suất tối đa (Pmax) : 3W Điện áp mạch hở (Voc) : 10.8V
Dòng điện ngắn mạch (Isc ): 0.37A Điện áp tối đa (Vmp) : 9V
Dòng điện ra tôi đa (Imp) : 0.34A
Sai số tất cả các thông số kỹ thuật điện : ± 3% Nhiệt độ hoạt động lý tưởng : 48 ± 3ºC
Phạm vi nhiệt độ hoạt động: -40ºC +85ºC
2.1.2.5 Hiệu ứng Seebeck từ Peltier TEC1-12715
Hình 8 Sò nóng lạnh TEC1-12715 a) Thông số kỹ thuật: b) Lý thuyết về hiệu ứng Seebeck
Hiệu ứng nhiệt điện, hay còn gọi là hiệu ứng Peltier-Seebeck, là quá trình chuyển đổi nhiệt năng thành điện năng và ngược lại thông qua các kết nối giữa hai vật dẫn điện khác nhau, được gọi là cặp nhiệt điện Khi có chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu kết nối, một hiệu điện thế sẽ được sinh ra Trong ứng dụng sò nóng lạnh, cơ chế tạo ra điện hoạt động ngược lại; khi được cấp điện, mặt lạnh của sò sẽ hút nhiệt và thải ra qua bề mặt nóng Do đó, tổng nhiệt năng ở bề mặt nóng bằng tổng nhiệt năng hút từ bề mặt lạnh cộng với lượng nhiệt năng chuyển đổi từ điện năng được cung cấp.
Nhóm sẽ áp dụng hiệu ứng Seebeck, một hiệu ứng trái ngược với cấu trúc thông thường của sò nóng lạnh Bằng cách đưa mặt nóng của sò vào nguồn nhiệt cao và tản nhiệt cho mặt còn lại, một hiệu điện thế sẽ xuất hiện trong tấm bán dẫn, biến sò nóng lạnh thành nguồn điện cung cấp ngược lại cho thiết bị.
Bộ phát wifi SmartPro là thiết bị phát sóng wifi di động sử dụng sim 4G, hỗ trợ kết nối tối đa 10 thiết bị cùng lúc Với phiên bản quốc tế, sản phẩm tương thích với tất cả các mạng 3G/4G trong và ngoài nước; chỉ cần cắm sim 4G và bật nguồn là có thể sử dụng ngay mà không cần thiết lập thêm.
- Tốc độ 4G HSPA download 150Mbps và upload 50 Mbps.
- Tốc độ 3G download 21.5Mbps và upload 7.2 Mbps.
- Cổng sạc micro USB rất thông dụng với các đầu sạc của smartphone hiện nay.
Khi kết nối cáp USB với máy tính, thiết bị không chỉ sạc pin mà còn hoạt động như một USB 4G phát wifi, giúp người dùng truy cập internet ngay cả trên những PC không có card wifi.
- Pin có dung lượng 1500mAh cho phép sử dụng liên tục 7 giờ và thời gian chờ lên tới
- Thiết bị wifi 4G có chức năng chỉnh thời gian tự động tắt khi không có thiết bị sử dụng (tiết kiệm Pin)
Hình 10 Bộ phát wifi smart pro
Hình 11 Pin 18650 Điện áp danh định: 3.7V
Dung lượng định mức: 6600mAh
Nhóm lựa chọn pin 18650 Lithium do kích thước nhỏ gọn và dung lượng 6600mAh, đủ để cung cấp nguồn điện cho hệ thống hoạt động từ 2-3 tuần Khi hết pin, việc sạc lại rất dễ dàng chỉ với cổng sạc micro USB Hãy cùng tìm hiểu cách sạc pin này.
2.1.2.8 Mạch hạ áp L2596 DC-DC
Mạch điện có chức năng hạ áp và ổn định điện áp đầu ra cho thiết bị Điện áp đầu vào dao động từ 3V đến 30V, trong khi điện áp đầu ra có thể điều chỉnh từ 1.5V trở lên.
30V Dòng đáp ứng tối đa là 3A.
Kích thước: 45 (dài) * 20 (rộng) * 14 (cao) mm
Hình 12 Mạch hạ áp LM 2596 DC-DC
Bộ vi mạch bảo vệ pin lithium tích hợp, điện áp quá dòng, quá áp, bảo vệ dưới điện áp; ngõ ra USB kép;
Cổng đầu vào: MicroUSB (cổng Android) Điện áp đầu vào yêu cầu: 5V không đổi
Bộ sạc phù hợp nhất là 5V-1A hoặc nhiều hơn
Cổng đầu ra: USB Các tham số đầu ra: 5V-1A / 5V-2A kích thước bo mạch chủ: Độ dày 8mm -31mm -68.5mm.
Mạch sạc dự phòng và cấp điện cho ESP8266 hoạt động hiệu quả Nhóm đã thiết kế phần cứng và phần mềm bằng cách vẽ sơ đồ nối chân giữa GPS-NEO-6MV2 với NodeMCU V1.0 (module ESP 12E) cùng một nút bấm Sơ đồ này giúp nhận và truyền dữ liệu lên server, từ đó hiển thị thông tin một cách chính xác.
Thiết kế phần cứng và phần mềm
và một nút bấm chân.
2.2.1 Nguyên lý làm việc của hệ thống
Cảm biến GPS hoạt động độc lập và chỉ nhận nhiệm vụ thu thập dữ liệu tọa độ.
Tọa độ thu được sẽ được cập nhật liên tục và thông qua NodeMCU gửi về
AppBlynk sau mỗi 5s (tùy theo thiết lập chương trình).
Khi nút bấm được nhấn, tín hiệu cao sẽ được gửi đến vi xử lý ESP8266, sau đó một thông báo sẽ được gửi lên ứng dụng Blynk.
Nguồn cấp cho hệ thống đến từ Pin năng lượng mặt trời và nhiệt điện từ Sò nóng lạnh.
Khách du lịch có thể dễ dàng sạc các thiết bị cá nhân từ nguồn pin sạc dự phòng, được cung cấp năng lượng liên tục nhờ vào tấm pin năng lượng mặt trời và sò nóng lạnh.
2.2.2 Thiết lập phần mềm lập trình cho NodeMCU ESP8266
Trong dự án này, NodeMCU được lập trình thông qua Arduino IDE, vì vậy bạn cần thêm Board NodeMCU vào Arduino IDE Để thực hiện điều này, hãy mở Arduino IDE lên.
To proceed, follow these steps: A new window will appear where you need to add the following link into the "Additional Board Manager URLs" section: `http://arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json`, and then click "OK".
Bước 3: Tiếp tục Tools>>Board>>Boards Manager
Step 4: Search for "ESP8266" and install "ESP8266 by ESP8266 community" by clicking the 'Install' button (the image below shows it already installed).
Bước 5: Sau khi cài đặt xong thì bạn lựa chọn Board mà mình dùng, trong dự án này mình dùng NodeMCU 1.0 (ESP-12E Module)
2.2.3 Thiết lập chương trình Đây là phần code giúp cho GPS có thể định vị được và gửi tọa độ cũng như gửi thông báo SOS về Blynk.
Trước tiên, mình sẽ lập trình để màn hình Serial có thể hiển thị Tọa độ của GPS. Bước 1: Tiến hành nạp Code:
To interface with a GPS module using an ESP8266, include the BlynkSimpleEsp8266 library and define the GPIO pins for RX and TX, specifically GPIO 4 for the GPS's Tx and GPIO 5 for its Rx Set the GPS baud rate to 9600; however, if this rate does not function properly, consider switching to a baud rate of 4800.
TinyGPSPlus gps; // The TinyGPS++ object
WidgetMap myMap(V0); // V0 for virtual pin of Map Widget
SoftwareSerial ss(RXPin, TXPin); // The serial connection to the GPS device
BlynkTimer timer; float spd; //Variable to store the speed float sats; //Variable to store no of satellites response
String bearing; //Variable to store orientation or direction of GPS char auth[] = "c98768c4c60c45b5bb1f0a1e2f358a26"; //Your Project authentication key char ssid[] = "YourSSIDName"; // Name of your network
(HotSpot or Router name) char pass[] = "YourPassword"; // Corresponding Password
//unsigned int move_index; // moving index, to be used later unsigned int move_index = 1; // fixed location for now void setup()
Serial.println(); ss.begin(GPSBaud);
Blynk.begin(auth, ssid, pass); timer.setInterval(5000L, checkGPS); // every 5s check if GPS is connected, only really needs to be done once
} void checkGPS(){ if (gps.charsProcessed() < 10)
Serial.println(F("No GPS detected: check wiring."));
Blynk.virtualWrite(V4, "GPS ERROR"); // Value Display widget on V4 if GPS not detected
/ sketch displays information every time a new sentence is correctly encoded if (gps.encode(ss.read())) displayInfo();
{ float latitude = (gps.location.lat()); //Storing the Lat and Lon. float longitude = (gps.location.lng());
Serial.println(latitude, 6); // float to x decimal places
Blynk.virtualWrite(V2, String(longitude, 6)); myMap.location(move_index, latitude, longitude, "GPS_Location"); sats = gps.satellites.value(); //get number of satellites
Blynk.virtualWrite(V4, sats); bearing = TinyGPSPlus::cardinal(gps.course.value()); // get the direction
Dữ liệu hiển thị trên màn hình
Sau khi nhập chương trình và chạy biên dịch, GPS sẽ gửi tín hiệu đến màn hình hiển thị Vĩ độ (LAT) và Kinh độ (LONG) Từ những số liệu này, người dùng có thể tra cứu vị trí hiện tại trên Google Maps.
Như vậy là thiết bị hoạt động chính xác và ổn định.
2.2.4 Thiết lập trên App Blynk
Khi nhấn nút button, sẽ có 1 tín hiệu được gửi về điện thoại.
Nhấn vào thông báo để có thể xem vị trí của thiết bị hiện tại.
2.2.5 Nguồn cấp cho mạch từ pin năng lượng mặt trời và Sò nóng lạnh
2.2.5.1 Sơ đồ khối phần nguồn
Hình 16 Tấm pin năng lượng mặt trời và sò nóng lạnh là những thiết bị tái tại năng lượng tuyệt vời
Hình 17 Sơ đồ khối bộ nguồn năng lượng tái tạo
Phần nguồn cấp được kết nối theo kiểu nối tiếp thay vì song song, do sự chênh lệch lớn về điện áp giữa tấm pin và Sò nóng lạnh Việc mắc nối tiếp giúp giảm trở kháng, đảm bảo an toàn trong quá trình sử dụng.
Mạch sạc dự phòng cho pin yêu cầu điện áp đầu vào ổn định 5V Tuy nhiên, điện áp từ pin năng lượng mặt trời và sò nóng lạnh thường biến thiên và không ổn định Do đó, cần sử dụng mạch ổn áp LM2596 để điều chỉnh điện áp, đảm bảo cung cấp mức 5V cần thiết cho mạch sạc.
Kết nối pin 18650 với hai đầu B+ và B- của mạch sạc hoàn tất phần nguồn của hệ thống Du khách có thể sạc thiết bị qua hai cổng USB 5V-1A và 5V-2A, giúp hệ thống hoạt động liên tục trong thời gian dài với nguồn năng lượng tái tạo tiện lợi.
2.2.5.2 Sơ đồ kết nối các linh kiện
Hình 18 Sơ đồ kết nối các linh kiện bộ nguồn năng lượng tái tạo
Lưu đồ thuận toán của hệ thống
Hình 15 Lưu đồ thuật toán hệ thống thu thập dữ liệu và hiển thị thông báo, vị trí GPS
THỬ NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN
Mô tả môi trường thử nghiệm
Trong nghiên cứu này, nhóm chúng tôi đã lắp đặt thiết bị ở khu vực có điều kiện tự nhiên và hạ tầng viễn thông tương tự như các khu rừng sinh thái Thiết bị yêu cầu chỉ cần một chiếc smartphone có kết nối Internet và cài đặt phần mềm Blynk.
Các tiêu đánh giá thử nghiệm
Thời gian nhận được tín hiệu SOS về điện thoại kể từ khi nhấn nút Khoảng cách từ smartphone cho tới thiết bị
Vị trí hiển thị trên google so với thực tế sai số bao nhiêu
Lượng điện năng tạo ra được từ tấm pin năng lượng mặt trời Lượng điện năng tạo ra được từ sò nóng lạnh
Đưa ra thử nghiệm
3.3.1 Sai số về định vị GPS
Sau mỗi lần di chuyển hộp đến vị trí mới, cần tiến hành đo đạc để so sánh độ chênh lệch giữa vị trí trên bản đồ và thực tế.
Mục tiêu: Đánh giá độ chính xác của hệ thống.
3.3.2 Hiệu suất tái tạo năng lượng từ pin năng lượng mặt trời
Nội dung: Đo đạt các thông số về I, U dưới ánh sáng ban ngày.
Mục tiêu: Đo được hiệu suất của pin năng lượng mặt trời.
3.3.3 Hiệu suất tái tạo năng lượng từ Sò nóng lạnh
Nội dung: Đo đạt các thông số về I,U dưới những mức chênh lệch nhiệt độ khác nhau.
Mục tiêu: Đo được hiệu suất của sò nóng lạnh.
Kết quả thử nghiệm
3.4.1 Sai số về định vị GPS
Lần thử Khoảng chênh lệch Hướng lệch
Mặc dù vẫn tồn tại một sự chênh lệch nhỏ giữa hiển thị GPS trên bản đồ và thực tế, nhưng mức độ này không đáng kể và không ảnh hưởng đến hiệu quả của hệ thống cứu hộ SOS.
3.4.2 Hiệu suất tái tạo năng lượng từ Pin năng lượng mặt trời
Mức giá trị khảo sát của pin năng lượng mặt trời phụ thuộc vào cường độ ánh sáng mà tấm pin nhận được, khiến cho việc khảo sát trở nên khó khăn Trong vòng 30 phút quan sát, dữ liệu thu thập được sẽ được phân tích để đưa ra những kết luận chính xác về hiệu suất của hệ thống năng lượng mặt trời.
3.4.3 Hiệu suất tái tạo năng lượng từ Sò nóng lạnh
Thot : Nhiệt độ mặt nóng của sò nóng lạnh (K) ΔT: Nhiệt độ chênh lệch giữa hai mặt (K)T: Nhiệt độ chênh lệch giữa hai mặt (K)
Mức chênh lệch nhiệt độ cao sẽ dẫn đến áp suất và dòng chảy lớn hơn Để đạt hiệu quả tối ưu, việc tăng nhiệt độ bề mặt nóng và cải thiện khả năng tản nhiệt ở bề mặt lạnh là rất quan trọng.
