Môi trường sống trong nhà bao gồm một số loại không gian, nơi làm việc như văn phòng, bệnh viện, trung tâm dịch vụ công cộng, trường học, thư viện, không gian giải trí và cả cabin của các phương tiện giao thông. Trong đó, trường học là nơi quan trọng cần giám sát. Thông thường, một số lượng lớn người cư ngụ, thời gian ở trong nhà và mật độ cư ngụ cao hơn chứng minh sự cần thiết phải phát triển các hệ thống giám sát tự động để cung cấp một nơi làm việc lành mạnh và hiệu quả cho học sinh, giáo viên và nhân viên nhà trường. Giám sát nhiệt độ môi trường là rất quan trọng từ góc độ chất lượng để cung cấp trạng thái kiểm soát nhất quán và theo quy định đối với thiết bị và mẫu cho các hoạt động phù hợp. Trong một số trường hợp, điểm nóng và điểm lạnh có thể tạo ra sự thay đổi về điều kiện môi trường trong quá trình thực hiện các hoạt động, dẫn đến các tác động không mong muốn đối với mẫu cũng như thao tác với mẫu của thiết bị xét nghiệm. Do đó, phải được theo dõi trong thời gian thực không chỉ để đảm bảo điều chỉnh và duy trì thích hợp các điều kiện trong nhà mà còn tương quan với lấy mẫu với các điều kiện này. Hơn nữa, dữ liệu phải được lưu trữ để đảm bảo rằng chúng ổn định khi thử nghiệm được tiến hành và tại thời điểm thu thập dữ liệu vì chúng ảnh hưởng đến chất lượng của kết quả. Việc kiểm tra nhiệt độ có ý nghĩa quan trọng ảnh hưởng đến kết quả kiểm tra và độ chính xác và độ tin cậy của hồ sơ kiểm tra vẫn còn liên quan đến thông số môi trường.
CƠ SỞ LÍ THUYẾT, PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU THẬP NHIỆT ĐỘ HỒNG NGOẠI KHÔNG TIẾP XÚC DỰA TRÊN IOT
Lịch sử phát triển và hình thành của hệ thống Internet of things (IoT)
Thuật ngữ ” Internet of things”( viết tắt là IoT) dạo gần đây xuất hiện khá nhiều và thu hút không ít sự quan tâm chú ý của thế giới công nghệ Vì sự bùng nổ của IoT trong tương lai sẽ có tác động mạnh mẽ tới cuộc sống, công việc và xã hội loài người Thực tế thì Internet of things đã xuất hiện từ nhiều thập kỷ trước Tuy nhiên mãi đến những năm 1999 cụm từ IoT mới được đưa ra bởi Kevin Ashton, Ông là một nhà khoa học đã sáng lập ra Trung tâm Auto-ID ở đại học MIT, nơi thiết lập các quy chuẩn toàn cầu cho RFID (một phương thức giao tiếp không dây dùng sóng radio) cũng như một số loại cảm biến khác.
Vào năm 1982, đã có những ý tưởng đầu tiên về một mạng lưới các thiết bị thông minh được đưa ra thảo luận rộng rãi Và đó cũng đánh dấu sự ra đời của chiếc máy bán nước Cocacola ở Đại học Carnegie Mellon Nó đã trở thành thiết bị đầu tiên được kết nối Internet, có khả năng báo cáo kiểm kho và báo cáo độ lạnh của những chai nước mới đưa vào máy.
Năm 1999, Kevin Ashton lần đầu tiên đề cập đến Internet of Things tại buổi thuyết trình của công ty Procter & Gamble.
Năm 2000 – 2013, Internet of things (IoT) được nghiên cứu ứng dụng rộng rãi vào các lĩnh vực đời sống như đồ gia dụng, thiết bị chăm sóc sức khỏe Một số sản phẩm tiêu biểu như: Fibit – đồng hồ theo dõi sức khỏe, máy tạo nhịp tim không dây, dịch vụ vận chuyển hàng không,…
Năm 2014, số lượng thiết bị di động và máy móc kết nối với internet vượt dân số thế giới lúc bấy giờ.
Và cuối cùng đến năm 2015, các mô hình robot IoT, trang trại IoT được công bố và đưa vào ứng dụng cũng như phát triển cho đến ngày nay
Hình 2 1 Lịch sử phát triển và hình thành của hệ thống IOT.
Cấu trúc cơ bản của một hệ thống ứng dụng công nghệ IOT
Kiến trúc của IOT gồm bốn thành phần cơ bản chính gồm: Vạn vật (Things),Trạm kết nối (Gateways), Hạ tầng mạng (Internet) và cuối cùng là lớp dịch vụ(Service).
Vạn vật (Things): Ngày nay có vô vàn vật dụng đang hiện hữu trong cuộc sống, ở trên các khu canh tác, ở trong nhà hoặc trên chính các thiết bị lưu động của người dùng Giải pháp IoT giúp các thiết bị thông minh được sàng lọc, kết nối và quản lý dữ liệu của đối tượng nông nghiệp một cách cục bộ, còn các thiết bị chưa thông minh thì có thể kết nối được thông qua các trạm kết nối Từ đó, các thiết bị, vật dụng sẽ có thể thực hiện nhiệm vụ của mình đối với đối tượng nông nghiệp cần quản lý.
Trạm kết nối (Gateways): Các trạm kết nối sẽ đóng vai trò là một vùng trung gian trực tiếp, cho phép các vật dụng có sẵn này kết nối với điện toán đám mây một cách bảo mật và dễ dàng quản lý Gateways có thể là một thiết bị vật lý hoặc là một phần mềm được dùng để kết nối giữa Cloud (điện toán đám mây) và bộ điều khiển, các cảm biến, các thiết bị thông minh.
Hạ tầng mạng (Internet): Internet là một hệ thống toàn cầu của nhiều mạng
IP được kết nối với nhau và liên kết với hệ thống máy tính Cơ sở hạ tầng mạng này bao gồm thiết bị định tuyến, trạm kết nối, thiết bị tổng hợp, thiếp bị lặp và nhiều thiết bị khác có thể kiểm soát lưu lượng dữ liệu lưu thông và cũng được kết nối đến mạng lưới viễn thông và cáp - được triển khai bởi các nhà cung cấp dịch vụ.
Lớp dịch vụ (Service): Là các ứng dụng được các hãng công nghệ, hoặc thậm chí người dùng tạo ra để dễ dàng sử dụng các sản phẩm IOT một cách hiệu quả và tận dụng được hết giá trị của sản phẩm.
Cơ sở lí thuyết về quang học
Quang học là một ngành của vật lí học nghiên cứu các tính chất và hoạt động của ánh sáng, bao gồm tương tác của nó với vật chất và cách chế tạo ra các dụng cụ nhằm sử dụng hoặc phát hiện nó Phạm vi của quang học thường nghiên cứu ở bước sóng khả kiến, tử ngoại và hồng ngoại bởi vì ánh sáng là sóng điện từ, những dạng khác của bức xạ điện từ như tia X, sóng vi ba, và sóng vô tuyến cũng thể hiện các tính chất tương tự
Hầu hết các hiện tượng và hiệu ứng quang học có thể được miêu tả phù hợp bởi điện từ học cổ điển Tuy nhiên, cách miêu tả điện từ đầy đủ của ánh sáng lại rất khó áp dụng trong thực tiễn Quang học thực hành thường sử dụng các mô hình đơn giản Theo nghĩa chung nhất đó là quang hình học, ngành nghiên cứu tính chất của tia sáng khi nó lan truyền trong môi trường theo đường thẳng hoặc bị lệch hay phản xạ giữa các môi trường Quang học vật lý là mô hình đầy đủ hơn về ánh sáng, bao gồm các hiệu ứng có bản chất sóng như nhiễu xạ và giao thoa mà không thể giải thích bởi quang hình học Về mặt lịch sử, các nhà vật lý đã phát triển mô hình tia sáng đầu tiên, sau đó là mô hình sóng và mô hình hạt ánh sáng Sự phát triển của lý thuyết điện từ học trong thế kỷ 19 đã dẫn tới khám phá ra rằng ánh sáng có bản chất là một loại bức xạ điện từ.
Hình 2 2 Bốn cấu trúc cơ bản của một hệ thống IOT
Một số hiệu ứng của ánh sáng chỉ có thể giải thích dựa trên bản chất lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng Cơ sở của những hiệu ứng này được miêu tả bởi cơ học lượng tử Khi xem ánh sáng có tính chất hạt, thì ánh sáng được mô hình bởi tập hợp các hạt gọi là "photon" Quang học lượng tử là ngành ứng dụng các tính chất lượng tử để nghiên cứu các hệ quang học.
Phổ ánh sáng hấp thụ nhiệt độ
Quang phổ vạch hấp thụ là quang phổ liên tục bị thiếu các vạch màu do bị chất khí hoặc hơi kim loại hấp thụ.
Chiếu ánh sáng của đèn dây tóc vào máy quang phổ, ta có thể thu được quang phổ liên tục Sau đó đặt vào giữa đèn và máy quang phổ một chất khí hoặc hơi kim loại để nó hấp thụ vạch màu tối, ta sẽ thu được quang phổ vạch hấp thụ Điều kiện để có quang phổ vạch hấp thụ là nhiệt độ của hơi hay khí phải nhỏ hơn nhiệt độ của nguồn phát ra ánh sáng trắng.
Các vạch tối nằm tại đúng vị trí các vạch màu trong quang phổ phát xạ của nguyên tố hóa học đó Nếu đặt trên đường đi của chùm ánh sáng trắng một chất rắn hoặc lỏng thì trên nền quang phổ liên tục của nguồn sáng trắng, bạn sẽ nhìn thấy sự xuất hiện của những đám vạch tối Nguyên nhân hiện tượng này là do các nguyên tố của chất rắn và chất lỏng hấp thụ rất nhiều bức xạ đơn sắc kề nhau Ở nhiệt độ nhất định, một đám khí hoặc hơi có khả năng phát xạ những ánh sáng đơn sắc nào thì nó cũng có khả năng hấp thụ những ánh sáng đơn sắc đó.
– Xác định thành phần cấu tạo của mặt trời và các vì sao vì quang phổ của mặt trời là quang phổ vạch hấp thụ.
– Xác định sự có mặt của các nguyên tố hóa học có trong một hỗn hợp.
Xây dựng sơ đồ khối cho hệ thống
Hình 2 3 Sơ đồ khối hệ thống Nguyên lý hoạt động của hệ thống
- Hệ thống bao gồm khối nguồn để cung cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống hoạt động.
- Khối cảm biến để đọc các giá trị nhiệt độ và gửi các giá trị này đến khối xử lý trung tâm ESP8266.
- Khối xử lý trung tâm sẽ xử lý, kiểm tra các dữ liệu nhận được và hiển thị các thông số lên hiển thị là màn hình LCD 16x2 và sẽ tự động đưa ra cảnh báo thông qua các ngưỡng đã được cài đặt từ trước và có thể hiệu chỉnh các dữ liệu đó thông qua các nút nhấn thủ công trên mạch.
- Ngoài ra chúng ta có thể theo dõi, kiểm tra dữ liệu nhiệt độ trên Firebase và trên App
Chức năng và lựa chọn linh kiện cho từng khối
+ Chức năng: Đo đạt nhiệt độ gửi về vi điều khiển xử lý các dữ liệu để thực hiện các chức năng tiếp theo.
+ Linh kiện: Module cảm biến nhiệt độ hồng ngoại không tiếp xúc MLX96014
+ Chức năng: Khối hiển thị hiển thị các thông số đo được của môi trường, hiển thị thời gian thực, thời gian cài đặt kiểm tra trong ngày,và các ngưỡng được cài đặt, tình trạng kết nối wifi.
+ Linh kiện: màn hình LCD 16x2 và module I2C.
2.6.3 Khối xử lí trung tâm
+ Chức năng: Thu thập xử lý các dữ liệu được truyền đến từ các khối, sau đó đưa dữ liệu đã được xử lý lên Firebase và màn hình LCD 16x2 để theo dõi và kiểm tra các dữ liệu đo được từ hệ thống.
+ Linh kiện: ESP8266 Node MCU.
+ Chức năng: Cung cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống hoạt động.
+ Linh kiện: Pin Lithium 3.7V 1200mAH PL50345, mạch sạc pin 18650 1s tích hợp tăng áp 27V.
Thiết kế phần cứng cho hệ thống thu thập nhiệt độ hồng ngoại không tiếp xúc dựa trên IOT để giám sát hoạt động trong phòng thí nghiệm
không tiếp xúc dựa trên IOT để giám sát hoạt động trong phòng thí nghiệm
2.7.1 Phần mềm thiết kế Altium
Altium Designer trước kia có tên gọi quen thuộc là Protel DXP, là một trong những công cụ vẽ mạch điện tử mạnh nhất hiện nay Được phát triển bởi hãng Altium Limited Altium designer là một phần mềm chuyên nghành được sử dụng trong thiết kế mạch điện tử.
Altium ngày nay đang là một trong những phần mềm vẽ mạch điện tử mạnh và được ưa chuộng ở Việt Nam Ngoài việc hỗ trợ tốt cho hoạt động vẽ mạch, Altium còn hỗ trợ tốt trong việc quản lý mạch, trích xuất file thống kê linh kiện.
Một số điểm vượt trội của Altium:
Giao diện thiết kế, quản lý và chỉnh sửa thân thiện, dễ dàng biên dịch, quản lý file, quản lý phiên bản cho các tài liệu thiết kế.
Hỗ trợ mạnh mẽ cho việc thiết kế tự động, đi dây tự động theo thuật toán tối ưu, phân tích lắp ráp linh kiện Hỗ trợ việc tìm các giải pháp thiết kế hoặc chỉnh sửa mạch, linh kiện, netlist có sẵn từ trước theo các tham số mới.
Mở, xem và in các file thiết kế mạch dễ dàng với đầy đủ các thông tin linh kiện, netlist, dữ liệu bản vẽ, kích thước, số lượng…
Hệ thống các thư viện linh kiện phong phú, chi tiết và hoàn chỉnh bao gồm tất cả các linh kiện nhúng, số, tương tự…
Đặt và sửa đối tượng trên các lớp cơ khí, định nghĩa các luật thiết kế, tùy chỉnh các lớp mạch in, chuyển từ schematic sang PCB, đặt vị trí linh kiện trên PCB.
Mô phỏng mạch PCB 3D, đem lại hình ảnh mạch điện trung thực trong không gian 3 chiều, hỗ trợ MCAD-ECAD, liên kết trực tiếp với mô hình STEP, kiểm tra khoảng cách cách điện, cấu hình cho cả 2D và 3D.
2.7.2 Thiết kế sơ đồ nguyên lí mạch
Hình 2 5 Sơ đồ nguyên lí mạch
Khi mạch được cấp điện áp 5 VDC, khối cảm biến và sẽ lấy các giá trị nhiệt độ đưa về khối vi điều khiển để xử lí Sau khi nhận dữ liệu từ các khối hỗ trợ, vi điều khiển sẽ tiến hành xử lí số liệu.Tất cả các giá trị nhiệt độ, thời gian thực sẽ được hiển thị trên LCD 16x2.
Hình 2 6 Đi dây cho mạch
Hình 2 7 Phủ đất lớp bottom
Hình 2 8 Ảnh 3D mặt trước của mạch
Hình 2 9 Ảnh 3D mặt sau của mạch
THỰC NGHIỆM, KIỂM TRA KẾT QUẢ CỦA HỆ THỐNG
Phần cứng của mạch và kết quả thi công
Các linh kiện được gắn cho mạch in.
STT Tên linh kiện Số lượng
5 Mạch sạc pin 18650 1s tích hợp tăng áp 1
Bảng 3 1 Các linh kiện gán cho mạch in
Mạch in sau khi gắn linh kiện
Hình 3 1 Mạch in sau khi gắn linh kiện
Mạch in sau khi đã gắn linh kiện được đi dây gọn gàng và bắt ốc vào trong hộp nhựa để tránh tác động của môi trường xung quanh.
Nhận xét
Tên đề tài: Hệ thống thu thập nhiệt độ hồng ngoại không tiếp xúc dựa trên
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn X
Mã số sinh viên: xxxxxx
Ngày nay trên thế giới với sự bùng nổ của các ngành công nghệ thông tin , điện tử v.v Đã làm cho đời sống của con người ngày càng hoàn thiện Các thiết bị tự động hóa đã ngày càng xâm lấn vào trong sản xuất và thậm chí là vào cuộc sống sinh hoạt hằng ngày của mỗi con người Do đó việc giám sát hoạt động bằng hệ thống thu thập nhiệt độ hồng ngoại không tiếp xúc đang dần trở thành hiện thực hóa Với những kiến thức đã học cùng với mong muốn thiết kế một hệ thống thu thập nhiệt độ hồng ngoại không tiếp xúc dựa trên IOT để góp phần giảm bớt những khó khăn gặp phải. Đề tài về hệ thống thu thập nhiệt độ hồng ngoại không tiếp xúc dựa trên IOT để giám sát hoạt động gồm có 4 chương:
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI HỆ THỐNG THU THẬP NHIỆT ĐỘ HỒNG NGOẠI KHÔNG TIẾP XÚC DỰA TRÊN IOT
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT, PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU THẬP NHIỆT ĐỘ HỒNG NGOẠI KHÔNG TIẾP XÚC DỰA TRÊN IOT.