Nghiên cứu phát triển Mô dun IoT Gateway và ứng dụng máy nấu ăn thông minh

Nghiên cứu phát triển Mô dun IoT Gateway và ứng dụng máy nấu ăn thông minh.Nghiên cứu phát triển Mô dun IoT Gateway và ứng dụng máy nấu ăn thông minh.Nghiên cứu phát triển Mô dun IoT Gateway và ứng dụng máy nấu ăn thông minh.Nghiên cứu phát triển Mô dun IoT Gateway và ứng dụng máy nấu ăn thông minh.Nghiên cứu phát triển Mô dun IoT Gateway và ứng dụng máy nấu ăn thông minh.Nghiên cứu phát triển Mô dun IoT Gateway và ứng dụng máy nấu ăn thông minh.Nghiên cứu phát triển Mô dun IoT Gateway và ứng dụng máy nấu ăn thông minh.Nghiên cứu phát triển Mô dun IoT Gateway và ứng dụng máy nấu ăn thông minh.Nghiên cứu phát triển Mô dun IoT Gateway và ứng dụng máy nấu ăn thông minh.Nghiên cứu phát triển Mô dun IoT Gateway và ứng dụng máy nấu ăn thông minh.Nghiên cứu phát triển Mô dun IoT Gateway và ứng dụng máy nấu ăn thông minh.Nghiên cứu phát triển Mô dun IoT Gateway và ứng dụng máy nấu ăn thông minh.Nghiên cứu phát triển Mô dun IoT Gateway và ứng dụng máy nấu ăn thông minh.Nghiên cứu phát triển Mô dun IoT Gateway và ứng dụng máy nấu ăn thông minh.Nghiên cứu phát triển Mô dun IoT Gateway và ứng dụng máy nấu ăn thông minh.Nghiên cứu phát triển Mô dun IoT Gateway và ứng dụng máy nấu ăn thông minh.Nghiên cứu phát triển Mô dun IoT Gateway và ứng dụng máy nấu ăn thông minh.Nghiên cứu phát triển Mô dun IoT Gateway và ứng dụng máy nấu ăn thông minh.Nghiên cứu phát triển Mô dun IoT Gateway và ứng dụng máy nấu ăn thông minh.Nghiên cứu phát triển Mô dun IoT Gateway và ứng dụng máy nấu ăn thông minh.Nghiên cứu phát triển Mô dun IoT Gateway và ứng dụng máy nấu ăn thông minh.Nghiên cứu phát triển Mô dun IoT Gateway và ứng dụng máy nấu ăn thông minh.Nghiên cứu phát triển Mô dun IoT Gateway và ứng dụng máy nấu ăn thông minh.

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG TRẦN ĐÌNH ĐẠT NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MÔ-ĐUN IoT GATEWAY VÀ ỨNG DỤNG MÁY NẤU ĂN THÔNG MINH ĐỀ ÁN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) TP.HỒ CHÍ MINH - NĂM 2023 HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG TRẦN ĐÌNH ĐẠT NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MÔ-ĐUN IoT GATEWAY VÀ ỨNG DỤNG MÁY NẤU ĂN THÔNG MINH Chuyên ngành : Hệ thống thông tin Mã số : 8.48.01.04 ĐỀ ÁN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS CHUNG TẤN LÂM TP.HỒ CHÍ MINH - NĂM 2023 i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đề án “Nghiên cứu phát triển mô-đun IoT gateway ứng dụng máy nấu ăn thơng minh” cơng trình nghiên cứu tơi Tơi cam đoan sản phẩm mơ-đun Iot gateway chưa công bố cơng trình khác Các số liệu, kết trình bày trung thực Các sản phẩm, nghiên cứu trích dẫn đầy đủ danh mục tài liệu tham khảo theo quy định TP Hồ Chí Minh, ngày 16 tháng 10 năm 2023 Học viên thực luận văn Trần Đình Đạt ii LỜI CẢM ƠN Trong q trình thực luận văn, tơi xin kính tỏ lịng biết ơn chân thành kính trọng sâu sắc đến Thầy TS Chung Tấn Lâm Thầy dành nhiều thời gian công sức để hỗ trợ tơi Nhờ hướng dẫn tận tình, kiến thức chuyên môn, tạo điều kiện tốt từ Thầy giúp ích tơi nhiều suốt q trình thực đề án Trong suốt trình học nghiên cứu trường Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng sở TP Hồ Chí Minh Tơi học tập môi trường chuyên nghiệp, tơi nhận dạy tận tình từ quý Thầy, cô Học viện Những kiến thức mà Thầy truyền đạt giúp ích tối nhiều học tập công việc sau Với tất kính trọng, tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban Giám Đốc, Phòng Đào Tạo Sau Đại học Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn Thơng sở TP Hồ Chính Minh, Q Thầy giảng dạy tạo điều kiện thuận lợi sở vật chất tốt cho suốt tình học tập trường Mặc dù thân bỏ nhiều thời gian tìm tịi nghiên cứu cố gắng thực luận văn Tuy nhiên thời gian có hạn kinh nghiệm nghiên cứu cịn hạn chế nên khơng khó tránh thiếu sót Tơi mong nhận ý kiến đóng góp quý Thầy cô phản hồi đồng nghiệp để giúp luận đề án thiện tốt Xin chân thành cảm ơn! TP Hồ Chí Minh, ngày 16 tháng 10 năm 2023 Học viên thực luận văn Trần Đình Đạt iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH SÁCH BẢNG v DANH SÁCH HÌNH VẼ vi PHẦN MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan đề tài 1.2 Tổng quan máy nấu ăn thông minh 10 1.3 1.2.1 Robot nấu ăn cao cấp 10 1.2.2 Robot cộng tác ngành F&B 11 1.2.3 Máy nấu ăn tự động 13 Lý thuyết phần cứng 15 1.3.1 Bộ điều khiển logic khả trình 15 1.3.2 Hệ thống modbus công nghiệp 19 Giới thiệu modbus .19 1.3.3 1.4 ESP32 WROOM-32 21 Lý thuyết phần mềm 24 1.4.1 Phần mềm Altium Designer 24 1.4.2 Phần mềm Arduino 27 1.4.3 Phần mềm lập trình GX Works2 29 CHƯƠNG 2:NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ MÁY NẤU ĂN THÔNG MINH 31 2.1 Sơ đồ khối 31 2.2 Thiết kế lắp ráp máy nấu ăn tự động 31 2.2.1 Nguyên lý vận hành máy nấu ăn thông minh 32 2.2.2 Cấp phát I/O 33 iv 2.2.3 Quy trình mẫu nấu ăn tự động .37 2.2.4 Thống kê thiết bị toán 39 2.3 Thiết kế Mô-đun IoT Gateway 41 2.4 Lập trình truyền thơng tính IoT 57 2.5 2.4.1 Kết nối wifi .57 2.4.2 Kết nối IoT Gateway với PLC .58 Lập trình điều khiển PLC .59 2.5.1 Truyền thông MODBUS 59 CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 62 3.1 Kết luận 62 3.2 Hướng phát triển 63 DANH SÁCH CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 PHỤ LỤC 65 PHỤ LỤC 70 v DANH SÁCH BẢNG Bảng 1.1: Một số ưu điểm cobot so với robot công nghiệp truyền thống 12 Bảng 2.1: Bảng cấp phát I/O PLC cấp phát Tag MX-OPC 40 vi DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1: Mô-đun IoT ESP32 WROOM Hình 1.2: Mơ-đun IoT Gateway Hình 1.3: Bộ điều khiển khả trình PLC mitsubishi FX3U Hình 1.4: Phần mềm lập trình GX Works2 Hình 2.1: Robot nấu ăn cao cấp Moley 11 Hình 2.2: Cấu trúc robot cộng tác [10] .12 Hình 2.3: Máy nấu ăn tự động MegCook 14 Hình 2.4: Trình tự hoạt động xử lý máy nấu ăn MegCook 14 Hình 2.5: Board FX3U-24MT 17 Hình 2.6: Sơ đồ kết nối cấp nguồn cho PLC 18 Hình 2.7: Sơ đồ kết nối cổng vào cổng cho PLC .18 Hình 2.8: Sơ đồ chân ESP32-WROOM .21 Hình 2.9: Sơ đồ cấu tạo bên ESP32 21 Hình 2.10: Giao diện thiết kế mạch nguyên lí Altium 25 Hình 2.11: Giao diện thiết kế PCB altium 25 Hình 2.12: Quản lí thư viện Altium 26 Hình 2.13: Phần mềm Arduino 29 Hình 3.1: Sơ đồ khối 31 Hình 3.2: Hệ thống bếp nấu tự động [12] 32 Hình 3.3: Hệ thống van cấp dầu nước [12] 33 Hình 3.4: Cơ cấu đóng/mở nắp [12] 34 Hình 3.5: Hệ thống gia nhiệt dùng Gas [12] .34 Hình 3.6: Động thực thao tác trộn nguyên liệu [12] 35 Hình 3.7: Cơ cấu cấp liệu với hộp nguyên liệu [12] 36 Hình 3.8: Cơ cấu lật khay nguyên liệu [12] 36 Hình 3.9: Khối MCU ESP32 WROOM 42 Hình 3.10: Khối nguồn DC .42 Hình 3.11: Ic MC34063AD .43 vii Hình 3.12: Ic LM1117 .45 Hình 3.13: Khối tải chương trình 45 Hình 3.14: : Khối giao tiếp RS485 46 Hình 3.15: Ic MAX485ESA+T 48 Hình 3.16: Khối kết nối Ethernet 49 Hình 3.17: Ic TLP2804-4 49 Hình 3.18: : Ic ULN2803A .51 Hình 3.19: : Khối GPIO 52 Hình 3.20: Vị trí khối mạch PCB 52 Hình 3.21: : Kích thước mạch IoT Gateway .53 Hình 3.22: Thiết lập khoảng cách an toàn .54 Hình 3.23: Chọn lớp dây .54 Hình 3.24: : Quy ước độ rộng dây dẫn 55 Hình 3.25: Quy ước độ lớn Vias .55 Hình 3.26: : Đi dây lớp bottom 56 Hình 3.27: Đi dây lớp Top .56 Hình 3.28: Mạch hồn thiện sau phủ đồng 56 Hình 3.29: Kết kiểm tra lỗi 57 Hình 3.30: Hình ảnh 3D mạch IoT GateWay 57 Hình 3.31: STA (Station) 58 Hình 3.32: Các bước thực 58 PHẦN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Ngày nay, xu cách mạng công nghiệp lần thứ (CMCN 4.0) diễn sơi động tồn giới, Việt Nam tham gia tích cực nhiều lĩnh vực khác xã hội phủ, truyền thông đại chúng, y học, khoa học kỹ thuật, … Trí tuệ nhân tạo với thị thơng minh, nhà máy thông minh, hộ thông minh dần xây dựng tảng định hình hồn thiện Các công việc không cần thiết biến mất, người lao động khâu sản xuất dần thay robot Và loại robot đặc biệt phát triển thời gian gần robot cộng tác Robot cộng tác có ưu điểm cấu trúc nhỏ gọn, dễ vận hành, có độ tin cậy cao, tiêu thụ điện thấp giá thành rẻ Với tính khiến Robot hiệu để áp dụng rộng rãi không công nghiệp mà dịch vụ sống hàng ngày Khi robot ứng dụng lĩnh vực nấu ăn, vấn đề đặt làm cách để xây dựng tảng quản lý hệ thống cách hiệu Nền tảng cần có tính thu thập liệu từ hệ thống, kết nối phần cứng, sở liệu cài đặt kết nối điều hành từ xa Robot dịch vụ thể hoạt động cách độc lập thực công việc thay người.Đáp ứng nhu cầu khách hàng sống tiện ích Xuất phát từ lý với đồng ý thầy TS Chung Tấn Lâm, xin chọn đề án: “NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MÔ-ĐUN IoT GATEWAY VÀ ỨNG DỤNG MÁY NẤU ĂN THƠNG MINH”, đề án góp phần đại hóa cơng việc nội trợ ngày, ứng dụng hệ sinh thái nhà thông minh CMCN 4.0 60 ➢ Tx: thời gian truyền liệu ➢ Err: thông báo thời gian bị lỗi kết nối ➢ ID: địa slave Kết nối thiết lập truyền thông: →Ở ta thiết lập thông số cần thiết cho việc truyền thông MODBUS RS485 61 Nếu biến err=0 mà Tx chạy tức truyền thông thiết lập thành cơng Ví dụ: có ghi D1 đọc 30 62 CHƯƠNG 3: 3.1 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận Đề án nghiên cứu thiết kế mơ-đun IoT gateway nhắm mục đích thu thập liệu đưa liệu lên đám mây (cloud) Thơng qua điều khiển giám sát thiết bị từ xa Điều cho thấy Mơ-đun IoT gateway hồn tồn sử dụng để điều khiển hệ thống khác nhà thông minh, trang trại thơng minh… Ngồi đề án cịn mang tính ứng dụng đề án thạc sĩ tập trung giải mã công nghệ từ máy nấu ăn có thị trường từ tìm cách cải tiến tính hạ giá thành sản phẩm phù hợp với thị trường Việt nam Đề tài đóng góp tảng ban đầu cho xu hướng chuyển đổi số công nghệ 4.0 xu hướng thành phố thơng minh hình thành Việt nam Do hạn chế việc điều khiển thiết bị nên đề án sử dụng mô phần logic điều khiển PLC với phần mềm lập trình PLC GX Works2 Các thao tác bếp thiết kế hoạt động giả định theo logic máy thật giữ tính thực tế để nội dung có ý nghĩa thực tế Đề án bao gồm chương thực mục tiêu xây dựng hệ thống nấu ăn tự động, thu nhận liệu từ hoạt động máy nấu ăn gồm cấu tác động thực thao tác nấu bếp với cấu chấp hành có chuyển động cố định Hệ thống robot dịch vụ tích hợp cấu chấp hành sau: • Thiết bị nấu ăn dạng trộn (xoay) • Hệ thống van cấp dầu, van nước rửa xả • Hệ thống gia nhiệt • Hệ thống cấp liệu Các công việc thực sau: Thiết kế quy trình nấu ăn với bước trình tự chạy tự động cấp phát I/O cho hệ thống hoạt động Lập trình cho PLC điều khiển quy trình sở thao tác thiết kế Nghiên cứu thiết kế mô-đun IoT Gateway 63 Lập trình cho mơ-đun IoT Gateway thực việc truyền liệu lên cloud Hệ thống kiểm chứng cách cho chạy mơ hình đèn nút chương trình bếp chạy PLC giám sát trình tự phần mềm thơng qua giao diện máy tính Hệ thống hoạt động tốt chức năng, 3.2 Hướng phát triển Đề án hồn thành việc nghiên cứu thiết kế Mơ-đun IoT Gateway, thực thành cơng q trình thu nhận liệu bao gồm biến I/O sử dụng PLC điều khiển cấp thấp Đây bước quan trọng bước trung gian điều khiển cấp thấp quản lý cấp cao hệ thống Sau liệu thu nhận đầy đủ máy tính, liệu tiếp tục khai thác bước để tăng giá trị hệ thống đưa vào sử dụng Các hướng phát triển đề tài sau: - Xây dựng sở liệu (SQL Server) để liệu hoạt động lưu trữ truy vấn - Xây dựng tính báo cáo (Report Server) dựa truy vấn sở liệu để người chủ sở hữu có báo cáo q trình hoạt động kinh doanh hệ thống - Xây dựng tính cảnh báo (Alarm server) vẽ đồ thị (Trend server) - Xây dựng ngơn ngữ quy trình nấu ăn khác để dễ dàng xây dựng quy trình - Xây dựng hệ thống thu nhận liệu cho robot dạng thao tác phức tạp lập trình (ví dụ robot cộng tác) để mở rộng hệ thống toàn diện cho lĩnh vực dịch vụ - Xây dựng hệ thống SCADA dùng Webserver cài đặt Cloud để tăng tính linh hoạt quản lý hệ thống 64 DANH SÁCH CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Robot dịch vụ, [Online] https://vneconomy.vn/covid-19-thuc-day-tu-donghoa-nganh-dich-vu-an-uong.htm [2] Robot dịch vụ nhà hàng, [Online] https://robbreport.com/fooddrink/dining/ silicon-valley-restaurant-robot-servers-1234629314/ [3] Avinash (2021), Everything About PLC Programming - Practical lessons on PLC programming using Allen Bradley, Siemens, and Mitsubishi PLCs with examples, Avinash Prakash Malekar [4] Boyer, Stuart A (2004), SCADA: Supervisory Control and Data Acquisition, ISA – The Instrumentation, System, and Automation Society, 3rd Edition [5] Stuart G McCrady (2013), Designing SCADA Application Software: A Pratical Approach , Elsevier, 1st Edition [6] Khaled Kamel and Eman Kamel (2014), Programmable Logic Controllers – Industrial Control , McGraw-Hill Education, 1st Edition [7] Tianmiao Wang, Yong Tao, Yang Chen (2012), Research status and development trend of service robot technology, Chinese science, Information science [8] Hakan Gürocak (2016), Industrial Motion Control, Motor Selection, Drives, Controller Tuning, Application , John Wiley & Sons, Ltd [9] Robot dịch vụ dùng cấu tịnh tiến điều khiển trình tự, [Online] https://vention.io/designs/cartesian-palletizer-dual-pallet-w-infeed-machinemotion-2132549 [10] Robot cộng tác, [Online] https://robot3t.com/san-pham/r3t-03-robotcong-nghiep-tai-6kg/ [11] L.A Bryan and E.A Bryan (1997), Programmable Controller – Theory and Implementation, Industrial Text Company Publication, second Edition [12] Full-automatic Cooking Machine(3520W-CE) https://megcook.net/Full_automatic_Cooking_Machine-Fullautomatic_Cooking_ Machine(3520W-CE).html 65 PHỤ LỤC Bước 1: Gọi thư viện: Thêm thư viện mà ESP hỗ trợ #include #include Bước 2: Khai báo biến: Khai báo biến cục biến global (bao gồm hàm) #ifndef PIN_STATUS_LED #define PIN_STATUS_LED #endif #ifndef NUM_WIFI #define NUM_WIFI #endif #ifndef DELAY_TIME_LED_STT #define DELAY_TIME_LED_STT 2000 #endif const chair *wifi_ssid[]{"Elab","DATTRAN"}; const chair *wifi_pw[]{"P2E02@123456","123456799"}; unsigned long current_time_in_wifi = 0; unsigned long old_time_in_wifi = 0; Định nghĩa sau: - Định nghĩa chân GPIO làm chân đèn tín hiệu (cho tag PIN_STATUS_LED) Để thông báo kết nối WiFi - Định nghĩa số lượng mạng (cho tag NUM_WIFI) - Định nghĩa thời gian đèn nháy (cho tag LED_STT_DELAY_TIME) - Khai báo mảng tên wifi mảng mật tương ứng với tên wifi (wifi_ssid wifi_pw) - Khai báo biến thời gian (current_time_in_wifi) - Khai báo biến thời gian (old_time_in_wifi) 66 Bước 3: Setup wifi: init mode wifi (khởi tạo chế độ wifi cho esp) Tạo hàm với chức riêng (một hàm nên làm nhiệm vụ) thư viện - Hàm setup led trạng thái wifi: void setupStatusLed() { pinMode(PIN_STATUS_LED,OUTPUT); digitalWrite(PIN_STATUS_LED, LOW); } Khai báo PIN_STATUS_LED chân ngõ Và tắt led - Hàm hiển thi thông tin Wifi void showInforWifi() { Serial.println(" _WIFI _") ; Serial.println("WiFi connected") ; Serial.println("IP address") ; Serial.println(WiFi.localIP()) ; Serial.println("SSID: ") ; Serial.println(WiFi.SSID()) ; Serial.println("RSSI: ") ; Serial.println(WiFi.RSSI()) ; Serial.println(" ") ; } In thông tin wifi mà ESP32 kết nối thành công lên Serial - Hàm kết nối wifi void connectWiFiMulti() { digitalWrite(PIN_STATUS_LED, HIGH) ; Serial.println("Connecting Wifi ") ; 67 if(wifiMulti.run() == WL_CONNECT) { showInforWifi(); } else { Serial.println("WiFi not connect!") ; digitalWrite(PIN_STATUS_LED, LOW) ; } } Khi bắt đầu kết nối wifi, led trạng thái bắt đầu sáng Nếu kết nối thành cơng hiển thị thông tin mà ESP kết nối Không kết nối hiển thị “Wifi not connected” - Hàm setup multi wifi void setupWiFiMulti() { setupStatusLed(); WiFi.mode(WIFI_STA); if(NUM_WIFI