Thiết kế, thi công hệ thống giám sát, cảnh báo và điều khiển nhiệt độ tự động cho trạm thu phát sóng di động (bts)

CƠ SƠ LÝ THUYẾT

Tổng quan về IOT

IoTs, hay Internet of Things, là thuật ngữ chỉ các đối tượng có khả năng nhận biết và tồn tại trong một kiến trúc kết nối Công nghệ này đang cách mạng hóa thế giới, thay đổi cách con người tương tác và quản lý môi trường xung quanh IoTs còn bao gồm mạng lưới các thiết bị vật lý, cảm biến và máy tính có khả năng kết nối và trao đổi dữ liệu qua Internet.

Các ứng dụng của IoT trong ngành công nghiệp bao gồm:

Giám sát và điều khiển tự động là quá trình sử dụng cảm biến để theo dõi các thông số quan trọng như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất và độ rung, nhằm đảm bảo an toàn và tối ưu hiệu suất cho các hệ thống.

Dự đoán bảo trì là quá trình sử dụng dữ liệu từ cảm biến để phân tích và dự đoán thời điểm thiết bị, máy móc cần được bảo trì Phương pháp này giúp giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động và tiết kiệm chi phí bảo trì cho hệ thống.

Nâng cao năng suất là yếu tố quan trọng giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất, giảm thiểu lãng phí và đảm bảo tiến độ sản xuất diễn ra chính xác.

Ngoài ra, ứng dụng của IoT hiện nay có những tác động tích cực mang lại sự phát triển trong ngành công nghiệp 4.0 và Cuộc sống Thông minh.

Tổng quan về phần cứng

❖ Giới thiệu: Đây là vi điều khiển Wi-Fi và Bluetooth tiên tiến, được phát triển Espressif Systems, sử dụng chip ESP32 chất lượng cao

ESP32 là một vi điều khiển được ưa chuộng trong các ứng dụng IoT và dự án điện tử thông minh, nhờ vào khả năng tích hợp cả Wi-Fi và Bluetooth trong cùng một thiết bị.

- Chip xử lí: tích hợp SoC, tốc độ đáp ứng từ 80MHz tới 240Mhz

- Kết nối không dây: Wi-Fi, Bluetooth

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM 4

- Bộ nhớ: Rom (448KB), SRAM (520KB)

- Các loại giao diện: GPIO, UART, I2C, SPI, ADC, DAC

- Hiệu suất cao: Tích hợp CPU hai nhân và tốc độ xung nhịp

- Kết nối đa dạng: kết nối không dây bằng Wi-Fi và Bluetoot

- Tiết kiệm năng lượng: tích hợp nhiều chế độ tiết kiệm năng lượng, kéo dài thời gian hoạt động của thiết bị

Các giao diện đa dạng như UART, I2C, và SPI được cung cấp, giúp hỗ trợ giao tiếp và kết nối với nhiều loại thiết bị ngoại vi khác nhau.

3 đèn LED để chỉ trạng thái MCU và trạng thái thu phát tín hiệu

Hình 2.1 Hình ảnh thực tế của ESP32

Hình 2.2 Cấu hình sơ đồ bảng phát triển ESP32

2.2.2 Module Modbus RTU Relay 8 kênh

Module công nghiệp relay 8 kênh được điều khiển qua bus RS485, sử dụng giao thức Modbus RTU Sản phẩm tích hợp các mạch bảo vệ như cách ly nguồn, cách ly từ tính ADI và diot TVS Ngoài ra, module còn được trang bị vỏ bọc ABS chắc chắn.

Modbus RTU Relay là một giải pháp lý tưởng cho các thiết bị và ứng dụng điều khiển công nghiệp nhờ vào khả năng giao tiếp nhanh chóng, ổn định và đáng tin cậy Với tính năng an toàn vượt trội, sản phẩm này đáp ứng tốt các yêu cầu liên lạc cao trong môi trường công nghiệp.

- Gio diện truyền thông: RS485

- Định dạng giao tiếp trực tiếp mặc định: 9600, N, 8, 1

- Hình thức liên hệ: 1NO, 1NC

- Giao thức truyền thông: giao thức Modbus RTU tiêu chuẩn

- Có chức năng flash-on, flash-off, bằng cách truyền đối số lệnh, có thể bật relay một lúc rồi tự động đóng lại

- Cách ly nguồn điện unibody trên bo mạch, cung cấp điện áp cách ly ổn định

- Cách ly từ tính unibody ADI trên bo mạch, cho phép cách ly tín hiệu, độ tin cậy cao, chống nhiễu mạch tiêu thụ điện năng thấp

- TVS trên bo mạch triệt tiêu hiệu quả điên áp đột biến thoáng qua trong mạch, chống sét và chống tĩnh điện

- Cách ly bộ ghép quang trên bo mạch, ngăn nhiễu từ mạch điện áp cao bên ngoài được kết nối với relay

- Mạch chống đảo ngược, ngăn mạch bị hỏng do vô tình kết nối không chính xác

- Realy chất lượng cao, định mức tiếp điểm: ≤ 10A, 250VAC/30VDC

- Vỏ nhựa ABS dạng ray, dễ dàng lắp đặt, an toàn khi sử dụng

- 3 đèn LED để chỉ trạng thái MCU và trạng thái thu phát tín hiệu

Hình 2.3 Hình ảnh thực tế của Modbus RTU Relay

❖ Giao tiếp RS485 và cách kết nối relay với các thiết bị điện:

Modbus RTU Relay giao tiếp với vi điều khiển ESP32 thông qua module chuyển tiếp RS485 TTL

Nếu sử dụng nhiều module, mỗi một module sẽ ứng với một node và được đăng kí địa chỉ với vi điều khiển ESP32

Hình 2.4 Hình ảnh kết nối nhiều module relay với nhau

Hình 2.5 Hình ảnh kết nối relay với thiết bị điện

Modbus RTU Relay cho phép điều khiển tắt mở các kênh relay linh hoạt theo nhu cầu sử dụng Mỗi yêu cầu khác nhau sẽ tương ứng với một lệnh điều khiển riêng biệt, giúp tối ưu hóa quá trình quản lý và vận hành hệ thống.

Ví dụ: 01 05 00 00 FF 00 8C 3A (mở relay 1)

01 Địa chỉ thiết bị 0x01 – 0x0F: địa chỉ thiết bị

05 Lệnh 05 Lệnh điều khiển relay đơn

00 00 Địa chỉ relay Địa chỉ thanh ghi của relay điều khiển:

0xFF00: mở relay 0x0000: đóng relay 0x5500: lật relay 8C 3A CRC16 Tổng kiểm tra CRC của 6 byte đầu tiên

Bảng 2.1 Bảng chú thích lệnh điều khiển relay đơn

❖ Mở nhiều relay khác nhau theo yêu cầu:

01 Địa chỉ thiết bị 0x01 – 0x0F: địa chỉ thiết bị

0F Lệnh Lệnh điều khiển relay tuỳ chọn

00 00 Địa chỉ relay Địa chỉ thanh ghi của relay điều khiển:

0x000D: mã bin 1101 (mở relay 1,3,4) 0x0009: mã bin 1001 (mở relay 1,4) 0x000F: mã bin 1111 (mở relay 1,2,3,4)

94 0E CRC16 Tổng kiểm tra CRC của 6 byte đầu tiên

Bảng 2.2 Bảng chú thích lệnh điều khiển relay theo yêu cầu

2.2.3 Module cảm biến nhiệt độ và độ ẩm SHT20 RS485

- Module cảm biến công nghiệp, đo nhiệt độ và độ ẩm

- Giao thức Modbus chuẩn được tích hợp vào giao thức chung

- Có chức năng tải lên tự động

❖ Thông số kĩ thuật: Điện áp nguồn: DC 4 – 12VDC

Nhiệt độ làm việc: nhiệt độ -20°C - 60°C, độ ẩm 0% -100% Độ chính xác: nhiệt độ ± 0,3°C, độ ẩm ± 3%

Giao diện đầu ra: Giao tiếp Modbus/RS485 Địa chỉ thiết bị: có thể được đặt 1 – 247, mặc định là 1

- Lệnh đọc nhiệt độ gửi dữ liệu từ vi điều khiển ESP32 tới cảm biến nhiệt độ, độ ẩm SHT20 RS485 (01 04 00 01 00 01 60 0A)

00 01 Đăng kí địa chỉ byte

00 02 Số lượng đăng kí Bbte

Bảng 2.3 Bảng chú thích khung dữ liệu đọc nhiệt độ, độ ẩm

Hình 2.6 Hình ảnh thực tế của cảm biến nhiệt độ, độ ẩm SHT20

2.2.4 Module cảm biến khí gas MQ2

Cảm biến MQ2 có khả năng phát hiện nhiều loại khí, bao gồm khí tự nhiên như methane và propane, khí LPG, khí hóa lỏng, khí than, hydro, ammoniac, sulfide hydro từ chất thải thủy sản, carbon monoxide, cùng nhiều khí khác.

Cảm biến MQ2 hoạt động dựa trên nguyên lý đo sự thay đổi điện trở trong lớp chất mao dẫn khi tiếp xúc với khí mục tiêu Khi nồng độ khí tăng lên, điện trở của cảm biến sẽ thay đổi MQ2 được trang bị bộ điều chỉnh cho phép phát hiện nồng độ khí vượt quá giới hạn an toàn.

Cảm biến MQ2 được thiết kế với các chân kết nối để dễ dàng tích hợp với mạch điện tử như Arduino hoặc Raspberry Pi Bằng cách đọc giá trị điện trở thay đổi từ cảm biến, người dùng có thể đánh giá nồng độ khí trong môi trường, từ đó thực hiện các hành động như cảnh báo, ghi log dữ liệu, hoặc điều khiển thiết bị an toàn.

Cảm biến MQ2 chỉ cung cấp thông tin về sự có mặt của khí mà không đo chính xác nồng độ của chúng Đối với các ứng dụng cần đo nồng độ khí chính xác, nên sử dụng các cảm biến chuyên dụng khác.

Cảm biến khí gas MQ2 là một thiết bị phổ biến trong việc giám sát và bảo vệ an toàn, có khả năng phát hiện nhiều loại khí khác nhau Với khả năng tích hợp dễ dàng vào các dự án điện tử, MQ2 trở thành lựa chọn hàng đầu cho các ứng dụng an ninh và bảo vệ môi trường.

Hình 2.7 Hình ảnh thực tế của cảm biến khí gas MQ2

2.2.5 Mạch đo điện AC PZEM-016T

- Sử dụng để điện và theo dõi các thông số điện năng AC như điện áp, dòng tiêu thụ, công suất, năng lượng…

- Sử dụng giao tiếp Modbus/RS485 chuẩn công nghiệp

- Điện áp hoạt động: 80 - 260VAC / 50 - 60Hz, sai số 0.01

- Dòng điện hoạt động: 0 ~ 100A, sai số 0.01

- Có opto cách ly giữa mạch đo và tín hiệu RS485 Modbus

- Lưu giữ thông số năng lượng tiêu thụ trong bộ nhớ

- Điện áp: có thể đo 80V đến 260V AC

- Dòng điện: có khả năng đo dòng điện từ 0A đến 100A AC

- Công suất (Power): tính toán công suất tiêu thụ dựa trên điện áp và dòng điện đo được

- Tần số (Frequency): Module cung cấp thông tin về tần số của nguồn điện

- Tổng công suất (Total power): Module có khả năng tính toán tổng công suất tiêu thụ trong một khoảng thời gian

- Năng lượng tiêu thụ (Energy consumption): Module có khả năng tính toán năng lượng tiêu thụ trong một khoảng thời gian dựa trên tổng công suất và thời gian

❖ Khung truyền dữ liệu: Địa chỉ đăng kí

00 Giá trị điện áp 1 LSB ứng với 0.1V

01 02 Giá trị dòng điện 16 bit 1 LSB ứng với 0.001A

03 04 Giá trị công suất 16 bit 1 LSB ứng với 0.1W

05 06 Giá trị năng lượng 16 bit 1 LSB ứng với 0.1Wh

07 Giá trị tấn số 1 LSB ứng với 0.1Hz

08 Giá trị tổng công suất 1 LSB ứng với 0.01

09 Trạng thái cảnh báo 0xFFFF là cảnh báo, 0x0000 là không cảnh báo

Bảng 2.4 Bảng chú thích khung dữ liệu đọc cái giá trị mà PZEM đo được

Hình 2.8 Hình ảnh thực tế của PZEM016T

Màn hình LCD 20x4 là một loại màn hình hiển thị dựa trên công nghệ LCD, có khả năng hiển thị 20 ký tự trên 4 hàng Đây là một trong những màn hình LCD phổ biến, thường được sử dụng trong các ứng dụng nhúng, dự án điện tử và hệ thống nhúng.

Màn hình LCD 20x4 thường đi kèm với bộ điều khiển tích hợp như HD44780, giúp việc điều khiển và hiển thị ký tự trở nên dễ dàng hơn.

Màn hình có thể hiển thị các ký tự số, chữ cái, ký tự đặc biệt và các biểu tượng đơn giản

Màn hình LCD 20x4 thường được kết nối với vi điều khiển như Arduino hoặc Raspberry Pi thông qua giao diện đơn giản như giao tiếp song song hoặc giao tiếp I2C Vi điều khiển sẽ gửi lệnh và dữ liệu đến màn hình để hiển thị nội dung mong muốn.

Màn hình LCD 20x4 mang đến khả năng hiển thị thông tin vượt trội so với màn hình LCD 16x2 thông thường Với 20 ký tự trên 4 hàng, màn hình này cho phép hiển thị nhiều thông tin hơn trong một dòng, từ đó cải thiện khả năng tương tác và hiển thị cho các ứng dụng.

Màn hình LCD 20x4 được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng như hiển thị thông tin trong các dự án điều khiển tự động, đồng hồ, bảng điều khiển thiết bị, đo lường và theo dõi dữ liệu, cùng với các ứng dụng điện tử sáng tạo khác.

Hình 2.9 Hình ảnh thực tế của module LCD 20x4 2.2.7 Module SIM A7670

Tổng quan về các phần mềm sử dụng

2.3.1 Tổng quan về phần mềm lập trình Arduino IDE

Arduino IDE là một phần mềm lập trình miễn phí và mã nguồn mở do Arduino LLC phát triển, được tối ưu hóa để lập trình các bo mạch và vi điều khiển Arduino dựa trên công nghệ AVR và ARM.

Hình 2.19 Giao diện phần mềm Arduino IDE

Arduino IDE là một công cụ với giao diện đồ họa thân thiện, cho phép người dùng dễ dàng viết, biên dịch và tải chương trình lên bo mạch Arduino Nó sử dụng ngôn ngữ lập trình C/C++, ngôn ngữ chính cho các dự án Arduino.

Dưới đây là một số đặc điểm và tính năng chính của Arduino IDE:

Arduino IDE tích hợp trình biên dịch AVR-GCC, giúp chuyển đổi mã nguồn C/C++ thành mã máy tương thích với bo mạch Arduino Ngoài ra, nó còn hỗ trợ việc nạp chương trình vào bo mạch qua kết nối USB.

Arduino IDE cung cấp một bộ thư viện và ví dụ mã nguồn phong phú, giúp lập trình trở nên dễ dàng hơn Những thư viện này cung cấp các hàm và chức năng đã được viết sẵn cho các tác vụ phổ biến như điều khiển đèn LED, đọc dữ liệu từ cảm biến và giao tiếp với các mạch ngoại vi.

Arduino IDE là một môi trường lập trình đơn giản với giao diện đồ họa thân thiện, bao gồm cửa sổ chính để viết mã nguồn và thanh công cụ hỗ trợ nạp chương trình cùng theo dõi quá trình biên dịch Ngoài ra, nó còn cung cấp bảng điều khiển giúp người dùng kiểm soát cài đặt bo mạch và cổng nạp.

Arduino IDE hỗ trợ đa nền tảng, có sẵn cho Windows, macOS và Linux, cho phép người dùng trên các hệ điều hành khác nhau dễ dàng lập trình và tương tác với bo mạch Arduino.

Arduino IDE là một nền tảng phổ biến toàn cầu với một cộng đồng lớn các nhà phát triển và người dùng Cộng đồng này cung cấp nhiều tài liệu hướng dẫn, bài viết, dự án và diễn đàn trực tuyến, giúp người dùng dễ dàng tìm kiếm thông tin và hỗ trợ trong quá trình phát triển.

Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM 23 cung cấp kiến thức và hỗ trợ lẫn nhau, tạo ra nguồn tài nguyên phong phú cho người mới bắt đầu Điều này không chỉ giúp giải quyết các vấn đề phổ biến mà còn khuyến khích việc chia sẻ ý tưởng sáng tạo.

Serial Monitor là một công cụ trong Arduino IDE, cho phép người dùng giao tiếp với bo mạch Arduino qua cổng Serial Công cụ này giúp gửi và nhận dữ liệu từ bo mạch, đồng thời theo dõi quá trình thực thi chương trình một cách hiệu quả.

Arduino IDE cung cấp tính năng gỡ lỗi đơn giản, giúp người dùng theo dõi và sửa lỗi trong mã nguồn Arduino Bằng cách sử dụng điểm ngắt và quan sát biến, bạn có thể kiểm tra và nắm bắt hoạt động của chương trình một cách hiệu quả.

Arduino IDE cho phép người dùng cài đặt thông số cho bo mạch Arduino, bao gồm loại bo mạch, vi xử lý và tốc độ truyền thông Tính năng này giúp IDE tương thích và hỗ trợ nhiều loại bo mạch khác nhau.

Hình 2.20 Kết quả biên dịch chương trình hoàn thành 2.3.2 Giới thiệu về nền tảng Blynk

Blynk là phần mềm phổ biến cho các ứng dụng IoT, cung cấp một bảng điều khiển kỹ thuật số cho phép người dùng tạo giao diện đồ họa cho dự án của mình thông qua việc kéo thả các công cụ hữu ích Phần mềm này không bị ràng buộc với một loại board hoặc shield cụ thể, mà hỗ trợ nhiều loại phần cứng mà người dùng lựa chọn.

Blynk là một nền tảng với các ứng dụng IOS và Android để điều khiển Arduino, Raspberry Pi và các ứng dụng tương tự Internet

Hướng dẫn sử dụng phần mềm Blynk:

❖ Sử dụng bằng Web Đầu tiên để sử dụng được phần mềm ta cần đăng ký một tài khoản bằng địa chỉ

Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM 24 email của người dùng

Hình 2.21 Giao diện đăng nhập trên Blynk

Hình 2.22 Tải khoản đã đăng kí Blynk

Sau đó sẽ thiết lập ứng dụng phù hợp với người dùng Chọn New Template

Hình 2.23 Tạo Template mới cho dự án mới

Bước tiếp theo khi đã thiết lập cho ứng dụng xong

Ta chuyển sang phần Datastream để cấu hình, kết nối

Chọn kiểu kết nối mà người sử dụng cần dùng và ở dự án này ta sử dụng Vitural Pin

Thiết lập tên, giá trị, đơn vị,…cho các thông tin cần giám sát và các vị trí chân cho phù hợp với phần code đã viết trước đó

Chuyển sang phần Web Dashboard, người dùng thực hiện kéo thả các Widgets cần thiết vào vùng cho phép để tạo bảng điều khiển Blynk Online Đồng thời, thiết lập các Pins và giá trị phù hợp với các Widgets đã chọn, dựa trên các thiết lập trước đó ở phần Datastreams Ngoài ra, người dùng có thể tùy chỉnh màu sắc và thông tin hiển thị để tạo sự hấp dẫn và đáp ứng nhu cầu cá nhân.

Hình 2.25 Giao diện của Dashboard

Hình 2.26 Cài đặt cho Widget loại switch

Hình 2.27 Cài đặt cho Widget loại đồng hồ

Hình 2.28 Cài đặt cho Widget loại biểu đồ

Ngoài các Widgets đã được lựa chọn, người dùng có thể sử dụng thêm các Widgets khác phù hợp với dự án của mình Một số Widgets có thể sử dụng miễn phí, trong khi những Widgets khác yêu cầu thanh toán Do đó, cần cân nhắc kỹ lưỡng để chọn lựa phù hợp với mục đích sử dụng Lưu ý rằng việc thanh toán chỉ chấp nhận các thẻ có liên kết thanh toán quốc tế.

Sau khi đã xong phần “Templates” tiếp đến ta vào phần “Search” để tạo thiết bị mới

Hình 2.29 Tạo thiết bị mới cho Template vừa tạo

Sau đó đặt tên cho Template và tên cho Device

Hình 2.30 ID, tên của Template và mã Auth_Token của dự án

Lưu ý đến tên ID, Device Name và mã Auth_Token của bảng điều khiển vì nó cần được copy để đưa vào phần code của toàn bộ hệ thống

Tổng quan về trạm BTS

Trạm BTS hay Trạm nhà trạm Viễn Thông BTS là cụm từ được viết tắt tiếng Anh

Trạm thu phát sóng di động, hay còn gọi là Base Transceiver Station, là một phần quan trọng trong cơ sở hạ tầng viễn thông, giúp truyền dẫn thông tin giữa các thiết bị di động và mạng lưới viễn thông.

Các trạm BTS thường được lắp đặt tại các vị trí cố định, thường ở độ cao và gần khu dân cư, nhằm tối ưu hóa khả năng phát sóng tại những khu vực có mật độ người sử dụng cao.

Một trạm BTS cơ bản bao gồm:

- Một trạm thu phát (TRX) có nhiệm vụ truyền và nhận tín hiệu, gửi và nhận các tín hiệu từ các phần tử mạng cao hơn;

Một bộ tổ hợp sẽ tích hợp nguồn cấp dữ liệu từ nhiều trạm thu phát, cho phép truyền tải thông qua một ăng-ten duy nhất, từ đó giảm thiểu số lượng ăng-ten cần lắp đặt.

- Một bộ khuếch đại công suất giúp khuếch đại tín hiệu từ trạm thu phát để truyền thông tin qua ăng-ten;

Một bộ song công giúp tách biệt việc gửi và nhận tín hiệu từ các ăng-ten, hoặc từ một ăng-ten bên ngoài của trạm BTS Trạm BTS cơ bản bao gồm các thành phần như tủ nguồn AC, tủ nguồn DC, tủ BTS và các thiết bị truyền dẫn.

Hình 2.31 Cấu tạo của một trạm BTS

Tổng quan về chuẩn giao tiếp công nghiệp Modbus

Modbus là một chuẩn giao thức truyền thông công nghiệp được phát hành và

Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM 31 phát triển bởi Modicon vào năm 1979, và chính thức thuộc về Schneider

Modbus đã trở thành tiêu chuẩn truyền thông phổ biến trong ngành công nghiệp tự động hóa nhờ vào tính ổn định, dễ sử dụng và thuận tiện Đặc biệt, giao thức này hoàn toàn MIỄN PHÍ và hiện được duy trì bởi tổ chức "modbus.org".

2.5.2 Nguyên tắc hoạt động của Modbus:

Modbus hoạt động dựa trên nguyên tắc "Master - Slave", trong đó một thiết bị Master có khả năng kết nối với nhiều thiết bị Slave Thiết bị Master thường là PLC, PC, DCS, RTU hoặc SCADA, trong khi các thiết bị Slave thường là những thiết bị cấp hiện trường.

Modbus là một phương pháp truyền thông tin qua đường dây nối tiếp giữa các thiết bị điện tử, trong đó thiết bị yêu cầu thông tin được gọi là Modbus Master, còn thiết bị cung cấp thông tin là Modbus Slaves.

Trong mạng Modbus tiêu chuẩn, hệ thống bao gồm một Master và tối đa 247 Slave, mỗi Slave được gán một địa chỉ duy nhất từ 1 đến 247 Master có khả năng ghi thông tin vào các Slave, giúp quản lý và điều khiển hiệu quả.

Dữ liệu được mã hóa theo hệ nhị phân, với tỷ lệ truyền thông là một byte cho mỗi byte dữ liệu Giao thức này rất phù hợp cho RS232 và RS485, cho phép đạt được tốc độ truyền cao.

Tốc độ phổ biến nhất cho Modbus RTU là từ 9600 đến 19200 baud Giao thức Modbus RTU là một trong những giao thức truyền thông công nghiệp phổ biến nhất hiện nay, và bài viết này sẽ chủ yếu tập trung vào việc tìm hiểu về Modbus RTU.

MODBUS TCP là MODBUS qua Ethernet (RJ45) Với MODBUS TCP, dữ liệu MODBUS được tóm lược đơn giản trong một gói TCP/IP

Modbus RTU là một giao thức truyền thông đơn giản, trong đó thông điệp được bao bọc bằng TCP/IP và gửi qua mạng thay vì sử dụng các kết nối nối tiếp Máy chủ trong hệ thống này không cần SlaveID vì nó sử dụng địa chỉ IP để xác định các thiết bị.

Tất cả thông điệp được mã hóa bằng định dạng hexadecimal, áp dụng đặc tính ASCII 4 bit Mỗi byte thông tin yêu cầu 2 byte truyền thông, gấp đôi so với giao thức MODBUS RTU hoặc MODBUS TCP.

Mặc dù MODBUS ASCII là giao thức chậm nhất trong ba loại, nhưng nó rất phù hợp cho việc sử dụng với modem điện thoại và kết nối sóng radio nhờ vào khả năng phân định thông điệp của ASCII.

Tính năng phân định giúp thiết bị nhận thông tin chính xác, ngăn chặn rắc rối trong phương tiện truyền dẫn Điều này đặc biệt quan trọng đối với các giao thức truyền thông của modem, điện thoại di động và các phương tiện truyền thông chuyên dụng khác, nơi yêu cầu độ chính xác cao trong việc truyền tải thông tin.

Trong quá trình khắc phục sự cố, việc xem dữ liệu thô thực tế đang được truyền là rất quan trọng Các chuỗi dài gồm số 1 và số 0 thường khó đọc, vì vậy các bit được kết hợp và hiển thị dưới dạng thập lục phân Mỗi khối 4 bit sẽ được biểu diễn bằng một trong mười sáu ký tự từ hệ thống thập lục phân.

Bảng 2.6 Bảng đổi mã Hexa

THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG

GIỚI THIỆU

Chương này sẽ giới thiệu phương pháp tính toán, sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý của các board mạch trong hệ thống Nó sẽ giải thích nguyên lý hoạt động và cách đo lường, truyền tải các thông số của dự án Đồng thời, chương cũng chỉ ra cách thức giám sát dữ liệu từ xa qua Internet.

SƠ ĐỒ KHỐI

Hệ thống giám sát và điều khiển trạm BTS này được xây dựng với các khối như sau:

Hình 3.1 Sơ đồ khối của toàn bộ chương trình

Trạm điều khiển trung tâm thực hiện chức năng truyền nhận dữ liệu với các module modbus relay, cảm biến SHT20 và PZEM016T qua giao tiếp RS485, đồng thời hiển thị thông tin trên ứng dụng điện thoại thông minh.

Khối xử lý trung tâm giao tiếp với các cảm biến, modbus relay và PZEM016T qua RS485 TTL để thu thập dữ liệu về nhiệt độ và độ ẩm, sau đó truyền thông tin này đến khối giám sát trên điện thoại và khối hiển thị Bên cạnh đó, khối xử lý trung tâm còn kết nối với module Sim A7670 để gửi tin nhắn SMS khi nhiệt độ vượt ngưỡng cho phép.

Khối RS485 TTL là thiết bị chuyển đổi tín hiệu từ TTL sang RS485, giúp truyền tải và nhận tín hiệu hiệu quả Thiết bị này tạo ra mạng giao tiếp giữa các trạm điều khiển, đảm bảo khả năng kết nối ổn định và chính xác.

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG

Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM 34 khiển trung tâm toàn hệ thống với module cảm biến , modbus relay, pzem016T

Khối đo công suất thiết bị điện thực hiện việc đo lường giá trị công suất, hiệu điện thế và dòng điện tiêu thụ của các thiết bị điện Sau đó, dữ liệu này được gửi lên khối xử lý trung tâm qua giao thức RS485 TTL, cho phép hiển thị thông tin trên màn hình hiển thị và trang web server.

❖ Khối Modbus relay: nhận dữ liệu từ khối RS485 TTL được gửi từ khối xử lý trung tâm, điều khiển bật tắt 8 kênh relay theo yêu cầu

Khối cảm biến nhiệt độ và độ ẩm gửi dữ liệu tới khối xử lý trung tâm qua giao thức RS485 TTL, cho phép hiển thị giá trị nhiệt độ và độ ẩm trên nền tảng Blynk và màn hình LCD.

❖ Khối chấp hành: gồm có 2 máy lạnh, 2 quạt hút gió được điều khiển từ khối

Khối hiển thị sử dụng màn hình LCD 20x4, nhận dữ liệu từ khối xử lý trung tâm qua giao thức I2C, nhằm hiển thị các giá trị được gửi đến từ khối xử lý trung tâm.

Khối Sim A7670 giao tiếp với khối xử lý trung tâm qua giao thức UART, cho phép nhận dữ liệu nhiệt độ khi vượt ngưỡng và gửi cảnh báo qua tin nhắn SMS.

Khối cảm biến gas là thiết bị phát hiện khí gas bất thường, khi nhận diện sự thay đổi, nó sẽ gửi tín hiệu analog đến khối xử lý trung tâm để xử lý thông tin.

Khối nguồn cung cấp nguồn 5VDC cho khối xử lý trung tâm, 12VDC cho khối SIM A7670 và 220VAC cho các thiết bị điện, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và an toàn.

THIẾT KẾ KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM

Nhóm đã trình bày các chức năng và phương án lựa chọn cho thiết kế và tính toán, đồng thời giải thích nguyên lý hoạt động của trạm điều khiển trung tâm và module cảm biến nhận diện chỗ trống.

3.3.1 Khối xử lý trung tâm

Khối xử lý trung tâm kết nối với các module cảm biến qua giao thức RS485 để thu thập dữ liệu về nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ không khí và công suất thiết bị điện Dữ liệu này được cập nhật lên ứng dụng Blynk, cho phép người dùng theo dõi và điều khiển thiết bị điện một cách hiệu quả thông qua nền tảng Blynk.

❖ Phương án và lựa chọn:

Để đáp ứng yêu cầu giao tiếp với các cảm biến qua chuẩn RS485 và kết nối Internet nhằm truyền dữ liệu lên ứng dụng di động, nhóm cần lựa chọn loại vi điều khiển phù hợp.

Trên thị trường hiện nay, các dòng vi điều khiển phổ biến bao gồm ARM, AVR, PIC, ESP32 và ESP8266 Nhóm đã tiến hành khảo sát một số vi điều khiển nổi bật từ từng dòng, như được trình bày trong bảng 4, nhằm đưa ra phương án lựa chọn vi điều khiển phù hợp với nhu cầu và mục tiêu đã đề ra.

Bảng 3.1 So sánh lựa chọn giữa các vi điều khiển

Giao thức truyền thông có dây

UART, USART, SPI,I2C, CAN, Ethernt

UART, SPI, HSPI, I2C, CAN, Ethernet, I2S, SD card/SDIO

Không có Không có Bluetooth,

Tốc độ xử lý tối đa 20 MHz 16 MHz 160 MHz 160 MHz đến 240 MHz

Sử dụng mạch nạp PICKit2,

Type-B USB Micro-USB Micro-USB

Tiêu thụ năng lượng Thấp Thấp Thấp Thấp

Giá thành Rất cao Rất cao Cao Cao

Nhóm quyết định sử dụng ESP32 làm khối xử lý trung tâm cho trạm điều khiển do khả năng giao tiếp với App và Web, cùng với khả năng truyền nhận dữ liệu ESP32 hỗ trợ nhiều ngoại vi và chuẩn giao tiếp, thuận tiện cho việc đưa dữ liệu lên các nền tảng này Ngoài ra, ESP32 được lập trình trên Arduino IDE và có cộng đồng lớn, giúp dễ dàng kế thừa thư viện và khắc phục lỗi Mặc dù ESP32 và ESP8266 có nhiều điểm tương đồng, ESP32 vượt trội hơn về tài nguyên và khả năng đáp ứng các yêu cầu của dự án.

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý của ESP32

❖ Giải thích sơ đồ nguyên lý:

KIT ESP32 được cấp nguồn 5VDC từ khối nguồn, ESP32 sẽ nhận tín hiệu từ

Trong hệ thống, 4 module RS485 TTL được kết nối với ESP32 qua chân RO và DI, truyền dữ liệu đến RX2 và TX2 Do hạn chế về cổng UART, nhóm đã quyết định giả lập các I/O để giao tiếp với 3 module RS485 TTL còn lại Bên cạnh đó, ESP32 kết nối với màn hình LCD qua giao thức I2C, sử dụng port D22 cho SCL và D23 cho SDA Vi điều khiển giao tiếp với module SIM A7670 qua UART, kết nối TX0 với RX của module SIM và RX0 với TX của module SIM Cuối cùng, port D15 được kết nối với chân ANALOG của cảm biến khí gas MQ2.

Nhóm đã sử dụng hai loại module RS485 to TTL để thiết lập khối truyền nhận dữ liệu, cho phép giao tiếp và truyền nhận thông tin giữa trạm điều khiển trung tâm và các module như cảm biến SHT20, Modbus Relay, Pzem016T thông qua chuẩn truyền thông RS485 Modbus.

Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý của 2 module RS485 TTL

❖ So sánh 2 module MAX485 RS485 và XY-K485 RS485:

- Cả 2 đều sử dụng giao diện RS485 để kết nối và truyền dữ liệu

- Cả 2 module đều hỗ trợ nhiều tốc độ truyền khác nhau, từ thấp đến cao, để phù hợp với yêu cầu truyền dữ liệu của ứng dụng

- Module MAX485 RSS485 được sản xuất bởi hãng Maxim Intergrated, trong khi module XY-K485 có nguồn gốc từ nhà sản xuất khác

- Cấu tạo cái port ngõ ra và ngõ vào khác nhau

- Module MAX485 RS485 và XY-K485 RS485 được cấp nguồn 5VDC

- Module MAX485 RS485 giao tiếp với trung tâm là Node MCU ESP32 thông qua chuẩn RS485:

Connect the DI pin of the MAX485 RS485 module to the TX pin of the ESP32 Link the RO pin of the MAX485 RS485 module to the RX pin of the ESP32 Finally, connect the DE and RE pins to an I/O port on the ESP32 for proper communication.

- Module XY-K485 RS485 giao tiếp với trung tâm là Node MCU ESP32 thông qua chuẩn RS485:

+ Chân RX của Module XY-K485 RS485 nối với chân TX của ESP32 + Chân TX của Module XY-K485 RS485 nối với chân RX của ESP32

- Ngõ ra của 2 module RS485 sẽ được kết nối với các thiết bị giao tiếp modbus như SHT20, Modbus Relay và PZEM016T

Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm SHT20 có khả năng đo từ 0 đến 100% độ ẩm và từ -40 đến 125 độ Celsius, cung cấp dữ liệu chính xác và ổn định cho các ứng dụng liên quan Với giao tiếp chuẩn công nghiệp Modbus, SHT20 có thể mở rộng khoảng cách đo lên tới vài trăm mét mà vẫn đảm bảo truyền dữ liệu chính xác với sai số thấp.

Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý của cảm biến nhiệt độ, độ ẩm SHT20

❖ Giải thích sơ đồ nguyên lý

Cảm biến SHT20 được kết nối với module MAX485 RSS485 thông qua 2 chân A và B, nhằm truyền tải giá trị nhiệt độ và độ ẩm đến khối xử lý trung tâm.

Nhóm đã chọn relay 8 kênh Modbus RTU của Waveshare, cho phép đóng ngắt relay theo giao thức Modbus RTU, một giao thức truyền thông phổ biến trong hệ thống điều khiển và giám sát công nghiệp Sản phẩm này cung cấp 8 relay, đủ để quản lý tất cả các thiết bị của trạm giám sát BTS.

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý của module Modbus RTU Relay

- 8 kênh relay của module sẽ được kết nối với các thiết bị điện như máy lạnh, đèn, quạt, chuống báo,…

Hai chân A và B của module Modbus RTU relay được kết nối với hai chân A và B của module MAX485 RSS485 để nhận dữ liệu từ khối xử lý trung tâm thông qua giao thức RS485.

3.3.5 Khối PZEM đo công suất tiêu thụ thiết bị điện

Nhóm đã chọn module PZEM016T, một mạch đo điện AC, để theo dõi công suất và năng lượng tiêu thụ của hai máy lạnh tại trạm BTS Với giao tiếp chuẩn công nghiệp Modbus, PZEM016T hoàn toàn tương thích với thiết kế mạng Modbus, giúp việc giám sát trở nên hiệu quả và chính xác hơn.

Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý của module PZEM016T

PZEM016T giao tiếp với khối xử lý trung tâm qua giao thức RS485 TTL, tương tự như Modbus RTU relay, bằng cách kết nối chân A và B của PZEM016T tới chân A và B của module XY-K485 RS485.

Cổng ra của PZEM016T sẽ được kết nối với cuộn CT để mở rộng khả năng đo dòng điện lên 100A Hai chân còn lại sẽ được kết nối với máy lạnh để theo dõi công suất và năng lượng tiêu thụ của thiết bị này.

SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ TOÀN MẠCH

Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch

THI CÔNG HỆ THỐNG

GIỚI THIỆU

Để đạt được mục tiêu xây dựng hệ thống giám sát và cảnh báo nhiệt độ, chúng ta cần thiết kế một hệ thống gọn gàng và tiện lợi cho người dùng Việc thi công mạch in và lắp ráp linh kiện sẽ được thực hiện một cách hợp lý Sau khi hoàn tất, người dùng có thể đăng nhập vào Blynk theo hướng dẫn ở chương 2 để theo dõi giá trị nhiệt độ, độ ẩm và nồng độ không khí qua Internet.

THI CÔNG HỆ THỐNG

4.2.1 Mô hình mạch in PCB

Mạch in của hệ thống được thiết kế trên phần mềm Proteus 8.13

Hình 4.1 Mạch in PCB của hệ thống vẽ trên Proteus

CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG

Hình 4.2 Mạch in PCB của hệ thống 3D (mặt trước)

Hình 4.3 Mạch in PCB của hệ thống 3D (mặt sau)

4.3.2 Lắp ráp mô hình hệ thống

Hệ thống được thiết kế gọn gàng trong tủ điện, với việc nối dây điện an toàn và hợp lý, đảm bảo hoạt động hiệu quả theo nhu cầu Hệ thống được chia thành hai phần chính: bên trong tủ điện và bên ngoài tủ điện.

Bên trong tủ điện, các khối quan trọng của hệ thống được bố trí bao gồm khối xử lý trung tâm, khối modbus relay, khối RS485 TTL, khối cảm biến MQ2, khối PZEM để đo công suất thiết bị điện, khối hiển thị và khối SIM A7670.

Bên ngoài tủ điện được trang bị khối cảm biến SHT20 và các thiết bị điện như 2 đèn báo pha đại diện cho 2 máy lạnh, 2 quạt hút gió và chuông báo.

Hình 4.4 Hình ảnh thực tế của sản phẩm (mặt trong)

Hình 4.5 Hình ảnh thức tế của sản phẩm (mặt ngoài)

- [1] : Khối hiển thị sử dụng module LCD 20x4 kết module chuyển giao tiếp I2C giành cho LCD

- [2] : Khối Modbus relay sử dụng module Môdbus RTU Relay 8 kênh của nhà sản xuất Waveshare

- [3] : Khối đo công suất tiêu thụ sử dụng module PZEM016T

- [4] : Mạch thiết kế PCB bao gồm khối xử lí trung tâm sử dụng vi điều khiển ESP32 và khối RS485 TTL sử dụng module MAX485

- [5] : Khối RS485 TTL sử dụng module XY-K485

- [6] : Khối nguồn sử dụng nguồn tổ ong với điện áp ngõ vào Vin 220VAC cho điện áp ngõ ra Vout 5VDC – 5A

- [7] : Khối chấp hành sử dụng 2 đèn báo pha (tượng trưng cho 2 máy lạnh ngoài thực tế) và chuông báo buzzer

- [8] : Khối cảm biến nhiệt độ, độ ẩm sử dụng cảm biến SHT20

LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT HỆ THỐNG

4.3.1 Chương trình điều khiển trung tâm

Hình 4.6 Lưu đồ giải thuận toàn bộ hệ thống

- Bắt đầu, chương trình sẽ khỏi tạo các mảng, biến, thiết lập kết nối Internet qua wifi

Chương trình thực hiện việc đọc các giá trị nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ không khí và công suất tiêu thụ của thiết bị, đồng thời điều khiển việc bật tắt nhiều chế độ khác nhau.

- Tiếp theo, xuất các giá trị nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ không khí, công suất tiêu thụ của thiết bị và hiển thị trên LCD

- Cuối cùng, chương trình sẽ cập nhật cái giá trị đó và gửi lên Blynk

- Sau đó chương trình quay lại cập nhật các giá trị nhiệt độ, độ ẩm mới và cứ thế tiếp tục vòng lặp

4.3.2 Chương trình con đọc nhiệt độ, độ ẩm và nồng độ không khí

Hình 4.7 Lưu đồ giải thuật của chương trình con đọc nhiệt độ, độ ẩm

- Chương trình con này sẽ xuất giá trị nhiệt độ, độ ẩm và nồng độ không khí

- Sau đó sẽ xét điều kiện của nhiệt độ và nồng độ không khí theo giá trị đã được định sẵn

Khi nhiệt độ vượt quá 35°C, cả hai máy lạnh sẽ hoạt động đồng thời và gửi tin nhắn SMS cảnh báo về tình trạng nhiệt độ cao.

2 máy lạnh sẽ bật tắt luân phiên theo thời gian mà người dùng đặt.

- Nếu nồng độ không khí vượt quá mức 180ppm, chuông báo động sẽ kêu cảnh báo có khí dễ cháy

- Tiếp đến là quay về chương trình chính

4.3.3 Chương trình con hiển thị trên LCD

Hình 4.8 Lưu đồ giải thuật chương trình con hiển thị trên LCD

Chương trình con này sẽ nhận các giá trị nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ không khí và công suất tiêu thụ của thiết bị điện, sau đó hiển thị thông tin trên màn hình LCD 20x4.

3 chế độ và thời gian chuyển giữa các chế độ là 3 giây:

- Chế độ 1: Hiển thị thời gian thực và giới thiệu đề tài

- Chế độ 2: Hiển thị giá trị nhiệt độ, độ ẩm và nồng độ không khí

- Chế độ 3: Hiển thị giá trị công suất tiêu thụ và năng lượng của thiết bị điện

- Sau đó quay về chương trình chính

4.3.4 Chương trình điều khiển bật tắt các thiết nhiều chế độ

Hình 4.9 Lưu đồ giải thuật chương trình con điều khiển bật tắt thiết bị

- Khi nhận được giá trị nhiệt độ từ các chương trình con phía trên, chương trình con xét điều kiện nếu nút nhấn Auto

Khi nút nhấn auto được kích hoạt, chương trình sẽ tiếp tục kiểm tra điều kiện nhiệt độ tương tự như trong chương trình con “đọc nhiệt độ, độ ẩm và nồng độ không khí” đã nêu ở trên.

- Ngược lại, nếu nút nhấn Auto tắt, chương trình sẽ xét tiếp đến điều kiện của nút nhấn Manual

- Nếu nút nhấn Manual được bật, lúc này chương trình cho phép điều khiển bật tắt

2 đèn và quạt tuỳ chọn

- Sau đó quay về chương trình chính.

KẾT QUẢ THỰC HIỆN

KẾT QUẢ PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM

❖ Các chế độ hiển thị trên LCD

Hình 5.1 Hiển thị chế độ 1 (bên trái) và chế độ 2 (bên phải) trên LCD

- LCD hiển thị các chế độ và thời gian tự động chuyển giữa các chế độ là 3 giây

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC HIỆN

❖ Thao tác các nút nhấn trên Blynk để điều khiển các thiết bị theo nhiều chế độ

Hình 5.2 Nút nhấn Auto bật trên Blynk

Hình 5.3 Chế độ Auto hoạt động trên phần cứng

Khi người dùng kích hoạt chế độ Auto trên Blynk, hệ thống sẽ ngay lập tức kiểm tra nhiệt độ Nếu nhiệt độ thấp hơn 35°C, hệ thống sẽ tự động bật tắt luân phiên hai máy lạnh mỗi 5 giây, với khả năng điều chỉnh thời gian hoạt động luân phiên thông qua ứng dụng Blynk.

Hình 5.4 Nút nhấn Manual bật và bật máy lạnh 1

Hình 5.5 Chế độ Manual và bật máy lạnh 1 hoạt động trên phần cứng

Hình 5.6 Nút nhấn Manual bật và bật máy lạnh 2

Hình 5.7 Chế độ Manual và bật máy lạnh 2 hoạt động trên phần cứng

Hình 5.8 Nút nhấn Manual bật và bật cả 2 máy lạnh

Hình 5.9 Chế độ Manual và bật cả 2 máy lạnh hoạt động trên phần cứng

Khi người dùng tắt nút nhấn Auto và bật nút nhấn Manual, hệ thống sẽ cho phép họ tùy chọn bật tắt các thiết bị, bao gồm 2 máy lạnh và 2 quạt.

Chế độ Manual cho phép người dùng điều chỉnh theo ý muốn khi xảy ra sự cố ở nút nhấn Auto hoặc khi thiết bị hoạt động không đúng yêu cầu.

Tiêu đề	Thiết Kế, Thi Công Hệ Thống Giám Sát, Cảnh Báo Và Điều Khiển Nhiệt Độ Tự Động Cho Trạm Thu Phát Sóng Di Động (BTS)
Tác giả	Phạm Lê Hoàng Minh, Nguyễn Minh Ngọc
Người hướng dẫn	ThS. GVC. Trương Ngọc Anh
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử - Viễn Thông
Thể loại	Đồ Án Tốt Nghiệp
Năm xuất bản	2023
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	110
Dung lượng	9,16 MB