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

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.. Bộ điều khiển nhiệt độ Bộ điều k

Tổng quan

Đặt vấn đề

Xã hội ngày càng phát triển, công nghiệp hóa và hiện đại hóa đang được đẩy mạnh để phát triển đất nước và cải thiện cuộc sống của người dân Việc ứng dụng khoa học kỹ thuật đã trở nên phổ biến và rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực, từ y tế đến kỹ thuật và đời sống xã hội, mang lại hiệu quả đáng kể Sự phát triển này đã góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống và cải thiện điều kiện sống của cộng đồng.

Trong sản xuất và nông nghiệp, việc bảo quản thực phẩm đóng vai trò quan trọng, và nhiệt độ là một yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm Với sự phát triển của công nghệ, các tiêu chuẩn bảo quản ngày càng khắt khe, đòi hỏi các sản phẩm tủ lạnh phải cải tiến tính năng và hiệu suất để đáp ứng nhu cầu của con người Đặc biệt, các sản phẩm tủ lạnh thông minh đang trở nên phổ biến và được ưa chuộng nhờ các ưu điểm vượt trội so với tủ lạnh truyền thống Nhóm nghiên cứu đã lựa chọn đề tài "Ứng dụng IoT điều khiển và giám sát nhiệt độ kho lạnh" để tìm cách bảo quản thực phẩm một cách tối ưu, tận dụng lợi thế của công nghệ 4.0 để phát triển giải pháp kỹ thuật hiệu quả.

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

Quản lý và giám sát hệ thống trở nên dễ dàng hơn bao giờ hết với khả năng điều khiển và giám sát từ xa thông qua máy tính Ngoài ra, ứng dụng trên điện thoại Android cho phép thu thập dữ liệu và điều khiển hệ thống một cách tiện lợi, chỉ cần có kết nối 4G hoặc 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, việc đánh giá chi phí đề tài cũng như năng lực tài chính của nhóm đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng một mô hình hệ thống phù hợp và đảm bảo nhất Việc này giúp xác định các nguồn lực cần thiết và đảm bảo rằng dự án có thể được thực hiện một cách hiệu quả và tiết kiệm.

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 cung cấp nền tảng kiến thức quan trọng về tiêu chuẩn bảo quản thực phẩm, cũng như các khái niệm liên quan đến công nghệ IoT và giao thức Modbus RTU thông qua chuẩn RS-485 Bên cạnh đó, chương này cũng trình bày nguyên lý hoạt động của tủ lạnh và cách thức hoạt động của bộ điều khiển Hanyoung VX4, giúp người đọc hiểu rõ hơn về các thành phần và công nghệ được áp dụng trong hệ thống.

• Chương 3 Thiết kế phần cứng: Nêu yêu cầu của hệ thống, cách lựa chọn thiết

3 bị, thiết kế cơ khí, thiết kế sơ đồ kết nối phần cứng, sơ đồ nối dây

• Chương 4 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

Chương 5 tập trung trình bày kết quả thực hiện dự án, bao gồm cả phần cứng và phần mềm, thông qua hình ảnh minh họa và các thông số kỹ thuật cụ thể Kết quả này cho phép người đọc hình dung rõ ràng về hiệu suất và tính năng của sản phẩm Đồng thời, chương này cũng thảo luận về kết quả thu được, phân tích và đánh giá hiệu quả của dự án, từ đó rút ra bài học kinh nghiệm và đề xuất hướng phát triển trong tương lai.

Kết luận và hướng phát triển là bước cuối cùng trong quá trình nghiên cứu và phát triển hệ thống Trong chương này, chúng ta sẽ tổng kết những vấn đề đã được giải quyết và chưa được giải quyết, đồng thời đề xuất hướng phát triển trong tương lai Hệ thống có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong thực tế và giáo dục, giúp nâng cao hiệu quả và chất lượng của các quy trình Tuy nhiên, vẫn còn một số hạn chế và thách thức cần được giải quyết để hệ thống có thể phát huy tối đa tiềm năng của mình.

Cơ sở lý thuyết

Tổng quan về bảo quản thực phẩm

Bảo quản thực phẩm là quá trình quan trọng giúp ngăn ngừa sự phát triển của vi khuẩn và kéo dài thời gian sử dụng của thực phẩm Quá trình này liên quan đến việc lưu trữ thực phẩm trong các điều kiện phù hợp để duy trì chất lượng và an toàn thực phẩm, giúp thực phẩm có thể sử dụng sau một thời gian dài.

Với sự gia tăng dân số, nhu cầu lương thực và thực phẩm trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết, đòi hỏi nguồn cung dồi dào để đáp ứng Tuy nhiên, sản xuất thực phẩm tươi với số lượng lớn đồng thời cũng đặt ra thách thức về bảo quản, bởi nếu không được tiêu thụ kịp thời sẽ dẫn đến lãng phí Nhận thức được vấn đề này, con người đã tìm kiếm các phương pháp bảo quản thực phẩm hiệu quả Từ việc sử dụng muối, giấm hoặc đường như người xưa, đến các phương pháp hiện đại ngày nay, khoa học công nghệ đã mang lại những giải pháp bảo quản thực phẩm đa dạng và đơn giản hơn, đồng thời nâng cao hiệu quả bảo quản.

Bảo quản thực phẩm đóng vai trò quan trọng trong việc kéo dài tuổi thọ của chúng, đồng thời ngăn ngừa hư hỏng và đảm bảo nguồn cung thực phẩm ổn định Điều này cho phép đa dạng hóa thực phẩm trong cả năm, giúp chúng ta không phải chờ đợi đến mùa vụ mới có thể thưởng thức những món ăn yêu thích.

Bảo quản thực phẩm trong tủ lạnh là một bước quan trọng để duy trì chất lượng sản phẩm Tuy nhiên, chất lượng thực phẩm có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố trong quá trình bảo quản, bao gồm nhiệt độ, độ ẩm không khí, thành phần không khí và tốc độ dòng khí trong kho bảo quản Đối với mỗi loại thực phẩm hoặc sản phẩm khác nhau, việc kiểm soát các yếu tố này là cần thiết để đảm bảo chất lượng và kéo dài thời gian bảo quản.

5 chúng có các tiêu chuẩn khác nhau đối với mỗi yếu tố bảo quản đã được liệt kê ở trên

Nhiệt độ là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng 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, và điều kiện phát triển tối ưu của nhiều vi khuẩn thường được xác định ở nhiệt độ trên 0 độ C Tuy nhiên, một số loài vi khuẩn vẫn có thể sinh sôi ở nhiệt độ thấp hơn, thậm chí xuống tới -12 độ C Đáng chú ý, quá trình đông lạnh chỉ có thể tiêu diệt từ 10 đến 90% vi khuẩn, không thể tiêu diệt toàn bộ vi khuẩn.

Thời gian tăng hoặc giảm nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng của quá trình bảo quản thực phẩm Đối với một số loại thực phẩm, yêu cầu nhiệt độ cần được đáp ứng nhanh chóng để duy trì chất lượng, trong khi những loại khác lại đòi hỏi thời gian đáp ứng chậm hơn để tránh những tác động đột ngột đến cấu trúc sản phẩm.

Dưới đây là nhiệt độ thích hợp để bảo quản của một số loại thực phẩm:

Bảng 2.1 Nhiệt độ bảo quản một số loại thực phẩm

Loại thực phẩm Nhiệt độ bảo quản thích hợp ( 0 C)

Tôm, cá tươi các loại -25

Độ ẩm là thành phần quan trọng không kém so với nhiệt độ, ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển của vi sinh vật Khi môi trường quá khô, hơi ẩm thoát ra khỏi sản phẩm, thực phẩm khiến chúng suy giảm về trọng lượng và chất lượng Vì vậy, duy trì tỉ lệ độ ẩm thích hợp là yếu tố quan trọng để giữ thực phẩm tươi ngon và 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:

Bảng 2.2 Độ ẩm bảo quản một số loại thực phẩm

Loại thực phẩm Độ ẩm bảo quản thích hợp (%)

Đối với một số loại trái cây như táo và lê, việc điều chỉnh thành phần không khí trong phòng bảo quản đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì chất lượng sản phẩm Bằng cách tăng tỷ lệ CO2 trong không khí, quá trình hô hấp và phân hủy của trái cây sẽ chậm lại, từ đó giúp tăng tuổi thọ lưu trữ.

Tốc độ dòng khí là yếu tố phụ quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả của các yếu tố khác trong bảo quản thực phẩm Để đạt được hiệu quả tốt nhất, cần tìm được giá trị trung bình thích hợp, không quá nhanh khiến sản phẩm bị mất nước và không quá chậm làm ảnh hưởng đến quá trình phân phối không khí Việc điều chỉnh các nhân tố một cách thích hợp là cần thiết để bảo quản thực phẩm tốt nhất Hiện nay, điều khiển nhiệt độ vẫn là phương pháp phổ biến nhất trong bảo quản thực phẩm.

Bộ điều khiển nhiệt độ

Bộ điều khiển nhiệt độ là thiết bị chuyên dụng được thiết kế để điều khiển và kiểm soát nhiệt độ một cách chính xác Với khả năng xử lý tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ, hiển thị thông tin và đưa ra các lệnh điều khiển, thiết bị này trở thành thành phần quan trọng trong các hệ thống gia nhiệt, máy ép nhựa, lò sấy và hệ thống khí nén.

Bộ điều khiển nhiệt độ, còn được biết đến với nhiều tên gọi khác như bộ cảm biến nhiệt độ, đồng hồ đo nhiệt độ hoặc đồng hồ điều khiển, là một thiết bị quan trọng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật.

7 nhiệt độ, đồng hồ hiệu chỉnh nhiệt độ, bộ điều khiển nhiệt độ PID, bộ điều khiển nhiệt kỹ thuật số, …

Hình 2.2 Đồng hồ nhiệt và các thiết bị hỗ trợ.

Bộ điều khiển nhiệt độ hoạt động bằng cách đo nhiệt độ môi trường hiện tại và so sánh nó với giá trị nhiệt độ mong muốn đã được cài đặt trước đó Sự chênh lệch giữa hai giá trị này được gọi là độ lệch, và dựa vào đó, bộ điều khiển sẽ xác định mức độ sưởi ấm hoặc làm mát cần thiết để đưa nhiệt độ về giá trị mong muốn Sau đó, bộ điều khiển sẽ gửi tín hiệu đầu ra đến các thiết bị như lò sưởi, van điều khiển, quạt hoặc máy nén để thực hiện sự thay đổi nhiệt độ cần thiết, từ đó điều chỉnh nhiệt độ môi trường về giá trị mong muốn.

❖ Các phương pháp điều khiển của bộ điều khiển nhiệt độ:

Chế độ ON/OFF là phương pháp điều khiển đơn giản nhất, nhưng nó cũng có những hạn chế nhất định, chẳng hạn như độ chính xác không cao và độ quá nhiệt lớn, dẫn đến tổn thất nhiều năng lượng Thông thường, phương pháp này sẽ cài đặt một thông số gọi là dải nhiệt độ trễ, cho phép thiết bị tự động ngắt khi vượt quá giá trị ngưỡng cao nhất và hoạt động khi nhiệt độ thấp hơn giá trị ngưỡng thấp nhất.

Phương pháp điều khiển này áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, sử dụng các hàm toán học như vi phân và tích phân để đưa ra lệnh điều khiển tối ưu Mục tiêu của phương pháp này là điều chỉnh giá trị cần điều khiển đến mức mong muốn thông qua việc tính toán và phân tích các hàm toán học phức tạp Bằng cách áp dụng các công thức toán học này, hệ thống có thể tự động điều chỉnh và thích nghi với các điều kiện thay đổi, từ đó đạt được kết quả điều khiển chính xác và hiệu quả.

Phương pháp điều khiển nhiệt độ dựa trên giá trị cài đặt là một phương pháp hiệu quả và chính xác Ưu điểm của phương pháp này là khả năng đáp ứng tốt và ổn định, đặc biệt phù hợp với những môi trường có sự thay đổi nhiệt độ thường xuyên.

Bộ điều khiển tự động điều chỉnh năng lượng cung cấp cho thiết bị dựa trên sự chênh lệch nhiệt độ, thường thông qua việc điều khiển tần số Phương pháp này giúp tối ưu hóa lượng năng lượng tiêu thụ, giảm thiểu lãng phí và tăng hiệu quả sử dụng năng lượng.

❖ Ưu điểm của bộ điều khiển nhiệt đô:

• Hỗ trợ điều khiển thiết bị một cách tự động, an toàn và chính xác

• Giảm tiêu thụ năng lượng

• Hỗ trợ đa dạng các thiết bị chấp hành như máy nén, quạt, đèn báo, thiết bị rã đông,…

• Cung cấp khả năng kết nối để có thể giám sát và điều khiển từ xa

• Giảm chi phí nhân lực để vận hành hệ thống

Bộ điều khiển nhiệt độ được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực và ngành nghề khác nhau, từ các nhà máy công nghiệp quy mô lớn đến các hoạt động sản xuất dân dụng nhờ vào những ưu điểm vượt trội của nó.

Ứng dụng phổ biến nhất của các thiết bị điều chỉnh nhiệt độ là trong các lò ấp trứng gia cầm, từ dạng mini đến công suất lớn, giúp kiểm soát và điều chỉnh nhiệt độ lò ấp ở mức phù hợp, không quá cao cũng không quá thấp, đảm bảo môi trường ấp trứng an toàn và hiệu quả.

Theo dõi và điều khiển nhiệt độ là yếu tố quan trọng trong sản xuất gốm sứ, đòi hỏi độ chính xác nhiệt độ cao để tránh sai lệch có thể gây thiệt hại lớn Các lò nung gốm sứ thường hoạt động ở nhiệt độ lên đến hàng nghìn độ C, và một sai lệch nhỏ về nhiệt độ cũng có thể làm hư hỏng cả mẻ hàng Do đó, việc kiểm soát nhiệt độ chính xác là điều kiện cần thiết để đảm bảo chất lượng sản phẩm và hạn chế rủi ro.

Đồng hồ điều khiển nhiệt không chỉ được ứng dụng trong công nghiệp, mà còn được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị dân dụng như máy lạnh, quạt tản nhiệt, cũng như trong các thiết bị công nghiệp như lò sấy, lò nướng, nồi hơi, giúp kiểm soát nhiệt độ một cách chính xác và hiệu quả.

Tổng quan về IoT

Khái niệm Internet of Things (IoT) được đặt ra bởi Kevin Ashton vào năm 1999, một nhà khoa học nổi tiếng và là người sáng lập trung tâm Auto-ID tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) của Mỹ.

Internet of Things (IoT) là tập hợp các thiết bị và đối tượng có thể kết nối với internet thông qua các trang web hoặc ứng dụng, cho phép tự động thu thập, truyền tải dữ liệu và xử lý thông tin mà không cần sự tương tác giữa con người với con người hoặc giữa con người với máy tính Sự kết hợp giữa công nghệ không dây, công nghệ vi-cơ điện tử và internet đã tạo nên IoT, giúp mở rộng khả năng kết nối và tự động hóa trong môi trường xung quanh.

Hình 2.3 IoT và sự ứng dụng rộng rãi của nó.

Trong giai đoạn đầu của Internet, khi thiết bị và hệ thống IoT chưa phổ biến, hầu hết dữ liệu trực tuyến đều được tạo ra hoặc ghi lại bởi con người thông qua các hành động như gõ chữ, chụp ảnh, quét mã, nhấn nút Tuy nhiên, con người có những hạn chế đáng kể, bao gồm thời gian hạn chế, khả năng tập trung thấp và độ chính xác thấp hơn so với máy móc Những hạn chế này đã tạo ra một vấn đề nghiêm trọng, đó là hạn chế khả năng thu thập thông tin về môi trường xung quanh của con người.

Đối với IoT, máy tính sẽ thay thế con người trong việc thu thập và lưu trữ dữ liệu từ thế giới xung quanh, đồng thời xử lý chúng một cách hiệu quả Điều này cho phép chúng ta theo dõi và kiểm tra các thiết bị một cách chính xác, xác định thời điểm cần thay thế và kiểm soát chúng mọi lúc mọi nơi Với khả năng cách mạng hóa cuộc sống, IoT được coi là bước đột phá mới, tương tự như cách Internet đã làm thay đổi cuộc sống của loài người trong quá khứ.

Một cấu trúc phổ biến của một hệ thống IoT gồm 3 lớp:

Lớp vật lý là lớp cơ sở của hệ thống, nơi chứa các cảm biến, thiết bị thu thập dữ liệu và thiết bị chấp hành có khả năng kết nối với Internet, cho phép tương tác trực tiếp với môi trường xung quanh.

Một trong những rào cản chính khi triển khai hệ thống IoT là hầu hết các thiết bị hiện có không có khả năng kết nối với Internet, khiến việc chia sẻ và lấy dữ liệu từ điện toán đám mây trở nên khó khăn Để giải quyết vấn đề này, các thiết bị trung gian như công tắc thông minh, ổ cắm thông minh và các con chip kết nối Internet đã được phát triển, cho phép thu thập và truyền tải dữ liệu từ các thiết bị cảm biến và thiết bị chấp hành.

Hình 2.4 Các loại cảm biến thu thập dữ liệu

Hình 2.5 Các thiết bị thông minh

Bao gồm hạ tầng mạng và điện toán đám mây

Cơ sở hạ tầng mạng đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối và điều khiển lưu lượng dữ liệu, bao gồm các thiết bị định tuyến, tổng hợp và kiểm soát dữ liệu, được kết nối đến mạng lưới viễn thông và cáp Internet là hệ thống mạng kết nối toàn cầu với hàng tỉ địa chỉ IP được liên kết với hệ thống máy tính, cho phép trao đổi và chia sẻ thông tin nhanh chóng và hiệu quả Điện toán đám mây là giải pháp lưu trữ dữ liệu hiện đại, bao gồm một hệ thống lớn các máy chủ được kết nối với nhau, cung cấp khả năng lưu trữ và xử lý dữ liệu an toàn và linh hoạt.

Hình 2.6 Mạng lưới kết nối Internet

Lớp ứng dụng là thành phần quan trọng trong kiến trúc IoT, chịu trách nhiệm cung cấp các dịch vụ và ứng dụng cụ thể để người dùng tương tác với hệ thống Đây là nơi người dùng có thể giao tiếp với hệ thống IoT được triển khai, thực hiện các chức năng và nhận thông tin theo yêu cầu.

Hình 2.7 Giao diện điều khiển trên điện thoại

2.3.3 Ứng dụng Ứng dụng của IoT là vô cùng rộng rãi Dưới đây là một số lĩnh vực được ứng dụng phổ biến:

Nhà thông minh là một ví dụ điển hình về Internet vạn vật (IoT), nơi tất cả các thiết bị trong ngôi nhà có thể được kết nối với nhau thông qua Internet, cho phép người dùng dễ dàng vận hành và điều khiển các thiết bị từ xa một cách tiện lợi và linh hoạt.

Thiết bị cá nhân thông minh đang trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hàng ngày, và đồng hồ thông minh là một ví dụ tiêu biểu Không chỉ đơn giản là hiển thị giờ giấc, đồng hồ thông minh hiện nay còn có thể hiển thị tin nhắn, thông báo, theo dõi vị trí, tình trạng sức khỏe người dùng, nhắc nhở lịch trình và nhiều tính năng khác, mang lại trải nghiệm tiện lợi và hiện đại cho người dùng.

Công nghệ IoT đóng vai trò quan trọng trong việc dự đoán và cảnh báo sớm về các thảm họa tự nhiên Một ví dụ điển hình là hệ thống giám sát cháy rừng, nơi các cảm biến nhiệt độ và hàm lượng carbon được lắp đặt ở ranh giới các khu rừng, giúp phát hiện và cảnh báo sớm về nguy cơ cháy rừng, từ đó giảm thiểu thiệt hại về người và tài sản.

Dữ liệu được thu thập và giám sát liên tục, cho phép hệ thống cảnh báo sớm khi xảy ra cháy rừng Khi nhận diện đám cháy, hệ thống sẽ ngay lập tức gửi tín hiệu đến trung tâm cứu hỏa và các đơn vị liên quan, hỗ trợ kịp thời cho công tác di dời và dập tắt đám cháy hiệu quả.

• Quản lí phương tiện giao thông

Hệ thống cảm biến trên phương tiện giao thông thu thập thông tin về tình trạng xe, đưa ra cảnh báo giúp người dùng khắc phục kịp thời và hỗ trợ tối đa Công nghệ ô tô tự lái ứng dụng trí tuệ nhân tạo và cảm biến thông minh, phân tích tình huống giao thông, đưa ra cảnh báo hoặc tự động hành động để đảm bảo an toàn cho người lái và hành khách.

Ứng dụng IoT trong nông nghiệp thông minh cho phép nông dân theo dõi và kiểm soát chặt chẽ các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, độ pH và thành phần dinh dưỡng Từ đó, hệ thống có thể tự động điều chỉnh để duy trì sự ổn định của các thông số này, hoặc cung cấp cho nông dân những thông tin cần thiết để họ có thể đưa ra các giải pháp kịp thời, đảm bảo môi trường sinh trưởng tốt nhất cho cây trồng và vật nuôi.

Sự tích hợp IoT trong sản xuất đã mang lại những thay đổi đáng kể và lợi ích không nhỏ, đặc biệt là trong việc giám sát chuỗi cung ứng và quản lý hàng tồn kho hiệu quả hơn Bên cạnh đó, tự động hóa sản xuất và kiểm tra chất lượng sản phẩm cũng được cải thiện đáng kể, giúp tối ưu hóa toàn bộ hệ thống sản xuất.

Cơ sở dữ liệu

Cơ sở dữ liệu là một tập hợp liên kết các dữ liệu, được thiết kế để lưu trữ và quản lý thông tin một cách hiệu quả Dữ liệu này thường được duy trì dưới dạng một tập hợp các tập tin trong hệ điều hành hoặc được lưu trữ trong các hệ quản trị cơ sở dữ liệu, giúp cho việc truy cập và quản lý dữ liệu trở nên dễ dàng và linh hoạt hơn.

Dựa theo cấu trúc, có thể chia cơ sở dữ liệu thành các loại như sau:

Hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu quan hệ là một phương pháp lưu trữ dữ liệu theo dạng bảng, với các dòng và cột được sắp xếp logic, nơi mọi dữ liệu được lưu trữ như một giá trị của một ô cụ thể Để quản lý dữ liệu trong hệ thống này, giao thức SQL (Structure Query Language) - ngôn ngữ truy vấn cấu trúc, đóng vai trò quan trọng trong việc thực hiện các thao tác như tạo, sửa đổi, truy xuất và xóa dữ liệu.

Một số hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu quan hệ: Oracle, MySQL, MS Sever, PostgreSQL

Cơ sở dữ liệu Document Store là một loại cơ sở dữ liệu hướng tài liệu, cho phép lưu trữ dữ liệu không có cấu trúc cố định như SQL Ưu điểm của loại cơ sở dữ liệu này là người dùng không cần phải tạo bảng tài liệu trước khi nhập dữ liệu, giúp tăng tính linh hoạt và dễ dàng quản lý dữ liệu.

Một số cơ sở dữ liệu dạng Doccument Store: MongoDB, Couchbase

Cơ sở dữ liệu dạng khóa-giá trị là một trong những loại cơ sở dữ liệu NoSQL đơn giản nhất, nơi dữ liệu được lưu trữ dưới dạng cặp khóa-giá trị Mỗi khóa (key) sẽ được liên kết với một giá trị (value) tương ứng, giúp việc lưu trữ và truy xuất dữ liệu trở nên nhanh chóng và hiệu quả.

Một số cơ sở dữ liệu dạng khóa-giá trị: Redis, Firebase

Việc lựa chọn cơ sở dữ liệu phù hợp với dự án là rất quan trọng, phụ thuộc vào cấu trúc dữ liệu lưu trữ, tốc độ cập nhật dữ liệu và thời gian thiết lập Các cơ sở dữ liệu dạng SQL hiện nay rất phổ biến nhờ cấu trúc dữ liệu rõ ràng, dễ dàng truy xuất và chỉnh sửa, nhưng lại có tốc độ xử lý chậm và đòi hỏi nhiều chi phí trong xây dựng và phát triển, đồng thời phức tạp khi nâng cấp và mở rộng hệ thống.

Các cơ sở dữ liệu dạng NoSQL nổi bật với khả năng xử lý dữ liệu linh hoạt và đa dạng, cho phép mở rộng hệ thống dữ liệu dễ dàng theo chiều ngang và tạo mẫu dữ liệu nhanh chóng Trong số đó, nền tảng cơ sở dữ liệu Firebase đang được ưa chuộng nhờ hỗ trợ lập trình viên tối ưu hóa quá trình thiết lập cơ sở dữ liệu, giúp họ tập trung vào việc phát triển ứng dụng một cách hiệu quả.

Firebase là một nền tảng toàn diện cho việc phát triển ứng dụng di động và trang web, cung cấp các API đơn giản nhưng mạnh mẽ, giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào backend hay server, từ đó tạo điều kiện thuận lợi cho việc xây dựng và triển khai các dự án một cách nhanh chóng và hiệu quả.

Gần một thập niên trước, Firebase được ra đời từ tiền thân là Envolve, một nền tảng đơn giản chuyên cung cấp các API cần thiết để tích hợp tính năng chat vào trang web Ngoài ứng dụng nhắn tin trực tuyến, Envolve còn được người dùng sử dụng rộng rãi để truyền và đồng bộ hóa dữ liệu cho các ứng dụng khác, bao gồm cả các trò chơi trực tuyến.

Năm 2014, Google mua lại Firebase và phát triển nó thành một dịch vụ đa chức năng, giúp người dùng lập trình ứng dụng một cách dễ dàng bằng cách đơn giản hóa các thao tác với cơ sở dữ liệu.

Firebase là dịch vụ cơ sở dữ liệu đám mây mạnh mẽ, hỗ trợ đa nền tảng, từ trang web đến ứng dụng điện thoại Android và IOS, đồng thời tận dụng hệ thống máy chủ mạnh mẽ của Google, mang lại nhiều ưu điểm cho người dùng.

• Dễ dàng tạo tài khoản và sử dụng với tài khoản google

• Nhiều dịch vụ trên cùng một nền tảng: Firebase Realtime Database, Firebase Firestore, Firebase Anthentication,…

• Tập trung vào phát triển giao diện người dùng

Firebase Realtime Database là một chức năng quan trọng của Firebase, cho phép lưu trữ dữ liệu dưới dạng Json và tự động cập nhật theo thời gian thực đến mọi kết nối client khi có kết nối Internet, giúp đảm bảo dữ liệu luôn được đồng bộ và cập nhật nhất.

Chức năng quản lý tài khoản của Firebase cho phép xây dựng quy trình xác thực người dùng thông qua các nền tảng như Email, Facebook, Twitter, GitHub và Google Đồng thời, tính năng này cũng hỗ trợ xác thực nặc danh cho các ứng dụng Việc xác thực này đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ thông tin cá nhân của người dùng, giúp ngăn chặn tình trạng đánh cắp tài khoản và đảm bảo an toàn cho thông tin cá nhân.

WiFi

WiFi, viết tắt của Wireless Fidelity, là hệ thống truy cập Internet không dây hiện đại, sử dụng sóng vô tuyến để truyền tín hiệu, tương tự như sóng điện thoại hay sóng radio, cho phép người dùng kết nối internet một cách linh hoạt và tiện lợi.

WiFi là một công cụ kết nối không thể thiếu trên nhiều thiết bị truy cập Internet hiện nay, bao gồm điện thoại, máy tính xách tay, đồng hồ thông minh và các thiết bị thông minh khác Sự tiện lợi của kết nối không dây đã giúp WiFi trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hàng ngày, được ứng dụng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực khác nhau.

Hình 2.8 Ứng dụng rộng rãi của WiFi

2.5.2 Nguyên tắc hoạt động Để tạo được sóng WiFi, chúng ta cần có một bộ thu phát (Router) Đầu vào cung cấp cho thiết bị này chính là tín hiệu Internet từ kết nối có dây, có thể là cáp mạng từ các nhà cung cấp như Viettel, FPT,… Sau khi đi qua bộ thu phát (Router), kết nối hữu tuyến này được chuyển đổi thành sóng vô tuyến và gửi đi Các thiết bị được trang bị card WiFi như điện thoại, máy tính bảng sẽ nhận tín hiệu này và chuyển hóa thành tín hiệu Internet Đây là quá trình nhận tín hiệu không dây

Quá trình này có thể được thực hiện ngược lại, cho phép các bộ thu phát nhận tín hiệu vô tuyến từ các thiết bị di động, giải mã chúng và gửi lên Internet, tạo thành một vòng lặp thông tin liên tục và hiệu quả.

Hình 2.9 Nguyên lí hoạt động của WiFi

WiFi cũng được trang bị một số tính năng bảo mật quan trọng, giúp ngăn chặn truy cập trái phép Để có thể truy cập vào mạng WiFi, người dùng bắt buộc phải nhập mật khẩu WPA hoặc WPA2, đây là bước xác thực cần thiết để thiết lập kết nối an toàn.

2.5.3 Các chuẩn kết nối phổ biến

Các chuẩn kết nối WiFi đã trải qua nhiều cải tiến đáng kể kể từ khi chuẩn đầu tiên IEEE 802.11 được giới thiệu vào năm 1977 bởi IEEE Sự phát triển không ngừng đã tạo nên nhiều chuẩn kết nối mới, bao gồm IEEE 802.11b, IEEE 802.11a, IEEE 802.11g, IEEE 802.11n, IEEE 802.11ac, IEEE 802.11ad và mới nhất là IEEE 802.11ax, còn được biết đến với tên gọi WiFi 6.

Bảng 2.3 Thông số các chuẩn kết nối WiFi phổ biến

Chuẩn IEEE Năm phát hành Băng tần

Tốc độ tối đa (Mb/s)

Các thông số về phạm vi hoạt động của mạng Wi-Fi thường mang tính tương đối do sự khác biệt giữa các nguồn cung cấp Tại Việt Nam, hai chuẩn mạng Wi-Fi phổ biến nhất hiện nay là IEEE 802.11g và IEEE 802.11n, nổi bật với hiệu suất cao hơn so với các chuẩn a và b, đồng thời có giá thành vừa phải và hợp lý.

Module thu phát WiFi

Module WiFi là nền tảng phần cứng lập trình được, cho phép kết nối WiFi và đóng vai trò quan trọng trong các dự án IoT cần truy cập Internet không dây Với chức năng thu thập dữ liệu, xử lý và điều khiển thiết bị ngoại vi, module WiFi cũng kết nối mạng Internet không dây thông qua địa chỉ IP, cho phép người dùng giám sát và điều khiển thiết bị từ xa thông qua giao diện điều khiển.

Currently, numerous hardware platforms are utilized in IoT systems, with popular options including ESP8266 and ESP32 microcontrollers, Intel IoT Development Board, Arduino Boards, and Raspberry Pi, each offering unique features and applications.

Yếu tố chủ đạo của các nền tảng phần cứng hiện nay là phát triển các mạch giao tiếp dựa trên các dòng chip có tích hợp WiFi hoặc chip xử lý riêng kết hợp với chip WiFi Các dòng chip tích hợp WiFi phổ biến và được phát triển rộng rãi bao gồm ESP8266 Series và ESP32 Series của Espressif Systems, CC3200 và CC3220 của TI (Texas Instruments), và EFR32MG của Silabs.

Module ESP8266 là một dòng Systems on a Chip (SoC) được sản xuất bởi công ty Espressif của Trung Quốc, bao gồm bộ vi điều khiển Tensilica L106 32-bit và bộ thu phát Wi-Fi Sản phẩm này cung cấp 11/17 chân GPIO (Chân đầu vào/đầu ra đa dụng) và một đầu vào analog, cho phép thực hiện các chức năng IO Analog và Digital, cũng như hỗ trợ PWM, SPI, I2C và các giao thức khác.

Hình 2.10 Các dòng module ESP8266

ESP8266 có nhiều ứng dụng khi nói đến IoT Đây chỉ là một số chức năng mà chip này được sử dụng

• Kết nối mạng: Ăng-ten Wi-Fi của module cho phép các thiết bị nhúng kết nối với bộ định tuyến và truyền dữ liệu

Xử lý dữ liệu là một thành phần quan trọng trong hệ thống, bao gồm việc xử lý đầu vào cơ bản từ cảm biến analog và kỹ thuật số để thực hiện các tính toán phức tạp hơn nhiều Điều này đòi hỏi sự hỗ trợ của các công nghệ như RTOS (Hệ điều hành thời gian thực) hoặc SDK (Bộ phát triển phần mềm) không phải hệ điều hành, giúp hệ thống có thể xử lý và tính toán dữ liệu một cách chính xác và hiệu quả.

• Kết nối P2P: Tạo giao tiếp trực tiếp giữa các ESP và các thiết bị khác bằng kết nối IoT P2P

• Máy chủ Web: Truy cập các trang được viết bằng HTML hoặc ngôn ngữ phát triển

Module này là một dòng sản phẩm nâng cấp của ESP8266, được tích hợp thêm tính năng Bluetooth dual-mode, tốc độ xử lí cao hơn và nhiều chân kết nối đa chức năng, giúp mở rộng khả năng kết nối ngoại vi so với phiên bản trước.

Hình 2.11 Các dòng module ESp32

Module này được thiết kế dành cho các chuyên gia và nhà sản xuất trong lĩnh vực IoT công nghiệp, tích hợp SoC Intel 22 nm với CPU Intel Atom lõi kép, luồng kép tốc độ 500MHz và vi điều khiển Intel Quark 32 bit, mang lại hiệu suất mạnh mẽ và linh hoạt cho các ứng dụng công nghiệp.

Nền tảng phát triển phần cứng IoT phổ biến nhất hiện nay của Intel là Up Squared groove IoT Development Kit, được thiết kế đặc biệt để đáp ứng các nhu cầu khắc nghiệt của các ứng dụng IoT công nghiệp với tốc độ xử lý lên đến 100 MHz.

Hình 2.12 Intel IoT Development Board

Các bo mạch Arduino ban đầu chủ yếu là các vi điều khiển đa năng được kết nối với internet thông qua module GSM và WiFi Tuy nhiên, khi công nghệ Internet of Things (IoT) bắt đầu phát triển, các bo mạch Arduino đã được thiết kế lại để đáp ứng nhu cầu kết nối và tương tác phức tạp hơn.

Có khoảng 20 bo mạch với các tính năng đặc biệt hỗ trợ IoT đã được phát triển, bao gồm Arduino 101 được hợp tác phát triển với Intel, MKR1000, Arduino WiFi Rev 2 và MKR Vidor.

Bo mạch Arduino 4000 là thế hệ bo mạch đầu tiên được trang bị chip FPGA, mở ra khả năng ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực IoT Mỗi board trong dòng sản phẩm này được thiết kế với các tính năng độc đáo, đáp ứng nhu cầu cụ thể của từng giải pháp IoT, giúp người dùng dễ dàng lựa chọn và tích hợp vào các dự án của mình.

Raspberry Pi là một thiết bị đa năng với khả năng xử lí mạnh mẽ như một máy tính, giúp nó trở thành một lựa chọn lý tưởng cho các dự án IoT Với vai trò là bộ tổng hợp dữ liệu, trung tâm và cổng thiết bị, Raspberry Pi đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối và điều khiển các cảm biến và thiết bị truyền động Nhờ khả năng xử lí mạnh mẽ và tính linh hoạt, Raspberry Pi đã trở thành một công cụ không thể thiếu trong nhiều ứng dụng IoT khác nhau.

Raspberry Pi 3 model B+ là một trong những phiên bản phổ biến nhất của Raspberry Pi, được trang bị mạng LAN không dây Broadcom BCM2837B0 1.4GHz, Cortex-A53 (ARMv8) 64-bit SoC, hỗ trợ cả tần số 2.4GHz và 5GHz IEEE 802.11.b/g/n/ac, cũng như Bluetooth 4.2, BLE và Gigabit Ethernet thông qua cổng USB 2.0 với thông lượng tối đa 300 Mbps Ngoài ra, bo mạch còn đi kèm với 4 cổng USB, đầu ra âm thanh và 1GB LPDDR2 SDRAM, giúp nó hoạt động nhanh chóng và hiệu quả cho các ứng dụng IoT.

Cảm biến nhiệt độ

Cảm biến nhiệt độ là thiết bị quan trọng giúp đo lường sự biến đổi về nhiệt độ của vật cần đo một cách chính xác Khi nhiệt độ có sự thay đổi lớn, các cảm biến này sẽ tự động đưa ra một tín hiệu tương ứng, từ đó các bộ đọc sẽ đọc và quy đổi thành một giá trị nhiệt độ cụ thể, giúp người dùng dễ dàng theo dõi và kiểm soát nhiệt độ.

Hiện nay có 2 loại cảm biến nhiệt độ phổ biến là cặp nhiệt độ (thermocouple) và nhiệt điện trở (Resistance Temperatura Detectors - RTD)

Hình 2.15 Cặp nhiệt độ thực tế

Cặp nhiệt độ, còn được gọi là cảm biến nhiệt độ can nhiệt, hoạt động dựa trên hiệu ứng Seebeck - một nguyên lý được phát hiện bởi nhà vật lý học người Đức Thomas Johann Seebeck vào năm 1821 Khi điểm kết nối của hai dây được đặt vào nơi có nhiệt độ khác nhau, sẽ tạo ra sự dịch chuyển của các electron, từ đó tạo ra một điện áp nhỏ tại đầu hai dây hở Điện áp này phụ thuộc vào nhiệt độ và vật liệu của dây dẫn được sử dụng, cho phép đo lường chính xác nhiệt độ.

Hình 2.16 Nguyên lý hoạt động của cặp nhiệt độ

Cặp nhiệt độ hoạt động dựa trên nguyên tắc nhiệt điện, trong đó hai dây dẫn được hàn vào nhau tại điểm nóng (hot junction) để đo nhiệt độ Điểm lạnh (cold junction) là nơi nhiệt độ đã được biết trước và được sử dụng làm tham chiếu Khi điểm nóng được đặt vào vị trí cần đo nhiệt độ, sự thay đổi nhiệt độ tại điểm này sẽ gây ra sự thay đổi điện áp tại điểm lạnh theo quy luật không tuyến tính Giá trị điện áp chênh lệch giữa hai điểm này sẽ được sử dụng để tính toán nhiệt độ tại điểm nóng một cách chính xác.

Cặp nhiệt độ thường được ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy, lò nung và lò hơi nhờ khả năng đo nhiệt độ chính xác ở dải cao lên đến 3000 độ C.

Hình 2.17 Các loại nhiệt điện trở thực tế

Nhiệt điện trở là một thiết bị điện tử phổ biến trong các loại máy móc công nghiệp và thiết bị đời sống hiện nay, nhờ vào kích thước nhỏ gọn và độ chính xác cao Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ này dựa trên sự thay đổi điện trở kháng của vật liệu tiếp xúc kim loại khi nhiệt độ thay đổi, tạo ra tín hiệu để tính được nhiệt độ tại vị trí được đo đạc.

Mức dải nhiệt độ đo thông thường của các nhiệt điện trở sẽ nằm trong khoảng mức từ -50 0 C đến 150 0 C

Một nhiệt điện trở thường sẽ có 3 phần chính:

Vật liệu làm nhiệt điện trở thường được cấu tạo từ hỗn hợp 2-3 loại bột oxit kim loại và oxit kém theo các tỉ lệ khác nhau Trong đó, phổ biến nhất là nichrome 80/20, đây là loại vật liệu được sử dụng rộng rãi trong sản xuất nhiệt điện trở do tính chất dẫn nhiệt và dẫn điện tốt của nó.

Vỏ bọc cách điện thường được chế tạo từ gốm và các vật liệu cách điện, bên trong vỏ bọc này chứa hỗn hợp các loại bột oxit kim loại được nén chặt lại, tạo thành lớp bảo vệ quan trọng cho thiết bị.

Tiếp điểm là bộ phận quan trọng của cảm biến nhiệt độ, bao gồm 2 đầu chờ được thiết kế để kết nối với các thiết bị và linh kiện điện tử Những đầu chờ này cho phép kết nối dễ dàng với các thiết bị có khả năng đọc và quy đổi giá trị điện trở thành nhiệt độ, giúp người dùng có thể đo và theo dõi nhiệt độ một cách chính xác.

Dựa theo nguyên lý vận hành, nhiệt điện trở được chia làm 2 loại, là PTC và NTC

❖ PTC (Positive Temperature Coefficient) – Nhiệt điện trở hệ số dương

Nhiệt điện trở hệ số dương, còn được gọi là thuận điện trở, là loại điện trở có giá trị tăng lên khi nhiệt độ tăng Ở mức nhiệt độ dưới 110 độ C, điện trở của chúng tương đối nhỏ và không có nhiều biến đổi Tuy nhiên, khi nhiệt độ vượt ngưỡng 110 độ C, trở kháng của chúng có thể tăng lên đáng kể, đạt đến con số hàng nghìn mega Ω.

❖ NTC (Negative Temperature Coefficient) – Nhiệt điện trở hệ số âm

Nhiệt điện trở hệ số âm, còn được gọi là nghịch điện trở, là loại điện trở có giá trị giảm dần khi nhiệt độ tăng Loại điện trở này thường được sản xuất bằng công nghệ gốm sứ (ceramic), đảm bảo tính ổn định và độ chính xác cao trong các ứng dụng khác nhau.

Mạng truyền thông công nghiệp

2.8.1 Tổng quan về mạng truyền thông công nghiệp Đi cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp tự động hóa, sự đa dạng hóa của các thiết bị phục vụ cho ngành công nghiệp này cũng ngày càng lớn Khi các hệ thống tự động hóa công nghiệp trở nên phức tạp với số lượng lớn các thiết bị tự động hóa, ngày nay, xu hướng hướng tới các tiêu chuẩn kết nối Hệ thống kết nối mở (Open Systems Interconnection) cho phép kết nối và giao tiếp với bất kỳ cặp thiết bị tự động hóa, cũng như bất kỳ nhà sản xuất nào, một cách đáng tin cậy và chính xác Sự kết nối này chính là mục đích của mạng truyền thông công nghiệp

Hình 2.18 Tổng quan mạng truyền thông công nghiệp

Mạng truyền thông công nghiệp là hệ thống mạng truyền thông số cho phép các thiết bị công nghiệp giao tiếp và kết nối với nhau, tạo thành một mạng lưới thống nhất và được kiểm soát chặt chẽ Các hệ thống này cho phép liên kết mạng ở nhiều mức độ khác nhau, từ các cảm biến và cơ cấu chấp hành đến các máy tính điều khiển, thiết bị quan sát và máy tính cấp điều hành xí nghiệp, quản lý công ty, giúp tăng cường hiệu suất và quản lý công nghiệp hiệu quả hơn.

❖ Lợi ích của mạng truyền thông công nghiệp:

Sử dụng mạng truyền thông công nghiệp đem đến nhiều lợi ích trong quá trình thiết kế, vận hành sản xuất cũng như quản lí:

Việc đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp cho phép kết nối một lượng lớn thiết bị thông qua một đường truyền duy nhất, giúp thiết kế hệ thống trở nên đơn giản hơn và tiết kiệm được dây nối cũng như công lắp đặt.

• Nâng cao độ tin cây và chính xác của thông tin nhờ kỹ thuật truyền thông kỹ thuật số thay vì tín hiệu tương tự

Việc áp dụng hệ thống mạng truyền thông theo chuẩn quốc tế giúp nâng cao độ linh hoạt và khả năng mở rộng của hệ thống Điều này cho phép sử dụng, thay thế và nâng cấp dễ dàng các loại thiết bị điều khiển từ nhiều hãng khác nhau, đồng thời cung cấp đa dạng các chức năng khác nhau để đáp ứng nhu cầu sử dụng.

Việc kết nối tất cả các thiết bị với nhau giúp đơn giản hóa quá trình giám sát và điều khiển hệ thống Thông qua một trạm kỹ thuật trung tâm, người dùng có thể vận hành và điều khiển từ xa toàn bộ hệ thống một cách dễ dàng và hiệu quả, mang lại sự tiện lợi và linh hoạt trong quản lý.

• Tích hợp thông tin của hệ thống điều khiển và giám sát với thông tin điều hành sản xuất và quản lý công ty

Mạng truyền thông công nghiệp đóng vai trò quan trọng trong kiến trúc hệ thống tự động hóa, cung cấp phương tiện trao đổi dữ liệu mạnh mẽ, kiểm soát dữ liệu và tính linh hoạt cao để kết nối các thiết bị khác nhau một cách hiệu quả.

❖ Phân cấp trong mạng truyền thông công nghiệp:

Một mô hình sản xuất công nghiệp cơ bản có thể được chia làm 3 cấp theo chức năng như sau:

• Cấp thiết bị hiện trường: bao gồm các các biến, cơ cấu chấp hành hoặc các bộ phân phối I/O

• Cấp điều khiển: bao gồm các thiết bị có khả năng giám sát và điều khiển như PLC, Driver, HMI, hoặc các module điều khiển khác tương tự PLC

• Cấp quản lí: chính là hệ thống các máy tính cũng như sever lưu trữ dữ liệu

Hình 2.19 Phân cấp trong mạng truyền thông công nghiệp

Tương ứng với 3 cấp chức năng, mạng truyền thông có thể chia thành 2 lớp như sau:

Là một hệ thống bus nối tiếp, lớp này sử dụng kỹ thuật truyền tin số để kết nối các thiết bị thuộc cấp điều khiển với cấp thiết bị hiện trường, đảm bảo chuyển dữ liệu quá trình lên cấp điều khiển để xử lý và chuyển quyết định điều khiển xuống các cơ cấu chấp hành Yêu cầu về tính năng thời gian thực được đặt lên hàng đầu, với thời gian phản ứng tiêu biểu nằm trong phạm vi từ 0,1 tới vài miligiây Do đó, tốc độ truyền thông thường chỉ cần ở phạm vi Mbit/s hoặc thấp hơn, tương ứng với lượng thông tin hạn chế trong khoảng một vài byte trong mỗi bức điện.

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ kỹ thuật số, công nghệ fieldbus đang giữ vị trí thống trị trong lĩnh vực tự động hóa nhờ khả năng cung cấp phương tiện truyền thông đa điểm, mang lại hiệu quả về chi phí và tiết kiệm cáp dẫn đáng kể Các hệ thống fieldbus phổ biến nhất hiện nay bao gồm PROFIBUS, MODBUS, ControlNet, INTERBUS, CAN, WorldFIP và P-NET, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp.

Hệ thống bus công nghiệp là mạng lưới kết nối các thiết bị thuộc cấp điều khiển và máy tính để thực hiện các nhiệm vụ quan trọng như cấu hình thiết bị tự động hóa, tải dữ liệu chương trình, xử lý dữ liệu biến số và điều chỉnh biến đặt Để đảm bảo hiệu suất cao, loại bus này yêu cầu thời gian đáp ứng nhanh và tốc độ truyền dữ liệu cao, đồng thời phải có khả năng kết nối với nhiều loại máy tính Do đó, hầu hết các kiểu bus thông dụng hiện nay đều dựa trên nền Ethernet, bao gồm Industrial Ethernet, Ethernet/IP và Profinet.

RS485 là phương thức giao tiếp nối tiếp phổ biến giữa máy tính và các thiết bị trong ngành công nghiệp, viễn thông, POS và các lĩnh vực khác, thường được gọi là TIA-485 (-A) hoặc EIA-485 Ưu điểm của RS485 là khả năng chống nhiễu cao, cho phép truyền dữ liệu ổn định trong môi trường nhiễu mạnh và trên các đường cáp dài, đáp ứng nhu cầu truyền thông tin trong nhiều ứng dụng khác nhau.

RS485 không chỉ giới hạn ở việc kết nối giữa các thiết bị đơn lẻ mà còn cho phép tạo ra các mạng truyền thông đơn giản giữa nhiều thiết bị Với khả năng kết nối lên tới 32 thiết bị trên một cặp dây đơn, hệ thống này còn hỗ trợ dây nối đất với khoảng cách lên đến 1200m, mang lại sự linh hoạt và tiện lợi trong việc xây dựng mạng truyền thông.

Hình 2.20 Cáp RS485 loại cấu hình 4 dây

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:

Cáp RS485 được thiết kế từ các sợi cáp đồng nhỏ, xoắn thành từng cặp nối dài để đảm bảo tín hiệu truyền ổn định Bên ngoài các sợi cáp xoắn này là lớp vỏ bọc nhựa PVC, giúp phân biệt tín hiệu và cách ly điện cực hiệu quả Đặc biệt, cáp RS485 còn có khả năng hoạt động trong điều kiện nhiệt độ rộng, từ -10 độ C đến 75 độ C, đáp ứng nhu cầu sử dụng đa dạng.

Hiện nay, RS485 có 2 cấu hình, đó là cấu hình 2 dây và cấu hình 4 dây.

Hình 2.21 Phân loại cấu hình RS485

• Sơ đồ cấu hình 2 dây: tín hiệu TX và RX sẽ cùng chia sẻ 1 cặp dây, vì thế tại 1 thời điểm nhất định chỉ truyền được 1 hướng nhất định

• Sơ đồ cấu hình 4 dây: 2 dây làm nhiệm vụ truyền và 2 dây làm nhiệm vụ nhận, dữ liệu truyền đến và đi 2 chiều đồng thời tại các nút.

MODBUS là mạng truyền thông công nghiệp được phát triển bởi Modicon (nay thuộc Schneider Electric) vào năm 1979, cho phép giao tiếp với nhiều thiết bị thông qua một cặp dây xoắn đơn Ban đầu, nó hoạt động trên giao thức RS232, sau đó được mở rộng sang RS485 để đạt tốc độ cao hơn, khoảng cách dài hơn và hỗ trợ mạng đa điểm Nhờ sự đơn giản và hiệu quả, MODBUS đã nhanh chóng trở thành tiêu chuẩn thông dụng trong ngành tự động hóa.

MODBUS là một hệ thống "chủ-tớ" (master-slave) trong đó "master" được kết nối với một hoặc nhiều "slave" Thông thường, "master" là một bộ điều khiển lập trình (PLC), máy tính cá nhân (PC), hệ thống điều khiển phân tán (DCS) hoặc thiết bị đầu cuối từ xa (RTU), trong khi "slave" là các thiết bị hiện trường được kết nối với mạng trong cấu hình multi-drop.

“master” muốn có thông tin từ thiết bị, nó sẽ gửi một thông điệp về dữ liệu cần, tóm tắt dò

Khi một lỗi được gửi đến địa chỉ thiết bị, tất cả các thiết bị "slave" trên mạng sẽ nhận được thông điệp này, nhưng chỉ có thiết bị được chỉ định mới phản ứng lại.

❖ Nguyên lý hoạt động của giao thức MODBUS

Khởi động động cơ điện xoay chiều 1 pha

Hình 2.25 Cấu tạo động cơ điện xoay chiều 1 pha

Cấu tạo của động cơ điện xoay chiều một pha cũng như các động cơ điện khác, gồm có stator (phần tĩnh) và rotor (phần động)

• Stator: gồm có 2 cuộn dây được mắc song song nhau (AX và BY), có tác dụng tạo ra từ trường khi có dòng điện đi qua

Hình 2.26 Sơ đồ vòng dây trong stator

Rotor là bộ phận quan trọng của động cơ điện, bao gồm các thanh gắn liền với trục của động cơ Khi cuộn dây stator tạo ra từ trường, rotor sẽ nhận từ trường này và chuyển đổi năng lượng thành chuyển động xoay của trục động cơ, giúp động cơ hoạt động hiệu quả.

Nguyên lý khởi động động cơ điện xoay chiều 1 pha dựa trên việc tạo ra từ trường xoay để tạo moment xoắn cho rotor Tuy nhiên, do chỉ có một pha, từ trường luôn hướng về một phía và không thay đổi, khiến rotor không thể xuất hiện suất điện động cảm ứng và không thể khởi động Để khắc phục, cuộn dây stator được chia làm 2 cuộn song song, trong đó một cuộn được mắc với tụ điện tạo thành cuộn phụ Khi cấp điện, cuộn chính sinh ra từ trường, còn cuộn phụ bị lệch pha do đi qua tụ điện, tạo ra sự lệch pha giữa các vòng dây Sự lệch pha này tạo ra từ trường xoay, giúp khởi động động cơ điện xoay chiều một pha.

Kho lạnh công nghiệp

2.10.1 Tổng quan về kho lạnh công nghiệp

Kho lạnh công nghiệp là giải pháp trữ lạnh hàng hóa với số lượng lớn, giúp bảo quản thực phẩm và sản phẩm trong môi trường nhiệt độ thấp Về bản chất, kho lạnh tương tự như tủ lạnh có kích thước lớn, được thiết kế để chứa và bảo quản hàng hóa trong điều kiện nhiệt độ và độ ẩm được kiểm soát chặt chẽ.

32 lắp đặt hệ thống làm lạnh nhằm mục đích bảo quản, lưu trữ hàng hóa trong thời gian dài mà vẫn giữ được chất lượng tốt

Dựa theo nhiệt độ bảo quản sản phẩm, có thể chia kho lạnh công nghiệp thành 3 dạng:

Bảng 2.5 Phân loại chức năng kho lạnh công nghiệp

Loại kho lạnh Nhiệt độ Ứng dụng

Kho lạnh cấp đông Thấp hơn -35 0 C Cấp đông sản phẩm nhanh chóng

Bảo quản một số sản phẩm có ngành nghề đặc thù

Kho lạnh trữ đông -20 đến -10 0 C Bảo quản thực phẩm đông lạnh

Kho lạnh bảo quản mát 2 đến 8 0 C Bảo quản rau củ quả, thực phẩm sơ chế

Với khả năng làm lạnh nhanh trên quy mô lớn, hiện nay kho lạnh công nghiệp được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như:

• Công nghiệp chế biến và bảo quản thực phẩm

• Công nghiệp nặng như làm nguội khuôn đúc

• Công nghiệp dược phẩm như chế tạo và bảo quản thuốc

• Công nghiệp hóa chất như chế tạo và bảo quản hóa chất

• Điều hòa không khí tòa nhà, nhà máy

Một kho lạnh có thể được chia làm 2 phần chính: vỏ cách nhiệt và hệ thống làm lạnh

2.10.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của một hệ thống làm lạnh

Hình 2.27 Kho lạnh bảo quản thực phẩm

Một hệ thống làm lạnh cơ bản bao gồm 6 thành phần chính, đó là máy nén, dàn nóng, dàn lạnh, van tiết lưu (hay còn gọi là ống mao), phin sấy lọc và môi chất làm lạnh.

Hình 2.28 Cấu tạo hệ thống làm lạnh

Máy nén (compressor) được sử dụng ở đây chính là loại máy nén 1 cấp, tức không khí đi vào được nén qua 1 cấp rồi đi ra

Dàn nóng (condenser) và dàn lạnh (evaporator) là hai bộ phận quan trọng trong hệ thống điều hòa nhiệt độ, thực chất là hệ thống các ống đồng thông nhau được gắn với các tấm lá thép hoặc nhôm mỏng Với thiết kế này, dàn nóng và dàn lạnh có khả năng trao đổi nhiệt nhanh chóng, giúp điều hòa nhiệt độ hiệu quả.

Van tiết lưu, hoặc ống mao có tác dụng điều chỉnh lưu lượng không khí đi qua

Chất làm lạnh là một loại khí hóa lỏng dễ bay hơi, thường sôi ở nhiệt độ rất thấp (-30 độ C trở xuống), phổ biến là R32, R134A, R600 hay amoniac Trong các hệ thống làm lạnh bảo quản thực phẩm, phin sấy lọc đóng vai trò quan trọng trong việc lọc bụi bẩn và hơi nước trong không khí, giúp tránh hiện tượng đóng tuyết trên thực phẩm tươi.

• Bước 1: Nén chất làm lạnh tại máy nén

Chất làm lạnh sau khi đi qua máy nén sẽ được nén lại ở áp suất cao, tạo ra nhiệt lượng đáng kể trong quá trình này (dao động từ 70-85 độ C) Lúc này, chất làm lạnh đang ở thể khí và chứa đựng năng lượng nhiệt đáng kể.

• Bước 2: Ngưng tụ tại dàn nóng

Khí nén áp suất cao được dẫn qua dàn nóng, nơi khí nén có áp suất và nhiệt độ cao được làm mát bằng không khí hoặc nước, sau đó ngưng tụ thành chất lỏng có áp suất cao và nhiệt độ thấp Quá trình này giúp chuyển đổi trạng thái của khí nén, tạo điều kiện cho quá trình làm lạnh tiếp theo.

Chất lỏng với áp suất cao và nhiệt độ thấp sẽ trải qua quá trình lọc hơi nước sau khi đi qua phin sấy lọc Tiếp theo, chất lỏng này sẽ đi qua van tiết lưu (hoặc ống mao), tại đây áp suất giảm mạnh, kéo theo nhiệt độ giảm xuống đáng kể.

• Bước 4: Hóa hơi tại dàn lạnh

Khi đi qua dàn lạnh, chất làm lạnh chuyển sang dạng khí và bắt đầu quá trình bay hơi, hấp thụ nhiệt từ môi trường cần làm lạnh Quá trình này được máy nén hỗ trợ, hút và nén chất làm lạnh với áp suất cao để bắt đầu chu trình mới Máy nén hoạt động liên tục cho đến khi nhiệt độ môi trường cần làm lạnh đạt đến mức cài đặt, sau đó mới ngừng hoạt động.

2.10.3 Mạch điện của tủ lạnh và ảnh hưởng của việc bật tắt liên tục

Hình 2.29 Sơ đồ mạch điện của tủ lạnh

❖ Nguyên lý mạch điện của tủ lạnh thông thường:

Quan sát sơ đồ mạch điện của tủ lạnh, chúng ta có thể thấy rằng một đầu dây của nguồn vào phải đi qua một Thermostat và một Motor protector trước khi được cung cấp cho động cơ máy nén, đảm bảo an toàn và ổn định cho toàn bộ hệ thống.

Thermostat đóng vai trò quan trọng trong việc tắt nguồn cấp cho máy nén khi nhiệt độ đạt đến mức yêu cầu, giúp duy trì nhiệt độ ổn định và tiết kiệm năng lượng Bên cạnh đó, motor protector là linh kiện không thể thiếu, có chức năng bảo vệ động cơ của máy nén khỏi tình trạng quá dòng trong quá trình hoạt động, đảm bảo an toàn và kéo dài tuổi thọ cho thiết bị.

Cấu tạo của máy nén piston chủ yếu bao gồm hai phần chính là động cơ điện và piston Khi động cơ điện bắt đầu hoạt động, trục của piston sẽ chuyển động tịnh tiến, tạo ra lực nén khí gas bên trong máy nén.

35 nén của piston rất lớn nên cần có moment xoắn đủ mạnh mới có thể làm cơ cấu piston hoạt động

Hình 2.30 Cấu tạo máy nén piston của tủ lạnh

Khi rotor không thể quay nhưng vẫn có dòng điện chạy qua cuộn dây, điều này sẽ khiến cuộn dây động cơ nóng lên nhanh chóng Nếu nhiệt độ vượt quá mức cho phép, cuộn dây có thể bị cháy hoặc hư hỏng, gây thiệt hại nghiêm trọng cho thiết bị Để ngăn chặn tình trạng này, Motor Protector được thiết kế để lắp đặt và bảo vệ cuộn dây khỏi quá nhiệt, đảm bảo an toàn và kéo dài tuổi thọ cho động cơ.

❖ Cấu tạo của một Motor Protector, hay còn gọi là Thermic:

Nguyên lý hoạt động của Thermic dựa trên cơ chế nhiệt độ, khi nhiệt độ vượt quá mức cho phép, một đầu thanh lưỡng kim sẽ cong lên và tự động ngắt nguồn điện cấp cho động cơ máy nén Khi nhiệt độ giảm xuống mức an toàn, Thermic sẽ đóng lại và cấp nguồn điện trở lại, giúp tủ lạnh hoạt động Điều này giải thích lý do tại sao dù đã cấp điện nhưng tủ lạnh không hoạt động ngay lập tức, mà cần đợi một khoảng thời gian nhất định để khởi động.

Sự bảo vệ thermic của động cơ máy nén đòi hỏi phải sử dụng bộ biến đổi công suất khi áp dụng các bộ điều khiển như PID, thay vì sử dụng ngõ ra On/Off Điều này là do việc bật tắt liên tục theo tín hiệu của bộ điều khiển PID có thể khiến dòng qua động cơ tăng cao, gây nóng và kích hoạt thermic, dẫn đến việc điều khiển không hiệu quả.

Mạch biển đổi điện áp AC-DC

Dòng điện xoay chiều (AC - Alternating Current) là loại điện có chiều và cường độ liên tục biến đổi theo một tần số nhất định, trong khi đó dòng điện một chiều (DC - Direct Current) chỉ đi theo một chiều cố định trong mạch Sự khác biệt này dẫn đến nhu cầu chuyển đổi giữa hai loại dòng điện, và đó là nơi mạch biến đổi AC-DC phát huy tác dụng, cho phép thay đổi điện áp xoay chiều ở đầu vào thành điện áp một chiều ở đầu ra.

Dòng điện xoay chiều là nguồn điện tiêu chuẩn được sử dụng trong truyền tải điện, do đó hầu hết các nguồn cung cấp điện chính tới các hộ gia đình và nhà máy đều là nguồn điện xoay chiều Tuy nhiên, nhiều thiết bị yêu cầu điện áp một chiều để hoạt động, vì vậy cần có một bộ chuyển đổi để chuyển đổi điện áp xoay chiều sang điện áp một chiều Bộ chuyển đổi này đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện một chiều cho các thiết bị yêu cầu điện áp một chiều, đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả.

Hình 2.32 Các bộ nguồn một chiều trong thực tế

Bộ nguồn một chiều hiện nay rất đa dạng về điện áp đầu ra và kích thước, được sản xuất bởi nhiều đơn vị khác nhau Tuy nhiên, nhìn chung, chúng đều có cấu tạo tiêu chuẩn bao gồm biến áp, cầu chỉnh lưu, bộ lọc và mạch ổn áp, đảm bảo cung cấp nguồn điện ổn định và đáng tin cậy.

Hình 2.33 Sơ đồ mạch biến đổi điện áp AC-DC cơ bản

Nguồn điện xoay chiều được cung cấp sẽ trải qua quá trình biến đổi để giảm mức điện áp thông qua biến áp Sau đó, dòng điện xoay chiều này sẽ được chuyển qua cầu chỉnh lưu để tạo ra dòng điện một chiều, mặc dù dòng điện này vẫn còn nhấp nhô và chưa ổn định Để tạo ra dạng sóng phẳng cho dòng điện một chiều ở đầu ra, một mạch lọc điện áp thường bao gồm các tụ điện được lắp song song với tải sẽ được sử dụng Cuối cùng, một mạch ổn áp với thành phần chính là IC ổn áp sẽ giúp làm phẳng hoàn toàn dòng điện một chiều, tạo ra dòng điện một chiều hoàn chỉnh để sử dụng.

Hình 2.34 Dạng sóng điện áp từng khối

Mạch hạ áp DC-DC (Buck Converter)

Mạch hạ áp DC-DC là một bộ chuyển đổi điện áp quan trọng, cho phép chuyển đổi điện áp đầu vào DC thành điện áp đầu ra thấp hơn Điện áp đầu vào DC có thể được lấy trực tiếp từ nguồn AC thông qua cầu diode và tụ lọc, hoặc từ bất kỳ nguồn cung cấp DC nào khác Điều này giúp mạch hạ áp DC-DC trở thành một giải pháp linh hoạt và tiện lợi trong việc cung cấp điện áp phù hợp cho các thiết bị điện tử.

Các mạch hạ áp DC-DC hiện nay chủ yếu hoạt động dựa trên nguyên lý băm xung, sử dụng linh kiện điện tử công suất như Mosfet hoặc BJT để đóng cắt tải với nguồn ở tần số cao Quá trình này cho phép điều chỉnh điện áp đầu ra theo thời gian đóng ngắt của khóa điện tử, tạo ra điện áp đầu ra thay đổi theo thời gian.

❖ Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:

Một mạch hạ áp DC-DC cơ bản sẽ có 4 linh kiện điện tử là diode (D), khóa điện tử (S), cuộn cảm (L) và tụ điện (C)

Hình 2.35 Cấu tạo một mạch hạ áp DC-DC

Khi khóa S dẫn, dòng điện qua khóa S cũng chính là dòng điện qua cuộn cảm L và nạp vào tụ C, đồng thời duy trì dòng qua tải R, giúp dòng qua cuộn dây L và dòng nạp vào tụ C tăng từ từ, dẫn đến điện áp ra trên tải cũng tăng dần, và trong giai đoạn này, diode D không dẫn do bị phân cực nghịch.

Hình 2.36 Dòng điện trong mạch khi khóa S dẫn

Khi khóa S tắt, dòng điện qua tải được lấy từ cuộn cảm L và một phần nhỏ của tụ điện C (tụ xả), đồng thời diode D được phân cực thuận để cho phép dòng điện chạy qua Dòng điện qua tải lúc này chính là dòng qua diode D, đảm bảo an toàn cho hệ thống Đặc biệt, diode D đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ khóa S khỏi bị hỏng do điện áp ngược đặt lên nó khi cắt dòng.

Hình 2.37 Dòng điện trong mạch khi khóa S ngắt

Mạch hạ áp là giải pháp giúp tạo ra nhiều giá trị điện áp một chiều khác nhau từ một nguồn vào duy nhất, đáp ứng nhu cầu cung cấp nguồn cho đa dạng linh kiện và thiết bị điện tử.

39 nhau hoạt động, tránh việc phải sử dụng nhiều bộ nguồn khác nhau, gây tốn kém và chiếm nhiều không gian lắp đặt.

Module thu phát RS485

Để thực hiện giao tiếp theo chuẩn kết nối RS485 giữa hai hay nhiều thiết bị hỗ trợ cổng RS485, một bộ thu phát RS485 (RS485 Tranceiver) là yêu cầu cần thiết Bộ thu phát này đóng vai trò quan trọng trong việc truyền và nhận dữ liệu giữa các thiết bị, giúp đảm bảo tính ổn định và hiệu quả của quá trình giao tiếp.

Chuẩn RS485 cung cấp hai cấu hình chính, bao gồm cấu hình 2 dây (half-duplex) và cấu hình 4 dây (full-duplex), mỗi cấu hình này đều có một loại module tương ứng để đáp ứng nhu cầu sử dụng đa dạng.

Bộ thu phát RS485 có hai loại cấu hình chính, đều sở hữu bộ thu (Rx) và bộ phát (Tx) với 2 chân đảo (B,Z) và 2 chân không đảo (A,Y) Đối với thiết bị sử dụng cấu hình half-duplex, do giới hạn 2 dây truyền và nhận tín hiệu, 2 chân nhận tín hiệu của bộ thu (A,B) và 2 chân truyền tín hiệu của bộ phát (Y,Z) được gộp chung vào 2 chân B/Z và A/Y Trong khi đó, cấu hình full-duplex cho phép kết nối các chân nhận và truyền tín hiệu đến các chân riêng biệt, tăng cường hiệu suất truyền tải dữ liệu.

Các yêu cầu quan trọng phải có đối với một module RS485:

Bộ phát yêu cầu chênh lệch điện áp tối thiểu là ±1,5V (VOD) trên 2 dây, trong khi bộ thu cần chênh lệch điện áp tối thiểu là ±200mV (VAB) để nhận biết tín hiệu Khi VAB lớn hơn 200mV, nó được quy định là mức cao, còn VAB nhỏ hơn -200mV được quy định là mức thấp Nếu VAB nằm trong khoảng từ -200mV đến 200mV, tín hiệu sẽ rơi vào vùng bất định.

Hình 2.39 Mức tín hiệu được quy định theo tiêu chuẩn RS485

Bộ thu và bộ phát cần có chân cho phép để quy định chức năng của module là nhận hay truyền tín hiệu tại một thời điểm nhất định Điều này là cần thiết do cấu hình half-duplex chỉ cho phép tín hiệu truyền đi và nhận trên cùng một cặp dây, đòi hỏi sự điều khiển chính xác để tránh xung đột tín hiệu.

Dải điện áp common-mode rộng là một yếu tố quan trọng trong thiết kế RS485, giúp đảm bảo tín hiệu điện áp ổn định và chính xác ngay cả trong môi trường có nhiễu và trở kháng cao Với dải điện áp rộng từ -7V đến 12V, RS485 có thể hoạt động hiệu quả trong nhiều điều kiện khác nhau, giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu và trở kháng đường dây Điều này cho phép khoảng cách kết nối lên tới 1200m, giúp mở rộng phạm vi ứng dụng của RS485 trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Hình 2.40 Kết nối 2 thiết bị có điện trở phân cực trên đường truyền

Một điện trở đầu cuối (Terminating Resistor) thường được đặt tại hai điểm tận cùng của đường truyền để đảm bảo tín hiệu truyền đi ổn định và hiệu quả Giá trị điện trở đầu cuối lý tưởng thường bằng với giá trị trở kháng đặc tính của đường dây xoắn, thường nằm trong khoảng từ 100 đến 120Ω.

Khi mạng RS485 ở trạng thái rảnh, tất cả các khối thu đều ở trạng thái lắng nghe đường truyền và tất cả khối phát đều ở trạng thái tổng trở cao cách ly với đường truyền, khiến trạng thái của đường truyền trở nên bất định Để duy trì trạng thái mức cao khi đường truyền rảnh, việc phân cực đường truyền (Biasing) là cần thiết Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng một điện trở R kéo lên nguồn ở đường A và một điện trở R kéo xuống mass ở đường B, sao cho VAB ≥ 200mV, ép đường truyền lên mức cao và ngăn chặn sự nhầm lẫn về dữ liệu trên đường truyền.

Cách tính giá trị của VAB khi có điện trở phân cực đường truyền như sau:

Hình 2.41 Sơ đồ điện trở phân cực trên đường truyền

➢ Cấu hình có chức năng FailSafe

Hình 2.42 Kết nối IC SP3485 có chức năng FailSafe

Cấu hình kết nối này tiêu thụ nhiều điện năng và do đó làm giảm đi số lượng thiết bị tối đa có khả năng kết nối

➢ Cấu hình có chức năng FailSafe và tiêu thụ điện năng thấp:

Hình 2.43 Kết nối IC SP3485 có chức năng FailSafe và tiêu thụ điện năng thấp

Lý thuyết điều khiển PID

Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (PID) là cơ chế phản hồi vòng điều khiển tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp Bộ điều khiển PID tính toán giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn, sau đó thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào Trong trường hợp không có kiến thức cơ bản về hệ thống điều khiển, bộ điều khiển PID là lựa chọn tốt nhất, nhưng để đạt được kết quả tốt nhất, các thông số PID phải được điều chỉnh theo tính chất của hệ thống.

Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID là một phương pháp điều khiển tự động dựa trên 3 thông số chính: tỉ lệ (P), tích phân (I) và đạo hàm (D) Giá trị tỉ lệ (P) xác định tác động của sai số hiện tại, trong khi giá trị tích phân (I) phản ánh tác động của tổng các sai số quá khứ Giá trị đạo hàm (D) dự đoán các sai số tương lai dựa trên tốc độ thay đổi hiện tại Sự kết hợp của ba thông số này giúp điều chỉnh quá trình thông qua phần tử điều khiển, chẳng hạn như vị trí của van điều khiển hoặc bộ nguồn của phần tử gia nhiệt, nhằm đạt được kết quả mong muốn.

Bộ điều khiển PID có thể được tùy chỉnh để đáp ứng các yêu cầu thiết kế đặc biệt bằng cách điều chỉnh 3 hằng số trong giải thuật của nó Điều này cho phép bộ điều khiển có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau Đáp ứng của bộ điều khiển PID có thể được mô tả bằng độ nhạy sai số và giá trị vọt lố điểm, giúp người dùng hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động của bộ điều khiển.

Giải thuật PID đóng vai trò quan trọng trong việc đặt và điều chỉnh giá trị dao động của hệ thống Tuy nhiên, cần lưu ý rằng công dụng của giải thuật PID trong điều khiển không đảm bảo tính tối ưu hoặc ổn định cho hệ thống, do đó cần được sử dụng một cách linh hoạt và kết hợp với các phương pháp khác để đạt được kết quả tốt nhất.

Một số ứng dụng có thể yêu cầu chỉ sử dụng một hoặc hai khâu tùy theo hệ thống, điều này có thể đạt được bằng cách thiết đặt đội lợi của các đầu ra không mong muốn về 0 Khi đó, bộ điều khiển PID sẽ được gọi là bộ điều khiển PI, PD, P hoặc I nếu vắng mặt các tác động bị khuyết Đặc biệt, bộ điều khiển PI khá phổ biến do đáp ứng vi phân khá nhạy đối với các nhiễu đo lường, trong khi đó, nếu thiếu giá trị tích phân có thể khiến hệ thống không đạt được giá trị mong muốn.

Hình 2.44 Cấu trúc bộ điều khiển PID

Khâu tỉ lệ, còn được gọi là độ lợi, là một thành phần quan trọng trong hệ thống điều khiển, cho phép thay đổi giá trị đầu ra tỉ lệ với giá trị sai số hiện tại Đáp ứng tỉ lệ có thể được điều chỉnh một cách linh hoạt bằng cách nhân sai số đó với một hằng số Kp, được gọi là hệ số tỉ lệ, giúp hệ thống đạt được trạng thái ổn định và chính xác.

Khâu tỉ lệ được cho bởi: Pout =Kpe(t), trong đó:

• Pout : thừa số tỉ lệ của đầu ra

• Kp : Hệ số tỉ lệ, thông số điều chỉnh

• t: thời gian hay thời gian tức thời (hiện tại)

Hệ số của khâu tỉ lệ lớn thường dẫn đến sự thay đổi lớn ở đầu ra khi sai số thay đổi nhỏ, điều này có thể ảnh hưởng đến sự ổn định của hệ thống nếu hệ số quá cao.

44 chậm Nếu Hệ số của khâu tỉ lệ quá thấp, tác động điều khiển có thể sẽ quá bé khi đáp ứng với các nhiễu của hệ thống

Phân phối của khâu tích phân tỷ lệ thuận với cả biên độ sai số và quảng thời gian xảy ra sai số, giúp tích lũy bù đã được hiệu chỉnh trước đó Tổng sai số tức thời theo thời gian được tích lũy và nhân với độ lợi tích phân, sau đó được cộng với tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển Độ lợi tích phân Ki đóng vai trò quan trọng trong việc xác định biên độ phân phối của khâu tích phân trên tất cả tác động điều chỉnh.

Thừa số tích phân được cho bởi: Iout=Ki∫ ⅇ(𝜏) ⅆ𝜏 0 𝑡

Khâu này tỷ lệ thuận với biên độ sai số và quãng thời gian xảy ra sai số, giúp chúng ta đánh giá được mức độ ảnh hưởng của sai số Nhờ tổng sai số tức thời, chúng ta có thể thấy rõ những tích lũy bù đã được hiệu chỉnh trước đó như thế nào, từ đó đưa ra các điều chỉnh cần thiết để cải thiện độ chính xác.

• e: nhằm để biểu thị các sai số

• I (out): là thừa số tích phân đầu ra

• t: là thời gian/thời gian tức thời

• Ki: Là độ lợi tích phân, là thông số điều chỉnh

• 𝜏: là một biến tích phân trung gian

Khâu vi phân đóng vai trò quan trọng trong việc tính toán tốc độ thay đổi của sai số trong quá trình điều khiển Để xác định độ dốc của sai số theo thời gian, chúng ta sử dụng đạo hàm theo một bậc thời gian cụ thể và sau đó nhân chúng với độ lợi tỉ lệ Kd Biên độ phân khối của khâu vi phân được tính bằng cách giới hạn tất cả các hành vi điều khiển bởi độ vi phân Kd, và công thức tính thừa số vi phân được biểu diễn bằng Dout=𝐾 𝑑 𝑑.

𝑑𝑡ⅇ(𝑡) Trong công thức trên, các đại lượng được biểu thị như sau:

• Dput : là thừa số vi phân của đầu ra

• Kd: là độ lợi vi phân, nó chính là một thông số điều chỉnh

• t: là thời gian hoặc thời gian tức thời

Bộ điều khiển PID tính toán đầu ra của nó bằng cách kết hợp ba khâu chính: tỉ lệ, tích phân và vi phân Đầu ra của bộ điều khiển, được ký hiệu là u(t), được tính toán dựa trên công thức kết hợp của ba khâu này.

ⅆ𝑡ⅇ(𝑡) trong đó các thông số điều chỉnh là:

• Độ lợi tỉ lệ Ki

Giá trị độ lợi tỉ lệ càng lớn thì đáp ứng càng nhanh, tuy nhiên điều này cũng đồng nghĩa với việc sai số càng lớn và bù khâu tỉ lệ càng lớn Do đó, một giá trị độ lợi tỉ lệ quá lớn có thể dẫn đến quá trình mất ổn định và dao động, ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống.

• Độ lợi tích phân Ki

Giá trị càng lớn sẽ giúp khử sai số ổn định càng nhanh, nhưng điều này cũng kéo theo độ vọt lố càng lớn Lý do là bất kỳ sai số âm nào tích tụ trong quá trình đáp ứng quá độ đều phải được triệt tiêu bằng sai số dương trước khi hệ thống đạt trạng thái ổn định.

• Độ lợi vi phân Kd

Giá trị càng lớn càng giúp giảm độ vọt lố, nhưng đồng thời cũng làm chậm quá trình đáp ứng quá độ Điều này có thể dẫn đến mất ổn định do khuếch đại nhiễu tín hiệu trong phép vi phân sai số, gây ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống.

Thiết kế phần cứng

Yêu cầu thiết kế

Phần cứng của mô hình cần đạt được các yêu cầu như sau:

• Chắc chắn, thẩm mỹ, gọn nhẹ, dễ dàng lắp ráp hay tháo rời

• Hoạt động ổn định, đáp ứng các yêu cầu đã đặt ra ở mục 1.2 Mục tiêu đề tài.

Lựa chọn thiết bị

3.2.1 Bộ điều khiển nhiệt độ Hanyoung VX4

Bộ điều khiển nhiệt độ Hanyoung VX4 là dòng sản phẩm nổi bật của Hanyoung Nux, công ty hàng đầu Hàn Quốc chuyên sản xuất thiết bị điện công nghiệp và điện tự động Với thiết kế nhỏ gọn, sản phẩm này tích hợp đầy đủ khả năng điều khiển nhiệt độ theo hai chế độ tắt/mở hoặc PID AutoTuning, đáp ứng nhu cầu điều khiển nhiệt độ chính xác và linh hoạt.

Hình 3.1 Bộ điều khiển nhiệt độ Hanyoung VX4

Sản phẩm nổi bật với màn hình hiển thị LCD rõ nét, giúp tối ưu không gian lắp đặt nhờ thiết kế nhỏ gọn Ngoài ra, khả năng kết nối đa dạng với các loại cảm biến như Thermocouple, RTD và cảm biến Analog cho phép người dùng tận dụng nhiều loại cảm biến sẵn có, mang lại sự linh hoạt và tiện lợi trong quá trình sử dụng.

47 độ Hanyoung VX4 có thể điều khiển nóng, lạnh hoặc cả nóng và lạnh đồng thời nhờ việc cài đặt các thông số parametter

Truyền thông là một chức năng quan trọng của thiết bị, cho phép giao tiếp với các thiết bị khác trong môi trường công nghiệp thông qua hai giao thức là PC-link và Modbus Ngoài ra, sản phẩm còn được trang bị cổng giao tiếp USB chuẩn UMS 2.0, giúp kết nối dễ dàng với máy tính Để hỗ trợ điều khiển và giám sát hoạt động của thiết bị, phần mềm TCS do Hanyoung phát triển cung cấp giải pháp toàn diện cho người dùng.

Sản phẩm nhóm sử dụng có mã VX4 UMMA-A1CT thuộc dòng VX4 series, nổi bật với 2 ngõ ra relay và 1 ngõ ra phụ, đồng thời tích hợp thêm ngõ ra chuyển đổi (RET) và 1 cổng giao tiếp truyền thông RS485, đáp ứng đa dạng nhu cầu sử dụng.

Hình 3.2 Sơ đồ chân kết nối của bộ điều khiển nhiệt độ Hanyoung VX4 UMMA-A1CT

• Kích thước (DxRxC): 48mm x 48mm x 68mm

• Tiêu chuẩn bảo vệ mặt trước: IP66

• Công suất tiêu thụ: tối đa 8.5VA

• Hiển thị: màn hình LCD

• Đầu vào: 1 ngõ vào cảm biến

• 1 cổng truyền thông USB phương thức UMS 2.0

• Các cặp tiếp điểm ngõ ra relay:

• 1 ngõ ra chuyển đổi 4-20mA

• Loại điều khiển ngõ ra: ON/OFF, PID có chức năng AutoTuning

• Độ ẩm cho phép: 35 đến 85%

• Nhiệt độ hoạt động: -10 đến 50 0 C

3.2.2 Giao tiếp MODBUS-RTU của Hanyoung VX4

3.2.2.1 Thiết lập cấu hình Modbus Để có thể thực hiện giao tiếp truyền thông theo giao thức MODBUS RTU, thiết bị cần được cài đặt các thông số để cấu hình chuẩn giao tiếp Thiết lập như sau:

• Truy cập vào Full Menu bằng cách nhấn MD + SET trong 2 giây

• Bấm hoặc để chọn mục G.COM

Để thiết lập thông số cho giao thức truyền thông, chúng ta cần xác định các thông số chính bao gồm giao thức (PRS>RTU), địa chỉ (ADDR>1), tốc độ truyền dữ liệu (BPS>9k6), độ dài dữ liệu (D.LEN>8bit), bit chẵn lẻ (PRI>NONE) và bit dừng (STOP>1bit).

3.2.2.2 Một số lệnh MODBUS RTU sử dụng cho Dixell XR75CX và Hanyoung VX4

❖ READ OUTPUT COIL (0x01) Đọc trạng thái các ngõ ra của thiết bị Chúng sẽ được gói vào các byte dữ liệu trong tín hiệu phản hồi

1~247 0x01 MSByte LSByte MSByte LSByte LSByte MSByte

1 byte 1 byte 1 byte 1 byte 1 byte 1 byte 1 byte 1 byte

Data 1 Data … Data n CRC CRC

1 byte 1 byte 1 byte 1 byte 1 byte 1 byte 1 byte

Để ghi tín hiệu cho một ngõ ra, dữ liệu cần được gửi đi với giá trị 0xFF00 để đặt ngõ ra lên mức 1 (SET) hoặc 0x0000 để đặt ngõ ra trở về mức 0 (RESET) Tín hiệu gửi đi và truyền về trong lệnh này là giống nhau, đảm bảo tính nhất quán trong quá trình truyền dữ liệu.

Lệnh đọc thanh ghi (0x03) cho phép đọc một hoặc nhiều thanh ghi cùng lúc, với số lượng thanh ghi tối đa là 5 trong một lệnh Dữ liệu phản hồi từ lệnh này sẽ bao gồm các giá trị được lưu trữ trong các thanh ghi tương ứng.

Data 1 Data … Data n CRC CRC

1 byte 1 byte 1 byte 1 byte 1 byte 1 byte 1 byte

Ghi giá trị lên một thanh ghi Tín hiệu gửi đi và gửi về giống nhau, cùng là giá trị được ghi

Ghi giá trị lên nhiều thanh ghi, tối đa là 5 Tín hiệu phản hồi là số thanh ghi được ghi

1 byte 1 byte 1 byte 1 byte 1 byte 1 byte 1 byte 1 byte 1 byte

Number of Byte sẽ gấp đôi Number of Registers, bởi 1 thanh ghi có 2 byte dữ liệu

3.2.2.3 Tín hiệu phản hồi lỗi

Lỗi của tín hiệu phản hồi thường xảy ra khi một gói hợp lệ được nhận bởi thiết bị Slave nhưng không thể hoàn thành lệnh do một số nguyên nhân như địa chỉ không hợp lệ hoặc lệnh ghi vào thanh ghi chỉ đọc.

➢ Phản hồi báo lỗi từ Slave:

Slave Address Error Code Exception Code CRC CRC

1 byte 1 byte 1 byte 1 byte 1 byte

Exception Code, hay Mã ngoại lệ, sẽ được miêu tả thông qua bảng dưới đây:

Bảng 3.1 Bảng các Mã ngoại lệ của giao thức Modbus RTU

Mã ngoại lệ Tên Mô tả

Chức năng không hợp lệ

Mã chức năng nhận được trong truy vấn không phải là hành động cho phép của Slave Chỉ mã chức năng 0x03, 0x06, 0x10 là các lệnh hợp lệ

Địa chỉ dữ liệu không hợp lệ là một lỗi xảy ra khi địa chỉ dữ liệu nhận được trong truy vấn không phải là địa chỉ cho phép của Slave Nguyên nhân chính của lỗi này là sự kết hợp của số tham chiếu và chiều dài không hợp lệ, khiến cho quá trình truy vấn dữ liệu không thể thực hiện được.

Giá trị dữ liệu không hợp lệ

Khi thực hiện yêu cầu đến một thanh ghi không hợp lệ hoặc vượt quá giới hạn 5 thanh ghi, hệ thống sẽ không thể xử lý Ngoài ra, việc ghi một tham số ngoài phạm vi cho phép hoặc ghi lên thanh ghi chỉ đọc cũng sẽ gây ra lỗi.

Một lỗi không thể giải thích được đã xảy ra khi thiết bị Slave cố gắng thực hiện hành động được yêu cầu, dẫn đến việc thiết bị không thể đọc hoặc viết hoạt động một cách chính xác, kết quả là hoạt động như RAM, E2, RTC và các hoạt động khác không được hoàn thành như mong đợi.

Thiết bị hiện không thể thực hiện hoạt động được yêu cầu do đang bận rộn với một hoạt động tương tự khác Vì vậy, người dùng cần phải lặp lại yêu cầu tương tự vào một thời gian khác để thiết bị có thể thực hiện được.

3.2.3 Module DOIT ESP32 NodeMCU Đây là một dự án được phát triển bởi DOIT, một công ty công nghệ cao chuyên tập trung xây dựng các giải pháp IoT Dự án được chia ra làm 2 phần, bao gồm việc phát triển phần cứng và tạo ra phần mềm tích hợp sẵn hỗ trợ cho việc lập trình

Module ESP32-dev-board là phần cứng chính, được phát triển dựa trên nền tảng module ESP32-WROOM-32, mang lại sự tiện lợi trong ứng dụng thực tế nhờ khả năng lập trình dễ dàng và kết nối linh hoạt với các thiết bị ngoại vi.

Hình 3.3 Module ESP32-dev-board thực tế

• Điện áp cung cấp: 5VDC cấp từ cổng micro USB

• Tích hợp mạch nạp và giao tiếp UART CP2102

• Tích hợp Led Status, nút BOOT và ENABLE

Thiết kế phần cứng

3.3.1 Sơ đồ khối hệ thống

Hình 3.16 Sơ đồi khối hệ thống

Bộ phận này có nhiệm vụ nhận điện áp 220V đầu vào để cung cấp cho các thiết bị điện sử dụng điện áp 220V đồng thời biến đổi điện áp 220V thành điện áp một chiều, đáp ứng nhu cầu của các thiết bị sử dụng điện áp một chiều.

Khối nguồn gồm 1 MCB, 1 nguồn tổ ong 12V 5A và 1 module AMS1117

Khối cảm biến bao gồm 1 cảm biến nhiệt độ, có nhiệm vụ đo nhiệt độ của môi truòng cần đo và truyền giá trị cho khối điều khiển

Khối công suất bao gồm 1 tủ lạnh, có nhiệm vụ hoạt động để tạo ra nhiệt độ lạnh theo yêu cầu từ khối điều khiển

Bộ điều khiển nhiệt độ Hanyoung VX4 đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điều khiển, nhận tín hiệu từ khối cảm biến và truyền lệnh đến khối công suất Ngoài ra, bộ điều khiển này còn thực hiện giao tiếp 2 chiều với khối truyền thông, cho phép truyền và nhận dữ liệu để tương tác với người dùng một cách hiệu quả.

Khối truyền thông có nhiệm vụ đọc và gửi tín hiệu đến khối điều khiển để truyền dữ liệu lên Internet

Khối truyền thông đóng vai trò quan trọng trong hệ thống, được trang bị module UART TTL-RS485 giúp chuyển đổi tín hiệu một cách hiệu quả Module này hoạt động kết hợp với module ESP32, cho phép đọc và gửi dữ liệu lên nền tảng lưu trữ dữ liệu thời gian thực trên Internet là Firebase, đảm bảo tính ổn định và chính xác của thông tin.

Là một ứng dụng Android, ứng dụng này có nhiệm vụ hiển thị dữ liệu và tương tác trực tiếp với người dùng, từ đó tạo ra tín hiệu điều khiển đến thiết bị, cho phép người dùng điều khiển và giám sát thiết bị một cách dễ dàng và tiện lợi.

Hiển thị thông tin dưới dạng một trang web, chức năng này tương tự như Khối App, đồng thời bổ sung thêm một số tính năng để tăng cường khả năng tương tác với dữ liệu, mang lại trải nghiệm người dùng phong phú hơn.

3.3.2 Mô phỏng 3D trên phần mềm SolidWorks 2017

Sau khi lựa chọn được các thiết bị phù hợp, nhóm đã tiến hành thiết kế mô hình dưới dạng mô phỏng 3D trên phần mềm SolidWorks 2017, tạo ra kết quả thiết kế chi tiết và chính xác.

Hình 3.17 Mô phỏng lắp đặt thiết bị trong tủ điện

Hình 3.18 Mô phỏng tủ lạnh

Hình 3.19 Mô phỏng tổng thể mô hình

(3) Bộ điều khiển nhiệt độ Hanyoung VX4

(6) Khối PCB, gồm ESP32 Module, module AMS1117 và module UART TTL-

(7) Cảm biến nhiệt độ Pt100

3.3.3 Sơ đồ kết nối phần cứng

Điện áp xoay chiều 1 pha 220V được cấp qua MCB để bảo vệ các thiết bị trong quá trình hoạt động và cung cấp điện áp cho đèn báo nguồn Sau khi qua MCB, điện áp này được cung cấp cho nguồn tổ ong 12VDC 5A và Bộ điều khiển nhiệt độ Hanyoung VX4 qua 2 chân 5-6 Nguồn tổ ong đóng vai trò chuyển đổi điện áp 220VAC thành 12VDC để cung cấp cho PCB Block, đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn cho hệ thống.

Bộ điều khiển nhiệt độ Hanyoung VX4 được thiết kế để giao tiếp MODBUS RTU với PCB Block thông qua hai chân 13 (A+) và 14 (B-) Cảm biến nhiệt độ Pt100 được kết nối với các chân 10, 11 và 12 để đo nhiệt độ tủ lạnh chính xác Ở ngõ ra, chân số 7 được sử dụng để kết nối với đèn cảnh báo, trong khi chân số 4 được sử dụng để điều khiển máy nén của tủ lạnh, giúp kiểm soát nhiệt độ một cách hiệu quả.

Hình 3.21 Sơ đồ kết nối khối PCB

Khối PCB như đã liệt kê ở trên, gồm 3 phần chính là Module ESP32, mạch hạ áp DC-

Module nguồn DC AMS1117 và module giao tiếp UART TTL-RS485 đóng vai trò quan trọng trong hệ thống Điện áp 12VDC được cung cấp tới chân V+ và V- trên module nguồn thông qua jack cắm, trong khi điện áp 5V được sử dụng để cấp nguồn cho module ESP32 và module giao tiếp UART TTL-RS485 hoạt động ổn định Ngoài ra, chân GND được nối đồng bộ giữa nguồn, module ESP32 và module giao tiếp UART TTL-RS485 để đảm bảo sự ổn định và an toàn cho toàn bộ hệ thống.

Module giao tiếp UART TTL-RS485 được kết nối với module ESP32 thông qua cặp chân TXD và RXD, tương ứng với cặp chân G16 và G17 của module ESP32, đây là cặp chân có chức năng giao tiếp UART của module ESP32.

Thuật toán điều khiển

Lưu đồ giải thuật

Hình 4.1 Lưu đồ hệ thống

Giải thích lưu đồ hệ thống:

Khi hệ thống bắt đầu hoạt động, nó sẽ cấu hình các chức năng cần thiết và kiểm tra từng chu trình để xác định thời gian hoạt động Nếu chu trình đã đến thời gian hoạt động, hệ thống sẽ thực hiện các chức năng tương ứng Tuy nhiên, đối với chu trình thứ 2, hệ thống chỉ thực hiện khi người dùng bấm cập nhật, nếu không sẽ bỏ qua chu trình này.

4.1.2 Lưu đồ xử lý dữ liệu Modbus

Hình 4.2 Lưu đồ xử lý dữ liệu Modbus

Giải thích lưu đồ xử lý dữ liệu Modbus:

Để bắt đầu, module ESP32 cần được cấu hình giao tiếp Modbus với việc thiết lập baudrate và timeout Tiếp theo, các hàm xử lý dữ liệu sẽ được khởi tạo dựa trên mục đích và dữ liệu của thanh ghi hiện có Dữ liệu gửi đi sẽ có địa chỉ Slave giống nhau, nhưng khác nhau về mã hàm chức năng, địa chỉ thanh ghi và dữ liệu của thanh ghi đó.

Khi hệ thống thực hiện chức năng đọc giá trị thanh ghi (0x03), một tin nhắn Modbus sẽ được tạo và gửi đến thiết bị Slave, sau đó hệ thống sẽ đọc giá trị trả về và tiến hành xử lý dữ liệu Ngược lại, với chức năng đặt giá trị thanh ghi (0x06), hệ thống cũng gửi tin nhắn Modbus đến Slave và thông báo "Cai dat thanh cong" trên màn hình để người dùng nhận biết Dữ liệu sau khi xử lý sẽ được lưu trữ trong đối tượng mVX4.

4.1.3 Nguyên lý bật/tắt OUT2

Hình 4.3 Nguyên lý bật/tắt OUT2

Giải thích nguyên lý bật/tắt OUT2:

OUT2 là ngõ ra làm lạnh quan trọng của bộ điều khiển nhiệt độ Hanyoung VX4, được kết nối trực tiếp đến máy nén của tủ lạnh Khi nhiệt độ tủ lạnh (PV) thấp hơn giá trị cài đặt (SV), OUT2 sẽ tự động tắt Ngược lại, khi nhiệt độ tủ lạnh (PV) cao hơn tổng giá trị của giá trị cài đặt (SV) và độ trễ (HYSC), OUT2 sẽ được kích hoạt để đảm bảo nhiệt độ tủ lạnh được duy trì ổn định.

Thiết lập Firebase

Các thông số của Firebase được thể hiện trong hình 4.4, bao gồm các trường chính như Account để lưu trữ thông tin tài khoản người dùng, Chart để lưu dữ liệu biểu đồ, Current để lưu trữ các giá trị hiện tại, History để lưu trữ lịch sử hoạt động on/off của tủ lạnh, Setting để lưu trữ các thông số cài đặt và trường Temporary để lưu trạng thái cập nhật của hệ thống.

Hình 4.4 Các trường chính của Firebase

Trường Account bao gồm ba thành phần chính: email, pass và status Email được sử dụng để lưu trữ địa chỉ email đăng nhập của người dùng, trong khi pass lưu trữ mật khẩu đăng nhập tương ứng Thành phần status đóng vai trò quan trọng trong việc lưu trữ trạng thái đăng nhập của tài khoản, với giá trị 1 chỉ định rằng tài khoản đã đăng nhập thành công.

0 tương ứng với tài khoản đã đăng xuất

Trường Chart gồm các trường con được chia theo ngày, mỗi trường con ngày sẽ bao gồm thông tin nhiệt độ và thời gian đọc kèm theo

Trường Current cung cấp các thông tin quan trọng về trạng thái và nhiệt độ hiện tại, bao gồm status thể hiện trạng thái của ngõ ra, temp cho biết nhiệt độ hiện tại, time ghi lại thời gian cập nhật của nhiệt độ và unit chỉ định đơn vị đo lường tương ứng.

Trường History bao gồm các trường con được chia theo ngày Mỗi trường con gồm thời gian và trạng thái của ngõ ra

Trường Setting bao gồm một số thông số quan trọng, bao gồm nhiệt độ cài đặt (temp), nhiệt độ bật cảnh báo (tempAlarm), độ lệch nhiệt độ của nhiệt độ đặt (tempDelta1), độ lệch nhiệt độ của nhiệt độ cảnh báo (tempDelta2) và thời gian cập nhật dữ liệu (time).

Trường tạm thời là nơi lưu trữ trạng thái, cho phép cập nhật dữ liệu từ website và ứng dụng đến module ESP32 mỗi khi người dùng nhấn nút Cập nhật, giúp đảm bảo dữ liệu luôn được cập nhật và đồng bộ hóa.

4.2.2 Dữ liệu tại Google Sheet

Google Sheet được lựa chọn làm nơi lưu trữ dữ liệu của hệ thống, nhờ vào khả năng lưu trữ dữ liệu trực tuyến được cung cấp bởi Google Để tích hợp Firebase vào Google Sheet, cần phải cấu hình Firebase trong Google Apps Script và tạo các biến lưu trữ phù hợp.

Google Apps Script là một ngôn ngữ lập trình dựa trên JavaScript, cho phép người dùng tùy chỉnh và tự động hóa các dịch vụ của Google như Google Docs, Sheets và Forms thông qua trình biên tập và biên dịch trực tuyến trên máy chủ của Google.

Hình 4.11 Giao diện Google Apps Script

Dữ liệu này có thể được sử dụng để truy xuất và xử lý cho các ứng dụng về sau khi phát triển phần mềm, giúp tăng cường hiệu quả và tốc độ xử lý Đặc biệt, thời gian cập nhật dữ liệu tối thiểu trên Google Sheet cho phép là 1 phút, giúp đảm bảo dữ liệu luôn được cập nhật và chính xác.

Hình 4.12 Dữ liệu tại Google Sheet

Lập trình module ESP32

Có nhiều nền tảng để người dùng có thể lập trình cho module ESP32 cũng như các dòng vi xử lý khác

Arduino IDE là một nền tảng lập trình phổ biến dành cho Arduino, nổi bật với sự đơn giản và chuyên biệt Tuy nhiên, mặc dù có hệ thống thư viện hỗ trợ phong phú, phần mềm này vẫn còn hạn chế khi không tích hợp trình gợi ý mã lệnh và hệ thống debug code, gây khó khăn cho người dùng trong quá trình lập trình.

Một phần mềm khác rất phổ biến để soạn thảo văn bản lập trình đó chính là VSCode

Do Microsoft phát triển, hiện nay đây là nền tảng lập trình vô cùng phổ biến nhờ một số điểm nổi bật sau:

• Giao diện đơn giản, dễ sử dụng

• Hỗ trợ nhiều hệ điều hành khác nhau (Windows, Mac OS, Linux)

• Lập trình được nhiều ngôn ngữ như JavaScript, CSS, HTML, C/C++, C#, JSON,…

• Tích hợp gỡ lỗi và gợi ý chỉnh sửa mạnh mẽ

Nhờ vào các ưu điểm này, nhóm sử dụng phần mềm VSCode để lập trình cho module ESP32

Sau khi cài đặt phần mềm, bước tiếp theo là cài đặt thêm extension PlatformIO vào VSCode PlatformIO là một plugin mạnh mẽ hỗ trợ lập trình nhúng Arduino/ARM, tương thích với hơn 800 board khác nhau, bao gồm cả các board thông dụng như Arduino Uno, Mega, ESP 8266, ESP32, TIVA.

Sau khi đã cài đặt xong PlatformIO, tạo Project mới và chọn Board DOIT ESP32 DEVKIT V1 để bắt đầu lập trình cho module ESP32

Hình 4.13 Tạo New Project với module ESP32

Khi xây dựng chương trình lớn, việc lưu tất cả code vào một file main có thể gây ra nhiều phiền toái không đáng có, khiến chương trình trở nên quá dài và khó quản lý Để giải quyết vấn đề này, việc chia nhỏ và phân tách code thành các thư viện nhỏ hơn theo các chức năng riêng biệt là cần thiết Trong đề tài của nhóm, chúng tôi đã tạo ra các thư viện chuyên dụng để quản lý và sử dụng, giúp tối ưu hóa quá trình phát triển và bảo trì chương trình.

Thư viện này dùng để chứa các hàm đọc và ghi dữ liệu đối giữa module ESP32 và Bộ điều khiển nhiệt độ Hanyoung VX4

Thư viện này cung cấp các hàm xử lý dữ liệu đa dạng, bao gồm kiểu Int, Float và String, cho phép truyền và nhận dữ liệu hiệu quả giữa module ESP32 và Firebase, phục vụ cho việc xử lý và tích hợp dữ liệu một cách linh hoạt.

Thư viện này được thiết kế để thiết lập cấu hình kết nối WiFi và cung cấp hàm xuất giá trị thời gian theo định dạng "giờ:phút ngày-tháng-năm", giúp cập nhật dữ liệu một cách chính xác và theo thời gian thực.

WiFi được cấu hình bởi hàm define WIFI_SSID và WIFI_PASSWORD.

Ứng dụng android

Phần mềm sử dụng để thiết kế giao diện ứng dụng Android là Android Studio

Android Studio là công cụ hỗ trợ lập trình ứng dụng mạnh mẽ được phát triển bởi Google, nhà phát triển của hệ điều hành Android Phần mềm này tương thích với nhiều hệ điều hành máy tính phổ biến như Windows, Mac OS và Linux Với hệ thống thư viện hỗ trợ phong phú và các công cụ tiện ích đa dạng, Android Studio trở thành nền tảng chuyên nghiệp và mạnh mẽ để tạo ra các ứng dụng Android trên toàn cầu.

Một số ưu điểm có thể kể đến của Android Studio như sau:

• Dễ làm quen, giao diện thân thiện

• Chỉnh sửa bố cục đa dạng, trực quan với thao tác kéo thả linh hoạt

• Các công cụ hỗ trợ liên tục được cập nhật mới và đầy đủ

• Mô phỏng được phần mềm ngay trong lúc lập trình để dễ dàng thay đổi và sửa chữa

• Tích hợp các công cụ của Firebase, dễ dàng liên kết ngay trên phần mềm

• Hỗ trợ lập trình thông minh với các ngôn ngũ Java, Kotlin, C/C++

• Phát triển ứng dụng cho đa dạng các loại màn hình

4.4.2 Thiết kế giao diện ứng dụng

Ứng dụng di động được thiết kế để mang lại trải nghiệm tiện lợi cho người dùng, cho phép họ theo dõi giá trị nhiệt độ trực tiếp trên điện thoại và dễ dàng cài đặt các giá trị cho bộ điều khiển thông qua ứng dụng.

Yêu cầu của ứng dụng:

• Giao diện đơn giản, dễ quan sát và cài đặt

• Tính năng đăng ký, đăng nhập bằng tài khoản google để dễ dàng quản lý

• Hiển thị nhiệt độ hiện tại của cảm biến

• Hiển thị dữ liệu dạng biểu đồ đễ tăng tính trực quan

• Cài đặt được các thông số cơ bản như nhiệt độ đặt và nhiệt độ cảnh cáo, thời gian lấy mẫu,…

• Hiển thị lịch sử hoạt động của tủ lạnh

• Gửi cảnh báo đến điện thoại khi nhiệt độ thực tế vượt quá nhiệt độ cảnh báo

• Dễ dàng đăng xuất hoặc đổi mật khẩu

Từ các yêu cầu trên, nhóm đã tiến hành lên ý tưởng thiết kế giao diện cho ứng dụng Ứng dụng sẽ có 6 màn hình chính đó là:

• Màn hình đăng nhập: nơi người dùng nhập tài khoản và mật khẩu đã đăng ký để có thể truy cập ứng dụng

• Màn hình đăng ký: nơi người dùng đăng ký tài khoản mới

• Màn hình trang chủ: hiển thị nhiệt độ hiện tại và biểu đồ nhiệt độ

• Màn hình trang cài đặt: bao gồm các thông số có thể cài đặt và nút nhấn truy cập lịch sử hoạt động

• Màn hình lịch sử hoạt động: hiển thị lịch sử bật tắt của tủ lạnh

• Màn hình trang tài khoản: nơi người dùng đổi mật khẩu hoặc đăng xuất tài khoản khỏi thiết bị

Khi có sự cố, ứng dụng sẽ xuất một thông báo đẩy đến màn hình để người dùng dễ dàng nhận biết và kịp thời khắc phục

Hình 4.15 Thiết kế giao diện “Đăng nhập” và “Đăng ký” của ứng dụng

Hình 4.16 Thiết kế giao diện chính: Trang chủ > trang Cài đặt > trang Lịch sử hoạt động > trang Tài khoản

Thiết kế giao diện website

HTML, viết tắt của Hypertext Markup Language, là ngôn ngữ đánh dấu siêu văn bản được sử dụng rộng rãi để tạo và cấu trúc các phần trong trang web và ứng dụng Thông qua việc phân chia các đoạn văn, heading, link, blockquotes và các yếu tố khác, HTML giúp tạo nên bố cục và nội dung rõ ràng cho trang web và ứng dụng.

HTML không phải là một ngôn ngữ lập trình mà chỉ là một ngôn ngữ đánh dấu, giúp định dạng các thành phần có trong website Là một công cụ thiết yếu, HTML hỗ trợ người dùng thiết kế và tạo nội dung nhanh chóng cho trang web nhờ khả năng định dạng linh hoạt và dễ sử dụng.

• Hoạt động mượt mà trên hầu hết các trình duyệt

• Cách thức hoạt động đơn giản, dễ tiếp cận với người mới

• Kho tài nguyên khổng lồ với cộng đồng người dùng hỗ trợ rộng lớn

• Sử dụng miễn phí nhờ mã nguồn mở

• Tích hợp nhiều ngôn ngữ khác nhau để xây dựng website nhiều tính năng

Để tạo ra một trang web hoàn chỉnh với ngôn ngữ HTML, việc sử dụng các markup ngắn gọn và có tính đồng nhất cao là rất quan trọng Điều này giúp cho mã nguồn trở nên rõ ràng và dễ dàng quản lý hơn.

• File HTML: được sử dụng để tạo nên cấu trúc văn bản, khung sườn cho website, các nội dung nào sẽ được hiển thị tới người dùng

• File CSS: chỉnh sửa màu sắc, kích thước, hiệu ứng và vị trí của các đối tượng trên website

File JavaScript đóng vai trò quan trọng trong việc lập trình tương tác giữa người dùng và trang web, quyết định các hành động sẽ xảy ra khi người dùng tương tác với trang web, tạo nên trải nghiệm người dùng phong phú và linh hoạt.

4.5.2 Thiết kế giao hiện website

Website là nền tảng trực tuyến cho phép người dùng truy cập từ các thiết bị có kết nối internet mà không cần cài đặt thêm bất kỳ phần mềm nào Do thường được truy cập thông qua máy tính, giao diện trang web có thể hiển thị nhiều nội dung hơn so với ứng dụng trên điện thoại, mang lại trải nghiệm người dùng đa dạng và phong phú hơn.

Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, trang web được thiết kế với mục đích chính là xuất dữ liệu trực tuyến và lưu về máy tính Trang web này cũng tích hợp các tính năng đăng ký/đăng nhập, đồng thời hiển thị các thông tin cơ bản bao gồm nhiệt độ hiện tại, biểu đồ, thông số cài đặt và lịch sử hoạt động, tương tự như ứng dụng trên nền tảng Android.

Hình 4.17 Giao điện “Đăng nhập” và “Đăng ký” của website

Hình 4.18 Giao diện “Trang chủ” và “Lịch sử hoạt động” của website

Hình 4.19 Giao diện “Cài đặt” của website

Mô phỏng trên phần mềm Matlab

4.6.1 Xây dựng hàm truyền mô phỏng đường đặc tính làm lạnh của tủ lạnh Để có thể tiến hành xây dựng hàm truyền mô phỏng, nhóm đã thực hiện thu thập dữ liệu hoạt động của tủ lạnh khi cấp nguồn, nhiệt độ ban đầu là 30 0 C, chu kỳ lấy mẫu 2s, và kết thúc quá trình thu thập dữ liệu sau 8000s hoạt động Dưới đây là đồ thị dữ liệu nhóm đã thu thập được

Hình 4.20 Đồ thị thu thập dữ liệu

Sau khi thu thập dữ liệu, bước tiếp theo là xây dựng hàm truyền, giúp mô tả chính xác sự thay đổi của nhiệt độ mà không tính đến các yếu tố tác động bên ngoài.

Nhiệt độ ban đầu của tủ lạnh được ký hiệu là T0, trong khi phương trình nhiệt độ của tủ lạnh theo thời gian được biểu diễn là T1(t) Để phân tích sự thay đổi nhiệt độ sau khi xử lý, ta có thể đặt T2(t) = T0 – T1(t), đây là phương trình nhiệt độ của tủ lạnh theo thời gian sau khi xử lý Đồ thị của T2(t) cung cấp cái nhìn trực quan về sự biến đổi nhiệt độ của tủ lạnh theo thời gian.

Hình 4.21 Đồ thị sau khi được xử lý

Từ đồ thị này, ta nhận thấy đồ thị có dạng khâu quán tính bậc nhất Hàm truyền của phương trình T2(t) được ký hiệu là G2(s) và có dạng như sau: G2(s) = 1 / (T2s + 1), trong đó T2 là hằng số thời gian của khâu quán tính bậc nhất.

• K1.4 là hằng số khuếch đại của khâu, được xác định từ đồ thị,

• T là hằng số thời gian quán tính

Vì tín hiệu vào là hàm xung nên đáp ứng xung của đối tượng là:

Biến đổi Laplace ngược ta được như sau:

Thay t=T và K1.4 vào (3) ta được:

Với n.8448, ta tìm được giá trị T tương ứng 28 phút 20 giây, tức T00s

Hình 4.22 Giá trị T của hàm truyền

Thay K và T tìm được vào (1), ta được hàm truyền của T2(t):

Hàm truyền của hệ thống cần tìm sẽ là:

4.6.2 Mô phỏng kết hợp bộ điều khiển PID

Mô phỏng hệ thống trên Matlab Simulink:

Hình 4.23 Mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab Simulink

Hình 4.24 Mô phỏng hệ thống cùng bộ điều khiển PID

Kết quả và nhận xét

Kết quả phần cứng

Đối với phần cứng của mô hình, nhóm đã đạt được các kết quả sau:

❖ Phần cứng đơn giản, cứng cáp, hoạt động ổn định

❖ Sắp xếp, lắp đặt các thiết bị trong tủ điện hợp lý

❖ Nắm được các thông số của bộ điều khiển nhiệt độ Hanyoung VX4

❖ Truyền thông ổn định, tín hiệu có độ trễ thấp

Hình 5.1 Mặt trước và mặt sau của mạch điều khiển

Việc sử dụng các module được thiết kế sẵn giúp mạch điện trở nên đơn giản và hoạt động ổn định hơn Đồng thời, thiết kế này cũng cho phép dây được giấu phía dưới bảng mạch, mang lại vẻ ngoài gọn gàng và tinh tế khi nhìn từ trên xuống.

Hình 5.2 Tổng quan tủ điều khiển

Tủ điện được thiết kế với dây điện đi trong ray, mang lại vẻ gọn gàng và hiện đại Hệ thống đèn báo hoạt động hiệu quả, cung cấp thông tin chính xác về tình trạng nguồn và lỗi xảy ra Ngoài ra, phần cứng của tủ điện có khả năng tự động hoạt động khi được cấp nguồn và kết nối WiFi, mang lại sự tiện lợi và dễ dàng kiểm soát.

Hình 5.3 Tổng quan mô hình

(6) Bộ điều khiển nhiệt độ Hanyoung VX4

(8) Module nguồn tổ ong 12VDC 5A

Kết quả phần mềm

Đối với phần mềm, nhóm đạt được các kết quả sau:

Tôi thành thạo sử dụng phần mềm lập trình VSCode để phát triển các dự án lập trình cho module ESP32 cũng như xây dựng website Ngoài ra, tôi cũng có khả năng tạo thư viện để đơn giản hóa việc quản lý chương trình, giúp tăng hiệu suất và giảm thiểu thời gian phát triển.

Việc xây dựng các giao diện website và ứng dụng bằng phần mềm chuyên sâu không chỉ giúp bạn hiểu rõ hơn về cấu trúc của các ứng dụng và trang web, mà còn mở ra cơ hội để bạn tạo ra những sản phẩm số ấn tượng và thu hút người dùng.

• Nắm vững giao thức truyền thông Modbus RTU và phương pháp để đọc, ghi dữ liệu nhờ việc tự lập trình các hàm chức năng

• Ứng dụng được các phần mềm hỗ trợ đọc, truyền dữ liệu Modbus cho việc nghiên cứu lập trình vi điều khiển

• Ứng dụng được cơ sở dữ liệu thời gian thực của Firebase trong việc truyền dữ liệu qua kết nối không dây

• Khả năng đọc hiểu tài liệu tốt, nắm được các thông số và chức năng để hạn chế lỗi xảy ra trong quá trình hoạt động

Giao diện ứng dụng được thiết kế đơn giản, tinh gọn, tập trung vào việc hiển thị các chức năng và thông số cần thiết, mang lại trải nghiệm người dùng mượt mà và dễ dàng tiếp cận Màn hình đăng nhập và đăng ký cũng được thiết kế đơn giản nhưng hiệu quả, giúp người dùng nhanh chóng truy cập vào ứng dụng mà không gặp phải khó khăn nào.

Hình 5.4 Kết quả giao diện “Đăng nhập” và “Đăng ký” của ứng dụng

Màn hình Trang chủ được thiết kế để hiển thị thông số nhiệt độ một cách rõ ràng và dễ quan sát, giúp người dùng theo dõi nhiệt độ một cách tiện lợi Đồng thời, đồ thị nhiệt độ cũng được hiển thị, cho phép người dùng xem giá trị nhiệt độ được lưu trong vòng 1 ngày và giá trị nhiệt độ cài đặt tại thời điểm cụ thể, mang lại cái nhìn tổng quan và chính xác về nhiệt độ.

Màn hình cài đặt có khả năng cập nhật và gửi thông số đến hệ thống phần cứng để thay đổi thông số

Hình 5.5 Kết quả giao diện “Trang chủ” và trang “Cài đặt” của ứng dụng

Màn hình Lịch sử hoạt động được kích hoạt dễ dàng thông qua biểu tượng nút nhấn trên màn hình trang Cài đặt, cung cấp cho người dùng một cái nhìn tổng quan về hoạt động của tủ lạnh Thông qua màn hình này, người sử dụng có thể theo dõi và nắm bắt tình hình thực tế của tủ lạnh ngay cả khi vắng mặt, giúp họ kiểm soát và quản lý thiết bị một cách hiệu quả hơn.

Màn hình đăng xuất có chức năng đổi mật khẩu hoặc đăng xuất khỏi thiết bị

Hình 5.6 Kết quả giao diện “Lịch sử hoạt động” và trang “Tài khoản” của ứng dụng

Giao diện đăng nhập của website:

Hình 5.7 Kết quả giao diện “Đăng nhập” của website

Giao diện đăng ký của website:

Hình 5.8 Kết quả giao diện “Đăng ký” của website

Giao diện Trang chủ của website hiển thị nhiệt độ hiện tại, nhiệt độ cài đặt và biểu đồ hoạt động theo thời gian

Hình 5.9 Kết quả giao diện “Trang chủ” của website

Giao diện Cài đặt của website:

Hình 5.10 Kết quả giao diện “Cài đặt” của website

Giao diện Lịch sử hoạt động của website:

Hình 5.11 Kết quả giao diện “Lịch sử hoạt động” của website

Giao diện Xuất của website, hiển thị giá trị đang được lưu lại

Hình 5.12 Kết quả giao diện "Xuất" của website

Kết quả xuất dữ liệu của website cung cấp thông tin cập nhật liên tục về các thông số quan trọng của tủ lạnh, bao gồm thời gian cập nhật, nhiệt độ hiện tại, nhiệt độ cài đặt và trạng thái hoạt động Điều này giúp người dùng dễ dàng theo dõi và quản lý tủ lạnh một cách hiệu quả.

Hình 5.13 Giá trị được lưu tại Google Sheet

Kết quả hoạt động

5.3.1 Kết quả mô phỏng PID trên Matlab

Kết quả so sánh giữa giá trị nhiệt độ thực tế và kết quả mô phỏng từ Matlab cho thấy sự trùng khớp cao, điều này chứng minh rằng hàm truyền đã miêu tả chính xác tính chất của hệ thống.

Hình 5.14 So sánh kết quả mô phỏng và thực tế

Tín hiệu điều khiển của bộ điều khiển PID với các thông số KP,KI và KD:

Hình 5.15.Các thông số của bộ điều khiển PID

Hình 5.16 Tín hiệu điều khiển của bộ điều khiển PID

Kết quả tính toán bởi bộ PID đạt kết quả mô phỏng tốt với setpoint là 5, thời gian xác lập khoảng 10000s và hầu như không có quá độ

Hình 5.17 Kết quả đáp ứng mô phỏng với bộ điều khiển PID

Với cùng bộ PID được tính, khi thay đổi setpoint, đáp ứng của hệ thống không còn tốt như ban đầu

Hình 5.18 Đáp ứng của hệ thống khi thay đổi setpoint

Hệ thống đã hoạt động ổn định sau gần 60 phút với nhiệt độ cài đặt là 50 độ C và độ lệch cho phép là 10 độ C, nhiệt độ dao động trong phạm vi cài đặt Khi có sự thay đổi nhiệt độ cài đặt hoặc tác động từ bên ngoài, hệ thống sẽ tự động cập nhật và điều chỉnh để đạt được nhiệt độ yêu cầu một cách chính xác.

Hình 5.19 Kết quả nhiệt độ hiển trị trên website

Bộ điều khiển nhiệt độ Hanyoung VX4 có hạn chế về phần cứng, khiến tín hiệu của bộ điều khiển PID không đạt hiệu quả tốt khi kết nối với ngõ ra relay Điều này dẫn đến việc biến tín hiệu liên tục của PID thành tín hiệu ON/OFF trong quá trình hoạt động điều khiển bằng PID, ảnh hưởng đến độ chính xác và ổn định của hệ thống.

Phần cứng của tủ lạnh không được thiết kế để bật tắt liên tục, do đó việc áp dụng ngõ ra PID trên thực tế thường không đạt được hiệu quả như mong muốn và có thể gây ra hư hỏng cho thiết bị.

Nhận xét

Việc sử dụng module để thực hiện các chức năng không chỉ giúp đơn giản hóa quá trình thiết kế mạch mà còn hạn chế lỗi phát sinh, từ đó tăng độ ổn định trong quá trình vận hành, mang lại hiệu quả cao và độ tin cậy cho hệ thống.

• Mạch điện nhỏ gọn, được bảo vệ cùng với các thiét bị khác trong tủ điện giúp tránh

91 tác động tự bên ngoài

• Hệ thống hoạt động ổn định, thay đổi các giá trị trên website cũng như ứng dụng rất đơn giản, cập nhật nhanh và liên tục

• Giao diện đơn giản, hiển thị được các thông số cơ bản cần thiết trong quá trình vận hành hệ thống

• Thông báo đến người dùng thông qua ứng dụng khi có sự cố

• Dữ liệu được cập nhật nhanh theo thời gian cài đặt của người sử dụng, giúp tiết kiệm được không gian lưu trữ khi tăng thời gian lấy mẫu

• Tận dụng được các cơ sở lưu trữ dữ liệu trực tuyến để giảm gánh nặng cho phần cứng.

Mô hình hóa hệ thống trên phần mềm Matlab cho phép nghiên cứu và ứng dụng các bộ điều khiển khác nhau cho hệ thống Tuy nhiên, mô hình này chỉ đảm bảo độ chính xác trong điều kiện cụ thể tại thời điểm đo dữ liệu, mà chưa tính đến các yếu tố ảnh hưởng từ môi trường như sự thay đổi nhiệt độ, khả năng trao đổi nhiệt và tốc độ trao đổi nhiệt của dàn nóng tủ lạnh.

Tiêu đề	Ứng Dụng IoT Điều Khiển Và Giám Sát Nhiệt Độ Tủ Lạnh
Tác giả	Nguyễn Cát Tường, Tô Tấn Phát
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
Thể loại	Đồ Án Tốt Nghiệp
Năm xuất bản	2023
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	122
Dung lượng	8,84 MB