Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo đồng hồ nước thông minh

Bàibáonày đềcập đến việc nghiên cứu, thiếtkếvà chế tạo mộtchiếc đồnghồ nước thông minhđểgiám sát lưu lượngnướctiêu thụ hàng tháng.Để thực hiệnđề tài này,chúng tôiđã sửdụngphương pháp khả

Trang 1

Hội nghị Khoa học trẻ ỉần 5 năm 2023(YSC2023)-ỈUH

YSC5.F126

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ĐÒNG HÒ NƯỚC THÔNG MINH

TRẦNQUÝ HỮU1*, LẠI THANH THÁI1

} Khoa Công nghệ Điện tử, Trường Đại học Công nghiệp Thành phổ Hồ Chỉ Minh

* tranquyhuu@iuh.edu.vn

T óm tăt Bàibáonày đềcập đến việc nghiên cứu, thiếtkếvà chế tạo mộtchiếc đồnghồ nước thông minh

đểgiám sát lưu lượngnướctiêu thụ hàng tháng.Để thực hiệnđề tài này,chúng tôiđã sửdụngphương pháp khảo sát bằngbảng câu hỏi đểxác định nhu cầu của thị hường, hiểu rõcác tínhnăng cầncó củamột chiếc đồng hồ nước thông minh Tiếptheo, chúng tôi sửdụngphươngpháp mô hìnhhóa để kiểm thử và cảitiến

mô hìnhthiết kế Với mô hình thiết kếđã được hoàn thiện, chúngtôi tiến hànhchếtạo một mẫu thiết bị giám sát nước thông minh Tiếp theo, chúng tôi sửdụng phươngpháp lập trình nhúng để kếtnối, điềukhiển các thiết bịvớiInternet Thiếtbị được giámsát và điều khiển thông qua Wep/App sửdụng hên máyvi tính

vàcácthiết bị diđộng cầm tay Cuối cùng,sau khichiếc đồng hồ nước thông minh đã được chếtạovà hoàn thiện, chúng tôi tiến hànhphântích, đánh giárútkinh nghiệm Những kết quả thu được từ nhữngphântích này giúp chúng tôiđiềuchỉnh,cải thiệnhiệu quả nghiên cứu Sản phẩm hoạt động ổn địnhvà có tính ứng dụng cao

Từ khóa Đồng hồ nước thông minh, nước, lậphình nhúng

RESEARCH, DESIGN, AND MANUFACTURE OF SMART WATER METER

Abstract This paper deals withthe research, design, andmanufactureofa smart water meter to monitor monthly water consumption To carry out this topic, we used die survey method by questionnaire to determine die needs ofdie market, understandthe necessary features of a smart water meter Next, weuse diemodeling approachto test andimprovedie design model With thedesign model completed, we proceed

tomanufacture a smart water monitoringdevice Next, we use embedded programming methods to connect and control devices todie Internet The device is monitoredand controlled via Wep/App used on computers and handheld mobile devices Finally,after the smart water meterhas been built and completed, we conduct analysis and evaluation Theresults obtained from these analyzes help USto adjust andimprovedie research efficiency The product works stably and has high applicability

Keywords Smart water meter, water, embedded programming

1 GIỚI THIỆU

Xuấtphát từ tình hình thực tế hiệnnay,việc đọcgiá trị khối lượng nước tiêuthụ củacáchộ dânsử dụng nguồn nước máytheo từng tháng, chủ yếulà làmthủ công (nhân viênthu tiền nướcđến từngnhàhộ dân ghisố liệu hoặc nhờcác hộdân đọcvà gửi qua tin nhắn, zalo, ).Vì vậy, cầnthiết phảicó mộtthiếtbị để

đo lưu lượng nước sử dụng, tínhcước phítựđộng, cậpnhậtcácsốliệu trên các ứng dụng giámsát, giúp thuận tiệncho việc sử dụng, thanh toán tiền nước Bàibáo này hình bày việc nghiên cứu,thiết kế và thi công đồng hồnước thông minh sử dụng các cảm biến, vi xửlý, xâydựng các ứngdụng android dành cho người dùng và đơn vị quản lýtheodõi nhiều người dùng có đăngký Mục tiêu củađềtài là giúp cáchộgia đình có thể dễ dàng thống kê, giám sátlượng nướctiêuthụ hàng ngày,hàng tháng,hàng năm để từ đó có thể kiểm soátvà đưa ra các phương án sử dụngmột cách hiệu quảvà tiết kiệm nhất.Hỗ trợ cho các đơn vị quản lý cungcấpnước có thể quản lý người dùngmột cách hiệuquả, tiết kiệm tốiđachi phí và công sức

Trang 2

HỘI nghị Khoa học ìrè ỉần 5 năm 2023(YSC2023)-ỈUH

2 cơ sở LÝ THUYẾT

2.1 Module tìiu phát wifi ESP8266-12E Ai - Thinker

ESP8266-12E là một chip tích họp cao, hỗ trợ kết noi mạng wifi được thiết kế phù họp cho nhu cầu của các ứng dụng loT

Thông so kỹ thuật [ 1 ]

• Điện áp hoạt động: 3.0 ~ 3.6VDC

• Dòng điện hoạt động: trung bình ~80mA

• Giao tiếp: UAR.T/ADC/GPIO/PWM

SPI Flash: 32Mbit

Chân I/O: 9

• Cổng nối tiếp: 300 ~ 4608000 bps

• Wifi protocols: 802.11 b/g/n

Dải tan số: 2.4GHz - 2.5GHz (2400M - 2483.5M)

• Nhiệt độ làm việc: -20 ~ 85 độ c

Hình 1 Module thu phát wi fi ESP8 2 ổ ó -12E AI - Thinker

2.2 Module cảm biến hiu luông nước YF-S201C DN15

Cảm biến hoạt động dựa trên cánh quạt nước và cảm bien Hall bên trong, khi chảy qua van, nước làm quay roto Bang cách này, chúng ta có the quan sát sự thay đoi toe độ của động cơ Sự thay đoi này được tính là đầu ra dưới dạng tín hiệu xung bỏi cảm biến hiệu ứng Hall từ đó chúng ta có the đo toe độ dòng chảy Chức năng 3 dây ngổ ra: [2]

• Màu đỏ: nguồn: 3 - 24V

• Dây đen: GND

• Dây vàng: tín hiệu

Thông số kỹ thuật: [2]

• Điện áp làm việc: 3 - 24V

• Dòng tiêu thụ: < 15mA

• Áp lực lưu lượng toi đa: 1.75Mpa

• Lưu lượng đo: 1 - 30 (L/min)

• Sai số: +3%

Trang 3

Hội nghị Khoa học trẻ ỉần 5 năm 2023(YSC2Q23)-ỈUH

Hình 2 Cảm biến lưu lượng nước YF-S201 DN15

Công thức tính lưu lượng nước: [2]

Trong đó:

• F: Tầnsố (Hz)

• Q: Lưulượng(L/min)

• c: Hệ sô được tínhtoán và lựa chọntheo thực nghiệm

2.3 Giới thiệu phần mềm

Chức năngchínhcủa úng dụng làgiám sátlưu lượng nước tiêuthụ từ xa thông qua cảm biên đolưu lượng nước Ngoàira úng dụng còn có cácchứcnăngkhác như quản lí thôngtin cá nhân củangười dùng,tính cước phí tự động Hệ thông bao gômứng dụng: dành cho người dùng và đon vị quản lý theo dõi nhiêu người dùng có đăng ký Phânmêm chạy trên hệ điêu hành Android và được lập trìnhbăng ngôn ngữ Java

2.4 Giới thiệu về Android Studio

Đe lập trình ứng dụng chạy trên nên tảngAndroidcânphải thông qua trình biên dịch Android Studio

android

studio

Hình 3 Android Studio IDE Android Studiolà phân mêm hỗ trợlập trình cácứng dụng chạy trên nê tảng Android như: smartphone, smartwatch, smart TV, AndroidStudiohỗtrợcác công cụ viêt code, debugger, trongđócó trình giả lập các thiêtbị Android cho phép các lập trình viên cóthe phát triển ứng dụng từ đon giản đên phức tạp một cách nhanhchóng

2.5 Giói thiệu vể Firebase

Fừebase làdịchvụcơ sở dữ liệu hoạt độngtrênnêntảngđám mây (Cloud) Kèm theođólà hệ thôngmáy chủ cực kỳ mạnh mẽcủaGoogle Chức năng chínhlà giúp người dùng lập trình úng dụngbăng cách đơn giản hóa cácthaotác với cơsởdữ liệu.Đặcbiệt, còn làdịchvụđa năng và bảo mật cực tôt Firebase hỗ trợ các nên tảng như: Android, IOS và Web

Trang 4

Hội nghị Khoa học trẻ ỉẩn 5 năm 2023(YSC2023)-ỈUH

CLOUD FUNCTIONS FOR FIREBASE

Hình 4 Các dịch vụ hỗ trợ của firebase Realtime Database: là mộtcloud hosted database hỗtrợ đa nên tảng: Android, IOSvà Web.Tất cảdữliệu

sẽ đuợc luutrữbằngđịnh dạng JSON du liệu sẽ đuợc cập nhật liên tục thời gian thục [3]

brilliant-íìre-3159

- - users I Ẽ?- users ẹ- b797bdd4-a193-4029-9e72-a112153686c1

I R- -KI2GLhvlWk0jUgx_8_Y

fieldName: "messageField"

ị L text: "this is my first message"

-KI2GliD5al5axiWmP5G

Ị ị fieldMame: "meesageField"

II I—text: "this is my second message" l KI2H0sKk5A6Ny1plBly

I fieldName: "messageField"

Ị text: “this is my third message"

ạ -KI2H2ro0LBJo-0zdQo3 Ò -KI2q6KfcQFR-Dd577-v n- bfb79e3c-7f3c-49d6-bea7-3f940ecfcfe0

Hình 5 Dữ liệu của Firebase Realtime Database

3 THIỂT KE HỆ THỐNG

3.1 Giói thiệu

Phâncứng sễthu thập dữ liệu từcảmbiễnluu luợng nước và gửi dữ liệunày lên FirebaseRealtimeDatabase Mỗi đonvị quản lỷ khi sử dụnghệ thếng sẽ đuợc cấp một ID riêng, cácđơn vị quản lý sẽtiến hành cấp phát phần cứng,tạo tàikhoản và cấp ID cho nguời dùng thuộcđơnvị quảnlýcủa mình, ID đơnvị quảnlí câp cho nguời dùngcũng chính là ID của phân cúng Đơn vị quảnlỷsẽ quản lỷ đuợc tât cảthông tincủa nguời dùng thôngqua ứng dụngquản lý và có quyền chophép hoặc không cho phép nguời dùng sử dụng dịch vụ giám sát khi vi phạmcác điều kiện sử dụngcủa đơn vị quản lí đặt ra ứng dụng dành chođơn vị quản lí sẽtụ động tính tiền dụa trên tổng luu luợng nuớc mànguờidùng sử dụngtrongmỗi tháng Mỗi nguời dùng cũng sẽ đuợc cấpmộtID và mật khẩu riêng(được đơn vị quảnlỷcung cấp) đềđãngnhập vào úngdụngdànhcho người dùng, người dùng cóthề thông qua ứng dụng giám sáttừ xa thông tinlưulượng nướcđã sửdụng theo tháng hoặcngày, đồng thời xem được mức phí tiêu thụ dựatrên lưu lượng nước

Trang 5

Hội nghị Khoa học trẻ lần 5 nám 2023(YSC2023)-ỈUH

3.2 Sơ đồ khối của hệ thong

Hình 6 Sơ đồ khối của hệ thống Khối xử lý trung tâm: ESP8266-12E

Khối nguồn:

- Nguồn chính: Adapter 5V-2 Acấpnguồn cho phần cứng đồng thờisạc cho nguồnphụ

- Nguồnphụ: Pin 18650 (4.2V) thông qua module tăng áplên 5V cung cấp cho phần cứng khimất điện

Cảm biến: YF-S201CDN15 dùng để đọclưu lượng nước

FheBase: Serverlưu trtt dữliệu

3.3 Lưu đồ giải thuật phần cứng

Hình 7 Lưu đồ giải thuật phần cúng

Trang 6

Hội nghị Khoa học trẻ lần 5 năm 2023(YSC2023)-IUH

3.4 Thiết kế phẩn cứng

3.4.1 Sơ đồ nguyên lý phần cứng

Hình 8 Sơ đồ nguyên lý phần cứng

3.4.2 Thiết kế mạch

a) Hình 9 a) Mặt trước mạch mô phỏng 3D b) Mặt sau mạch mô phỏng 3D 3.4.3 Mạch thực tế

Hình 10 a) Mặt trước mạch thưc tế b) Mặt sau mạch thưc tế

Trang 7

Hình 11 Phần cúng thực tế

3.5 Thiết kế ứng dụng

3.5.1 Tổng quan ứng dụng

Hình 12 Tổng quan giao diện ứng dụng Chức năng chính của ứng dụng làgiám sát lưu lượng nước tiêuthụtheo ngày, tháng vàtính toán tiền tiêu thụ theo lưu lượng nước Đồng thờiứngdụng có thể quảnlí được danh sách cácngười đùng trong hệ thống

3.5.2 Các chức năng của úng dụng

3.5.2.1 Chúc năng danh cho don vị quản lí

Myuyên Vãn - 05/10/1*48

ùôVếp-Hcrỉ

Ti^n* ttórMỐI tu

Cao Quốc Thuấn - 23/08/2000

Cai Lệy - Tiên úĩi&ng

Mạuyền Văn A - 21/11/1w HÚM

Trạng ttói; Cỉura kết nỗ<

Hình 13 Chức năng giám sát danh sách người dùng Khi sử dụng chế độ dành cho đơn vị quảnlí, đơn vị quảnlí có thể giám sát được danh sách các người dùng tronghệ thống, các thông số về chỉsốnước, các thôngtin đi kèm theo với từng ngườidùng cũng như trạng thái hoạt động của từng thiết bị

Trang 8

Hội nghị Khoa học trẻ lần 5 năm 2023(YSC2023)-IUH

Các trạng thái hoạtđộng của thiếtbị:

- Bìnhthường: Thiết bịđang kết nối và hoạt động bìnhthường

- Mất kết nối: Thiếtbị đang bị mất kếtnối, có thểdo mất kếtnối wifi hoặc một ngoạilệ khác làm cho thiết bị mất hoạtđộng

- Chưakếtnối: Đã có tài khoảnđược người quảnlítạolưu trữ trên server nhung thiết bị phần cứng chua đượcthiết lập rà kết nối rào hệ thống lưu trữ đám mây

Hình 14 Các chức năng khác Chế độcho đơn vị quản lísẽ có thêm cáctính năng khácnhư: Thay đỗi tiền nước(Tiền/Lit), thêm người dùng, xóangười dùng

* » *?r.o

CaoQuốc Tkuan

Cai Lậy - T'Tn Cbing Trqnp ♦k£i:

Cao Quốc Tkuốn

Cai Lậy - T>*Fn ứiant>

Trqnft tkAi; tlurtfnfr

TÍền nước tạm tính thẨn£ này

ĩươnỳ đưtínỹ 1%L

Tiền nưỷc tạm tỉnh thốnộ nầy 142^2 VMĐ

Jưo'ng đưánộ 7V» L

ứng dụng có thể giám sát lưulượng nước đã được tiêu thụ theo tháng hoặc theo năm, đồng thời tính được

sốtiền dựa trênlượng nước đã tiêuthụ

Trang 9

Thông tin cá nhân

Gao Quốú Thuấn

ID: 123 Mgày sink: 23/08/2000 úriới tính; Mam

Sô điệnthoại: 0%2445507 Địa chỉ: Cai Lậy - Tiền Giang Hình lố Chức năng giám sát thông tin người dùng ứng dụng có thể giám sát được các thông tin cácnhân CO' bản cửa người dùng vả ID của thiết bị đi kèm

3 Ỗ.2.2 Chức năng dành cho người dùng

Chế độ dành cho người dùng cũng có những chức năng cơ bản như giámsátlưulượngnước, tiền dựatrên lưu lượngnướcđã tiêu thụ, giám sátcác thông tin các nhân cơ bảncũng như trạng thái hoạt động của thiết bị

4.1 Thực nghiệm

Hình 17 Lắp đặt phần cứng vào thực tế

Trang 10

Hội nghị Khoa học trẻ lẩn 5 năm 2023(YSC2023)-ỈUH

— Data

ID: 1221: "hull"

ID:123

4: o 5: o 9: o

- 11: 0 12: 39

- 13: 239 14: 206

- 16: 144

- 17: 82

Hình 18 Dũ liệu lưu lưọng nước

23:05

T-Cao Quốc Thuấn

Gái Lậy - Tien ờian&

Trạn$ thái: í>ình thu'o'ngji

U242 VNĐ

Tưc/ng đươnỹ 7^4 L

ygHi

< 5-2022 >

Hình 19 Hiển thị lưu lượng nước trên ứng dụng

Trang 11

► AđtHin

► Data

- User

•r ID:123

Address: ‘Cai Lộy Tíồn Giang’

DateOfBirtb *23/08/2000"

Gender: "Nam"

Inage: ’https://fìrcbascstorage.ọoogleapis.com/vO/&/kltncScT3.appspot.com/o/iD%3Al23?alt=mcơia&tokcn=52ca001t c8ca 4373 bOda 5bt»c6l26b76' Na;ae: “Cao Quôc Thuấn"

NumberPnone: "096244507"

Password: "1234"

StatusOcvice: "2022-5-21-15:22:21“

Hình 20 Dữ liệu người dùng

ID1123 Mgày sink: 23/08/2000

ồiới tínk: (Jam

Số điện thoại: 0%2445507 Die chỉ: Cũi Lậy - Tiên óĩianặ

Hình 21 Hiển thị dữ liệu người dùng trên ứng dụng

• >; Data

Hình 22 Danh sách các ID được luu trữ

Trang 12

Hội nghị Khoa học trẻ lẩn 5 năm 2023(YSC2023)-ỈUH

Cai Lậy - Tiên 6iang Trạngi thối: l>ìnlì thưò’119

Mcjuyễn Văn A - 2-1/11/19^7 HÓM

Trạnộ thái: chưa lcểt nối

Hình 23 Danh sách người dùng được hiển thị trên ứng dụng 4.1 Đành già kết quả

Kết quả đo sau 13 ngày chạy thử nghiệm:

12: 39 13:239 14: 206 15: 91 16: 144 17: 82 18: 141 19: 73 20: 64 21: 69 22: 127 23: 127 24: 132 25: 70 Hình 24 Dữ liệu phân cúng thu thập được

Trang 13

Cũi Lây - Tiên Criíinạ Trạng thái: l>ình +liu'ồ'ng

Tiên nước tạm tínk tháng này

28872 VUĐ

Tu'o’ng đưiínặ 1604 L

< 5-2022 >

Hình 25 Dữ liệu được hiển thị trên úng dụng

Hình 26 Dữ liệu nước đo được từ thực tế

Dữ liệuthực tế đo được từđồnghồđo nước trong vòng 13 ngày:

- Ngày 12/05 dữ liệu đồng hồ nước là: 1901

- Ngày 25/05 dũ? liêu đồng hồ nước là: 1918

Như vậy trong vòng 13 ngày đồng hồ nước đo được lưọngnước sử dụng khoảng 1700L nướctương đương l,7m(

ứngdụng đo được lưulượng nước tiêu thụ trong 13 ngày là 1604L nước tương đương 1,6 m3

Vậy độ chính xác của thiếtbịlà: 7I77 X 100 « 94.12%

4.2 Cải thiện và nâng cấp

- Đã thaythếvi điều kiển ESP8266 bằng ESP32 nhằm:

■ Cải thiện tính ổn định và nâng cao tốc độ xử lý dữ liệu

■ Tăngkhả năng kếtnối mạng đángkể

■ Cải thiện được 70% hiệu suất

Trang 14

Hội nghị Khoa học trẻ lần 5 nâm 2023(YSC2023)-ỈUH

■ Giúp tiết kiệm hơn 50% điện năng tiêu thụ

Hình 27 Vi điều kiển ESP32

- Đẫthayđổi ngoại hìnhcủa sản phẩmnhỏ gọnhơn, tiêu thụ điện năng ít hơn, dễ dàng lắp đăt, bảo tri hay sữa chữa:

Hình 28 Đồng hồ nước thông minh sau khi được cải tiến

Hình 29 Đồng hồ nước thông minh cải tiến hoạt động

- Nâng cấp giaodiện web,app nhằm tối giản và thân thiệnvới người dùng hon, đồng thời bỗ sung 1 số tính năngmới nhưkhóa/mở nước từ xa

Trang 15

ỉ Overall mass watef V Total convuin|itk>n Ibil tnuolh s Into mocey

212.05m3 190991.80000000005

VXD 12.05 m3

View al! date Delete date

■Q Smart Water Meter A Horn aĐííttxírt SSawfci XIW

CHART SYSTEM

fM twuift wtfbiwa

CrtrtJ Htnmr ripjfuiiin: w

2.2647 M3 3.6013 80,000 vnd

Hình 30 Web được update và cập nhật dữ liệu liên tục

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Datasheet ESP8266-12E, https://components101 com/sites/default/files/2021 -09/ESP12E-Datasheet.pdf [2] Datasheet YF-S201C DN15,

https ://www danomsk.ru/upload/iblock/43d/193917_3b664efb7b3 7f7ae8 ealeea40978a26 5.pdf

[3] Firebase Realtime Database, <https://firebase.google.com/docs/database>

Tiêu đề	Nghiên Cứu, Thiết Kế Và Chế Tạo Đồng Hồ Nước Thông Minh
Tác giả	Trần Quý Hữu, Lại Thanh Thái
Trường học	Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công nghệ Điện tử
Thể loại	bài báo
Năm xuất bản	2023
Thành phố	Thành phố Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	15
Dung lượng	1,24 MB