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
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 TRẦN QUÝ 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 Bài báo này đề cập đến việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một chiếc đồng hồ nước thông minh để giám sát lưu lượng nước tiêu thụ hàng tháng Để thực hiện đề tài này, chúng tôi đã sử dụng phương pháp khảo sát bằng bảng câu hỏi để xác định nhu cầu của thị hường, hiểu rõ các tính năng cần có của một chiếc đồng hồ nước thông minh Tiếp theo, chúng tôi sử dụng phương pháp mô hình hóa để kiểm thử và cải tiến mô hình thiết kế Với mô hình thiết kế đã được hoàn thiện, chúng tôi tiến hành chế tạo một mẫu thiết bị giám sát nước thông minh Tiếp theo, chúng tôi sử dụng phương pháp lập trình nhúng để kết nối, điều khiển các thiết bị với Internet Thiết bị được giám sát và điều khiển thông qua Wep/App sử dụng hên máy vi tính và các thiết bị di động cầm tay Cuối cùng, sau khi chiếc đồng hồ nước thông minh đã được chế tạo và hoàn thiện, chúng tôi tiến hành phân tích, đánh giá rút kinh nghiệm Những kết quả thu được từ những phân tích này giúp chúng tôi điều chỉnh, cải thiện hiệu quả nghiên cứu Sản phẩm hoạt động ổn định và có tính ứng dụng cao Từ khóa Đồng hồ nước thông minh, nước, lập hình nhúng RESEARCH, DESIGN, AND MANUFACTURE OF SMART WATER METER Abstract This paper deals with the research, design, and manufacture of a smart water meter to monitor monthly water consumption To carry out this topic, we used die survey method by questionnaire to determine die needs of die market, understand the necessary features of a smart water meter Next, we use die modeling approach to test and improve die design model With the design model completed, we proceed to manufacture a smart water monitoring device Next, we use embedded programming methods to connect and control devices to die Internet The device is monitored and controlled via Wep/App used on computers and handheld mobile devices Finally, after the smart water meter has been built and completed, we conduct analysis and evaluation The results obtained from these analyzes help US to adjust and improve die research efficiency The product works stably and has high applicability Keywords Smart water meter, water, embedded programming 1 GIỚI THIỆU Xuất phát từ tình hình thực tế hiện nay, việc đọc giá trị khối lượng nước tiêu thụ của các hộ dân sử dụng nguồn nước máy theo từng tháng, chủ yếu là làm thủ công (nhân viên thu tiền nước đến từng nhà hộ dân ghi số liệu hoặc nhờ các hộ dân đọc và gửi qua tin nhắn, zalo, ) Vì vậy, cần thiết phải có một thiết bị để đo lưu lượng nước sử dụng, tính cước phí tự động, cập nhật các số liệu trên các ứng dụng giám sát, giúp thuận tiện cho việc sử dụng, thanh toán tiền nước Bài báo này hình bày việc nghiên cứu, thiết kế và thi công đồng hồ nước thông minh sử dụng các cảm biến, vi xử lý, xây dựng các ứng dụng android dành cho người dùng và đơn vị quản lý theo dõi nhiều người dùng có đăng ký Mục tiêu của đề tài là giúp các hộ gia đình có thể dễ dàng thống kê, giám sát lượng nước tiêu thụ hàng ngày, hàng tháng, hàng năm để từ đó có thể kiểm soát và đưa ra các phương án sử dụng một cách hiệu quả và tiết kiệm nhất Hỗ trợ cho các đơn vị quản lý cung cấp nước có thể quản lý người dùng một cách hiệu quả, tiết kiệm tối đa chi phí và công sức 274 © 2023 Trường Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh 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% © 2023 Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ chí Minh 275 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] Q = F/c (1) Trong đó: • F: Tần số (Hz) • Q: Lưu lượng (L/min) • c: Hệ sô được tính toán và lựa chọn theo thực nghiệm 2.3 Giới thiệu phần mềm Chức năng chính của úng dụng là giám sát lưu lượng nước tiêu thụ từ xa thông qua cảm biên đo lưu lượng nước Ngoài ra úng dụng còn có các chức năng khác như quản lí thông tin cá nhân của người dùng, tính cước phí tự động Hệ thông bao gôm ứng dụng: dành cho người dùng và đon vị quản lý theo dõi nhiêu người dùng có đăng ký Phân mêm chạy trên hệ điêu hành Android và được lập trình băng ngôn ngữ Java 2.4 Giới thiệu về Android Studio Đe lập trình ứng dụng chạy trên nên tảng Android cân phải thông qua trình biên dịch Android Studio android studio Hình 3 Android Studio IDE Android Studio là phân mêm hỗ trợ lập trình các ứng dụng chạy trên nê tảng Android như: smartphone, smartwatch, smart TV, Android Studio hỗ trợ các công cụ viêt code, debugger, trong đó có trình giả lập các thiêt bị Android cho phép các lập trình viên có the phát triển ứng dụng từ đon giản đên phức tạp một cách nhanh chóng 2.5 Giói thiệu vể Firebase Fừebase là dịch vụ cơ sở dữ liệu hoạt động trên nên tảng đám mây (Cloud) Kèm theo đó là hệ thông máy chủ cực kỳ mạnh mẽ của Google Chức năng chính là giúp người dùng lập trình úng dụng băng cách đơn giản hóa các thao tác với cơ sở dữ liệu Đặc biệt, còn là dịch vụ đa năng và bảo mật cực tôt Firebase hỗ trợ các nên tảng như: Android, IOS và Web 276 © 2023 Trường Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh 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 một cloud hosted database hỗ trợ đa nên tảng: Android, IOS và Web Tất cả dữ liệu sẽ đuợc luu trữ bằng định 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 Phân cứng sễ thu thập dữ liệu từ cảmbiễn luu luợng nước và gửi dữ liệu này lên Firebase Realtime Database Mỗi đon vị quản lỷ khi sử dụng hệ thếng sẽ đuợc cấp một ID riêng, các đơn vị quản lý sẽ tiến hành cấp phát phần cứng, tạo tài khoản và cấp ID cho nguời dùng thuộc đơn vị quản lý của mình, ID đơn vị quản lí câp cho nguời dùng cũng chính là ID của phân cúng Đơn vị quản lỷ sẽ quản lỷ đuợc tât cả thông tin của nguời dùng thông qua ứng dụng quản lý và có quyền cho phép hoặc không cho phép nguời dùng sử dụng dịch vụ giám sát khi vi phạm các điều kiện sử dụng của đơn vị quản lí đặt ra ứng dụng dành cho đơn vị quản lí sẽ tụ động tính tiền dụa trên tổng luu luợng nuớc mà nguời dùng sử dụng trong mỗi tháng Mỗi nguời dùng cũng sẽ đuợc cấp một ID và mật khẩu riêng (được đơn vị quản lỷ cung cấp) đề đãng nhập vào úng dụng dành cho người dùng, người dùng có thề thông qua ứng dụng giám sát từ xa thông tin lưu lượng nước đã sử dụng theo tháng hoặc ngày, đồng thời xem được mức phí tiêu thụ dựa trên lưu lượng nước © 2023 Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh 277 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-2A cấp nguồn cho phần cứng đồng thời sạc cho nguồn phụ - Nguồn phụ: Pin 18650 (4.2V) thông qua module tăng áp lên 5V cung cấp cho phần cứng khi mất điện Cảm biến: YF-S201C DN15 dùng để đọc lưu lượng nước FheBase: Server lưu trtt dữ liệu 3.3 Lưu đồ giải thuật phần cứng Hình 7 Lưu đồ giải thuật phần cúng 278 © 2023 Trường Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh 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 a) b) Hình 10 a) Mặt trước mạch thưc tế b) Mặt sau mạch thưc tế © 2023 Trưòng Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh 279 Hội nghị Khoa học trẻ lần 5 nám 2023(YSC2023)-ỈUH 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 là giám sát lưu lượng nước tiêu thụ theo ngày, tháng và tính toán tiền tiêu thụ theo lưu lượng nước Đồng thời ứng dụng có thể quản lí được danh sách các người 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 Dank sack ngưài dùng : Myuyên Vãn - 05/10/1*48 tu ùôVếp-Hcrỉ Ti^n* ttórMỐI 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 quản lí, đơn vị quản lí có thể giám sát được danh sách các người dùng trong hệ thống, các thông số về chỉ số nước, các thông tin đi kèm theo với từng người dùng cũng như trạng thái hoạt động của từng thiết bị 280 © 2023 Trường Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh Hội nghị Khoa học trẻ lần 5 năm 2023(YSC2023)-IUH Các trạng thái hoạt động của thiết bị: - Bình thường: Thiết bị đang kết nối và hoạt động bình thường - Mất kết nối: Thiết bị đang bị mất kết nối, có thể do mất kết nối wifi hoặc một ngoại lệ khác làm cho thiết bị mất hoạt động - Chưa kết nối: Đã có tài khoản được người quản lí tạo lưu trữ trên server nhung thiết bị phần cứng chua được thiết lập rà kết nối rào hệ thống lưu trữ đám mây Hình 14 Các chức năng khác Chế độ cho đơn vị quản lí sẽ có thêm các tính năng khác như: Thay đỗi tiền nước (Tiền/Lit), thêm người dùng, xóa người dùng * »*?r.o Cao Quốc Tkuan Cao Quốc Tkuốn Cai Lậy - T'Tn Cbing Cai Lậy - T>*Fn ứiant> Trqnp ♦k£i: Trqnft tkAi; tlurtfnfr Tiền nưỷc tạm tỉnh thốnộ nầy 142^2 VMĐ TÍền nước tạm tính thẨn£ này Jưo'ng đưánộ 7V» L ĩươnỳ đưtínỹ 1% L ứng dụng có thể giám sát lưu lượng nước đã được tiêu thụ theo tháng hoặc theo năm, đồng thời tính được số tiền dựa trên lượng nước đã tiêu thụ © 2023 Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh 281 Hội nghị Khoa học trẻ lần 5 nám 2023(YSC2023)-ỈUH •r 76% 0 12:04 Q Thông tin cá nhân Gao Quốú Thuấn ID: 123 Mgày sink: 23/08/2000 úriới tính; Mam Sô điện thoại: 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 các nhân 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 giám sát lưu lượng nước, tiền dựa trên lưu lượng nước đã tiêu thụ, giám sát các thông tin các nhân cơ bản cũng như trạng thái hoạt động của thiết bị 4 THựC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẲ 4.1 Thực nghiệm Hình 17 Lắp đặt phần cứng vào thực tế 282 © 2023 Trường Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh 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 - 15:91 - 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 Tien nưó’c tạm -tính Ỷhốna này U242 VNĐ Tưc/ng đươnỹ 7^4 L ygHi < 5-2022 > Hình 19 Hiển thị lưu lượng nước trên ứng dụng © 2023 Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh 283 Hội nghị Khoa học trẻ lần 5 nám 2023(YSC2023)-ỈUH ► AđtHin ► Data - User • 10:121 ► ID:1221 •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 Cao Quốc TlnuSh 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 >; Admin • >; Data ▼ User ► ID:121 ► ID:1221 ► ID: 123 Hình 22 Danh sách các ID được luu trữ 284 © 2023 Trường Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh Hội nghị Khoa học trẻ lẩn 5 năm 2023(YSC2023)-ỈUH 15:26 tí ill 61% ứ Cao Quốú I kiấn - 23/08/2000 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 © 2023 Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh 285 Hội nghị Khoa học trẻ lần 5 nám 2023(YSC2023)-ỈUH Cao O.UCC (kuSn 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 liệu thực tế đo được từ đồng hồ đo 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 lưọng nước sử dụng khoảng 1700L nước tương đương l,7m( ứng dụng đo được lưu lượng nước tiêu thụ trong 13 ngày là 1604L nước tương đương 1,6 m3 Vậy độ chính xác của thiết bị là: 7I77 X 100 « 94.12% 4.2 Cải thiện và nâng cấp - Đã thay thế vi điều kiển ESP8266 bằng ESP32 nhằm: ■ Cải thiện tính ổn định và nâng cao tốc độ xử lý dữ liệu ■ Tăng khả năng kết nối mạng đáng kể ■ Cải thiện được 70% hiệu suất 286 © 2023 Trường Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ■ Giúp tiết kiệm hơn 50% điện năng tiêu thụ Hội nghị Khoa học trẻ lần 5 nâm 2023(YSC2023)-ỈUH Hình 27 Vi điều kiển ESP32 - Đẫ thay đổi ngoại hình của sản phẩm nhỏ gọn hơn, 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 giao diện web, app nhằm tối giản và thân thiện với người dùng hon, đồng thời bỗ sung 1 số tính năng mới như khóa/mở nước từ xa © 2023 Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh 287 Hội nghị Khoa học trẻ lần 5 nám 2023(YSC2023)-ỈUH ỉ Overall mass watef V Total convuin|itk>n Ibil tnuolh s Into mocey 212.05m3 12.05 m3 190991.80000000005 VXD View al! date Delete date ■Q Smart Water Meter A Horn aĐííttxírt SSawfci XIW CHART SYSTEM CrtrtJ fM twuiftwtfbiwa Htnmr ripjfuiiin: w 3.6013 2.2647 M3 80,000 vnd Hình 30 Web được update và cập nhật dữ liệu liên tục TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Datasheet ESP8266-12E, https://components 101.com/sites/de fault/files/2021 -09/ESP12E-Datasheet.pdf [2] Datasheet YF-S201C DN15, https://www.danomsk.ru/upload/iblock/4 3d/193917_3b664efb7b37f7ae8ealeea40978a26 5.pdf [3] Firebase Realtime Database, 288 © 2023 Trường Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh