Đồ án tốt nghiệp thiết bị giám sát trạng thái máy móc không tiếp xúc, sử dụng công nghệ truyền thông bluetooth low energy và wi fi

Trang 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘIĐỒ ÁN TỐT NGHIỆPThiết bị giám sát trạng thái máy móc không tiếp xúc, sử dụng công nghệ truyền thông Bluetooth Low Energy và Wi-Fi LÊ ANH TÀI tai.la

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết bị giám sát trạng thái máy móc không tiếp xúc, sử dụng công nghệ truyền thông Bluetooth Low Energy và Wi-Fi LÊ ANH TÀI tai.la174182@sis.hust.edu.vn Ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Chuyên ngành Kĩ thuật đo và tin học công nghiệp Giảng viên hướng dẫn: TS Lê Minh Thùy Chữ ký của GVHD Bộ môn: Kĩ thuật đo và tin học công nghiệp Viện: Điện HÀ NỘI, 8/2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Độc lập - Tự do - Hạnh phúc - *** NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP Họ và tên: Lê Anh Tài Mã số sinh viên: 20174182 Khóa: 62 Viện: Điện Ngành: Kỹ thuật đo và tin học công nghiệp 1 Đầu đề thiết kế/Tên đề tài Thiết bị giám sát trạng thái máy móc không tiếp xúc, sử dụng công nghệ truyền thông Bluetooth Low Energy và Wi-Fi 2 Các số liệu ban đầu Thiết kế một thiết bị giám sát trạng thái các máy móc y tế sử dụng trong bệnh viện, sử dụng truyền thông không dây truyền thông tin lên để người quản lý theo dõi Yêu cầu thiết bị không được phép can thiệp vào các thông số của máy khi làm việc, cũng như người sử dụng không cần tiếp xúc với thiết bị để thu thập số liệu hay theo dõi giám sát máy móc Thiết bị được thiết kế như một nút sử dụng trong một mạng lưới, thu thập dữ liệu và truyền thông qua internet, hay đưa dữ liệu vào thiết bị thông minh của người dùng thông qua Bluetooth 3 Các nội dung tính toán, thiết kế  Thiết kế mạch Mainboard bao gồm mạch nguồn, mạch giám sát, đo thông số điện, mạch điều khiển đóng ngắt thiết bị  Thiết kế module truyền thông không dây, bao gồm module Bluetooth Low Energy và module Wi-Fi  Phân tích ảnh hưởng của tín hiệu tần số cao tới thiết kế module truyền thông Bluetooth 4 Cán bộ hướng dẫn: TS Lê Minh Thùy 5 Ngày giao nhiệm vụ thiết kế: 01/02/2022 6 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 05/08/2022 Ngày tháng … năm 2022 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) Lời cảm ơn Trong quá trình thực hiện đồ án, em đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, chia sẻ của gia đình, thầy cô, anh chị em, bạn bè Đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình đã nuôi dưỡng, luôn ở bên động viên, chia sẻ, hỗ trợ em trong suốt quá trình học tập cũng như quá trình thực hiện đồ án Tiếp theo em xin chân thành cảm ơn cô Lê Minh Thùy, người trực tiếp hướng dẫn em trong đề tài này Cảm ơn cô đã định hướng, chỉ dẫn, tận tình chỉ bảo và hỗ trợ em không chỉ trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp, mà còn là trong cả quá trình em học tập và nghiên cứu tại Lab RF3i Bên cạnh đó, em xin cảm ơn các thầy cô tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã truyền thụ kiến thức cho em Em xin cảm ơn thầy Đào Đức Thịnh đã tận tình giúp đỡ em trong quá trình làm mạch nguồn cho đề tài này Cuối cùng, em xin cảm ơn tất cả các anh chị em, bạn bè đã động viên chỉa sẻ, đặc biệt là các thành viên trong Lab RF3i đã nhiệt tình hỗ trợ, giúp đỡ trong quá trình em thực hiện đồ án tốt nghiệp Tóm tắt nội dung đồ án Các máy móc y tế sử dụng trong bệnh viện thường là cao cấp, đắt tiền và cần độ chính xác cao Số lượng máy móc y tế của các cơ sở thường là có hạn, có thể phải thuê của các công ty cho thuê thiết bị y tế Do đó, việc người quản lý máy móc cần nắm được máy móc có đang hoạt động hay không, hoạt động như thế nào, tần suất hoạt động của máy móc ra sao để phân bổ hoạt động thiết bị là rất cần thiết Bên cạnh đó, để đảm bảo máy móc hoạt động chính xác, tránh hỏng hóc gây ra sai số, thì người quản lý cần theo dõi tổng thời gian hoạt động của máy nhằm bảo trì, bảo dưỡng kịp thời, tránh sửa chữa tốn nhiều thời gian và tiền bạc Các công ty cho thuê thiết bị y tế cũng cần nắm được trạng thái hoạt động của các thiết bị để có thể phân bổ số lượng hợp lý, tối ưu tài nguyên hay đưa các máy móc của mình về bảo trì bảo dưỡng đúng chu kỳ dựa trên tổng thời gian hoạt động của các thiết bị từ khi cho thuê Thông tin để quản lý việc đưa vào sử dụng hay đưa ra bảo trì máy móc được xác định dựa trên thông tin trạng thái hoạt động hay không hoạt động của thiết bị máy móc đang được giám sát Để giải quyết bài toán này cần phải thiết kế các mạch giám sát trạng thái máy móc thiết bị trong nhà xưởng hoặc bệnh viện có chức năng truyền thông tin lên khối giám sát trung tâm bằng công nghệ không dây Bluetooth Low Energy (BLE) hoặc Wi-Fi Các thiết bị này có chức năng chính là giám sát được trạng thái máy mà không can thiệp vào máy, sau đó cập nhật thông tin này lên internet Trạng thái máy được định nghĩa thông qua các chế độ hoạt động: không hoạt động, đang hoạt động (ở các chế độ hoạt động khác nhau), bằng cách đo dòng điện tiêu thụ hoặc hệ số công suất của máy Ngoài ra, thiết bị này cũng có thể thực hiện việc điều khiển bật tắt thiết bị từ xa như các ổ cắm thông minh trên thị trường nếu có yêu cầu Điểm mới trong khi thiết kế thiết bị này là việc thiết kế khối truyền tin không dây BLE và Wi-Fi có tích hợp ăng-ten trên mạch và đóng vỏ nhỏ gọn, có khả năng truyền thông tin lên server thông qua kiến trúc mạng cảm biến không dây phù hợp Nội dung của đề tài tập trung vào thiết kế thiết bị giám sát trạng thái máy móc bằng cách đo các thông số điện, phần module truyền thông và phần nguồn cung cấp cho các khối trên Thứ nhất, đối với mạch thu thập thông số điện, yêu cầu đặt ra đầu tiên là không làm ảnh hưởng đến các thông số hoạt động của máy móc, thu thập thông số dòng điện hay hệ số công suất, từ đó giám sát theo dõi tình trạng hoạt động của máy Thứ hai, đối với phần truyền thông, yêu cầu tín hiệu được truyền với độ ổn định cao, dễ theo dõi Vì vậy, thiết bị được thiết kế để sử dụng hai công nghệ truyền thông là BLE và Wi-Fi nhằm đáp ứng yêu cầu trên Khối truyền thông thiết kế có tích hợp ăng-ten trên mạch và đóng vỏ nhỏ gọn Các thông số trạng thái máy có thể được theo dõi qua giao diện quản lý trên web hoặc app Thứ ba, đối với phần nguồn cung cấp cho thiết bị yêu cầu độ chính xác cao để cấp nguồn cho các IC, cần độ ổn định và an toàn Cuối cùng là thiết bị yêu cầu đóng vỏ gọn nhẹ, dễ dàng triển khai sử dụng Kết quả đã đạt được của đề tài là em đã thiết kế và chế tạo được: mạch nguồn có độ ổn định và an toàn, mạch đo không tác động vào các thông số của máy móc, module truyền thông BLE có kích thước 17mm × 31mm, toàn bộ gói gọn dưới dạng một ổ cắm có kích thước 75mm × 115mm Sinh viên thực hiện Ký và ghi rõ họ tên MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ i DANH MỤC BẢNG BIỂU iv CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ GIẢI PHÁP 1 1.1 Đặt vấn đề 1 1.2 Tìm hiểu về một số thiết bị y tế và phương pháp xác định trạng thái 1 1.3 Giải pháp đề xuất 3 1.4 Yêu cầu bài toán và sơ đồ khối 5 1.5 Kết luận chương 6 CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN PHƯƠNG THỨC VÀ LÝ THUYẾT CHUNG 7 2.1 Cảm biến đo điện cho thiết bị 7 2.1.1 Lựa chọn cảm biến đo điện 7 2.1.2 Giới thiệu chung về cảm biến ADE9153a 8 2.1.3 Nguyên lý đo của cảm biến 10 2.1.4 Chức năng tự động hiệu chỉnh – mSure autocalibration trên ADE9153a 14 2.2 Phương thức truyền thông cho thiết bị 19 2.2.1 Giao tiếp với IC ADE9153a 19 2.2.2 Truyền thông không dây 23 2.3 Kết luận chương 28 CHƯƠNG 3 TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ 29 3.1 Thiết kế khối cảm biến 29 3.1.1 Kênh đo dòng điện 29 3.1.2 Kênh đo điện áp 30 3.1.3 Thiết lập chế độ tự động hiệu chỉnh mSure ADE9153a 30 3.1.4 Cấu hình thanh ghi 33 3.1.5 Cách ly đối với IC ADE9153a 33 3.1.6 Mạch nguyên lý khối cảm biến đo điện 35 3.2 Thiết kế khối truyền thông 36 3.2.1 Khối truyền thông Wi-Fi 36 3.2.2 Khối truyền thông BLE 38 3.3 Khối nguồn và đóng cắt tải 47 3.3.1 Mạch nguồn 220VAC – 5VDC 47 3.3.2 Mạch nguồn 5VDC – 3VDC và cách ly nguồn cho ADE9153a 51 3.3.3 Relay đóng cắt tải 53 3.4 Chương trình điều khiển, xác định trạng thái và giao diện giám sát 54 3.4.1 Chương trình điều khiển 54 3.4.2 Xác định trạng thái thiết bị 54 3.4.3 Giao diện giám sát thiết bị 55 3.5 Hoàn thiện và đóng vỏ thiết bị 57 3.6 Kết luận chương 60 CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 61 4.1 Đánh giá chất lượng đo điện 61 4.2 Truyền tin không dây 63 4.2.1 Module truyền tin BLE 63 4.2.2 Truyền tin thông qua Wi-Fi 69 4.3 Kết luận chương 69 KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 PHỤ LỤC 72 Phụ lục 1: Tính toán nguồn xung 220VAC – 5VDC 72 Phụ lục 2: Bản vẽ sơ đồ nguyên lý thiết bị 80 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ chung mạng lưới thiết bị 5 Hình 1.2: Sơ đồ khối thiết bị 6 Hình 2.1: IC ADE9153a 8 Hình 2.2: Sơ đồ khối chức năng IC ADE9153a [1] 8 Hình 2.3: Sơ đồ chân IC ADE9153a [1] 9 Hình 2.4: Đo dòng kênh A, sử dụng cho điện trở shunt [1] 11 Hình 2.5: Đo dòng kênh B, sử dụng cho biến dòng [1] 11 Hình 2.6: Sử dụng điện trở shunt để đo dòng ở kênh A [2] 11 Hình 2.7: Kênh đo dòng điện [1] 12 Hình 2.8: Sử dụng điện trở chia áp để đo điện áp [2] 12 Hình 2.9: Đường đi dữ liệu tổng hiệu dụng dựa trên bộ lọc [1] 13 Hình 2.10: Đường dẫn dữ liệu tổng công suất tiêu thụ [1] 13 Hình 2.11: Đường dẫn dữ liệu tổng công suất phản kháng [1] 13 Hình 2.12: Đường dẫn dữ liệu tổng công suất toàn phần [1] 14 Hình 2.13: Vòng lặp mở điển hình của các thiết bị [3] 15 Hình 2.14: Vòng lặp đóng với công nghệ mSure [3] 15 Hình 2.15: Phân bố độ sai lệch của các thiết bị giai đoạn 2 [4] 16 Hình 2.16: Sự khác biệt trên mỗi thiết bị giữa phân tích và độ sai lệch VTT đổi với các thiết bị giai đoạn 2 [4] 16 Hình 2.17: Nguyên lý hoạt động của công nghệ mSure 17 Hình 2.18: So sánh 2 chế độ mSure autocalibration [1] 18 Hình 2.19: Thời gian calibration ảnh hưởng tới độ chính xác tuyệt đối trong chế độ Normal Mode của kênh dòng điện A [1] 19 Hình 2.20: Thời gian calibration ảnh hưởng tới độ chính xác tuyệt đối trong chế độ Turbo mode của kênh dòng điện A [1] 19 Hình 2.21: Thời gian calibration ảnh hưởng tới độ chính xác tuyệt đối kênh điện áp A [1] 19 Hình 2.22: Chuẩn giao tiếp SPI 20 Hình 2.23: Các mode của chuẩn SPI 21 Hình 2.24: Chế độ SPI 0, CPOL = 0, CPHA = 0: Trạng thái không hoạt động CLK = thấp, dữ liệu được lấy mẫu ở cạnh tăng và dịch chuyển trên cạnh rơi 21 Hình 2.25: Chế độ SPI 1, CPOL = 0, CPHA = 1: Trạng thái không hoạt động CLK = thấp, dữ liệu được lấy mẫu trên cạnh rơi và dịch chuyển trên cạnh tăng 21 Hình 2.26: Chế độ SPI 2, CPOL = 1, CPHA = 1: Trạng thái không hoạt động CLK = cao, dữ liệu được lấy mẫu trên cạnh rơi và dịch chuyển trên cạnh tăng 22 i Hình 2.27: Chế độ SPI 3, CPOL = 1, CPHA = 0: Trạng thái không hoạt động CLK = cao, dữ liệu được lấy mẫu ở cạnh tăng và dịch chuyển trên cạnh rơi 22 Hình 2.28: Kết nối giữa ADE9165a slave với thiết bị master 22 Hình 2.29: Tiêu đề lệnh bản tin SPI với ADE9153a 23 Hình 2.30: Frame truyền ghi dữ liệu ADE9153a 23 Hình 2.31: Frame truyền đọc dữ liệu ADE9153a 23 Hình 2.32: Tổng quan mạng mesh 802.11s 25 Hình 2.33: Cấu trúc Bluetooth mesh 27 Hình 3.1: Mối quan hệ giữa Target CC và mSure CC [2] 31 Hình 3.2: mSure CC và Target CC ở kênh đo dòng A [2] 31 Hình 3.3 Kênh đo dòng điện AI 32 Hình 3.4: Mạch nguyên lý cách ly SPI sử dụng IC SI8651 35 Hình 3.5: Mạch nguyên lý khối cảm biến đo điện ADE9153a 35 Hình 3.6: Module ESP-WROOM-32D 36 Hình 3.7: Mạch nguyên lý module ESP32-WROOM-32D 37 Hình 3.8: IC nRF52832 kiểu chân QFN 39 Hình 3.9: Mạch nguyên lý module IC nRF52832 40 Hình 3.10: Kết nối module nRF52832 40 Hình 3.11: Mạch in module nRF52832 42 Hình 3.12: Ký hiệu kích thức ăng-ten T-shape 43 Hình 3.13: Kết quả mô phỏng ăng-ten T-shape 43 Hình 3.14: Tích hợp ăng-ten lên mạch in 44 Hình 3.15: Kết quả mô phỏng sau khi tích hợp ăng-ten lên mạch in 45 Hình 3.16: Mô phỏng các tín hiệu nhằm đánh giá EMI module BLE trong CST 46 Hình 3.17: Kết quả mô phỏng phát xạ của module BLE 46 Hình 3.18: Lưu đồ thiết kế nguồn xung sử dụng IC TOP223 - 1 48 Hình 3.19: Lưu đồ thiết kế nguồn xung sử dụng IC TOP223 - 2 49 Hình 3.20: Lưu đồ thiết kế nguồn xung sử dụng IC TOP223 - 3 50 Hình 3.21: Mạch nguyên lý nguồn xung 220VAC - 5VDC 51 Hình 3.22: Điện áp mạch nguồn qua Oscilloscope 51 Hình 3.23: Mạch nguyên lý 5V - 3.3VDC sử dụng AMS1117 52 Hình 3.24: Mạch nguyên lý 5V - 3VDC cách ly nguồn cho ADE9153a 53 Hình 3.25: Mạch nguyên lý khối Relay đóng cắt tải 53 Hình 3.26: Phân biệt trạng thái máy qua dòng điện 55 Hình 3.27: Phân biệt trạng thái theo hệ số công suất 55 Hình 3.28: Giao diện giám sát nhiều thiết bị 56 Hình 3.29: Giao diện giám sát chi tiết từng thiết bị 56 ii Hình 3.30: Giao diện hiển thị trên điện thoại qua app nRF Connect 57 Hình 3.31: Vỏ ngoài của thiết bị 58 Hình 3.32: Module BLE nRF52832 58 Hình 3.33: Hình 2D mạch in Mainboard 59 Hình 3.34: Mạch in toàn bộ thiết bị 60 Hình 3.35: Đóng vỏ thiết bị 60 Hình 4.1: Thiết lập bài đo đánh giá sai số 61 Hình 4.2: Bố trí đo khoảng cách truyền nhận 63 Hình 4.3: Khoảng cách truyền nhận tối đa 63 Hình 4.4: Đo khoảng cách truyền nhận trong môi trường có vật cản 64 Hình 4.5: Ăng-ten truyền và nhận với khoảng cách D 65 Hình 4.6: Buồng đo đồ thị bức xạ 66 Hình 4.7: Đồ thị phát xạ normalized 66 Hình 4.8: Hệ thống kiểm tra chức năng thiết bị IoT - X8711A 67 Hình 4.9: Các bài đo trong hệ thống phần mềm IoT 67 Hình 4.10: Thiết lập hệ thống đo IoT 68 Hình 4.11: Kết quả đo các thông số trên phần mềm IoT 68 Hình 4.12: Kết quả đo truyền tin qua Wi-Fi 69 iii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Thông tin một số máy móc, thiết bị y tế 2 Bảng 1.2: Thông số của một số thiêt bị điện dân dụng 3 Bảng 1.3: Một số loại máy thiết bị có thể giám sát 4 Bảng 2.1: Một số cảm biến điện một pha hãng Analog Devices 7 Bảng 2.2: Mô tả chức năng chân IC ADE9153a 9 Bảng 2.3: So sánh BLE vs Bluetooth Clasic 26 Bảng 3.1: So sánh các IC cách ly SPI 33 Bảng 3.2: Bảng chức năng chân và kết nối module ESP32 37 Bảng 3.3: So sánh một số IC tích hợp truyền thông BLE 38 Bảng 3.4: Chức năng chân và kết nối IC nRF52832 40 Bảng 3.5: Chỉ tiêu kĩ thuật ăng-ten 42 Bảng 3.6: Thông số kích thức ăng-ten T-shape 43 Bảng 3.7: Thay đổi thông số khi tích hợp ăng-ten lên mạch in 44 Bảng 3.8: Quy định công suất phát xạ theo chuẩn FCC CFR4-15 45 Bảng 3.9: Nguyên nhân gây phát xạ EMI 46 Bảng 3.10: Dòng tiêu thụ của các linh kiện chính trong thiết bị 47 Bảng 3.11: Thông số mạch nguồn xung 47 Bảng 3.12: So sánh một số IC cách ly điện áp 52 Bảng 3.13: Các tác vụ trong chương trình điều khiển 54 Bảng 3.14: Các lưu ý chính khi thiết kế mạch in 59 Bảng 4.1: Thông số thu được từ thiết bị 61 Bảng 4.2: Thông số thu được từ đồng hồ đo Keysight U1232A và sai số so với thiết bị 62 Bảng 4.3: So sánh kết quả đo chất lượng và chỉ tiêu BLE 68 iv