báo cáo chuyên đề 1 đề tài thiết kế hệ thống giám sát điều khiển kho mát từ xa thông qua iot

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIỆT NAMKHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

-o0o -BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ 1

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁMSÁT, ĐIỀU KHIỂN KHO MÁT TỪ

XA THÔNG QUA IOT

SINH VIÊN THƯC HIỆN : PHẠM TRẦN MINH ĐỨCMSSV: 2105120060

Thành phố Hồ Chí Minh 05/2024

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIỆT NAMKHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Đặt Vấn Đề

Ngày nay khi nền nông nghiệp phát triển mạnh, sản phẩm tạo ra ngày càng phong phú nhưng khả năng lưu thông hàng hóa ở nước còn gặp nhiều khó khăn vì vậy nhu cầu lưu trữ hàng hóa trong các kho ngày càng nhiều Việc kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm khi bảo quản, lưu trữ các sản phẩm công-nông nghiệp trong các kho hàng là rất quan trọng Thông thường với các loại hàng hóa được lưu trữ, nhiệt độ, độ ẩm trong phòng lưu trữ phải luôn duy trì ở một mức nhất định Ở nước ta có nhiều loại hàng hóa, đặc biệt là nông sản cần được bảo quản nhưng việc giám sát quản lí bảo quản thì vẫn làm theo phương pháp thủ công cần cán bộ kỹ thuật tiến hành đo đạc, kiểm tra để đưa ra giải pháp để tăng hoặc giảm nhiệt độ, độ ẩm theo yêu cầu.

Cũng giống như trên, trong các phòng thí nghiệm, trong bệnh viện, trong các nhà kính trồng cây cảnh, trong các khu sản xuất rau sạch, các kho bảo quản nông sản, các kỹ thuật viên, người quản lý cũng cần giám sát các yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, để đưara các phương án xử lý các vấn đề xảy ra Đặc biệt là khi số lượng kho hàng hay khu nuôi trồng cần giám sát lớn thì với phương pháp thủ công chúng ta sẽ mất nhiều thời gian và công sức mà công việc lại

không hiệu quả Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thôngtin, công nghệ kỹ thuật tiên tiến đã được áp dụng nhằm giải quyết vấnđề trên, ví dụ như các thiết bị giám sát, điều khiển nhà kính, khu sản xuất, kho hàng hóa thông qua internet đã giải quyết gần như tuyệt đối các vấn đề ở trên, nhưng các thiết bị trên chỉ hoạt động với các thiết bị điều khiển bằng tín hiệu điện, còn với các nhà kính, kho hàng lắp đặt cá thiết bị dân dụng như quạt, điều hòa, tivi được điều khiển quacác bộ remote hồng ngoại đi kèm thì còn hạn chế.

Chính vì thế, nhằm giải quyết vấn đề trên áp chúng em quyết

định chọn đề tài: “Thiết kế và thi công hệ thống giám sát, điều

khiển kho mát từ xa thông qua IOT” để đáp ứng được nhu cầu điều

khiển, giám sát cho các kho hàng hóa, nhà kính lắp đặt các thiết bị điều khiển bằng hồng ngoại được thuận tiện hơn.

Với sản phẩm được thiết kế có thể đo được nhiệt độ, độ ẩm hiện tại của máy điều hòa tại các kho lưu trữ có phù hợp với nông sảnđược lưu trữ hay không và gửi dữ liệu về điện thoại để người quản lý có thể kiểm soát và đưa ra các giải pháp nhanh cho việc quản lý, nhất là trên diện rộng, đơn giản hóa việc giám sát, cũng như tiết kiệm nguồn nhân lực quản lý.

1.2 Mục Tiêu Cá Nhân

Em thiết kế thiết bị với mong muốn giám sát điều khiển được một số loại quạt của các kho mát từ xa thông qua ứng dụngIOT Thiết bị tích hợp module wifi ESP8266 làm vi điều khiển trung tâm, Blynk để lưu trữ dữ liệu, module thu, phát tín hiệu và màn hình hiển thị LCD1602, I2C_LCD Thiết bị có khả năng điều khiển cũng như học lệnh từ remote, thích ứng với nhiều loại máy quạt của nhiều hãng khác nhau, giám sát và điều khiển thiết bị thông qua ứng dụng trên điện thoại thông minh sử dụng hệ điều hành android và trên giao diện trên máy tính.

1.3 Phân Tích Thị Trường

1.3.1 Nhu Cầu Của Người Dùng/Thị Trường

Nhu cầu của người dùng/thị trường đối với hệ thông giámvà điều khiển kho mát đã tăng lên đáng kể trong những năm gần đây Các yếu tố chính thúc đẩy nhu cầu này bao gồm:

 Tăng Cường Hiệu Quả Quản Lý Kho: Việc sử dụng IoT trong việc giám sát kho mát cho phép doanh nghiệp có thể theo dõi liên tục tình trạng nhiệt độ và độ ẩm mà không cần có nhân viên trực tiếp kiểm soát Điều này đảm bảo tính chính xác và hiệu quả cao hơn trong việc bảo quản hàng hóa Hệ thống có thể tự động gửi cảnh báo đến người quản lý nếu có bất kỳ sai lệch nào

so với chuẩn đề ra, giúp kịp thời xử lý các sự cố mà không làm ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.

 Cắt Giảm Chi Phí Vận Hành: Việc giám sát từ xa giảm nhu cầu sử dụng nhân lực cho công tác giám sát thường xuyên, từ đó giảm bớt chi phí nhân công cho các doanh nghiệp Hệ thống thông minh có thể tự động điều chỉnh các thiết bị làm mát dựa trên nhu cầu thực tế, giúp tiết kiệm điện năng hiệu quả.

 Nâng Cao Chất Lượng Sản Phẩm: Thông qua việc giám sát và điều chỉnh liên tục các thông số kho mát, hệ thống giúp bảo quản hàng hóa một cách tốt nhất, đảm bảo chất lượng sản phẩm khi đến tay người tiêu dùng.

 Ứng Dụng Trong Nhiều Ngành Nghề Khác Nhau: Thực phẩm và đồ uống đối với các sản phẩm như thực phẩm tươi sống, thịt, cá, sản phẩm làm lạnh là cực kỳ quan trọng để bảo quản Dược phẩm nhiều loại thuốc, vaccine yêu cầu điều kiện bảo quản nghiêm ngặt về nhiệt độ để đảm bảo hiệu quả và an toàn sử dụng.

 Đáp Ứng Xu Hướng Thị Trường Hiện Đại: Sự cao cấp và tự động hóa thị trường hiện đại ngày càng ưa chuộng các giải pháp kỹ thuật số và tự động hóa Hệ thống giám sát từ xa không chỉ hiệu quả mà còn tăng trải nghiệm sự chuyên nghiệp, hiện đại cho doanh nghiệp.

1.3.2 Xu Hướng Thị Trường

 Tăng Trưởng Nhu Cầu Trong Các Ngành Công Nghiệp : Ngành thực phẩm, dược phẩm, hóa mỹ phẩm và các ngành khác yêu cầu điều kiện bảo quản nghiêm ngặt đang là những thị trường tiềm năng cho giải pháp này Với sự gia tăng của nhu cầuvề chất lượng và an toàn sản phẩm, các doanh nghiệp ngày càng coi trọng việc kiểm soát môi trường bảo quản.

 Đẩy Mạnh Xu Hướng Tự Động Hóa và Công Nghiệp 4.0: Sự phát triển của công nghệ IoT, AI và các giải pháp số hóa đang thúc đẩy xu hướng tự động hóa và thông minh hóa trong quản lýkho lạnh Các doanh nghiệp ngày càng tìm kiếm các giải pháp công nghệ hiện đại để nâng cao hiệu quả, năng suất và cạnh tranh.

 Sự Gia Tăng của Các Tiêu Chuẩn và Quy Định Nghiêm Ngặt: Các tiêu chuẩn về an toàn thực phẩm, dược phẩm và quản lý môitrường ngày càng được siết chặt Các giải pháp giám sát và điều khiển kho mát từ xa có thể giúp các doanh nghiệp tuân thủ các quy định này một cách hiệu quả.

1.3.3 Sản Phẩm Trên Thị Trường

 Danfoss Cold Chain Management

 Hoạt Động: Danfoss Cold Chain Management tích hợp cảm biến nhiệt độ và độ ẩm kết nối với IoT để theo dõi và điều chỉnh từ xa qua nền tảng trực tuyến Sử dụng trí tuệ nhân tạo để dự đoán và ngăn chặncác sự cố hoặc thay đổi không mong muốn trong điều kiện môi trường kho lạnh.

 Ưu điểm: Tự động hóa quá trình giám sát và điều khiển, giúp tiết kiệm thời gian và tăng hiệu suất Tích hợp chức năng cảnh báo sớm để ngăn chặn mất mát hàng hóa.

 Nhược điểm: Cần kỹ thuật viên chuyên nghiệp hoặc đào tạo để triển khai và bảo trì.

 Niotex Cold Chain Monitoring System

 Hoạt Động: Sử dụng IoT để gửi dữ liệu về nhiệt độ, độ ẩm và sự chuyển động từ kho lạnh đến hệ thống quản lý trung tâm Cho phép quản lý và điều chỉnh điều kiện môi trường từ xa qua ứng dụng di động và giao diện web

 Ưu điểm: Giao diện thân thiện và dễ sử dụng Cung cấp tính linh hoạt cao cho việc theo dõi và điều chỉnh từ xa.

 Nhược điểm: Thời gian phản hồi có thể bị ảnh hưởng bởi tình trạng kết nối internet Yêu cầu kỹ thuật viên có kỹ năng để cài đặt và vận hành.

1.3.4 Các Tính Năng

 Các tính năng cơ bản

 Hệ thống có khả năng cung cấp thông tin về nhiệt độ và độ ẩm trong kho mát để đảm bảo rằng các sản phẩm được bảo quản ở điều kiện lý tưởng.

 Cung cấp khả năng mở và đóng cửa kho từ xa, giúp quản lý việc xuất nhập hàng hóa một cách hiệu quả.

 Hệ thống có thể gửi cảnh báo khi nhiệt độ hoặc độ ẩm vượt quá ngưỡng cho phép, giúp người quản lý có thể can thiệp kịp thời. Cho phép người quản lý theo dõi thời gian thực và ghi lại hình ảnh

trong kho mát để kiểm tra tình trạng hàng hóa.

 Hệ thống có khả năng tự động điều chỉnh nhiệt độ dựa trên thông tin từ cảm biến hoặc theo lịch trình quy định trước đó.

 Tính năng này giúp tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng, giúp giảm thiểu chi phí vận hành.

 Hệ thống cung cấp giao diện dễ sử dụng, cho phép người quản lý dễ dàng theo dõi và điều khiển kho mát từ xa.

 Tính năng này cung cấp báo cáo về nhiệt độ, độ ẩm, và các sự kiện quan trọng, giúp người quản lý hiểu rõ hơn về hoạt động của kho mát.

 Các tính năng nâng cao

 Sử dụng AI và Machine Learning để dự đoán thời tiết và yêu cầu nhiệt độ tương lai, giúp tối ưu hóa quá trình điều khiển nhiệt độ và độ ẩm.

 Hệ thống có khả năng tự học và thích nghi từ dữ liệu quá khứ để điều chỉnh hoạt động một cách thông minh theo điều kiện thực tế hiện tại. Dự đoán và báo cáo trước về cần bảo dưỡng, sửa chữa các thành phần

của hệ thống để giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động và chi phí không cần thiết.

 Được tích hợp với các thiết bị IoT khác như cảm biến chuyển động, cảm biến khí CO2 để cung cấp thông tin phong phú hơn về môi trường kho mát.

 Dữ liệu được lưu trữ trên đám mây, giúp truy cập dễ dàng từ bất kỳ nơi đâu và cung cấp khả năng mở rộng linh hoạt theo nhu cầu. Sử dụng công nghệ Blockchain để bảo vệ dữ liệu quan trọng và đảm

bảo tính toàn vẹn của thông tin trong quá trình truyền tải và lưu trữ. Sử dụng điện năng tái tạo từ môi trường xung quanh để cung cấp

nguồn năng lượng cho hệ thống, giúp tiết kiệm năng lượng và tối ưu hoá vận hành.

 khả năng giám sát và điều khiển theo thời gian thực: là yếu tố

quan trọng nhất của hệ thống IoT trong quản lý kho mát, vì nó đảm bảo sự an toàn và chất lượng của hàng hóa, đồng thời tối ưuhóa hiệu quả và chi phí quản lý.

 ESP8266 (Khối vi xử lí): Đây là một đơn vị vi điều khiển

(microcontroller) với khả năng kết nối Wi-Fi Nó có thể được lập trình để điều khiển các thành phần khác trong mạch hoặc để gửi/nhận dữ liệu qua mạng không dây.

 DHT22 (khối cảm biến nhiệt độ, độ ẩm): Đọc giá trị nhiệt độ, độ ẩm để xuất ra LCD.

 LCD1602(Màn hình LCD): hiển thị nhiệt DHT22 đã đọc và đưa giá trị đấy lên Bynk Người xem trên bynk hoặc LCD để biết được mức nhiệt độ, độ ẩm của kho.

 PC817: Công dụng cách ly với dòng điện 12V mà nguồn cấp vào để giúp cho các dòng 12V nối với quạt.

 Quạt: Có nhiệm vụ làm mát kho khi đật đến nhiệt độ và độ ẩm vượt quá mức cho phép mà ta đã đề ra trước đó.

2.1.3 Nguyên Lý Hoạt Động

Cấp nguồn điện 12V vào mạch đi qua LM2569 (Mạch giảm áp) chuyển điện áp 12V thành điện áp 5V để mạch ổn áp và các linh kiện không bị quá tải Khi ESP8266 được cấp điện để hoạt động nó sẽ

Người Dùn

569

nhận dữ liệu từ xa hoặc gửi dữ liệu đến một máy chủ trên Internet DHT22 là cảm biến nhiệt độ và độ ẩm, cung cấp dữ liệu về môi trường xung quanh cho Vi điều khiển và sẽ hiển thị trên màn hình LCD (LCD1602/I2C_LCD) Khi nhiệt độ và độ ẩm vượt quá mức chophép theo dữ liệu đã nạp thì Quạt sẽ chạy để làm giảm nhiệt độ và độ ẩm giúp cho kho mát được ổn định về nhiệt độ và độ ẩm.

 LCD1602/I2C_LCD: Đây là một màn hình LCD được sử dụng để

hiển thị thông tin từ các cảm biến hoặc từ vi điều khiển Nó kết nối với các thành phần khác thông qua giao thức I2C, cho phép truyền dữ liệu hai chiều với ít chân kết nối

 LM2596: Đây là một mô-đun giảm áp, chuyển đổi điện áp đầu vào

cao (ví dụ: 12V) thành điện áp đầu ra thấp hơn và ổn định hơn, phù hợp với nhu cầu của mạch.

 ESP8266: Đây là một vi điều khiển có khả năng kết nối Wi-Fi,

thường được sử dụng trong các ứng dụng IoT (Internet of Things) Nócó thể nhận lệnh từ xa hoặc gửi dữ liệu đến một máy chủ trên internet. DHT22: Đây là một cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm, cung cấp dữ liệu

về môi trường xung quanh cho vi điều khiển.

Hình 2 Sơ đò nguyên lý của toàn mạchSơ đồ nguyên lý được vẽ trên phần mền mô phổng Proteus 8 Professional

Mạch sử dụng một cảm biến DHT22, Bộ giảm áp LM2569, một con ESP8266, Một con LCD1602/I2C_LCD, một con PC817, một quạt, 2 điện trở 10K, 1 điện trở 1k, 1 điện trở 330Ω, 1 tụ 1000u, 2 nút nhấn.

2.1.6 Sơ Đồ Mạch In

Hình 2.1: Sơ đồ mạch in của toàn hệ thống

CHƯƠNG 3: CẤU TRÚC HỆ THỐNG

3.1 Cấu Trúc Chung Của Hệ Thống

Hệ thống sử dụng loại ngôn ngữ C++ và được hỗ trợ từ các thư viện như: Arduino, Blynk, DHT, LiquidCrystal_I2C, ESP8266WiFi Ngôn ngữ này sẽ được đưa mên có tên là Arduino IDE Arduino IDE là một phần mền với một mã nguồn mở, được sử dụng chủ yếu để viếtvà biên dịch mã vào module Arduino Ở đây, code sẽ được nạp vào Moudule ESP8266 để thực hiện các câu lệnh cho cảm biến DHT22Module ESP8266 sẽ truyền tính hiệu: cảm biến nhiệt độ và độ ẩm (DHT22), và quạt hoạt động

Đối với cảm biến nhiệt độ, độ ẩm Cảm biến sẽ đọc các thông số của môi trường bằng cách checksum 40 bits dữ liệu bằng tính hiệu digital – wire

Các thông tin và giá trị sẽ được hiển thị trên một trang WebServer vớimột địa chỉ IP cụ thể Trang Web này hiển thị các giá trị: các thông sốvề nhiệt độ và độ ẩm, trạng thái quạt

3.2 Kiến Trúc Của Hệ Thống

Hệ thống được làm dựa trên nhu cầu của thị trường Cảm biến đóng vai trò nhận biết các vật mà mắt thường không thể nhận thấy được và đưa ra các giá trị về thông số Nhiệt độ, độ ẩm cũng là một trong các mối nguy hại đến quá trình bảo quản kho trong các ngành công nghiệp, nông nghiệp và thực được thiết kế để chúng ta có thể nhận thấy được những mối nguy hại đó, đồng thời cũng có thể theo dõi được các thông số của môi trường hiện tại, giúp chúng ta có thể chủ động hơn trong các công việc cần thiết.

CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG THEO GIAO THỨC IOT

4.1 Tổng Quan Về Hệ Thống

Hệ thống giám sát và điều khiển kho mát thông qua IoT bao gồm cảmbiến nhiệt độ, độ ẩm và thiết bị đầu cuối để hiển thị thông tin lên Giaothức Zigbee và MQTT được sử dụng để truyền tải dữ liệu

Thu thập dữ liệu: Cảm biến nhiệt độ giá trị môi trường

Truyền dữ liệu qua Zigbee:

Cảm biến gửi dữ liệu tới thiết bị Gateway Zigbee thông qua giao thức Zigbee Zigbee có ưu điểm tiết kiệm năng lượng và phù hợp cho các mạng cảm biến không dây.

Gateway Zigbee xử lý và chuyển tiếp dữ liệu:

Gateway nhận dữ liệu từ các cảm biến và chuyển đổi sang giao thức MQTT.

Gateway sau đó gửi dữ liệu tới MQTT Broker thông qua Internet.

MQTT Broker nhận và phản hồi dữ liệu:

MQTT Broker nhận dữu liệu từ Gateway.

Broker phân phối dữ liệu tới các clinet đăng ký, bao gồm WebServer.

Hiển thị dữ liệu trên WebServer:

WebServer nhận dữ liệu từ MQTT Broker.

WebServer xử lý và hiển thị độ ẩm và nhiệt độ trong thời gian thực cho người dùng.

Mở rộng dễ dàng: Hệ thống dễ dàng với các hệ thống thiết bị mới.

Bảo mật: Cần đảm bảo an toàn thông tin truyền tải qua mạng Zigbeevà MQTT.

Độ tin cậy: Đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định trong cách điều kiện khắc nghiệt.

Quản lý năng lượng: Đảm bảo các cảm biến có thể hoạt động lâu dài với nguồn năng lượng hạn chế.

4.7 Kết Luận

Hệ thông giám sát, điều khiển kho mát từ xa thông qua IoT sử dụng Zigbee và MQTT mang lại nhiều lợi ích như tiết kiệm năng lượng, phản hồi nhanh, và khả năng giám sát từ xa tuy nhiên, cần chú trọng đến bảo mật và độ tin cậy của hệ thống để đảm bảo hoạt động hiệu quả và an toàn.

CHƯƠNG 5: ĐÁNH GIÁ5.1 Đã Hoàn Thành

Hệ thông đã sử dụng được các ứng dụng về vào cảm biến và cácloại Module.

Hệ thông có ứng dụng cao trong đời sống thực.

Chi phí lắp đặt hệ thông với giá thành vừa phải, không quá cao.5.2 Chưa Hoàn Thành

Hệ thông vẫn chưa được tối ưu hóa về mặt thiết kế.Vẫn còn những sai số về thông số nhiệt độ và độ ẩm

Hệ thông đôi khi vẫn xảy ra chậm trễ khi mạng không ổn định.5.3 Bản Thân Đã Làm Được

Lên ý tưởng cho một hệ thống có sử dụng IoT.Thiết kế, lắp đặt hệ thống.

Hiểu rõ hơn về IoT, ứng dụng của nó vào đời sống hàng ngày.Làm cho IoT trở nên ngày càng dễ dàng sử dụng và dễ thích 5.4 Bản Thân Chưa Làm Được

Thiết kế một hệ thống có sử dụng IoT với tính năng đa dạng hơn.