Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG IoT GIÁM SÁT CẢNH BÁO VÀ THU THẬP DỮ LIỆU PHÒNG SẠCH ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MẠNG BLUETOOTH MESH.. Các nội dung sẽ được thực hiện trong đề tài: − T
TỔNG QUAN
Lý do chọn đề tài
Phòng sạch hiện nay đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là những lĩnh vực yêu cầu kiểm soát nghiêm ngặt các yếu tố hóa học và vật lý như bụi, độ ẩm, nhiệt độ, nồng độ CO2, tốc độ gió và độ chênh lệch áp suất Việc duy trì môi trường sạch và kiểm soát chặt chẽ các thông số này là rất cần thiết cho hoạt động nghiên cứu và sản xuất, đặc biệt trong các ngành công nghiệp công nghệ cao, dược phẩm, y tế, thực phẩm và điện tử.
Phòng sạch đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong sản xuất, vì chỉ một hạt bụi nhỏ cũng có thể làm hỏng vi mạch điện tử Ngoài ra, độ ẩm không khí vượt ngưỡng cho phép có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng thuốc và thực phẩm, dẫn đến thiệt hại lớn trong quy trình sản xuất.
Trong quá trình sử dụng phòng sạch cho nghiên cứu và sản xuất, con người có thể vô tình làm biến động môi trường bên trong, dẫn đến tăng nồng độ các chất gây hại mà không phát hiện kịp thời Rủi ro hư hỏng của các thiết bị kiểm soát như hệ thống thông gió, lọc bụi, điều hòa không khí, cùng với sự rò rỉ khí CO2 từ hệ thống chữa cháy hay cấp khí CO2, có thể làm tăng nồng độ CO2 trong không khí Những rủi ro này ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe của người làm việc trong phòng sạch.
Công ty LABone SCIENTIFIC chuyên sản xuất thiết bị khoa học và cung cấp giải pháp cho phòng sạch, đã hợp tác với 3DVisionLab để phát triển hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu cho các thông số quan trọng như nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió, nồng độ CO2 và chênh lệch áp suất giữa môi trường trong và ngoài phòng sạch Hệ thống sử dụng cảm biến kết nối không dây, giúp tập trung dữ liệu về một thiết bị trung tâm, tăng cường tính linh hoạt và hiệu quả trong quản lý môi trường phòng sạch.
Nhóm tác giả nhận thấy công nghệ Bluetooth Mesh là giải pháp phù hợp cho yêu cầu thực tế, nhờ vào khả năng giao tiếp với nhiều ngoại vi và khả năng mở rộng hệ thống lên đến 32,768 thiết bị, đồng thời tiêu thụ năng lượng thấp hơn so với các công nghệ truyền thông không dây khác Với sự đồng ý của giáo viên hướng dẫn, Tiến sĩ Nguyễn Văn Thái, nhóm quyết định thực hiện đề tài “THIẾT KẾ VÀ THI”.
Hệ thống IoT giám sát, cảnh báo và thu thập dữ liệu phòng sạch ứng dụng công nghệ mạng Bluetooth Mesh được phát triển để giải quyết các vấn đề thực tế mà Công ty LABone SCIENTIFIC đang đối mặt Công nghệ này giúp nâng cao hiệu quả giám sát môi trường và đảm bảo tiêu chuẩn chất lượng trong các phòng sạch.
Mục tiêu nghiên cứu
Hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu môi trường phòng sạch được thiết kế và thi công thành công, bao gồm các thông số quan trọng như nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió, nồng độ CO2, đếm hạt bụi mịn và độ chênh lệch áp suất, ứng dụng công nghệ mạng Bluetooth Mesh Hệ thống này còn được tối ưu hóa với phần cứng linh hoạt, cho phép dễ dàng thay thế cảm biến hoặc thiết bị khi gặp sự cố, cùng với phần mềm có giao diện thân thiện, giúp người dùng tương tác một cách thuận tiện.
Phương pháp nghiên cứu
Đề tài sử dụng tổng hợp các phương pháp nghiên cứu sau:
− Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
Giới hạn của đề tài
Vì lý do thời gian thực hiện đề tài có hạn Nhóm tác giả giới hạn một số nội dung đề
Đề tài tập trung vào việc kết nối các thiết bị cảm biến qua mạng Bluetooth Mesh, cho phép người dùng tương tác với hệ thống thông qua màn hình HMI mà không cần kết nối Internet.
Đối tượng nghiên cứu
Các đối tượng mà nhóm tác giả nghiên cứu đến trong đề tài này:
− Công nghệ mạng Bluetooth Mesh
− Các chuẩn giao tiếp có dây SPI, I2C, UART, RS232, RS485, USB
− Vi điều khiển ESP32 và ESP32-S3
− Lý thuyết về điện tử căn bản, công suất và chống nhiễu điện từ EMI
− Phần mềm thiết kế bo mạch Kicad
− Các cảm biến đo thông số môi trường.
Nội dung nghiên cứu
Nội dung quá trình nghiên cứu của đề tài gồm có:
− Nghiên cứu tài liệu về các thành phần, cấu trúc và cách triển khai một hệ thống mạng cảm biến sử dụng Bluetooth Mesh
Tham khảo tài liệu từ nhà sản xuất là bước quan trọng trong nghiên cứu các cảm biến, bao gồm việc tìm hiểu cách thức giao tiếp, cách đọc dữ liệu và cấu hình cảm biến một cách hiệu quả.
− Tham khảo tài liệu về các chuẩn giao tiếp UART, SPI, I2C, RS-232, RS-485, SDIO, USB
− Nghiên cứu về ngoại vi được hỗ trợ trên vi điều khiển ESP32 và ESP32-S3
− Thiết kế và thi công các bo mạch giao tiếp với cảm biến sử dụng vi điều khiển ESP32 và ESP32-S3
− Nghiên cứu về cách triển khai mạng Bluetooth Mesh trên ESP32 và ESP32-S3
− Nghiên cứu các tài liệu liên quan về hệ điều hành thời gian thực FreeRTOS trên các dòng vi điều khiển ESP32
Phần mềm được phát triển nhằm cho phép người dùng tương tác với hệ thống qua màn hình HMI, giúp thực hiện các chức năng giám sát và thu thập dữ liệu từ các thông số cảm biến trong hệ thống.
Bố cục quyển báo cáo
Bố cục quyển báo cáo gồm 5 chương
Chương 1: Tổng quan Chương này sẽ giới thiệu đề tài và trình bày các nội dung gồm lý do chọn đề tài, mục tiêu nghiên cứu mà đề tài hướng đến, đề cập đến phương pháp nghiên cứu được sử dụng, trình bày chi tiết nội dung nghiên cứu và những giới hạn trong phạm vi của đề tài
Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương này trình bày cơ sở lý thuyết được sử dụng trong đề tài, bao gồm tổng quan về phòng sạch và hệ thống IoT, cùng với cơ sở lý thuyết về các thành phần chức năng của công nghệ mạng Bluetooth Mesh Ngoài ra, chương này cũng nêu rõ các chuẩn giao tiếp được áp dụng trong đề tài, giới thiệu về các phần cứng và cảm biến được sử dụng, các phần mềm và khung phần mềm liên quan, cũng như các thiết bị đo kiểm chuẩn Những nội dung này sẽ tạo nền tảng lý thuyết vững chắc cho việc triển khai và nghiên cứu trong phạm vi đề tài
Chương 3: Thiết kế hệ thống Trong chương này các chi tiết về yêu cầu của hệ thống được đưa ra để xây dựng nên mô hình tổng quan về hệ thống nhằm đề ra phương hướng thiết kế phần cứng và phần mềm cho toàn hệ thống
Chương 4: Kết quả Chương này trình bày về các kết quả mà đề tài đạt được Thực nghiệm kiểm tra kết quả đo giữa sản phẩm của đề tài với các thiết bị chuẩn Thực nghiệm kiểm tra phạm vi hoạt động của hệ thống và độ ổn định của hệ thống theo thời gian Chương 5: Kết luận và hướng phát triển Trong chương này, nhóm tác giả nêu ra các
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tổng quan về phòng sạch
Phòng sạch là không gian khép kín được thiết kế để kiểm soát các yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất và độ sạch không khí Mục tiêu chính của phòng sạch là tạo ra môi trường không khí đạt tiêu chuẩn, đồng thời giảm thiểu sự xâm nhập và lưu giữ các hạt bụi trong không khí.
Để đảm bảo môi trường đạt chuẩn trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp như dược phẩm, thực phẩm và điện tử, cũng như trong các nghiên cứu khoa học và phòng thí nghiệm hóa học, việc hạn chế tối đa bụi trong không khí và trên các bề mặt là rất quan trọng.
Các yếu tố cơ bản của phòng sạch gồm nhiệt độ, độ ẩm, chênh lệch áp suất, nồng độ
CO2 và số lượng hạt bụi Tác động của các yếu tố này đến phòng sạch như sau:
Nhiệt độ, độ ẩm và nồng độ CO2 là những yếu tố quan trọng đảm bảo sự thoải mái cho nhân viên trong phòng sạch Đặc biệt, trong các phòng sạch phục vụ cho nghiên cứu vi sinh, việc kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ, độ ẩm và nồng độ CO2 là cần thiết để hỗ trợ sự phát triển của vi sinh vật.
Kiểm soát áp suất trong phòng sạch là yếu tố quan trọng giúp ngăn ngừa nhiễm chéo từ môi trường bên ngoài Phòng sạch thường duy trì áp suất cao hơn so với không khí bên ngoài, nhằm ngăn chặn sự xâm nhập của không khí ô nhiễm.
− Quản lý số lượng hạt bụi giúp ngăn ngừa nhiễm bẩn trong các ngành công nghiệp như sản xuất bán dẫn, dược phẩm và nuôi cấy vi sinh vật
Có ba trạng thái ảnh hưởng đến việc đánh giá cấp độ của phòng sạch bao gồm:
− Trạng thái thiết lập: Khi phòng sạch đang được xây dựng, chưa có các thiết bị lắp đặt, tất cả còn ở mức sơ khai
− Trạng thái ngưng nghỉ: Phòng sạch đã được lắp đặt xong và sẵn sàng vận hành, nhưng chưa có nhân viên làm việc
− Trạng thái hoạt động: Thiết bị, máy móc và con người đang vận hành theo quy trình và tiêu chuẩn nhất định để thực hiện công việc
− Tiêu chuẩn liên bang Hoa Kỳ FED STD 209E
− Tiêu chuẩn quốc tế ISO 14644-1
− Tiêu chuẩn Thực hành sản xuất tốt (GMP - Good Manufacturing Practices) bao gồm GMP EU, GMP WHO, cGMP, và các tiêu chuẩn khác
Việt Nam ta đang áp dụng tiêu chuẩn TCVN 8664-1:2011 cho phòng sạch Tiêu chuẩn này tương đương với tiêu chuẩn ISO 14664-1 [2].
Tổng quan về hệ thống IoT
IoT (Internet of Things), hay Mạng lưới Vạn vật kết nối, là hệ thống cho phép các thiết bị vật lý và đối tượng được trang bị công nghệ cảm biến, phần mềm và kết nối mạng để thu thập, trao đổi và phân tích dữ liệu Sự kết hợp của các thiết bị thông minh này giúp chúng tương tác với nhau và với con người thông qua Internet.
Mạng IoT bao gồm các thiết bị như cảm biến, bộ xử lý và bộ điều khiển, giúp thu thập và xử lý dữ liệu Các thành phần này đưa ra quyết định điều khiển thông qua các chuẩn giao tiếp không dây như Wi-Fi, Bluetooth, và LoraWan, tạo thành một mạng lưới thiết bị liên kết Ứng dụng của IoT rất đa dạng, hiện diện trong công nghiệp, nhà thông minh, đô thị thông minh và nhiều lĩnh vực khác.
Công nghệ mạng Bluetooth Mesh
2.3.1 Cơ sở lý thuyết về công nghệ Bluetooth
Công nghệ Bluetooth, được giới thiệu lần đầu bởi Bluetooth SIG vào năm 2000, nhằm thay thế các công nghệ giao tiếp có dây truyền thống Nó nhanh chóng trở thành phổ biến trên các thiết bị ngoại vi của máy tính, đặc biệt là trong lĩnh vực âm thanh.
2.3.2 Cơ sở lý thuyết về công nghệ mạng Bluetooth Mesh
Bluetooth Mesh là công nghệ mạng do Bluetooth SIG phát triển và ra mắt vào tháng 7 năm 2017, dựa trên công nghệ BLE, cho phép tạo ra một mạng lưới kết nối rộng lớn giữa nhiều thiết bị Công nghệ này cho phép các thiết bị Bluetooth giao tiếp theo kiểu mạng lưới (Mesh Network), thay vì chỉ kết nối điểm-điểm hoặc điểm-đa điểm như trước đây Bluetooth Mesh được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng yêu cầu độ tin cậy, khả năng mở rộng và tiết kiệm năng lượng, phù hợp cho IoT, nhà thông minh, tự động hóa tòa nhà và công nghiệp.
Trong mạng Bluetooth Mesh, các thiết bị không trực tiếp kết nối mà sử dụng phương thức phát bản tin quảng cáo (Advertising) để gửi gói tin, trong khi thiết bị nhận thực hiện quét các bản tin này (Scanning) để nhận gói tin Để đảm bảo an toàn, các gói tin được mã hóa bằng hai loại khóa bảo mật chính là NetKey và AppKey Nhờ vậy, mặc dù gói tin được phát công khai, nhưng việc giải mã chúng trở nên khó khăn đối với các thiết bị Bluetooth khác.
2.3.3 Cấu trúc một mạng Bluetooth Mesh
Mạng Bluetooth Mesh là một hệ thống mạng không dây, cho phép kết nối nhiều thiết bị trong một cấu trúc mạng lưới (Mesh Network) Các thành phần chính của mạng Bluetooth được thể hiện rõ trong hình minh họa.
Hình 2.1 Cấu trúc liên kết của một mạng Bluetooth Mesh
(Nguồn ảnh: https://www.bluetooth.com/specifications/specs/mesh-profile-1-0-1/)
Mạng Bluetooth Mesh được mô tả trong Hình 2.1 bao gồm các thành phần chính là Node, mỗi Node đảm nhiệm nhiều chức năng khác nhau, tạo ra các kết nối đa dạng trong hệ thống.
Các thành phần chính là:
− Node: Là những thiết bị cơ bản trong mạng Các thiết bị này có thể gửi và nhận tin nhắn nhưng không có vai trò đặc biệt khác
Node tiêu thụ năng lượng thấp, hay còn gọi là Low Power Node, là những thiết bị có khả năng sử dụng ít năng lượng Các Node này thường gặp hạn chế về nguồn năng lượng và thường được sử dụng trong các cảm biến hoặc thiết bị nhỏ chạy bằng pin.
− Relay Node: Là các Node có khả năng chuyển tiếp tin nhắn để mở rộng phạm vi của mạng
− Friend Node: Là Node lưu trữ và chuyển tiếp tin nhắn cho các Low Power Node để giúp chúng tiết kiệm năng lượng
− Friend feature (not used): Các Node có khả năng làm Friend Node nhưng tính năng này không được sử dụng
− ADV (Not Relayed): Kết nối này thể hiện rằng tin nhắn không được chuyển tiếp
Nó chỉ truyền trực tiếp giữa các Node
The ADV (Low Power) connection indicates that messages are transmitted to or from Low Power Nodes, which require assistance from Friend Nodes for effective communication.
− ADV Bearer: Kết nối này đại diện cho việc truyền tin nhắn qua giao diện quảng bá (Advertising Bearer)
GATT Bearer là kết nối cho phép truyền tin nhắn qua giao diện GATT (Generic Attribute Profile) Kết nối này thường được áp dụng khi giao tiếp với các thiết bị không hỗ trợ trực tiếp Bluetooth Mesh, mà phải thông qua một thiết bị trung gian.
2.3.4 Các thành phần trong một Node của mạng Bluetooth Mesh
Hình 2.2 Các thành phần trong một Node
(Nguồn ảnh: https://www.bluetooth.com/wp-content/uploads/2019/04/1903_Mesh-
Hình 2.2 mô tả thành phần của một Node trong mạng Bluetooth Mesh Các thành phần chính trong một Node gồm[5]:
Các Element là các thực thể Logic trong một Node, với khả năng chứa một hoặc nhiều Element Mỗi Element thể hiện một chức năng cụ thể của Node, sở hữu địa chỉ riêng và có thể được điều khiển độc lập.
− Model xác định hành vi và cách một Element hoạt động và tương tác với các Element khác trong mạng Có hai loại chính:
Mô hình Server chịu trách nhiệm nhận và xử lý các lệnh từ mô hình Client Chẳng hạn, một mô hình Server điều khiển đèn có khả năng nhận lệnh bật hoặc tắt từ mô hình Client.
− Client Model: Gửi lệnh đến Server Models Ví dụ: một công tắc đèn là một Client Model gửi lệnh bật/tắt đến một Server Model điều khiển đèn
− Control Models: Kết hợp cả hai chức năng Server và Client, có thể gửi và nhận lệnh
State là các thuộc tính của Model, thể hiện trạng thái hiện tại của một chức năng Chẳng hạn, trạng thái của một đèn có thể là "bật" hoặc "tắt" Mỗi Model có thể chứa nhiều State khác nhau, và mỗi State đều có khả năng được đọc, ghi và báo cáo.
2.3.5 Sensor Model trong mạng Bluetooth Mesh
Mô hình cảm biến (Sensor Model) trong mạng Bluetooth Mesh là một loại mô hình đặc biệt, được thiết kế để hỗ trợ các chức năng liên quan đến cảm biến Các mô hình này cho phép một nút (thường là cảm biến) gửi và nhận thông tin về dữ liệu cảm biến khác nhau Có ba loại mô hình cảm biến chính, bao gồm Mô hình Máy chủ Cảm biến (Sensor Server Model), Mô hình Khách hàng Cảm biến (Sensor Client Model) và Mô hình Thiết lập Cảm biến (Sensor Setup Model).
− Chức năng: Sensor Server Model chịu trách nhiệm lưu trữ và cung cấp dữ liệu cảm biến
The Sensor Server Model is capable of sending real-time notifications about sensor data and receiving commands from Client Models for data reporting.
Mô hình Sensor Client có chức năng gửi lệnh đến Mô hình Sensor Server nhằm thu thập dữ liệu cảm biến hoặc điều chỉnh phương thức thu thập và báo cáo dữ liệu cảm biến.
− Messages: Sensor Client Model gửi các lệnh như Get (yêu cầu dữ liệu cảm biến hiện tại) và nhận các phản hồi từ Sensor Server Model
− Sensor Setup Server Model có:
Chức năng Sensor Setup Server Model cho phép người dùng cấu hình các thông số quan trọng của Sensor, bao gồm việc thiết lập ngưỡng báo động và tần suất báo cáo dữ liệu.
− Messages: Nó nhận các lệnh cấu hình và phản hồi từ các Client Model
+ Sensor Descriptor Get/Status: Yêu cầu và cung cấp thông tin mô tả về cảm biến
Các chuẩn giao tiếp
2.4.1 Cơ sở lý thuyết về chuẩn giao tiếp UART
UART, viết tắt của "Universal Asynchronous Receiver/Transmitter" (Bộ nhận/gửi không đồng bộ đa năng), là giao diện truyền thông số dùng để kết nối các thiết bị điện tử Giao thức này cho phép truyền dữ liệu qua hai dây đơn giản: dây truyền dữ liệu (TX) và dây nhận dữ liệu (RX) UART hoạt động theo chuẩn giao tiếp ngang hàng, không phân biệt giữa thiết bị chủ và thiết bị phụ.
UART hoạt động theo cơ chế không đồng bộ, cho phép truyền dữ liệu mà không cần tín hiệu đồng bộ hóa Thay vào đó, nó sử dụng tần số cơ bản để đồng bộ hóa các bit dữ liệu với tốc độ truyền được đặt trước (Baud rate) Để đảm bảo tính chính xác, tốc độ này phải giống nhau giữa các thiết bị kết nối; nếu không, dữ liệu nhận sẽ bị sai lệch.
Có nhiều tốc độ truyền nhưng phổ biến là 9600, 14400, 19200, 38400, 57600 và 115200
Hình 2.4 Sơ đồ nối dây giao tiếp UART
(Nguồn ảnh: https://swglabs.com/uart/)
Cấu trúc khung truyền nhân dữ liệu của chuẩn UART bao gồm:
− 1-bit bắt đầu giao tiếp (Logic 0)
− Từ 5 đến 9-bit dữ liệu tùy theo cấu hình
− 1-bit kiểm tra lỗi dữ liệu (nếu số lượng số 1 trong dữ liệu là chặn thì bit này bằng
− 1 hoặc 2-bit dừng giao tiếp
Hình 2.5 Cấu trúc khung truyền dữ liệu UART
(Nguồn ảnh: https://www.circuitbasics.com/basics-uart-communication/)
Hình 2.6 Dạng sóng truyền nhận dữ liệu chuẩn UART
(Nguồn ảnh: https://digilent.com/blog/uart-explained/)
Quá trình truyền nhận dữ liệu:
Bước 1: Vi điều khiển kéo chân Tx xuống thấp một khoảng thời gian bằng 1 / Baud
Bước 2: Vi điều khiển gửi đủ các bit dữ liệu thường là 8-bit và bit parity nếu có Bước 3: Vi điều khiển gửi tín hiệu kết thúc
UART là giao thức giao tiếp quan trọng, cho phép kết nối giữa hai vi điều khiển, giữa vi điều khiển với các module cảm biến, hoặc với các bộ chuyển đổi để chuyển đổi sang các chuẩn giao tiếp khác như RS-232, RS-485 và USB.
2.4.2 Cơ sở lý thuyết về chuẩn giao tiếp RS-232
RS-232 là chuẩn giao tiếp truyền thông nối tiếp phổ biến trong ngành công nghiệp điện tử, nổi bật nhờ phần cứng đơn giản và chi phí thấp Được giới thiệu bởi EIA và TIA vào năm 1962 với tên gọi EIA/TIA-232-E, chữ E biểu thị phiên bản thứ 15 Hiện nay, chuẩn này được biết đến rộng rãi với tên gọi RS-232, trong đó RS là viết tắt của "Recommended Standard" Chuẩn RS-232 bao gồm cặp dây tín hiệu với 1 chân truyền (TX) và 1 chân nhận (RX), cùng với các chân điều khiển luồng dữ liệu như RTS, CTS, DTR, DSR, DCD và RI.
Hình 2.7 Sơ đồ nối dây giữa 2 thiết bị giao tiếp RS-232
(Nguồn ảnh: https://www.decisivetactics.com/support/view?article=crossover-or- null-modem-vs-straight-through-serial-cable)
Chuẩn RS-232 được giới thiệu trước khi mức điện áp TTL ra đời, vì vậy điện áp Logic của RS-232 không sử dụng 5V hoặc 3.3V để biểu thị Logic 1 và 0V cho Logic 0 Thay vào đó, RS-232 sử dụng mức điện áp từ -3V đến -15V để biểu thị Logic 1 và từ +3V đến +15V cho Logic 0 Khoảng điện áp từ -3V đến 3V được xác định là lề nhiễu, trong đó mức Logic không xác định.
RS-232 sử dụng tần số cơ bản để đồng bộ hóa dữ liệu với tốc độ truyền (Baud rate) đã được thiết lập trước, đảm bảo tính chính xác giữa các thiết bị kết nối Nếu tốc độ này không khớp, dữ liệu nhận sẽ không chính xác Các tốc độ truyền phổ biến bao gồm 9600, 14400, 19200, 38400, 57600 và 115200 bps Tốc độ truyền càng cao thì thời gian chuyển bít càng ngắn, nhưng khoảng cách truyền sẽ bị giới hạn Với tốc độ 19200 bps, RS-232 có khả năng truyền dữ liệu trong khoảng cách lên đến 15m.
Hiện nay, vi điều khiển thường sử dụng chuẩn Logic TTL hoặc CMOS nên cần thêm các mạch chuyển đổi giữa TTL/CMOS sang RS-232
Hình 2.8 Dạng sóng và mức điện áp Logic giữa TTL/CMOS và RS-232 trên máy tính
(Nguồn ảnh: https://www.sparkfun.com/tutorials/215)
Cấu trúc khung truyền nhận dữ liệu của chuẩn RS-232 bao gồm :
− 1-bit bắt đầu giao tiếp (Logic 0)
− Từ 5 đến 9-bit data tùy theo cấu hình
− 1-bit kiểm tra lỗi dữ liệu (nếu số lượng số 1 trong dữ liệu là chặn thì bit này bằng 0 và ngược lại)
− 1 hoặc 2-bit dừng giao tiếp
RS-232 là một giao thức truyền dữ liệu phổ biến nhờ vào ưu điểm không yêu cầu phần cứng phức tạp và chi phí thấp Tuy nhiên, nó cũng có một số nhược điểm, bao gồm khoảng cách truyền hạn chế chỉ 15m với tốc độ 19600 kps, tốc độ tối đa chỉ đạt 115200 kps, dễ bị nhiễu trong môi trường công nghiệp, và chỉ cho phép giao tiếp giữa hai thiết bị.
Mặc dù có một số nhược điểm, RS-232 vẫn là lựa chọn tối ưu cho các kết nối trong khoảng cách ngắn Với ưu điểm về tính đơn giản và chi phí thấp, giao thức này vẫn được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp.
RS-485, viết tắt của "Recommended Standard", hỗ trợ hai chế độ truyền là đơn công với 1 cặp dây tín hiệu và song công với 2 cặp dây tín hiệu Để giảm thiểu nhiễu trong quá trình truyền nhận dữ liệu, dây truyền tín hiệu của RS-485 cần sử dụng cặp dây xoắn Ngoài ra, để hạn chế phản xạ tín hiệu do không cân bằng trở kháng, cần lắp đặt điện trở đầu cuối (Terminating Resistor) cho mỗi 2 đầu cặp dây, với giá trị thường dùng là 100 hoặc 120 Ohm.
Hình 2.9 Sơ đồ nối dây của chế độ truyền đơn công
(Nguồn ảnh: https://www.ti.com/lit/wp/slla545/slla545.pdf?ts17301046965)
Hình 2.10 Sơ đồ nối dây của chế độ truyền song công
(Nguồn ảnh: https://www.ti.com/lit/wp/slla545/slla545.pdf?ts17301046965)
RS-485 sử dụng tín hiệu vi sai để truyền dữ liệu, thay vì dựa vào mức điện áp so với đất, giúp giảm thiểu lỗi trong quá trình truyền nhận Nhờ vào việc sử dụng tín hiệu vi sai và cặp dây tín hiệu xoắn, khi có nhiễu xuất hiện, điện áp nhiễu sẽ tác động lên cả hai đường tín hiệu với giá trị tương đương Qua bộ vi sai, giá trị nhiễu này sẽ bị triệt tiêu, đảm bảo tính chính xác của dữ liệu truyền đi.
Hình 2.11 Hình ảnh mô tả triệt tiêu nhiễu khi qua bộ vi sai
(Nguồn ảnh: https://www.cuidevices.com/blog/rs-485-serial-interface-explained)
Mức Logic trong một cặp dây tín hiệu A và B được xác định dựa vào hiệu điện áp giữa chúng, với Logic 1 khi VAB > 200mV và Logic 0 khi VAB < -200mV Khi hiệu điện áp AB nằm trong khoảng -200mV đến 200mV, tín hiệu được coi là không xác định Mức điện áp tối đa cho cả hai dây tín hiệu là từ -7V đến +12V Để tích hợp RS-485 với các vi điều khiển hiện tại, cần sử dụng các IC chuyển đổi phù hợp.
Hình 2.12 Dạng sóng trên cặp dây A-B và mức Logic tương ứng
− 1-bit kiểm tra lỗi dữ liệu (nếu số lượng số 1 trong dữ liệu là chặn thì bit này bằng
− 1 hoặc 2-bit dừng giao tiếp
RS485 là một giao thức truyền thông nổi bật với nhiều ưu điểm, bao gồm khoảng cách truyền xa lên đến 1.200m với tốc độ 100kps, khả năng chống nhiễu hiệu quả và khả năng kết nối nhiều thiết bị đồng thời Tuy nhiên, số lượng thiết bị kết nối tối đa bị giới hạn ở 32, và yêu cầu phần cứng cụ thể như dây xoắn và điện trở đầu cuối là điều cần thiết để đảm bảo hiệu suất tối ưu.
RS-485 được ưa chuộng trong ngành công nghiệp nhờ khả năng chống nhiễu tốt và khả năng kết nối nhiều thiết bị Nó là nền tảng cho các chuẩn truyền thông như ModBus và ProfiBus.
2.4.4 Cơ sở lý thuyết về chuẩn giao tiếp I2C
I2C, viết tắt của "Inter-Integrated Circuit", là một giao thức truyền thông đồng bộ quan trọng trong việc kết nối các vi mạch trong hệ thống điện tử Giao thức này hoạt động theo mô hình bao gồm một thiết bị chủ (Master) và nhiều thiết bị tớ (Slave), cho phép truyền dữ liệu hiệu quả giữa các thành phần.
Hình 2.13 Hệ thống các thiết bị giao tiếp theo chuẩn I2C
(Nguồn ảnh: https://dientuviet.com/gioi-thieu-chuan-giao-tiep-i2c/)
Chuẩn giao tiếp I2C sử dụng hai dây chính là SDA (Serial Data) và SCL (Serial Clock) để truyền thông giữa các thiết bị, không bao gồm dây GND Dây SDA được dùng để truyền dữ liệu, trong khi dây SCL đảm nhiệm việc đồng bộ hóa thời gian giữa các thiết bị Trong hệ thống, chỉ có một thiết bị chủ phát xung trên đường SCL, giúp kiểm soát tần số giao tiếp giữa các thiết bị.
Các phần mềm và khung phần mềm (FRAMEWORK)
Phần mềm DWIN DGUS là công cụ chuyên biệt để phát triển và quản lý giao diện người dùng (UI) trên màn hình cảm ứng của DWIN Technology DGUS cho phép người dùng tạo ra các giao diện trực quan và hấp dẫn mà không cần có kiến thức lập trình sâu.
Hình 2.39 Thanh công cụ cung cấp các tính năng tạo giao diện trên DWIN DGUS
(Nguồn ảnh: https://www.dwin-global.com/dgus/)
Hình 2.40 Các nút nhận sự kiện được tạo với phần mềm DWIN DGUS
DWIN DGUS mang đến nhiều công cụ và tính năng phong phú, cho phép người dùng kéo và thả các thành phần giao diện, điều chỉnh kích thước và vị trí, cũng như thiết lập các hành động và sự kiện phức tạp Nhờ đó, người dùng có thể tạo ra các giao diện người dùng tinh vi và chức năng mà không cần phải viết mã phức tạp.
DWIN DGUS cung cấp khả năng mô phỏng và kiểm tra giao diện trực tiếp trên máy tính, giúp người dùng nhanh chóng phát hiện và khắc phục lỗi trước khi triển khai trên thiết bị thực tế Tính năng này rất hữu ích trong việc tối ưu hóa quy trình phát triển và giảm thiểu chi phí thử nghiệm.
Solidworks là phần mềm CAD nổi bật do Dassault Systèmes phát triển, được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như cơ khí, sản xuất và kỹ thuật Phần mềm này hỗ trợ thiết kế, mô phỏng và phân tích các sản phẩm và hệ thống cơ khí, giúp tối ưu hóa quy trình phát triển sản phẩm.
2.7.4 ESP-IDF (ESPRESSIF IoT DEVELOPMENT FRAMEWORK)
ESP-IDF là khung phát triển IoT chính thức của Espressif, hỗ trợ các dòng SoC ESP32, ESP32-S và ESP32-C Nó cung cấp SDK toàn diện cho việc phát triển ứng dụng trên các nền tảng này, cho phép sử dụng các ngôn ngữ lập trình như C và C++.
FreeRTOS là hạt nhân hệ điều hành thời gian thực mã nguồn mở, được tích hợp vào ESP-IDF như một thành phần quan trọng Tất cả các ứng dụng và nhiều thành phần của ESP-IDF đều dựa trên FreeRTOS Nhân FreeRTOS đã được chuyển giao cho tất cả các kiến trúc chip ESP, bao gồm Xtensa và RISC-V.
Hơn nữa, ESP-IDF cung cấp các triển khai FreeRTOS khác nhau để hỗ trợ SMP (Đa xử lý đối xứng) trên các chíp ESP đa nhân
ESP-BLE-MESH là một triển khai của Bluetooth Mesh trên các dòng vi điều khiển
Espressif IDE là môi trường phát triển tích hợp dựa trên nền tảng Eclipse IDE, chuyên dụng cho việc phát triển ứng dụng trên vi điều khiển ESP32 và ESP8266 Với bộ công cụ toàn diện, Espressif IDE hỗ trợ lập trình, biên dịch và gỡ lỗi hiệu quả Nó tương thích với nhiều hệ điều hành, bao gồm Linux, MacOS và Windows.
Thiết bị đo chuẩn
2.8.1 Buồng tạo gió OMEGA Engineering WT4401-D Đường hầm gió WT4401-S và WT4401-D [31] được thiết kế để mang lại luồng gió đồng đều tỷ lệ trên mặt cắt ngang thử nghiệm 4" x 4" Một động cơ 12-amp mạnh mẽ thay đổi từ 0 đến 10.000 vòng/phút được điều chỉnh để đưa ra tốc độ dòng chảy cụ thể bằng điều khiển động cơ chính xác Các tốc độ dòng chảy đồng đều được xác định bằng cách theo dõi chênh lệch áp suất giữa 2 vòi thông qua các ống được cung cấp với đầu áp cao (High Tubing Connection) thường đo áp suất khí quyển và đầu còn lại đo áp suất do động cơ tạo ra Thiết bị cung cấp 2 mặt cản không khí (Restrictive plate) giúp thay đổi giá trị lưu lượng khí được tạo ra trong buồng
Hình 2.41 Vị trí theo dõi chênh lệch áp suất tạo ra gió
(Nguồn ảnh: https://assets.omega.com/manuals/test-and-measurement- equipment/calibration-equipment/wind-tunnels/M1776.pdf)
Hình 2.42 Các mặt cản không khí
(Nguồn ảnh: https://assets.omega.com/manuals/test-and-measurement- equipment/calibration-equipment/wind-tunnels/M1776.pdf)
Hình 2.43 Vị trí lắp các mặt cản không khí
(Nguồn ảnh: https://assets.omega.com/manuals/test-and-measurement-
Cách sử dụng buồng tạo gió:
Buồng tạo gió sử dụng nguồn điện 110VAC, khác với lưới điện ở Việt Nam, do đó cần trang bị máy hạ áp riêng cho thiết bị Ngoài ra, cần lắp đặt các ống đo áp suất và tấm mặt cản không khí để khảo sát và quy đổi chênh áp ra tốc độ gió, cũng như xác định phạm vi hoạt động của buồng gió với các mặt cản khí.
Hình 2.44 Giá trị quy đổi chênh áp ra tốc độ gió và phạm vi buồng gió tạo ra với các mặt cản khí
(Nguồn ảnh: https://assets.omega.com/manuals/test-and-measurement- equipment/calibration-equipment/wind-tunnels/M1776.pdf)
Hình 2.45 Mặt trước bộ đo các thông số trong buồng tạo gió
(Nguồn ảnh: https://assets.omega.com/manuals/test-and-measurement- equipment/calibration-equipment/wind-tunnels/M1776.pdf)
Bước 1: Cắm điện cần ấn nút Zero Differential Pressure để đưa giá trị đặt đồng hồ Differential Pressure về 0
Để điều chỉnh tốc độ động cơ, cần dựa vào mặt cản khí đã lắp đặt và giá trị gió mong muốn Ví dụ, nếu mặt cản khí là A và giá trị gió cần đạt là 1.5m/s, thì cần điều chỉnh sao cho đồng hồ Differential Pressure ghi nhận giá trị 0.457Pa.
Buồng tạo gió ổn định sẽ ổn định sau từ 1 đến 2 phút
2.8.2 Máy đo lưu lượng không khí KIMO DBM-610
DBM-610 [32] là lưu lượng kế khí chất lượng cao do KIMO sản xuất, tích hợp nhiều tính năng vượt trội như đo chênh áp, nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió và lưu lượng khí Thiết bị này sử dụng cặp ống khí ở mặt sau, kết nối với ống để đo chính xác các thông số liên quan đến lượng khí và tốc độ.
Tốc độ không khí (m/s) Từ 0.2 đến 10 3% giá trị đo ±0.04
0.01 dưới 3m/s và 0.1 phần còn lại Nhiệt độ (°C) Từ 0 đến 50 2% giá trị đo ±0.1 0.1
Chênh áp (Pa) Từ -2500 đến
+2500 ±0.2% giá trị đo ±2 Từ 0.001 đến 0.1
Hình 2.46 Mặt trước của thiết bị KIMO DBM-610
(Nguồn ảnh: https://www.instrumentation2000.com/pub/media/pdf/kimo-dbm610- manual.pdf)
Hình 2.47 Mặt sau của thiết bị KIMO DBM-610
(Nguồn ảnh: https://www.instrumentation2000.com/pub/media/pdf/kimo-dbm610- manual.pdf) Cách sử dụng thiết bị:
Sử dụng thiết bị DBM-610 với buồng tạo gió WT4401-D
Lắp 1 trong 2 đầu khí của thiết vị DBM-610, và cảm biến cần hiệu chuẩn vào đầu áp thấp (Low Tubing Connection) ở buồng tạo gió , điều chỉnh để máy đo sự chênh áp nhất định
2.8.3 Tủ vi khí hậu Memmert ICH110
Tủ vi khí hậu ICH110 [33] được thiết kế để tạo ra môi trường với nhiệt độ và độ ẩm cụ thể, phục vụ cho các nghiên cứu và thử nghiệm Thiết bị này thường được sử dụng trong lĩnh vực sinh học, y dược, cũng như để kiểm tra độ bền và tuổi thọ của sản phẩm trong các điều kiện đặc biệt Dưới đây là bảng thông số kỹ thuật chi tiết của tủ vi khí hậu này.
Bảng 2.20 Bảng thông số kỹ thuật của tủ vi khí hậu
Thông số Phạm vi giá trị đặt Bước cài đặt
Nhiệt độ (°C) Từ -10 đến 60 0.1 Độ ẩm (%RH) Từ 10 đến 80 0.5
Cách sử dụng tủ vi khí hậu:
Bước 1: Bật nguồn cho tủ
Bước 2: Thiết lập nhiệt độ và độ ẩm mong muốn Tủ sẽ tự động điều khiển và đạt giá trị cài đặt sau từ 30 đến 40 phút
2.8.4 Máy nồng độ Oxygen và CO 2 Quantek Model 902D DualTrack
Máy phân tích nồng độ CO2 và O2 Quantek Model 902D là thiết bị để bàn chuyên dụng cho gối thực phẩm, cho phép xác định nồng độ CO2 và O2 trong khoảng thời gian từ 20 đến 25 giây Với chức năng lấy mẫu tự động, thiết bị hiển thị kết quả nồng độ CO2 và O2 chỉ trong 30 giây Dưới đây là thông số kỹ thuật chi tiết của thiết bị.
Bảng 2.21 Bảng thông số kỹ thuật của thiết bị
Thông số Phạm vi đo Độ chính xác Độ phân giải
Nồng độ O2 (%) Từ 0 đến 100 ±1% giá trị đọc 0.1
Hình 2.48 Hình ảnh thiết bị Quantek Model 902D DualTrack
(Nguồn ảnh: https://www.quantekinstruments.com/product/o2-co2-headspace- analyzer/)
Thiết bị này được thiết kế với hai màn hình: màn hình trên hiển thị nồng độ Oxygen, trong khi màn hình dưới hiển thị nồng độ CO2 trong không khí.
Cách sử dụng thiết bị:
Bước 1: Lắp ống lấy mẫu (ống trắng nằm giữa thiết bị), sau đó bật nguồn cho thiết bị
Bước 2: Bật nút Pump trên máy để máy bắt đầu lấy mẫu
2.8.5 Máy đếm hạt tiểu phân CliMET CI-450t
CliMET CI-450t là thiết bị đếm tiểu phân không khí, chuyên đo lường số lượng hạt bụi trong không khí Dòng máy CI-450 được thiết kế và sản xuất từ những vật liệu chất lượng cao nhất, đảm bảo độ bền và tuổi thọ sản phẩm lên đến hàng thập kỷ Thiết bị cam kết mang lại độ chính xác cao trong việc đo lường.
Thiết bị có thể lấy mẫu 50 lít không khí trong 1 phút, phân tích và thông báo số lượng hạt cú kớch thước từ 0.3, 0.5, 1.0 và 5.0 àm.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Yêu cầu hệ thống
Dựa trên mục tiêu của đề tài và các linh kiện được cung cấp bởi công ty tài trợ, nhóm tác giả đã xác định rằng hệ thống cần có giao diện cho phép người dùng tương tác hiệu quả.
Bo mạch được thiết kế với phần cứng ổn định, cho phép thay thế cảm biến nhanh chóng khi gặp sự cố Ngoài ra, sản phẩm còn có khả năng kháng bụi và kháng nước, đảm bảo hiệu suất hoạt động trong nhiều điều kiện khác nhau.
Phần mềm cho phép người dùng tương tác với hệ thống để thực hiện các yêu cầu như lấy giá trị và hiển thị dữ liệu Nó có khả năng vẽ đồ thị giá trị cảm biến theo thời gian và phát cảnh báo âm thanh khi giá trị cảm biến vượt quá phạm vi cho phép Ngoài ra, phần mềm còn ghi lại dữ liệu cảm biến kèm thời gian vào bộ nhớ nội và cho phép người dùng truy xuất dữ liệu này qua cổng USB.
3.2 Mô hình hệ thống
Nhóm tác giả đã phát triển một hệ thống gồm các thiết bị cảm biến kết nối không dây, cho phép gửi dữ liệu về thiết bị trung tâm và tương tác dễ dàng với người dùng Hệ thống hoạt động thông qua một thiết bị chính và bốn thiết bị Node, có chức năng chuyển tiếp gói tin trong mạng và chứa các cảm biến thu thập thông số môi trường.
Các Node A, B, C, D (Relay Node) không chỉ thực hiện chức năng của một Node thông thường mà còn có khả năng vận chuyển gói tin, mở rộng phạm vi hoạt động của hệ thống Những Node này không chỉ chứa các Model cần thiết mà còn bao gồm Sensor Server Model để lưu trữ giá trị cảm biến và Sensor Setup Model hỗ trợ cài đặt cảm biến.
Node E không chỉ bao gồm các Model bắt buộc của hệ thống mà còn tích hợp Sensor Client Model, biến nó thành thiết bị trung tâm của hệ thống Điều này cho phép người dùng thực hiện lệnh lấy giá trị cảm biến từ các Node A, B, C, D Vì lý do này, nhóm tác giả đã gọi Node E là thiết bị Gateway.
Cấu trúc này có các ưu điểm và nhược điểm sau:
Gói tin từ các Node ở khoảng cách xa ngoài tầm phủ sóng của Gateway sẽ được các Node trung gian gần Gateway hỗ trợ vận chuyển, đảm bảo thông tin được truyền tải hiệu quả.
− Nhược điểm: Gây giảm thời gian phản hồi của hệ thống do mất thời gian trong việc chuyển tiếp gói tin
Mặc dù hệ thống ứng dụng thu thập thông số môi trường có nhược điểm, nhưng các thông số này thường thay đổi chậm và cảm biến có độ trễ Do đó, nhược điểm này không đáng kể vì không cần yêu cầu dữ liệu liên tục từ cảm biến.
Từ yêu cầu hệ thống đã đặt ra ở phần trước của chương này Hệ thống có 2 phần chính là phần Gateway và phần Node Trong đó, chức năng của:
+ Có màn hình HMI để hiển thị các thông tin và cho phép người dùng tương tác với hệ thống
+ Hiển thị được thời gian
+ Vỏ hộp của thiết bị có thể kháng được nước
+ Có thẻ nhớ để lưu trữ dữ liệu
+ Có cổng USB để sao chép dữ liệu từ thẻ nhớ sang USB lưu trữ
+ Giao tiếp với các Node thông qua mạng Bluetooth Mesh
+ Sử dụng nguồn điện 220VAC
+ Có giao diện màn hình LCD để hiển thị các thông tin đơn giản như giá trị của cảm biến
+ Có nút nhấn để người dùng chọn các chức năng có sẵn của sản phẩm
+ Giao tiếp được với cảm biến để dữ liệu thông qua các chuẩn giao tiếp SPI, UART, I2C, RS-232, RS-485
+ Chuyển đổi được tín hiệu Analog sang tín hiệu số
+ Giao tiếp với Gateway thông qua mạng Bluetooth Mesh
+ Sử dụng nguồn điện 220VAC hoặc 24VDC
3.3.2 Sơ đồ khối phần cứng a Sơ đồ khối phần cứng Gateway
Với yêu cầu về phần cứng cho Gateway được đặt ra bên trên, sơ đồ khối tổng quát phần cứng của Gateway sẽ gồm những thành phần sau:
Hình 3.2 Sơ đồ khối tổng quan phần cứng cho Gateway
Từ sơ đồ tổng quan phần cứng cho thấy Gateway gồm có các khối:
− Khối nguồn chuyển đổi nguồn điện xoay chiều 220V từ lưới điện thành điện áp một chiều gồm các mốc 12V, 5V, 3.3V cung cấp cho các ngoại vi trên board
− Khối ESP32-S3 là vi điều khiển chịu trách nghiệm điều khiển các ngoại vi đồng thời quản lý các Node trong mạng BLE-Mesh
Khối RTC cung cấp dữ liệu thời gian thực, cho phép ghi lại và truy vấn chính xác thời điểm xảy ra lỗi, từ đó hỗ trợ hiệu quả cho việc rà soát phòng sạch.
− Khối thẻ nhớ làm bộ lưu trữ dữ liệu cảm biến nhận từ các Node
− Khối USB kết nối giữa vi điều khiển và ổ USB, cho phép người dùng lấy dữ liệu được lưu từ khối thẻ nhớ
− Khối còi (Buzzer) thông báo lỗi hoặc các thông tin qua âm thanh
Khối hiển thị cung cấp giao diện người dùng trực quan, cho phép người dùng tương tác với các giá trị cảm biến từ các Node Nó hỗ trợ khả năng tương tác cảm ứng điện dung, giúp người dùng dễ dàng cấu hình mạng Mesh, lưu trữ dữ liệu và thực hiện thao tác xuất dữ liệu ra ổ USB.
− Khối truyền thông hỗ trợ cho thiết bị kết nối mạng Ethernet và truyền nhận dữ liệu với máy tính qua RS-232 b Sơ đồ khối phần cứng các Node
Với những yêu cầu về phần cứng đã được đặt ra, sơ đồ phần cứng tổng quát chung cho các Node sẽ gồm những thành phần sau:
Khối nguồn có khả năng chuyển đổi điện áp xoay chiều 220V thành điện áp một chiều 24V, hoặc trực tiếp cung cấp nguồn một chiều 24V và sau đó chuyển đổi thành các điện áp 5V và 3.3V để phục vụ cho các thiết bị ngoại vi.
Khối ESP32 đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển các thiết bị ngoại vi, đọc thẻ nhớ và kết hợp với các Node khác để tạo ra mạng Mesh, từ đó gửi dữ liệu đến Gateway.
Khối thời gian thực cung cấp dữ liệu tức thì, cho phép ghi lại và truy vấn giá trị lỗi tại thời điểm xảy ra, từ đó hỗ trợ hiệu quả trong việc rà soát phòng sạch.
Khối thẻ nhớ hoạt động như một bộ lưu trữ cho giá trị cảm biến và thời gian thực tại Node, giúp tạo bản dữ liệu dự phòng trong trường hợp Gateway gặp lỗi và không thể ghi dữ liệu.
− Khối hiển thị cung cấp giao diện hiển thị giá trị cảm biến, hiển thị các tùy chọn thao tác với mạng Mesh
− Khối thông báo tương tác với người dùng qua âm thanh
Khối cảm biến cho phép vi điều khiển giao tiếp và thu thập dữ liệu từ các cảm biến khác nhau Mỗi loại cảm biến có sơ đồ nguyên lý và phương thức giao tiếp riêng biệt.
− Khối đầu vào và ra giúp Node điều khiển bật tắt một thiết bị và đọc các tín hiệu số với mức Logic 0-3.3V
3.3.3 Phần cứng Gateway a Sơ đồ nguyên lý
Thiết kế phần cứng
Từ yêu cầu hệ thống đã đặt ra ở phần trước của chương này Hệ thống có 2 phần chính là phần Gateway và phần Node Trong đó, chức năng của:
+ Có màn hình HMI để hiển thị các thông tin và cho phép người dùng tương tác với hệ thống
+ Hiển thị được thời gian
+ Vỏ hộp của thiết bị có thể kháng được nước
+ Có thẻ nhớ để lưu trữ dữ liệu
+ Có cổng USB để sao chép dữ liệu từ thẻ nhớ sang USB lưu trữ
+ Giao tiếp với các Node thông qua mạng Bluetooth Mesh
+ Sử dụng nguồn điện 220VAC
+ Có giao diện màn hình LCD để hiển thị các thông tin đơn giản như giá trị của cảm biến
+ Có nút nhấn để người dùng chọn các chức năng có sẵn của sản phẩm
+ Giao tiếp được với cảm biến để dữ liệu thông qua các chuẩn giao tiếp SPI, UART, I2C, RS-232, RS-485
+ Chuyển đổi được tín hiệu Analog sang tín hiệu số
+ Giao tiếp với Gateway thông qua mạng Bluetooth Mesh
+ Sử dụng nguồn điện 220VAC hoặc 24VDC
3.3.2 Sơ đồ khối phần cứng a Sơ đồ khối phần cứng Gateway
Với yêu cầu về phần cứng cho Gateway được đặt ra bên trên, sơ đồ khối tổng quát phần cứng của Gateway sẽ gồm những thành phần sau:
Hình 3.2 Sơ đồ khối tổng quan phần cứng cho Gateway
Từ sơ đồ tổng quan phần cứng cho thấy Gateway gồm có các khối:
− Khối nguồn chuyển đổi nguồn điện xoay chiều 220V từ lưới điện thành điện áp một chiều gồm các mốc 12V, 5V, 3.3V cung cấp cho các ngoại vi trên board
− Khối ESP32-S3 là vi điều khiển chịu trách nghiệm điều khiển các ngoại vi đồng thời quản lý các Node trong mạng BLE-Mesh
Khối RTC cung cấp thời gian thực để ghi lại dữ liệu, giúp xác định thời điểm xảy ra lỗi và hỗ trợ quá trình rà soát phòng sạch hiệu quả.
− Khối thẻ nhớ làm bộ lưu trữ dữ liệu cảm biến nhận từ các Node
− Khối USB kết nối giữa vi điều khiển và ổ USB, cho phép người dùng lấy dữ liệu được lưu từ khối thẻ nhớ
− Khối còi (Buzzer) thông báo lỗi hoặc các thông tin qua âm thanh
Khối hiển thị cung cấp giao diện người dùng thân thiện, cho phép người dùng dễ dàng cấu hình mạng Mesh Nó hiển thị giá trị cảm biến từ các Node và hỗ trợ tương tác cảm ứng điện dung, giúp lưu trữ và truy xuất dữ liệu qua ổ USB một cách thuận tiện.
− Khối truyền thông hỗ trợ cho thiết bị kết nối mạng Ethernet và truyền nhận dữ liệu với máy tính qua RS-232 b Sơ đồ khối phần cứng các Node
Với những yêu cầu về phần cứng đã được đặt ra, sơ đồ phần cứng tổng quát chung cho các Node sẽ gồm những thành phần sau:
Khối nguồn có khả năng chuyển đổi điện áp xoay chiều 220V thành nguồn một chiều 24V, hoặc trực tiếp cung cấp nguồn một chiều 24V và sau đó hạ xuống thành nguồn 5V và 3.3V để phục vụ cho các thiết bị ngoại vi.
Khối ESP32 chịu trách nhiệm điều khiển các ngoại vi, đọc thẻ nhớ và kết hợp với các Node khác để tạo ra mạng Mesh, đồng thời gửi dữ liệu đến Gateway.
Khối thời gian thực cung cấp thông tin thời gian thực cho việc ghi lại dữ liệu, cho phép truy vấn giá trị lỗi xảy ra tại thời điểm cụ thể và hỗ trợ quá trình rà soát phòng sạch hiệu quả.
Khối thẻ nhớ đóng vai trò quan trọng trong việc lưu trữ giá trị cảm biến và thời gian thực tại Node, giúp tạo ra bản dữ liệu dự phòng khi Gateway gặp sự cố không thể ghi dữ liệu.
− Khối hiển thị cung cấp giao diện hiển thị giá trị cảm biến, hiển thị các tùy chọn thao tác với mạng Mesh
− Khối thông báo tương tác với người dùng qua âm thanh
Khối cảm biến cho phép vi điều khiển giao tiếp và thu thập dữ liệu từ các cảm biến khác nhau Mỗi loại cảm biến có sơ đồ nguyên lý và phương thức giao tiếp riêng biệt.
− Khối đầu vào và ra giúp Node điều khiển bật tắt một thiết bị và đọc các tín hiệu số với mức Logic 0-3.3V
3.3.3 Phần cứng Gateway a Sơ đồ nguyên lý
Nhóm tác giả đã triển khai sơ đồ nguyên lý dựa trên sơ đồ khối phần cứng Gateway được trình bày trong mục trước của Chương, nhằm thể hiện rõ hơn các khối chức năng đã được xác định.
Sơ đồ nguyên lý vi điều khiển ESP32-S3
Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý vi điều khiển ESP32-S3 của Gateway
Vi điều khiển ESP32-S3 nạp chương trình qua chuẩn UART0 tại chân GPIO43-TX và GPIO44-RX Để vào chế độ nạp chương trình, giữ nút SW2 để chọn chế độ Boot và sau đó ấn SW1 để khởi động lại vi điều khiển Khi nút Boot được giữ, vi điều khiển sẽ vào chế độ nạp chương trình, và bạn có thể thả nút Boot Để đảm bảo nguồn điện ổn định, cần sử dụng hai tụ điện 10uF và 100nF, đồng thời loại bỏ các xung gai điện áp Cũng cần chú ý đến giá trị tụ điện tại SW1 và SW2.
Giải thích kết nối chân từ vi điều khiển đến ngoại vi
Bảng 3.1 Bảng kết nối chân từ vi điều khiển đến các ngoại vi của Gateway
EN (RST) Chân Reset vi điều khiển
GPIO0 (BOOT) Chân chọn chế độ Boot (lựa chọn chế độ nạp chương trình hay chạy chương trình đã được nạp trước đó )
GPIO43 (TX0) Nạp chương trình
GPIO44 (RX0) Nạp chương trình
GPIO14 (ESP.CLK) Chân tạo xung cho thẻ nhớ
GPIO15 (ESP.CMD) Chân ra lệnh cho thẻ nhớ
GPIO13 (ESP.DATA0) Chân dữ liệu thứ 0 cho thẻ nhớ
GPIO12 (ESP.DATA1) Chân dữ liệu thứ 1 cho thẻ nhớ
GPIO4 (ESP.DATA2) Chân dữ liệu thứ 2 cho thẻ nhớ
GPIO2 (ESP.DATA3) Chân dữ liệu thứ 3 cho thẻ nhớ
GPIO5 (ESP.DET) Chân phát hiện đã lắp thẻ nhớ chưa
GPIO19 (ESP.USB_N) Chân tín hiệu D- vi sai USB
GPIO20 (ESP.USB_P) Chân tín hiệu D+ vi sai USB
GPIO18 (ESP_USB_OverCurrent) Chân phát hiện sự quá dòng ở cổng USB GPIO8 (ESP_USB_EnablePower) Chân điều khiển nguồn ở cổng USB
GPIO21 (ESP_HMI_TX) Chân TX giao tiếp với IC MAX3232
GPIO47 (ESP_HMI_RX) Chân RX giao tiếp với IC MAX3232
GPIO48 (ESP_HMI_POWER) Chân điều khiển bật/tắt nguồn cho HMI
GPIO10 (ESP.SCL) Chân xung của chuẩn I2C
GPIO11 (ESP.SDA) Chân tín hiệu của chuẩn I2C
IO3 (Buzzer) Chân điều khiển bật/tắt buzzer
Sơ đồ nguyên lý khối thông báo
Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý khối thông báo của Gateway
Khối thông báo được trang bị Buzzer 9055 DIP, có chức năng cảnh báo người dùng khi các thông số được theo dõi trong phòng sạch vượt quá giới hạn cài đặt trước.
Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị
IC MAX3232 hỗ trợ giao tiếp giữa vi điều khiển và màn hình HMI qua chuẩn RS-232 Chân nguồn GND của màn hình HMI được điều khiển bởi vi điều khiển thông qua một Mosfet đệm dòng.
Sơ đồ nguyên lý khối thời gian thực
Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý khối thời gian thực của Gateway
IC thời gian thực DS3231 tự điều chỉnh giá trị đếm theo nhiệt độ, đảm bảo thời gian chính xác với sai số thấp trong khoảng nhiệt độ rộng Để hạn chế điện áp gai, nguồn điện chính của DS3231 cần được bổ sung các tụ lọc Ngoài ra, cần sử dụng diode để khóa nguồn điện khi có nguồn điện chính, đảm bảo pin chỉ hoạt động khi mất nguồn chính Lựa chọn IC DS3231 vì nó có độ sai số thời gian nhỏ và ổn định.
Sơ đồ nguyên lý khối thẻ nhớ:
Khay thẻ nhớ MiSD-PP-9P-V1 cho phép tháo lắp thẻ nhớ dễ dàng và nhanh chóng, đồng thời hỗ trợ phát hiện sự kiện tháo lắp thông qua chân DET, giúp thông báo kịp thời đến người dùng.
Lựa chọn chuẩn giao tiếp SDIO cho Gateway giúp đem lại tốc độ giao tiếp cao, hỗ trợ đọc ghi từ thẻ nhớ ra ổ USB nhanh hơn
Sơ đồ nguyên lý khối USB
Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý khối USB của Gateway
Mạch sử dụng cổng USB Type A tương thích với hầu hết các ổ USB trên thị trường, tích hợp IC TPS2051 để theo dõi và điều khiển dòng điện đầu ra Vi điều khiển có khả năng bật tắt nguồn cung cấp cho ổ USB hoặc ngắt điện khi phát hiện sự kiện quá dòng Cả hai chân điều khiển đều là cực thu hở, do đó cần kéo trở để đảm bảo mức logic Mạch còn được trang bị Diode TVS nhằm bảo vệ vi điều khiển khỏi hiện tượng phóng tĩnh điện (ESD).
Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi điện áp AC-DC chuyển đổi 220VAC-12VDC
Module chuyển đổi AC-DC HLK-10M12 chuyển đổi điện xoay chiều 220V thành nguồn một chiều 12V, với đầu vào được bảo vệ khỏi ngắn mạch và điện áp tăng đột ngột nhờ cầu chì và Varistor Nguồn vào còn được lọc qua cuộn cảm và tụ điện để loại bỏ nhiễu Different Mode và Common Mode Đầu ra của module được bảo vệ quá dòng và ổn định nhờ cầu chì và tụ điện phân cực 470uF, cung cấp dòng điện ổn định cho màn hình HMI Với công suất đầu ra 10W, module đảm bảo cung cấp năng lượng cho các ngoại vi của Gateway hoạt động hiệu quả.
Lựa chọn HLK-10M12 vì màn hình HMI yêu cầu điện áp 12VDC và công suất tiêu thụ của toàn mạch khoảng 6W
Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi DC-DC hạ áp từ 12V về 5V
Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lý mạch hạ áp của Gateway
Thiết kế phần mềm
Các chương trình thực thi trên Gateway sẽ được phát triển sử dụng khung ESP-IDF với vi điều khiển ESP32-S3, hoạt động trên hệ điều hành FreeRTOS Trước khi bắt tay vào lập trình, nhóm tác giả đã xây dựng các lưu đồ giải thuật dựa trên yêu cầu của hệ thống.
Lưu đồ chương trình chính
Hình 3.67 Lưu đồ chương trình chính trên Gateway.
Hình 3.68 Lưu đồ chương trình trên Gateway (tiếp theo)
Sau khi cấp nguồn cho Gateway, hệ thống tiến hành khởi tạo phần cứng và hệ điều hành thời gian thực FreeRTOS Các bước tiếp theo bao gồm khởi tạo ngoại vi SDIO cho thẻ nhớ, USB MSC để sao chép dữ liệu, chân điều khiển còi cho cảnh báo, và ngoại vi UART để giao tiếp với màn hình HMI Hệ thống cũng khởi tạo RTC thông qua I2C để ESP32-S3 lấy thời gian thực từ IC DS3231, đồng thời khôi phục giá trị của các biến đã lưu trong vùng nhớ NVS Bluetooth Mesh được khởi tạo với vai trò là Node và Provisioner Bộ đếm thời gian được thiết lập với thời gian lấy mẫu ban đầu là 5 giây, sau đó thời gian từ IC DS3231 sẽ được gửi lên HMI để hiển thị Cuối cùng, màn hình HMI được bật để người dùng có thể thao tác với hệ thống.
Sau khi hoàn tất quá trình khởi tạo, chương trình sẽ bắt đầu vòng lặp vô hạn để thực hiện các chức năng chính của hệ thống Chương trình sẽ kết thúc khi xảy ra mất điện hoặc khi thiết bị được khởi động lại do thao tác Reset.
Lưu đồ thực hiện chức năng do người dùng chọn
Hình 3.69 Lưu đồ chương trình thực thi chức năng người dùng chọn từ HMI
Lưu đồ chương trình thực thi chức năng người dùng chọn từ HMI mô tả quá trình xử
Lưu đồ chương trình thực hiện chức năng thêm Node tự động
Hình 3.70 Lưu đồ chương trình chức năng thêm Node tự động
Chức năng thêm Node vào mạng là yếu tố quan trọng trong việc xây dựng mạng Bluetooth Mesh Quy trình tự động thêm một Node mới vào mạng được thực hiện thông qua API của ESP-IDF, như được mô tả trong lưu đồ chương trình.
Giá trị UUID được tạo ra để Provisioner loại bỏ các thiết bị chưa vào mạng (Unprovisioned Device) không phù hợp và thêm các thiết bị có UUID phù hợp vào mạng Bluetooth Mesh Quá trình này được thực hiện thông qua việc gọi API mà ESP-IDF cung cấp.
Khởi tạo biến count_time để đếm thời gian 10000ms; nếu không có Node mới nào được thêm vào mạng, chương trình sẽ kết thúc Nếu có Node mới được thêm vào, count_time sẽ được đặt về 0 Chương trình sẽ tiếp tục cho đến khi không còn thiết bị mới nào với UUID phù hợp được thêm vào mạng sau 10000ms.
− Sau các quá trình trên chương trình sẽ xuất lên màn hình HMI thông báo về số lượng cảm biến mới được thêm vào mạng
Hình 3.71 Cấu trúc UUID 128-bit của thiết bị Bluetooth Mesh sử dụng trong đề tài.
Trong đề tài này nhóm tác giả quy định cấu trúc UUID của các thiết bị gồm:
− 16-bit I là 16-bit bắt đầu của UUID
− 48-bit MAC là 48-bit địa chỉ MAC của ngoại vi Bluetooth trên ESP32-S3
− 64-bit còn lại có giá trị là 0
Quá trình thêm Node tự động diễn ra khi giá trị 16-bit I của thiết bị mới trùng khớp với giá trị UUID của bộ lọc, từ đó Provisioner sẽ tiến hành cấp phát cho phép thiết bị mới tham gia vào mạng.
Chức năng thêm Node thủ công
Nếu Provisioner không thể thêm thiết bị mới với địa chỉ MAC mong muốn, quá trình thêm Node thủ công sẽ kết thúc và Gateway sẽ thông báo rằng việc thêm Node không thành công Ngược lại, nếu Node có địa chỉ MAC mong muốn được thêm vào mạng, Gateway sẽ thông báo rằng việc thêm Node mới thành công.
Quá trình thêm Node thủ công yêu cầu phát hiện 16-bit I và 48-bit MAC của thiết bị mới Nếu chúng trùng khớp với giá trị UUID của bộ lọc, Provisioner sẽ tiến hành cấp phát để cho phép thiết bị mới kết nối vào mạng.
Để xóa một Node khỏi mạng Bluetooth Mesh, cần thực hiện theo quy trình các bước được mô tả trong lưu đồ.
− Thêm Node vào danh sách đen thông qua truy xuất điện địa chỉ Unicast của Node
− Thay đổi NetKey và AppKey hiện tại thành NetKey và AppKey khác việc
− Cuối cùng là cập nhật lại NetKey và AppKey cho các Node còn lại trong mạng
Việc loại bỏ hoàn toàn một Node khỏi mạng Bluetooth Mesh là cần thiết khi NetKey và AppKey của mạng đã được thay đổi ESP-IDF cung cấp API cho phép thực hiện việc thêm Node vào danh sách đen và cập nhật NetKey, AppKey mới.
Chức năng tạo tệp ghi dữ liệu cảm biến
Hình 3.75 Lưu đồ chương trình chức năng tạo tệp ghi dữ liệu cảm biến (tiếp theo).
Khi người dùng chọn chức năng ghi lại dữ liệu cảm biến từ các Node trên màn hình HMI, họ cần điền tên tệp và nhấn phím Enter Sự kiện này sẽ được gửi đến vi điều khiển để xử lý, thực hiện theo một quy trình tuần tự.
Kiểm tra tên tệp người dùng nhập vào để đảm bảo không chứa ký tự đặc biệt và có độ dài từ 1 đến 19 ký tự, do hạn chế bộ nhớ của vi điều khiển Nếu tên tệp không đáp ứng yêu cầu, hệ thống sẽ thông báo cho người dùng qua màn hình HMI và thoát khỏi chương trình con.
Lưu trữ thời gian lấy mẫu vào bộ nhớ của ESP32-S3 giúp hệ thống tự động khôi phục thời gian lấy mẫu sau khi mất điện, mà người dùng không cần phải thiết lập lại.
Kiểm tra kết nối của bộ thẻ nhớ; nếu chưa được kết nối, hệ thống sẽ hiển thị thông báo trên màn hình HMI để người dùng nhận biết và sau đó thoát khỏi chương trình con này.
Thiết kế giao diện người dùng
3.5.1 Giao diện HMI trên Gateway
Gateway là thiết bị mà người dùng thường xuyên tương tác để ra lệnh cho hệ thống, do đó cần có giao diện trực quan và thân thiện Giao diện màn hình HMI được thiết kế với kích thước 1024x600-px, phù hợp với độ phân giải sử dụng trong đề tài Dưới đây là tất cả hình ảnh giao diện màn hình được thiết kế để nhúng vào màn hình.
Hình 3.90 Giao diện hiển thị đồ thị giá trị cảm biến trên HMI
Giao diện hiển thị đồ thị giá trị cảm biến theo thời gian với các ô kẻ sẵn giúp người dùng dễ dàng theo dõi và xác định giá trị đo từ cảm biến một cách trực quan và hiệu quả.
Hình 3.91 Giao diện hiển thị giá trị cảm biến trên HMI
Giao diện hiển thị trên màn hình HMI sẽ cho thấy giá trị cảm biến khi Gateway nhận dữ liệu từ các Node gửi về.
Hình 3.92 Giao diện lựa chọn chức năng vận hành của hệ thống khi chưa ghi dữ liệu
Hình ảnh trên minh họa các chức năng mà người dùng có thể lựa chọn để tương tác với hệ thống Nếu chưa thực hiện chức năng ghi giá trị cảm biến, người dùng có quyền truy cập vào các chức năng của hệ thống để tiến hành cài đặt.
Hình 3.93 Giao diện các chức năng vận hành của hệ thống khi đang ghi dữ liệu
Hệ thống có giao diện lựa chọn chức năng vận hành, trong đó người dùng không được phép truy cập vào phần cài đặt Việc thay đổi các thiết lập có thể ảnh hưởng đến quá trình ghi dữ liệu, do đó cần bảo đảm tính ổn định trong quá trình sử dụng.
Hình 3.94 Giao diện lựa chọn chức năng cài đặt hệ thống
Hình trên mô tả các lựa chọn chức năng cài đặt hệ thống bao gồm chức năng: cập
Hình 3.95 Giao diện lựa chọn các chế độ thao tác quản lý Node
Hình ảnh minh họa các chức năng mà người dùng có thể thực hiện, bao gồm thêm Node mới vào mạng, xóa Node khỏi mạng, và xem thông tin chi tiết về các Node trong mạng.
Hình 3.96 Giao diện của chế độ thêm Node
Hình trên mô tả hai chức năng mà người dùng có thể thao tác để thêm Node mới vào mạng đó là thêm tự động và thêm thủ công
Hình 3.97 Giao diện của chế độ xóa Node
Hình ảnh mô tả thông tin của một Node trong mạng, bao gồm tên Node và địa chỉ MAC của thiết bị Node, cho phép người dùng lựa chọn để xóa.
Hình 3.98 Giao diện lựa chọn tệp cần sao chép sang USB
Giao diện chức năng sao chép tệp hiển thị 10 ô tên tệp mà người dùng có thể chọn để sao chép vào USB-FLASH Người dùng cũng có thể sử dụng hai phím mũi tên để duyệt qua các tên tệp khác trong bộ nhớ nội chưa được hiển thị.
Hình 3.99 Giao diện lựa chọn tệp cần xóa
Chức năng xóa tệp được hiển thị qua giao diện với 10 ô tên tệp, cho phép người dùng chọn tệp cần xóa khỏi bộ nhớ nội Người dùng cũng có thể sử dụng hai phím mũi tên để cập nhật danh sách tên tệp khác trong bộ nhớ.
Hình 3.100 Giao diện lựa chọn chế độ ghi lại dữ liệu
Giao diện HMI hiển thị khi người dùng chọn chức năng ghi dữ liệu vào cảm biến, yêu cầu nhập tên tệp và thời gian lấy mẫu Chức năng này cho phép ghi lại giá trị cảm biến từ các Node theo thời gian lấy mẫu đã định.
Hình 3.101 Giao diện cài đặt thời gian
Giao diện cài đặt thời gian cho phép người dùng điều chỉnh giờ, phút, giây, ngày, tháng và năm bằng cách sử dụng nút lên/xuống để tăng hoặc giảm giá trị.
Hình 3.102 Giao diện cài đặt đồ thị
Hình trên mô tả giao diện HMI cho người dùng lựa chọn cảm biến cần vẽ đồ thị tối đa 8 đồ thị
3.5.2 Giao diện LCD trên Node
Bảng 3.7 Các hình ảnh và mô tả cho giao diện LCD trên thiết bị Node
Hình ảnh Mô tả
Giao diện nút chọn phải
Giao diện nút chọn trái
Giao diện trang thông tin Đơn vị nhiệt độ o C Biểu tượng Bluetooth Đơn vị tốc độ m/s Đơn vị áp suất Pa
Ký tự % Đơn vị tiểu phân hạt bụi pcs/m 3 Đơn vị tiểu phân hạt bụi μg/m 3
Bảng trên trình bày hình ảnh thiết kế và mô tả cho từng ký tự Các ký tự chữ cái Latinh thông thường hiển thị qua giao diện, trong khi các ký tự đặc biệt được thiết kế và chuyển đổi thành ma trận điểm ảnh bằng phần mềm, sử dụng hai màu trắng và đen.
KẾT QUẢ
Kết quả phần cứng
Sau thời gian kiểm tra và chỉnh sửa, nhóm tác giả đã thi công được bo mạch và vỏ hộp của Gateway
Hình 4.1 Hình chụp thực tế bo mạch của Gateway góc chụp 1
Hình 4.3 Hình chụp thực tế bo mạch của Gateway góc chụp 3
Bo mạch đã hoạt động ổn định với tất cả các thiết bị ngoại vi trong thời gian dài Tuy nhiên, module nguồn và màn hình phát sinh nhiệt độ ấm, do đó cần bổ sung hệ thống tản nhiệt cho bo mạch.
Hình 4.4 Hình ảnh thực tế vị trí gắn bo mạch vào vỏ Gateway
Vị trí và kích thước của các cổng kết nối được thiết kế chính xác, giúp việc tháo lắp dây kết nối trở nên dễ dàng Tuy nhiên, việc lắp đặt bo mạch vẫn còn gặp khó khăn, và việc thay thế bo mạch chưa thực sự thuận tiện.
Hình 4.5 Hình ảnh thực tế hoàn thiện thiết bị Gateway (mặt trên)
Hình 4.6 Hình ảnh thực tế hoàn thiện thiết bị Gateway (mặt dưới)
Thiết bị hoàn thiện đã giống với thiết kế Tuy nhiên lắp đặt màn hình bị cấn, việc a Thiết bị Node đọc cảm biến chênh áp FSP1000-250-EV
Bo mạch của Node đọc cảm biến chênh áp FSP1000-250-EV sau khi thi công thành công:
Hình 4.7 Mặt trước bo mạch của Node đọc cảm biến FSP1000-250-EV sau khi hoàn thiện
Hình 4.8 Mặt sau bo mạch của Node đọc cảm biến FSP1000-250-EV sau khi hoàn thiện
Hình 4.9 Bo mạch của Node đọc cảm biến FSP1000-250-EV sau khi gắn lên nắp vỏ hộp
Bo mạch có khả năng vận hành tất cả các ngoại vi cần thiết trong thời gian dài mà không gặp phải tình trạng thiếu nguồn hoặc lỗi phần cứng Dữ liệu từ cảm biến có thể được đọc thông qua bộ ADC của ESP32.
Hình 4.10 Thiết bị Node đọc cảm biến FSP1000-250-EV sau khi hoàn thiện
Hình 4.11 Mặt trước bo mạch của Node đọc cảm biến AM1100-3-BV sau khi hoàn thiện
Hình 4.12 Mặt sau bo mạch của Node đọc cảm biến AM1100-3-BV sau khi hoàn thiện
Hình 4.13 Bo mạch của Node đọc cảm biến AM1100-3-BV sau khi gắn lên nắp vỏ hộp
Bo mạch hoạt động ổn định trong thời gian dài, đảm bảo không xảy ra tình trạng thiếu nguồn hoặc lỗi phần cứng Nó có khả năng giao tiếp với cảm biến thông qua giao thức RS-485.
Hình 4.14 Thiết bị Node đọc cảm biến AM1100-3-BV sau khi hoàn thiện
Việc tháo lắp nắp thiết bị không gặp vấn đề gì
Hình 4.15 Mặt trước bo mạch của Node đọc cảm biến PMS7003 sau khi hoàn thiện
Hình 4.16 Mặt sau bo mạch của Node đọc cảm biến FSP1000 sau khi hoàn thiện
Hình 4.17 Bo mạch của Node đọc cảm biến FSP1000 sau khi gắn lên nắp vỏ hộp
Bo mạch hoạt động ổn định, hỗ trợ tất cả các ngoại vi cần thiết mà không gặp phải tình trạng thiếu nguồn hay lỗi phần cứng Nó có khả năng giao tiếp hiệu quả với cảm biến thông qua giao thức UART.
Hình 4.18 Thiết bị Node đọc cảm biến PMS7003 sau khi hoàn thiện
Việc tháo lắp nắp thiết bị không gặp vấn đề gì Tuy nhiên, cổng kết nối với cảm biến d Node đọc cảm biến nồng độ CO 2 IRCO 2
Hình 4.19 Mặt trước bo mạch của Node đọc cảm biến IRCO2 sau khi hoàn thiện
Hình 4.20 Mặt sau bo mạch của Node đọc cảm biến IRCO2
Hình 4.21 Bo mạch của Node đọc cảm biến IRCO2 sau khi gắn lên vỏ hộp
Hình 4.22 Thiết bị Node đọc cảm biến IRCO2 sau khi hoàn thiện
Việc tháo lắp nắp thiết bị không gặp vấn đề gì e Nhận xét chung
Bo mạch của các Node hoạt động ổn định trong thời gian dài mà không gặp lỗi phần cứng Tuy nhiên, thiết kế và đi dây trên bo mạch, cùng với các mạch bảo vệ và hạn chế EMI, vẫn chưa thể kết luận do thiếu thiết bị đo khảo sát EMI.
Vỏ hộp cho các Node chưa được thử nghiệm khả năng kháng nước, và bo mạch được đặt trong hộp kín nên âm thanh thông báo từ còi không đủ lớn, có thể không nghe thấy trong môi trường ồn ào Việc tháo lắp thẻ nhớ tại Node cũng gặp khó khăn do nắp hộp cấn Hơn nữa, các vỏ hộp được gia công thủ công, không đảm bảo về thẩm mỹ và độ chính xác.
Kết quả phần mềm
Sau khi hoàn thành quá trình thực hiện, thiết bị Gateway đã đáp ứng đầy đủ các chức năng hệ thống theo yêu cầu thiết kế Bài viết này sẽ trình bày quá trình kiểm tra các chức năng thông qua giao diện màn hình HMI Mặc dù các hình ảnh được chụp trực tiếp từ giao diện HMI có xuất hiện vân sáng, nhưng vẫn có thể quan sát rõ ràng các chức năng được kiểm tra.
Chức năng thêm Node mới vào mạng Bluetooth Mesh
Hình 4.23 Giao diện HMI chức năng thêm Node vào mạng Bluetooth Mesh
Giao diện HMI cho phép người dùng chọn chức năng thêm Node tự động hoặc thêm Node thủ công bằng cách nhập địa chỉ MAC
Hình 4.24 Giao diện HMI thông tin các Node có trong mạng
Hình 4.25 Giao diện HMI chức năng xóa Node ra khỏi mạng
Giao diện màn hình HMI cho phép người dùng xóa Node khỏi mạng Bluetooth Mesh một cách dễ dàng Người dùng có thể xem danh sách các Node trên màn hình, chọn Node cần xóa và nhấn nút có biểu tượng “thùng rác” để thực hiện thao tác xóa.
Chức năng hiển thị giá trị và ghi dữ liệu vào thẻ nhớ trong Gateway
Hình 4.26 Giao diện HMI chức năng nhập thông tin để ghi lại dữ liệu
Giao diện HMI cho chức năng ghi dữ liệu yêu cầu người dùng nhập tên tệp và thời gian lấy mẫu trước khi nhấn phím Enter để thực hiện.
Hình 4.27 Giao diện HMI hiển thị giá trị dữ liệu đang được ghi vào thẻ nhớ
Giao diện HMI hiển thị giá trị cảm biến từ các Node gửi về Gateway, với trạng thái LOGGING màu xanh cho thấy chức năng ghi dữ liệu đang hoạt động.
Chức năng vẽ đồ thị
Hình 4.28 Giao diện HMI hiển thị đồ thị phần trăm độ ẩm theo thời gian
Giao diện HMI hiển thị giá trị phần trăm độ ẩm theo thời gian dưới dạng đồ thị trực quan Nhóm tác giả chỉ tập trung vào việc kiểm tra chức năng vẽ đồ thị mà chưa xem xét các yếu tố khác.
Chức năng sao chép dữ liệu
Hình 4.29 Giao diện HMI chức năng chọn tệp cần sao lưu
Giao diện HMI hiển thị danh sách các tên tệp lưu trữ trên thẻ nhớ, được ghi lại từ quá trình thu thập dữ liệu cảm biến qua các Node Người dùng có thể dễ dàng chọn các ô chứa tên tệp để thực hiện sao chép sang USB.
Chức năng xóa dữ liệu
Hình 4.30 Giao diện HMI chức năng chọn tệp cần xóa
Giao diện HMI hiển thị danh sách các tên tệp có trong thẻ nhớ, được tạo ra từ quá trình thu thập dữ liệu cảm biến qua các Node Người dùng có thể dễ dàng xóa tệp bằng cách chọn ô chứa tên tệp và nhấn phím Enter.
Hình 4.31 Giao diện chức năng cài đặt giới hạn cảnh báo nồng độ CO2
Chức năng cài đặt cảnh báo cho các thông số cảm biến, như trong hình, cho phép người dùng thiết lập giới hạn cảnh báo cho nồng độ CO2 Các cảm biến khác cũng có tính năng tương tự, giúp theo dõi và quản lý chất lượng không khí hiệu quả.
Hình 4.32 Giao diện HMI hiển thị giá trị CO2 đang cảnh báo
Khi giá trị cảm biến vượt quá giới hạn cài đặt, Gateway sẽ kích hoạt còi cảnh báo với 3 tiếng kêu và thay đổi màu chữ số hiển thị cho giá trị vượt ngưỡng Thiết bị sử dụng là cảm biến chênh áp FSP1000-250-EV.
Dữ liệu đọc từ cảm biến, IC thời gian lưu trong thẻ nhớ với chu kỳ lấy mẫu 6 giây
Bảng 4.1 Dữ liệu các thông số cảm biến FSP1000-250-EV lưu trong thẻ nhớ trên Node
DATA FILE Start time 03:21:25 -20/06/2024 Data table time D-Pressure(Pa)
Dữ liệu được thu thập từ thẻ nhớ và mở bằng phần mềm Excel nhằm kiểm tra chức năng ghi dữ liệu của thiết bị Node Thiết bị này có khả năng đọc cảm biến tốc độ gió, nhiệt độ và độ ẩm AM1100-3-BV.
Dữ liệu đọc từ cảm biến, IC thời gian lưu trong thẻ nhớ với chu kỳ lấy mẫu 6 giây
Bảng 4.2 Dữ liệu các thông số cảm biến AM1100-3-BV lưu trong thẻ nhớ trên Node
Data table time Air flow(m/s) Temperature(°C) Humidity(%)
Dữ liệu được trích xuất từ thẻ nhớ và mở bằng phần mềm Excel, nhằm kiểm tra chức năng ghi dữ liệu của thiết bị Node Thiết bị Node thực hiện việc đọc cảm biến bụi mịn PMS7003.
Dữ liệu đọc từ cảm biến, IC thời gian lưu trong thẻ nhớ với chu kỳ lấy mẫu 6 giây
Bảng 4.3 Dữ liệu các thông số cảm biến PMS7003 lưu trong thẻ nhớ trên Node
Dữ liệu được thu thập từ thẻ nhớ và mở bằng phần mềm Excel, nhằm kiểm tra chức năng ghi lại dữ liệu của thiết bị Node Thiết bị Node thực hiện việc đọc cảm biến nồng độ CO2 IRCO2.
Dữ liệu đọc từ cảm biến, IC thời gian lưu trong thẻ nhớ với chu kỳ máy mẫu 6 giây
Bảng 4.4 Dữ liệu các thông số cảm biến IRCO2 lưu trong thẻ nhớ trên Node
DATA FILE Start time 03:49:03 - 20/06/2024 Data table time CO2(%)
Dữ liệu được thu thập từ thẻ nhớ và được mở bằng phần mềm Excel, nhằm kiểm tra chức năng ghi dữ liệu của thiết bị Node.
Thực nghiệm kiểm tra độ chính xác của các thiết bị với các máy đo chuẩn
Để kiểm tra độ chính xác của kết quả đo, nhóm tác giả đã nhận được sự đồng ý từ Trung tâm Hiệu chuẩn và Thử nghiệm Vinacalib để mượn thiết bị đo Nhóm tiến hành đo và so sánh độ chính xác giữa sản phẩm của đề tài và các thiết bị đo đạt chuẩn Cách sử dụng thiết bị đo đã được trình bày trong phần cơ sở lý thuyết.
Do một số sản phẩm chưa có vỏ hộp khi hẹn với trung tâm, nhóm tác giả đã quyết định sử dụng nguồn 24V để đảm bảo an toàn trong quá trình thử nghiệm, mặc dù bo mạch được thiết kế để sử dụng cả 24V và 220V.
4.3.1 Kết quả đo giữa cảm biến IRCO 2 với máy đo nồng độ Oxygen và CO 2 Quantek Model 902D a Phương pháp thực nghiệm
Nhóm tác giả đã tiến hành thử nghiệm cảm biến và máy chuẩn trong một buồng kín bằng cách bơm khí CO2 vào và xả dần cho đến khi đạt đến ngưỡng tối thiểu gây chết người Sau khi ổn định, nhóm đã ghi lại giá trị đo được giữa thiết bị chuẩn và sản phẩm nghiên cứu Tuy nhiên, nhóm tác giả không thể thực hiện thử nghiệm như dự kiến.
1 điểm nhiều lần vì không thể điều khiển chính xác lượng CO2 trong buồng
Hình 4.33 Quá trình đo kiểm tra độ chính xác của cảm biến IRCO2 với máy
Quantek Model 902D b Kết quả thực nghiệm
Bảng 4.5 Kết quả đo nồng độ CO2 giữa cảm biến IRCO2 với máy đo nồng độ Oxygen và
Lần đo IRCO 2 (%) Quantek Model 902D (%)
Bảng dữ liệu cho thấy rằng khi nồng độ CO2 tăng, độ sai số cũng gia tăng Nhóm tác giả đã hiệu chỉnh giá trị đọc của cảm biến tại nồng độ CO2, với mức hiệu chỉnh là 17% Tuy nhiên, giá trị hiệu chỉnh này chỉ áp dụng cho các nồng độ thấp, từ 0 đến 17%.
4.3.2 Kết quả đo giữa cảm biến tốc độ gió AM1100-3-BV với buồng tạo gió
OMEGA Engineering WT4401-D a Phương pháp thực nghiệm
Nhóm tác giả đã tiến hành lắp đặt cảm biến vào buồng tạo gió và điều chỉnh tốc độ gió dựa trên độ chênh lệch áp suất theo bảng giá trị đã được đề cập trong cơ sở lý thuyết Kết quả thực nghiệm cho thấy sự tương quan giữa tốc độ gió và áp suất.
Kết quả đo từ cảm biến gió được so sánh với tốc độ gió đã được cài đặt trong buồng Nhóm tác giả đã hiệu chỉnh giá trị đọc của cảm biến tại tốc độ gió 1.5m/s để đảm bảo độ chính xác.
Bảng 4.6 Bảng giá trị trung bình của cảm biến và giá trị cài đặt của máy WT4401-D
Hình 4.35 Đồ thị tốc độ gió của cảm biến theo thời gian
Cảm biến WT4401-D đo tốc độ với độ chính xác khác nhau: đối với tốc độ lớn hơn 1m/s, sai số chỉ từ 1 đến 2%, trong khi đó, tốc độ nhỏ hơn 1m/s có sai số từ 6 đến 10% Giá trị cảm biến hiện tại còn dao động nhiều, do đó cần bổ sung bộ lọc để ổn định dữ liệu.
4.3.3 Kết quả đo giữa cảm biến chênh áp FPS1000-250EV-B với đồng hồ đo chênh áp KIMO DBM-610 a Phương pháp thực nghiệm Để khảo sát độ chênh áp, nhóm tác giả dùng buồng tạo gió Omega Engineering WT4401-S để tạo ra sự chênh lệch áp giữa buồng và môi trường Tiếp theo dùng máy KIMO DBM-610 để đo sự chênh áp này lấy giá trị chuẩn, sau đó là thay bằng cảm biến để so sánh với kết quả trước đó của KIMO DBM-610
Hình 4.36 Thiết bị DBM-610 lấy mẫu giá trị chênh áp
Hình 4.37 Cảm biến đọc giá trị chênh áp
Hình 4.27 và hình 4.28 mô tả quá trình đo thử nghiệm giữa kết quả trên sản phẩm của đề tài và của máy DBM-610 b Kết quả thực nghiệm
Kết quả đo từ cảm biến chênh áp được so sánh với áp suất đọc từ máy KIMO DBM-610 Nhóm tác giả đã hiệu chỉnh giá trị đọc của cảm biến tại mức chênh áp 102.4Pa.
Bảng 4.7 Giá trị trung bình của cảm biến và giá trị cài đặt của máy DBM-610
KIMO DBM-610 Chênh áp (Pa)
Hình 4.38 Độ chênh áp được đo bởi máy đo DBM-610 và cảm biến FS1000 theo thời gian
Giá trị đọc từ cảm biến có sai số từ 4% đến 13% so với giá trị từ DBM-610, cho thấy sự không chính xác ở các điểm đo xa điểm hiệu chuẩn Cảm biến chỉ hoạt động tuyến tính trong khoảng gần giá trị hiệu chuẩn.
4.3.4 Kết quả đo giữa cảm biến nhiệt độ, độ ẩm AM1100-3-BV với tủ vi khí hậu
Hình 4.39 Theo dõi nhiệt độ và độ ẩm giữa cảm biến và tủ vi khí hậu
Hình 4.40 Vị trí đặt cảm biến trong tủ vi khí hậu b Kết quả thực nghiệm
Kết quả đo nhiệt độ và độ ẩm của cảm biến được so sánh với giá trị cài đặt cho tủ vi khí hậu Nhóm tác giả đã thực hiện hiệu chỉnh cảm biến với giá trị nhiệt độ 25 oC và độ ẩm ở mức %RH.
Bảng 4.8 Giá trị trung bình của nhiệt độ cảm biến và giá trị cài đặt của máy ICH110
Hình 4.41 Biểu đồ thời nhiệt độ của cảm biến theo thời gian
Giá trị nhiệt độ đọc từ cảm biến có sai số từ 0.03 đến 0.06% so với giá trị cài đặt trong tủ vi khí hậu Tuy nhiên, do số lượng mẫu còn hạn chế và thời gian cần thiết để tủ đạt nhiệt độ yêu cầu từ 15 đến 30 phút, nên chưa thể đưa ra kết luận chính xác về độ chính xác của cảm biến.
Bảng giá trị trung bình của độ ẩm cảm biến và giá trị cài đặt của máy ICH110
Lần đo AM1100-3-BV Độ ẩm (% RH)
Memmert ICH110 Độ ẩm (% RH)
Hình 4.42 Biểu đồ thời độ ẩm của cảm biến theo thời gian
Theo bảng và đồ thị, độ ẩm cảm biến có sai số 0.03% so với giá trị cài đặt trong tủ vi khí hậu, nhưng giá trị này dao động liên tục với biên độ ±1%RH quanh điểm cài đặt Số lượng mẫu hiện tại còn hạn chế do thời gian tủ cần để đạt độ ẩm yêu cầu từ 15 đến 30 phút, vì vậy chưa thể đưa ra kết luận chính xác về hiệu suất của cảm biến.
4.3.5 Kết quả đo giữa cảm biến đếm hạt bụi mịn PMS7003 với máy đếm tiểu phân
CLIMET CI-450t a Phương pháp thực nghiệm
Nhóm tác giả đặt phễu lấy mẫu của CI-450t và của thiết bị gần nhau, đồng thời cách mặt đất 1m để lấy lượng bụi lơ lửng trong không khí
Hình 4.43 Lấy mẫu bụi mịn giữa thiết bị CI-450t và cảm biến PMS7003 b Kết quả thực nghiệm
Kết quả đo số lượng hạt bụi của cảm biến, so sánh với thiết bị CI-450t Nhóm tác àm 0.1L 50L (PCS) 50L
Khi so sánh kết quả đo lường với hệ số nhân 500 lần, chỉ có giá trị số lượng hạt bụi lớn hơn 0.5µm gần xấp xỉ với mốc chuẩn, tuy nhiên độ giao động tăng cao do bị khếch đại Các giá trị khác sai lệch quá lớn, không thể áp dụng được Do đó, cảm biến PMS7003 không phù hợp cho việc đo lường và kiểm soát trong phòng sạch.
Cảm biến đo nồng độ CO2 IRCO2, cảm biến tốc độ gió, nhiệt độ và độ ẩm AM1100, cùng với cảm biến chênh áp FSP1000, đều có khả năng ứng dụng hiệu quả trong phòng sạch với độ sai số nhỏ so với các thiết bị chuẩn đã được so sánh Tuy nhiên, độ tin cậy của các giá trị đo được chỉ đảm bảo trong một khoảng nhất định xung quanh điểm hiệu chỉnh; các giá trị nằm quá xa điểm hiệu chuẩn sẽ dẫn đến sai số lớn.
Thực nghiệm kiểm tra độ ổn định của hệ thống
Nhóm tác giả đã tiến hành thử nghiệm khoảng cách truyền thẳng không có vật cản giữa Gateway và Node tại hành lang tầng 3 của tòa E, thuộc Viện Sư phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
Trong quá trình thử nghiệm, việc xử lý số lượng lỗi trong truyền nhận giữa Gateway và Node được thực hiện bằng cách ghi giá trị “fail” vào thẻ nhớ khi Gateway yêu cầu dữ liệu từ Node nhưng không nhận được phản hồi Để phân tích dữ liệu, nhóm tác giả sử dụng công thức Excel: =IF(A1 = “fail”, 10000, A1), giúp hiển thị đồ thị khi có giá trị lỗi xuất hiện.
4.5.1 Thực nghiệm khoảng cách truyền sóng của thiết bị trong môi trường không vật cản a Phương pháp thực nghiệm Đầu tiên, để kiểm chứng khả năng truyền sóng của công nghệ BLE trong mạng Bluetooth Mesh nhóm tác giả thực hiện kiểm chứng bằng cách sử dụng 2 thiết bị gồm thiết bị Gateway gửi yêu cầu đến thiết bị Node A, thiết bị Node A gửi phản hồi về yêu cầu từ Gateway Sau đó, nhóm tác giả tăng dần khoảng cách 2 thiết bị để tìm ra khoảng cách tối đa mà 2 thiết bị còn có thể giao tiếp với nhau
Hình 4.48 Phương pháp kiểm chứng khoảng cách giao tiếp giữa 2 thiết bị trong mạng Bluetooth Mesh. b Kết quả thực nghiệm
Dưới đây là một phần hành lang của Viện, cách bố trí và kết quả theo dõi
Hình 4.49 Sơ đồ bố trí Gateway và Node khi thử nghiệm không có có vật cản
Khoảng cách truyền nhận tối đa đạt khoảng 40m, tương đương với 100 ô gạch hành lang có kích thước 40x40mm Thời gian thử nghiệm kéo dài trong 30 phút, và dưới đây là dữ liệu thu thập được.
Hình 4.50 Đồ thị dữ liệu Gateway thu thập từ Node cách 40m không có vật cản
Theo đồ thị hiện tại, giao tiếp giữa Gateway và Node hoạt động hiệu quả ở khoảng cách 40m trong 30 phút khi không có vật cản Kết quả này đạt được khi không có thiết bị điện hoặc vật cản nào giữa Gateway và Node.
4.5.2 Thực nghiệm khoảng cách truyền sóng của thiết bị trong môi trường có vật cản a Phương pháp thực nghiệm Đặt Gateway và thiết bị Node cách nhau một bức tường mà có góc khuất vuông Tiếng hành thử nghiệm theo dõi mỗi vị trí 30 phút tìm khoảng cách mà sóng có thể truyền tới nếu bị cản
Hình 4.51 Sơ đồ bố trí Gateway và 1 Node khi thực nghiệm truyền nhận dữ liệu trong môi trường có vật cản b Kết quả thực nghiệm
Sau khi thử nghiệm, nhóm tìm được vị trí giữa Gateway và Node mà dữ liệu nhận được hoàn chỉnh, tỉ lệ lỗi 0.5% với khoảng cách xấp xỉ 6m
Trong nghiên cứu này, 2000 hạt bụi được thu thập từ Node ở khoảng cách 6.0m thông qua đồ thị dữ liệu Gateway Kết quả cho thấy có sự hiện diện của các hạt với kích thước khác nhau: hạt >0.3µm, hạt >0.5µm, hạt >1.0µm, hạt >2.0µm, hạt >5.0µm và hạt >10.0µm Tuy nhiên, trong quá trình thu thập dữ liệu, đã xảy ra lỗi truyền nhận, cụ thể là có 2 yêu cầu lấy dữ liệu thất bại trên tổng số 374 lần.
4.5.3 Thực nghiệm khoảng cách truyền sóng của hệ thống trong môi trường có vật cản a Phương pháp thực nghiệm
Nhóm tác giả đã sắp xếp các Node xung quanh Gateway để kiểm tra trong các trường hợp có và không có vật cản Hệ thống hoạt động hiệu quả và thu thập dữ liệu với thời gian lấy mẫu của Gateway là 5 giây.
Hình 4.53 Sơ đồ bố trí Gateway và 4 Node khi thực nghiệm truyền nhận dữ liệu trong môi trường có vật cản
Các Node được phân bổ các vị trí có tường chắn, chỉ có Node IRCO2 được đặt chung phòng với Gateway b Kết quả thực nghiệm
Kết quả lần đầu cho thấy, sau 7 giờ theo dõi hệ thống (từ 0:15 đến 7:34), Gateway đã thu thập dữ liệu từ 4 Node cảm biến với thời gian lấy mẫu là 5 giây.
Trong đồ thị dữ liệu Gateway (Hình 4.54), việc thu thập dữ liệu từ Node đọc cảm biến IRCO2 lần đầu cho thấy một lỗi giao tiếp xảy ra trong 5242 mẫu, với khoảng cách hơn 4m không có vật cản Tỉ lệ lỗi giao tiếp ghi nhận là 0.02%.
Nồng độ CO2 ( %) thời gian Đồ thị dữ liệu Gateway thu thập từ Node đọc cảm biến IRCO2
Giá trị từ cảm biến
Thời gian Đồ thị dữ liệu Gateway thu thập từ Node đọc cảm biến AM1100
Tốc độ gió (m/s) Nhiệt độ (ºC) Độ ẩm (%RH)
Đồ thị dữ liệu từ Gateway hiển thị thông tin thu thập lần đầu từ Node đọc cảm biến PMS7003 Node cảm biến chênh áp được đặt cách Gateway khoảng 6m, nằm cạnh góc tường làm từ gạch, với tỷ lệ lỗi tại Node này là 0%.
Đồ thị dữ liệu từ Gateway ghi nhận lần đọc cảm biến FPS1000 cho thấy rằng Node đọc cảm biến chênh áp, được đặt cách Gateway khoảng 6m và gần góc tường gạch, chỉ gặp 4 lỗi trong tổng số 5242 mẫu, tương ứng với tỷ lệ lỗi chỉ 0,08%.
Kết quả lần 2 cho thấy, sau 17 giờ theo dõi (từ 0:00 đến 17:36), hệ thống Gateway đã thu thập dữ liệu từ 4 Node cảm biến với thời gian lấy mẫu là 5 giây.
Thời gian Đồ thị dữ liệu Gateway thu thập từ Node đọc cảm biến
PMS7003 hạt >0.3àm hạt >0.5àm hạt >1.0àm hạt >2.0àm hạt >5.0àm hạt >10.0àm
Thời gian Chênh áp (Pa)
Hình 4.58 Đồ thị dữ liệu Gateway thu thập dữ liệu từ Node đọc cảm biến IRCO2 lần 2
Với vị trí cũ, giống lần 1, số lần lỗi truyền nhận giữa Gateway và Node IRCO2 là 4 lần trên 12580 mẫu Tỉ lệ lỗi là 0.03% khá tương đồng với lần 1
Nồng độ CO2 ( %) thời gian Đồ thị dữ liệu Gateway thu thập từ Node đọc cảm biến IRCO2
Giá trị từ cảm b iến Đồ thị dữ liệu Gateway thu thập từ Node đọc cảm biến
Hình 4.60 Đồ thị dữ liệu Gateway thu thập từ Node đọc cảm biến PMS7003 lần 2
Với vị trí cũ, giống lần 1, số lần lỗi truyền nhận giữa Gateway và Node PMS7003 là 0 lần trên 12580 mẫu Tương đồng với lần 1
Hình 4.61 Đồ thị dữ liệu Gateway thu thập từ Node đọc cảm biến FPS1000 lần 2
Thời gian Đồ thị dữ liệu Gateway thu thập từ Node đọc cảm biến PMS7003 hạt >0.3àm hạt >0.5àm hạt >1.0àm hạt >2.0àm hạt >5.0àm hạt >10.0àm
Thời gian Đồ thị dữ liệu Gateway thu thập từ Node đọc cảm biến FSP1000
Với vị trí cũ, giống lần 1, số lần lỗi truyền nhận giữa Gateway và Node FPS1000 là
5 lần trên 12580 mẫu Tỉ lệ lỗi là 0.04%
Trong hai lần thử nghiệm độ ổn định kéo dài 7 giờ và 17 giờ, tỷ lệ nhận gói tin lỗi ghi nhận là 0.08%, cho thấy tỷ lệ nhận gói tin thành công đạt hơn 99.92%.
Giao tiếp giữa Gateway và các Node có thể gặp lỗi ngay cả khi không có vật cản trong quá trình vận hành kéo dài Do đó, cần thiết phải bổ sung cơ chế gửi lại lệnh khi nhận được kết quả bị lỗi.