Đồ án tốt nghiệp Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Thiết kế và thi công hệ thống Iot giám sát, cảnh báo và thu nhập dữ liệu phòng sạch ứng dụng công nghệ mạng bluetooth mesh

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

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI SVTH: PHẠM MINH TÂN

NGUYỄN TRUNG THẢO

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG IoT GIÁM SÁT, CẢNH BÁO VÀ THU NHẬP DỮ LIỆU PHÒNG SẠCH ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MẠNG BLUETOOTH MESH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

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

GVHD: TS Nguyễn Văn Thái

Phạm Minh Tân 20151211 Nguyễn Trung Thảo 20151564

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2024

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thái

Họ và tên sinh viên 1: Phạm Minh Tân MSSV: 20151211 Lớp: 201513A

Họ và tên sinh viên 2: Nguyễn Trung Thảo MSSV: 20151564 Lớp: 201511B Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa

Hệ đào tạo: Đại học chính quy Khóa: 2020 Nội dung nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp:

1 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

2 Các nội dung sẽ được thực hiện trong đề tài:

− Thiết kế phần cứng và phần mềm cho hệ thống giám sát, cảnh báo và thu thập

dữ liệu môi trường phòng sạch với các thông số: nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió, nồng độ CO2, số lượng hạt bụi mịn và độ chênh lệch áp suất

− Thiết kế giao diện màn hình HMI

− Lựa chọn hoặc thiết kế vỏ hộp cho các sản phẩm của đề tài

− Thực nghiệm và hiệu chỉnh sản phẩm của đề tài

3 Ngày giao đồ án: 01/02/2024

4 Ngày nộp đồ án: 21/06/2024

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

KẾ HOẠCH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên 1: Phạm Minh Tân MSSV: 20151211 Lớp: 201513A

Họ và tên sinh viên 2: Nguyễn Trung Thảo MSSV: 20151564 Lớp: 201511B Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa

Hệ đào tạo: Đại học chính quy Khóa: 2020 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

− Tìm hiểu vi điều khiển ESP32 và ESP32-S3

− Tìm hiểu các chuẩn giao tiếp

− Tìm hiểu về các thông số trong phòng sạch và các cảm biến đo các thông số đó

− Tìm hiểu cách lấy giá trị từ các cảm biến với vi điều khiển ESP32

3 Tuần 3

(28/2 - 5/3) − Thiết kế và thi công vỏ hộp cho Gateway

4 Tuần 4 và 5

(6/3 - 19/3)

− tạo sơ đồ nguyên lý, và thiết kế bo mạch

− Thiết kế giao diện cho HMI

(3/4 - 9/4) − Tìm hiểu các thư viện Bluetooth Mesh cho

− Thi công bo mạch và chỉnh sửa các lỗi phần cứng

− Đánh giá kết quả thực hiện và viết luận văn

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2024

Xác nhận của giảng viên hướng dẫn

(ký ghi rõ họ và tên)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Họ và tên sinh viên 1: Phạm Minh Tân MSSV: 20151211 Lớp: 201513A

Họ và tên sinh viên 2: Nguyễn Trung Thảo MSSV: 20151564 Lớp: 201511B Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa

Hệ đào tạo: Đại học chính quy Khóa: 2020 Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thái

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

1 Về nội dung đề tài và khối lượng công việc thực hiện

Hoàn thành các nội dung đặt ra của đề tài, cụ thể:

− Thiết kế được phần cứng gồm 4 thiết bị Node cảm biến và 1 thiết bị Gateway

− Ứng dụng được công nghệ mạng Bluetooth Mesh vào thu thập dữ liệu cảm biến

− Thiết kế giao diện màn hình HMI trực quan dễ sử dụng để thực hiện các chức năng giám sát, cảnh báo và thu thập dữ liệu

2 Ưu điểm

Đề tài thực hiện nhiều thực nghiệm và có sự so sánh kết quả đo của cảm biến sử dụng trong đề tài với thiết bị có độ tin cậy cao

3 Khuyết điểm

Chưa có kết nối Internet để giám sát, cảnh báo và thu thập dữ liệu từ xa

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không: Đồng ý cho bảo vệ

5 Đánh giá loại: Giỏi

6 Điểm ……… Bằng chữ ………

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 21 tháng 6 năm 2024

Xác nhận của giảng viên hướng dẫn

(Ký và ghi rõ họ và tên)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

PHIẾU NHẬN XÉT PHẢN BIỆN

Họ và tên sinh viên 1: Phạm Minh Tân MSSV: 20151211 Lớp: 201513A

Họ và tên sinh viên 2: Nguyễn Trung Thảo MSSV: 20151564 Lớp: 201511B 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

Giảng viên Phản biện : PGS.TS Lê Mỹ Hà

Ý KIẾN NHẬN XÉT

1 Nhận xét chung về nội dung đề tài

2 Ý kiến kết luận (ghi rõ nội dung cần bổ sung, hiệu chỉnh)

Đề nghị: Được bảo vệ:  Bổ sung để được bảo vệ:  Không được bảo vệ: 

3 Câu hỏi phản biện (Giảng viên không cho SV biết trước)

LỜI CAM ĐOAN

Nhóm tác giả xin cam kết đề tài này là do nhóm tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó, cùng với sự hỗ trợ giúp đỡ từ Thầy – Tiến sĩ Nguyễn Văn Thái và không sao chép

từ tài liệu hay công trình nghiên cứu đã có trước đó

Sinh viên thực hiện 1

LỜI CẢM ƠN

Nhóm tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy – Tiến sĩ Nguyễn Văn Thái, giảng viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh và cũng là chủ nhiệm phòng nghiên cứu 3DVisionLab Thầy đã tận tình hướng dẫn và hỗ trợ nhóm trong suốt quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp này Nhờ vào sự giúp đỡ nhiệt thành của Thầy, nhóm không chỉ nhận được sự tài trợ cần thiết mà còn được gợi ý nhiều ý tưởng sáng tạo

để định hướng và giải quyết các khó khăn trong quá trình nghiên cứu

DỰ ÁN NGHIÊN CỨU NÀY ĐƯỢC ĐẦU TƯ VÀ TÀI TRỢ BỞI CÔNG TY LABone SCIENTIFIC VÀ CÔNG TY IoTVision

Nhóm tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến Công ty LABone SCIENTIFIC

và Công ty IoTVision đã đồng hành và tài trợ vật tư, máy móc cùng các trang thiết bị cần thiết cho đề tài

Nhóm tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Trung tâm Hiệu Chuẩn và Thử Nghiệm Vinacalib đã hỗ trợ nhóm kiểm tra kết quả đo giữa sản phẩm của đề tài với các thiết bị đạt tiêu chuẩn

Nhóm tác giả xin chân thành cảm ơn tập thể các thành viên trong phòng nghiên cứu 3DVisionLab đã hỗ trợ nhóm trong quá trình thực hiện đồ án

Nhóm tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến các thầy, cô giảng viên Khoa Điện – Điện tử, đặc biệt là các thầy, cô trong Bộ môn Tự Động Điều Khiển Nhờ sự giảng dạy tận tâm và chỉ bảo của quý thầy, cô từ đó chúng em đã tiếp thu được từ những kiến thức cơ sở đến kiến thức chuyên ngành, tạo nên hành trang vững chắc để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này

Chúng con xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Ba Mẹ và gia đình đã hỗ trợ kinh phí

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ viii

DANH MỤC BẢNG xvii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xix

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 2

1.3 Phương pháp nghiên cứu 2

1.4 Giới hạn của đề tài 2

1.5 Đối tượng nghiên cứu 3

1.6 Nội dung nghiên cứu 3

1.7 Bố cục quyển báo cáo 4

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

2.1 Tổng quan về phòng sạch 5

2.2 Tổng quan về hệ thống IoT 6

2.3 Công nghệ mạng Bluetooth Mesh 6

2.3.1 Cơ sở lý thuyết về công nghệ Bluetooth 6

2.3.2 Cơ sở lý thuyết về công nghệ mạng Bluetooth Mesh 7

2.3.3 Cấu trúc một mạng Bluetooth Mesh 7

2.3.4 Các thành phần trong một Node của mạng Bluetooth Mesh 9

2.3.6 Cấu trúc gói tin trong mạng Bluetooth Mesh 11

2.3.7 Quá trình thêm Node mới vào mạng Bluetooth Mesh 13

2.3.8 Quá trình xóa Node ra khỏi mạng Bluetooth Mesh 14

2.4 Các chuẩn giao tiếp 14

2.4.1 Cơ sở lý thuyết về chuẩn giao tiếp UART 14

2.4.2 Cơ sở lý thuyết về chuẩn giao tiếp RS-232 16

2.4.3 Cơ sở lý thuyết về chuẩn giao tiếp RS-485 18

2.4.4 Cơ sở lý thuyết về chuẩn giao tiếp I2C 21

2.4.5 Cơ sở lý thuyết về chuẩn giao tiếp SPI 24

2.4.6 Cơ sở lý thuyết về chuẩn giao tiếp SDIO 27

2.4.7 Cơ sở lý thuyết về chuẩn giao tiếp USB 32

2.5 Giới thiệu phần cứng 34

2.5.1 Mạch lọc EMI 34

2.5.2 IC truyền nhận RS-232 MAX3232 36

2.5.3 IC truyền nhận RS-485 MAX3485 37

2.5.4 IC thời gian thực DS3231 37

2.5.5 IC thời gian thực PCF8563 38

2.5.6 Màn hình LCD SSD1306 38

2.5.7 Màn hình DWIN DMG10600T101_A5WTC 39

2.5.8 Vi điều khiển ESP32 và ESP32-S3 40

2.6.2 Cảm biến gió, nhiệt độ và độ ẩm AM1100 44

2.6.3 Cảm biến bụi mịn PMS7003 45

2.6.4 Cảm biến IRCO2 46

2.7 Các phần mềm và khung phần mềm (FRAMEWORK) 46

2.7.1 KICAD 46

2.7.2 DWIN DGUS 47

2.7.3 SOLIDWORKS 48

2.7.4 ESP-IDF (ESPRESSIF IoT DEVELOPMENT FRAMEWORK) 48

2.7.5 FreeRTOS trên ESP32 48

2.7.6 ESP-BLE-MESH 48

2.7.7 Espressif IDE 49

2.8 Thiết bị đo chuẩn 49

2.8.1 Buồng tạo gió OMEGA Engineering WT4401-D 49

2.8.2 Máy đo lưu lượng không khí KIMO DBM-610 52

2.8.3 Tủ vi khí hậu Memmert ICH110 54

2.8.4 Máy nồng độ Oxygen và CO2 Quantek Model 902D DualTrack 54

2.8.5 Máy đếm hạt tiểu phân CliMET CI-450t 55

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 56

3.1 Yêu cầu hệ thống 56

3.2 Mô hình hệ thống 56

3.3 Thiết kế phần cứng 57

3.3.1 Chức năng phần cứng 57

3.3.2 Sơ đồ khối phần cứng 58

3.3.3 Phần cứng Gateway 61

3.4 Thiết kế phần mềm 98

3.4.1 Phần mềm trên Gateway 98

3.4.2 Phần mềm trên Node 110

3.5 Thiết kế giao diện người dùng 120

3.5.1 Giao diện HMI trên Gateway 120

3.5.2 Giao diện LCD trên Node 126

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ 128

4.1 Kết quả phần cứng 128

4.1.1 Thiết bị Gateway 128

4.1.2 Thiết bị Node 130

4.2 Kết quả phần mềm 139

4.2.1 Thiết bị Gateway 139

4.2.2 Thiết bị Node 144

4.3 Thực nghiệm kiểm tra độ chính xác của các thiết bị với các máy đo chuẩn 147

4.3.1 Kết quả đo giữa cảm biến IRCO2 với máy đo nồng độ Oxygen và CO2 Quantek Model 902D 147

4.3.2 Kết quả đo giữa cảm biến tốc độ gió AM1100-3-BV với buồng tạo gió OMEGA Engineering WT4401-D 148

4.3.3 Kết quả đo giữa cảm biến chênh áp FPS1000-250EV-B với đồng hồ đo chênh áp KIMO DBM-610 150

4.5 Thực nghiệm kiểm tra độ ổn định của hệ thống 159

4.5.1 Thực nghiệm khoảng cách truyền sóng của thiết bị trong môi trường không vật cản 160

4.5.2 Thực nghiệm khoảng cách truyền sóng của thiết bị trong môi trường có vật cản 162

4.5.3 Thực nghiệm khoảng cách truyền sóng của hệ thống trong môi trường có vật cản 163

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 169

5.1 Kết luận 169

5.1.1 Kết quả đạt được 169

5.1.2 Hạn chế của đề tài 169

5.2 Hướng phát triển 169

TÀI LIỆU THAM KHẢO 171

DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ

Hình 2.1 Cấu trúc liên kết của một mạng Bluetooth Mesh 7

Hình 2.2 Các thành phần trong một Node 9

Hình 2.3 Cấu trúc của một Network PDU 11

Hình 2.4 Sơ đồ nối dây giao tiếp UART 15

Hình 2.5 Cấu trúc khung truyền dữ liệu UART 15

Hình 2.6 Dạng sóng truyền nhận dữ liệu chuẩn UART 16

Hình 2.7 Sơ đồ nối dây giữa 2 thiết bị giao tiếp RS-232 17

Hình 2.8 Dạng sóng và mức điện áp Logic giữa TTL/CMOS và RS-232 trên máy tính 18

Hình 2.9 Sơ đồ nối dây của chế độ truyền đơn công 19

Hình 2.10 Sơ đồ nối dây của chế độ truyền song công 19

Hình 2.11 Hình ảnh mô tả triệt tiêu nhiễu khi qua bộ vi sai 20

Hình 2.12 Dạng sóng trên cặp dây A-B và mức Logic tương ứng 20

Hình 2.13 Hệ thống các thiết bị giao tiếp theo chuẩn I2C 21

Hình 2.14 Cấu tạo phần cứng của chuẩn I2C 22

Hình 2.15 Lựa chọn giá trị điện trở kéo lên theo tốc độ giao tiếp 22

Hình 2.16 Cấu trúc khung truyền dữ liệu I2C 23

Hình 2.17 Dạng sóng truyền nhận dữ liệu chuẩn I2C 23

Hình 2.18 Sơ đồ nối dây đơn giản giữa thiết bị chủ và thiết bị tớ 25

Hình 2.23 Mô tả truyền nhận dữ liệu lệnh và phản hồi trong SDIO 28

Hình 2.24 Khung truyền dữ liệu của lệnh gửi từ thiết bị chủ trong SDIO 29

Hình 2.25 Khung truyền dữ liệu của phản hồi gửi từ thiết bị tớ trong SDIO 29

Hình 2.26 Quá trình đọc dữ liệu từ thiết bị tớ trong SDIO 30

Hình 2.27 Quá trình ghi dữ liệu vào thiết bị tớ trong SDIO 30

Hình 2.28 Truyền nhận dữ liệu theo từng byte 31

Hình 2.29 Truyền nhận dữ liệu theo chuỗi dài các bit 31

Hình 2.30 Sơ đồ kết nối dây của USB 32

Hình 2.31 Mô tả cách xác định tính hiệu nhận được là 0 hay 1 33

Hình 2.32 Khung truyền bảng tin thông báo 33

Hình 2.33 Khung truyền bảng tin dữ liệu 34

Hình 2.34 Khùng truyền bảng tin bắt tay 34

Hình 2.35 Khung truyền bảng tin bắt đầu khung truyền 34

Hình 2.36 Mô dòng hiệu nhiễu different mode và cách loại bỏ 35

Hình 2.37 Mô tả dòng điện nhiễu common mode và cách loại bỏ 36

Hình 2.38 Sơ đồ nguyên lý mạch lọc EMI 36

Hình 2.39 Thanh công cụ cung cấp các tính năng tạo giao diện trên DWIN DGUS 47

Hình 2.40 Các nút nhận sự kiện được tạo với phần mềm DWIN DGUS 47

Hình 2.41 Vị trí theo dõi chênh lệch áp suất tạo ra gió 49

Hình 2.42 Các mặt cản không khí 50

Hình 2.43 Vị trí lắp các mặt cản không khí 50

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 51

Hình 2.45 Mặt trước bộ đo các thông số trong buồng tạo gió 52

Hình 2.46 Mặt trước của thiết bị KIMO DBM-610 53

Hình 2.47 Mặt sau của thiết bị KIMO DBM-610 53

Hình 2.48 Hình ảnh thiết bị Quantek Model 902D DualTrack 55

Hình 3.1 Tổng quan mô hình hệ thống 56

Hình 3.2 Sơ đồ khối tổng quan phần cứng cho Gateway 59

Hình 3.3 Sơ đồ khối phần cứng chung của Node 60

Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý vi điều khiển ESP32-S3 của Gateway 62

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý khối thông báo của Gateway 64

Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị của Gateway 64

Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý khối thời gian thực của Gateway 65

Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý khối thẻ nhớ của Gateway 65

Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý khối USB của Gateway 66

Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi điện xoay chiều thành một chiều của Gateway 66

Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lý mạch hạ áp của Gateway 67

Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý mạch hạ áp tuyến tính của Gateway 68

Hình 3.13 Mặt trên bo mạch Gateway 68

Hình 3.14 Mặt dưới bo mạch Gateway 69

Hình 3.15 Các đường mạch của Gateway 69

Hình 3.16 Hình ảnh 3D mặt trên của Gateway 70

Hình 3.22 Mô hình 3D vị trí các cổng kết nối của Gateway 72

Hình 3.23 Mô hình 3D vị trí đặt bo mạch của Gateway 73

Hình 3.24 Mô hình 3D phần khung vỏ của Gateway 73

Hình 3.25 Bản vẽ 2D Chi tiết số 1 của hộp Gateway 74

Hình 3.26 Bản vẽ 2D Chi tiết số 2 của hộp Gateway 74

Hình 3.27 Bản vẽ 2D Chi tiết số 3 của hộp Gateway 75

Hình 3.28 Bản vẽ 2D Chi tiết số 4 của hộp Gateway 75

Hình 3.29 Sơ đồ nguyên lý khối ESP32 của Node 76

Hình 3.30 Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị của Node 78

Hình 3.31 Sơ đồ nguyên lý khối thời gian thực của Node 79

Hình 3.32 Sơ đồ nguyên lý khối thẻ nhớ của Node 79

Hình 3.33 Sơ đồ nguyên lý khối thông báo của Node 80

Hình 3.34 Sơ đồ nguyên lý khối đọc cảm biến gió, nhiệt độ và độ ẩm AM1100-3-BV 80

Hình 3.35 Sơ đồ nguyên lý mạch đọc cảm biến nồng độ CO2 IRCO2 81

Hình 3.36 Sơ đồ nguyên lý mạch đọc cảm biến bụi mịn PMS7003 81

Hình 3.37 Sơ đồ nguyên lý mạch đọc cảm biến chênh áp FSP1000 82

Hình 3.38 Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi AC-DC của Node 82

Hình 3.39 Sơ đồ nguyên lý mạch hạ áp của Node 83

Hình 3.40 Sơ đồ nguyên lý mạch hạ áp tuyến tính của Node 84

Hình 3.41 Mặt trên của bo Node đọc cảm biến gió, nhiệt độ và độ ẩm AM1100-3-BV 85

Hình 3.42 Mặt dưới của bo Node đọc cảm biến gió, nhiệt độ và độ ẩm AM1100-3-BV 85

Hình 3.43 Các đường mạch của Node đọc cảm biến gió, nhiệt độ và độ ẩm

Hình 3.44 Hình ảnh 3D mặt trên của Node đọc cảm biến gió, nhiệt độ và áp

suất AM1100-3-BV 86

Hình 3.45 Hình ảnh 3D mặt dưới của Node đọc cảm biến gió, nhiệt độ và độ ẩm AM1100-3-BV 87

Hình 3.46 Hình ảnh 3D góc nhìn khác của Node đọc cảm biến AM1100-3-BV 87

Hình 3.47 Mặt trên của bo Node đọc cảm biến nồng độ CO2 IRCO2 88

Hình 3.48 Mặt dưới bo Node đọc cảm biến nồng độ CO2 IRCO2 88

Hình 3.49 Các đường mạch bo Node đọc cảm biến nồng độ CO2 IRCO2 89

Hình 3.50 Hình ảnh 3D mặt trên bo Node đọc cảm biến nồng độ CO2 IRCO2 89

Hình 3.51 Hình ảnh 3D mặt dưới bo Node đọc cảm biến nồng độ CO2 IRCO2 90

Hình 3.52 Hình ảnh 3D góc nhìn khác của Node đọc cảm biến IRCO2 90

Hình 3.53 Mặt trên bo Node đọc cảm biến bụi mịn PMS7003 91

Hình 3.54 Mặt dưới bo Node đọc cảm biến bụi mịn PMS7003 91

Hình 3.55 Các đường dây mạch bo Node đọc cảm biến bụi mịn PMS7003 92

Hình 3.56 Hình ảnh 3D mặt trên board Node đọc cảm biến bụi mịn PMS7003 92

Hình 3.57 Hình ảnh 3D mặt dưới mạch đọc cảm biến bụi mịn PMS7003 93

Hình 3.58 Hình ảnh 3D góc nhìn khác bo Node đọc cảm biến bụi mịn PMS7003. 93

Hình 3.59 Mặt trên bo Node đọc cảm biến chênh áp FSP1000 94

Hình 3.60 Mặt dưới bo Node đọc cảm biến chênh áp FSP1000 94

Hình 3.61 Các đường mạch của Node đọc cảm biến chênh áp FSP1000 95

Hình 3.66 Bản vẽ của vỏ hộp Node 97

Hình 3.67 Lưu đồ chương trình chính trên Gateway 98

Hình 3.68 Lưu đồ chương trình trên Gateway (tiếp theo) 99

Hình 3.69 Lưu đồ chương trình thực thi chức năng người dùng chọn từ HMI 100

Hình 3.70 Lưu đồ chương trình chức năng thêm Node tự động 101

Hình 3.71 Cấu trúc UUID 128-bit của thiết bị Bluetooth Mesh sử dụng trong đề tài 102

Hình 3.72 Lưu đồ chương trình chức năng thêm Node thủ công 102

Hình 3.73 Lưu đồ chương trình chức năng xóa Node 103

Hình 3.74 Lưu đồ chương trình chức năng tạo tệp ghi dữ liệu cảm biến 104

Hình 3.75 Lưu đồ chương trình chức năng tạo tệp ghi dữ liệu cảm biến (tiếp theo) 105

Hình 3.76 Lưu đồ chương trình chức năng sao chép tệp từ thẻ nhớ sang USB lưu trữ 107

Hình 3.77 Lưu đồ chương trình chức năng xóa tệp 108

Hình 3.78 Lưu đồ chương trình chức năng cài đặt thời gian 109

Hình 3.79 Lưu đồ chương trình chức năng cài đặt đồ thị 110

Hình 3.80 Lưu đồ chương trình chính của Node 111

Hình 3.81 Lưu đồ hàm khởi tạo các ngoại vi 112

Hình 3.82 Lưu đồ tác vụ xử lý nút nhấn 113

Hình 3.83 Lưu đồ tác vụ đọc thời gian thực 114

Hình 3.84 Lưu đồ tác vụ đọc cảm biến 115

Hình 3.85 Lưu đồ tác vụ xử lý màn hình 116

Hình 3.86 Lưu đồ xử lý các trang màn hình chính, màn hình cài đặt và màn hình Reset 117

Hình 3.87 Lưu đồ xử lý các trang màn thoát khỏi mạng Bluetooth Mesh, màn

hình cài đặt và màn hình Reset 118

Hình 3.88 Lưu đồ xử lý sự kiện tháo lắp thẻ nhớ 119

Hình 3.89 Lưu đồ tác vụ ghi dữ liệu và thẻ nhớ 119

Hình 3.90 Giao diện hiển thị đồ thị giá trị cảm biến trên HMI 120

Hình 3.91 Giao diện hiển thị giá trị cảm biến trên HMI 121

Hình 3.92 Giao diện lựa chọn chức năng vận hành 121

Hình 3.93 Giao diện các chức năng vận hành 122

Hình 3.94 Giao diện lựa chọn chức năng cài đặt hệ thống 122

Hình 3.95 Giao diện lựa chọn các chế độ thao tác quản lý Node 123

Hình 3.96 Giao diện của chế độ thêm Node 123

Hình 3.97 Giao diện của chế độ xóa Node 124

Hình 3.98 Giao diện lựa chọn tệp cần sao chép sang USB 124

Hình 3.99 Giao diện lựa chọn tệp cần xóa 125

Hình 3.100 Giao diện lựa chọn chế độ ghi lại dữ liệu 125

Hình 3.101 Giao diện cài đặt thời gian 126

Hình 3.102 Giao diện cài đặt đồ thị 126

Hình 4.1 Hình chụp thực tế bo mạch của Gateway góc chụp 1 128

Hình 4.2 Hình chụp thực tế bo mạch của Gateway góc chụp 2 128

Hình 4.3 Hình chụp thực tế bo mạch của Gateway góc chụp 3 129

Hình 4.8 Mặt sau bo mạch của Node đọc cảm biến FSP1000-250-EV sau khi

Hình 4.20 Mặt sau bo mạch của Node đọc cảm biến IRCO2 138

Hình 4.21 Bo mạch của Node đọc cảm biến IRCO2 sau khi gắn lên vỏ hộp 138

Hình 4.22 Thiết bị Node đọc cảm biến IRCO2 sau khi hoàn thiện 139

Hình 4.23 Giao diện HMI chức năng thêm Node vào mạng Bluetooth Mesh 140 Hình 4.24 Giao diện HMI thông tin các Node có trong mạng 140

Hình 4.26 Giao diện HMI chức năng nhập thông tin để ghi lại dữ liệu 141 Hình 4.27 Giao diện HMI hiển thị giá trị dữ liệu đang được ghi vào thẻ nhớ 142 Hình 4.28 Giao diện HMI hiển thị đồ thị phần trăm độ ẩm theo thời gian 142 Hình 4.29 Giao diện HMI chức năng chọn tệp cần sao lưu 143 Hình 4.30 Giao diện HMI chức năng chọn tệp cần xóa 143 Hình 4.31 Giao diện chức năng cài đặt giới hạn cảnh báo nồng độ CO2 144

Hình 4.32 Giao diện HMI hiển thị giá trị CO2 đang cảnh báo 144

Hình 4.33 Quá trình đo kiểm tra độ chính xác của cảm biến IRCO2 với máy

Quantek Model 902D 147

Hình 4.34 Bố trí cảm biến gió trong buồng và đọc giá trị từ cảm biến 148 Hình 4.35 Đồ thị tốc độ gió của cảm biến theo thời gian 150 Hình 4.36 Thiết bị DBM-610 lấy mẫu giá trị chênh áp 151 Hình 4.37 Cảm biến đọc giá trị chênh áp 151 Hình 4.38 Độ chênh áp được đo bởi máy đo DBM-610 và cảm biến FS1000

theo thời gian 152

Hình 4.39 Theo dõi nhiệt độ và độ ẩm giữa cảm biến và tủ vi khí hậu 153 Hình 4.40 Vị trí đặt cảm biến trong tủ vi khí hậu 153 Hình 4.41 Biểu đồ thời nhiệt độ của cảm biến theo thời gian 154 Hình 4.42 Biểu đồ thời độ ẩm của cảm biến theo thời gian 155 Hình 4.43 Lấy mẫu bụi mịn giữa thiết bị CI-450t và cảm biến PMS7003 156

Hình 4.48 Phương pháp kiểm chứng khoảng cách giao tiếp giữa 2 thiết bị trong

mạng Bluetooth Mesh 160

Hình 4.49 Sơ đồ bố trí Gateway và Node khi thử nghiệm không có có vật cản 161 Hình 4.50 Đồ thị dữ liệu Gateway thu thập từ Node cách 40m không có vật cản.

161

Hình 4.51 Sơ đồ bố trí Gateway và 1 Node khi thực nghiệm truyền nhận dữ liệu

trong môi trường có vật cản 162

Hình 4.52 Đồ thị dữ liệu Gateway thu thập từ Node cách 6m có vật cản 162 Hình 4.53 Sơ đồ bố trí Gateway và 4 Node khi thực nghiệm truyền nhận dữ liệu

trong môi trường có vật cản 163

Hình 4.54 Đồ thị dữ liệu Gateway thu thập dữ liệu từ Node đọc cảm biến IRCO2

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Bảng thông số kỹ thuật của MAX3232 37 Bảng 2.2 Bảng thông số kỹ thuật của MAX3485 37 Bảng 2.3 Bảng thông số kỹ thuật của DS3231 38 Bảng 2.4 Bảng thông kỹ thuật của PCF8563 38 Bảng 2.5 Bảng thông số kỹ thuật LCD SSD1306 39 Bảng 2.6 Bảng thông số kỹ thuật màn hình DWIN DMG10600T101_A5WTC 39 Bảng 2.7 Bảng thông số kỹ thuật vi điều khiển ESP32 40 Bảng 2.8 Bảng thông số kỹ thuật của ESP32-S3 41 Bảng 2.9 Bảng thông số kỹ thuật của Module HLK-PM01 41 Bảng 2.10 Bảng thông số kỹ thuật của Module HLK-5M24 42 Bảng 2.11 Bảng thông số kỹ thuật của Module HLK-10M12 42 Bảng 2.12 Bảng thông số kỹ thuật của IC TPS5430 42 Bảng 2.13 Bảng thông số kỹ thuật của IC AMS1117 43 Bảng 2.14 Bảng thông số kỹ thuật cảm biến FSP1000 44 Bảng 2.15 Bảng thông số kỹ thuật của cảm biến AM1100 44 Bảng 2.16 Bảng thông số kỹ thuật của cảm biến PMS7003 45 Bảng 2.17 Bảng thông số kỹ thuật của cảm biến IRCO2 46

Bảng 2.18 Bảng Thông số kỹ thuật của buồng tạo gió 50 Bảng 2.19 Thông số kỹ thuật máy đo lưu lượng không khí 52

Bảng 3.3 Bảng kết nối chân từ vi điều khiển đến mạch đọc cảm biến

AM1100-3-BV 77

Bảng 3.4 Bảng kết nối chân từ vi điều khiển đến mạch đọc cảm biến PMS7003.

78

Bảng 3.5 Bảng kết nối chân từ vi điều khiển đến mạch đọc cảm biến IRCO2 78

Bảng 3.6 Bảng kết nối chân từ vi điều khiển đến mạch đọc cảm biến FSP1000.

78

Bảng 3.7 Các hình ảnh và mô tả cho giao diện LCD trên thiết bị Node 127 Bảng 4.1 Dữ liệu các thông số cảm biến FSP1000-250-EV 145 Bảng 4.2 Dữ liệu các thông số cảm biến AM1100-3-BV 145 Bảng 4.3 Dữ liệu các thông số cảm biến PMS7003 lưu trong thẻ nhớ trên Node

146

Bảng 4.4 Dữ liệu các thông số cảm biến IRCO2 lưu trong thẻ nhớ trên Node 146

Bảng 4.5 Kết quả đo nồng độ CO2 giữa cảm biến IRCO2 với máy đo nồng độ

Oxygen và CO2 Quantek Model 902D 148

Bảng 4.6 Bảng giá trị trung bình của cảm biến và giá trị cài đặt của máy

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

STT TỪ VIẾT TẮT TỪ ĐƯỢC VIẾT TẮT

14 UART Universal Asynchronous Receiver-Transmitter

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Lý do chọn đề tài

Hiện nay, phòng sạch đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong nhiều lĩnh vực nhất là trong các lĩnh vực yêu cầu một môi trường được kiểm soát nghiêm ngặt về các yếu tố hóa học và vật lý như bụi, độ ẩm, nhiệt độ, nồng độ CO2, tốc độ gió của hệ thống thông gió, độ chênh lệch áp suất giữa bên trong và bên ngoài phòng sạch Việc duy trì một môi trường sạch và kiểm soát chặt chẽ các thông số này là vô cùng quan trọng trong nhiều lĩnh vực từ hoạt động nghiên cứu đến sản xuất, đặc biệt là trong các ngành công nghiệp công nghệ cao, dược phẩm, y tế, thực phẩm và điện tử

Như vậy, có thể thấy được tầm quan trọng của phòng sạch là vô cùng to lớn Bởi vì chỉ cần một hạt bụi dù rất nhỏ cũng có thể làm hư một vi mạch điện tử, cũng như độ ẩm không khí vượt ngưỡng cho phép làm ảnh hưởng đến chất lượng của thuốc hay thực phẩm trong quá trình sản xuất gây thiệt hại to lớn trong sản xuất

Ngoài ra, trong quá trình sử dụng phòng sạch phục vụ cho hoạt động nghiên cứu và sản xuất, con người có thể vô tình gây ra sự biến động của môi trường bên trong phòng sạch làm tăng nồng độ các chất gây hại đến ngưỡng mất an toàn mà bản thân con người chưa sớm phát hiện ra hoặc rủi ro hư hỏng của các thiết bị kiểm soát phòng sạch như hệ thống thông gió, hệ thống lọc bụi, hệ thống điều hòa không khí và sự rò rỉ khí CO2 đến từ

hệ thống chữa cháy hay hệ thống cấp khí CO2 phục vụ cho quá trình nghiên cứu hay sản xuất làm cho nồng độ CO2 trong không khí tăng cao Những rủi ro kể trên gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe của con người làm việc bên trong phòng sạch

Do đó, Công ty LABone SCIENTIFIC là một công ty sản xuất kinh doanh trong lĩnh vực thiết bị khoa học và các sản phẩm phục vụ cho phòng sạch cũng như thiết kế và thi công phòng sạch đã đặt hàng phòng nghiên cứu 3DVisionLab một hệ thống có khả năng giám sát, cảnh báo và thu thập dữ liệu về các thông số cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ cấp gió của hệ thống thông gió, nồng độ CO2 và độ chênh lệch áp suất giữa bên môi trường trong và bên ngoài phòng sạch Với các cảm biến được công ty cung cấp và yêu cầu sử dụng kết nối không dây để thu thập dữ liệu các cảm biến tập trung về một thiết bị trung tâm nhằm tăng tính linh hoạt hệ thống

Thấy được tính ứng dụng thực tế từ yêu cầu trên cùng với những kiến thức học tập ở trường và nghiên cứu tại phòng nghiên cứu 3DVisionLab Nhóm tác giả nhận thấy công nghệ mạng Bluetooth Mesh là phù hợp để áp dụng thực hiện cho yêu cầu này, vì Bluetooth Mesh có những ưu điểm về khả năng giao tiếp với nhiều ngoại vi và khả năng mở rộng hệ thống lên đến 32768 ngoại vi mà lại tiêu thụ năng lượng thấp so với các công nghệ truyền thông không dây khác Được sự đồng ý từ giáo viên hướng dẫn đồ án tốt nghiệp là Thầy –

Tiến sĩ Nguyễn Văn Thái Nhóm tác giả quyết định thực hiện 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” để giải

quyết vấn đề thực tế mà Công ty LABone SCIENTIFIC đặt ra

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Thiết kế và thi công thành công hệ thống giám sát, cảnh báo và thu thập dữ liệu môi trường phòng sạch với các thông số: 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 Ngoài ra, hệ thống hướng đến thiết kế phần cứng sao cho có khả năng linh hoạt khi thay thế cảm biến hay thành phần thiết bị trong hệ thống khi xảy ra hư hỏng và phần mềm có giao diện cho phép người dùng tương tác với hệ thống một cách dễ dàng

1.3 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài sử dụng tổng hợp các phương pháp nghiên cứu sau:

− Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

− Phương pháp thực nghiệm

1.4 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 chỉ thực hiện một phần của hệ thống IoT là kết nối các thiết bị cảm biến thông qua mạng Bluetooth Mesh cho phép người dùng tương tác với hệ thống thông qua màn hình HMI, không thực hiện kết nối Internet

1.5 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

− Màn hình HMI DWIN

− Các cảm biến đo thông số môi trường

1.6 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 được cung cấp từ nhà sản xuất đối với các cảm biến sử dụng trong nghiên cứu này Bao gồm nghiên cứu cách thức giao tiếp, cách đọc dữ liệu

và cấu hình cảm biến

− 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

− Viết phần mềm cho phép người dùng tương tác với hệ thống thông qua màn hình HMI để thực hiện các chức năng giám sát và thu thập dữ liệu về các thông số cảm biến có trong hệ thống

1.7 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

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Tổng quan về phòng sạch

Phòng sạch [1] được hiểu là một khu vực hoặc không gian khép kín được thiết kế để kiểm soát các yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, độ sạch, kích thước hạt bụi, và mức độ nhiễm chéo Mục đích là tạo ra môi trường không khí sạch đạt tiêu chuẩn cho phép, đồng thời giảm thiểu sự ra vào và lưu giữ các hạt bụi trong không khí

Các hạt bụi trong không khí và bám trên các bề mặt sẽ được hạn chế tối đa để tạo ra môi trường đạt chuẩn, được áp dụng trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp như dược phẩm, thực phẩm, điện tử, cũng như trong các nghiên cứu khoa học, phòng thí nghiệm hóa học và sinh học

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 các yếu tố đảm bảo sự thoải mái cho nhân viên làm việc trong phòng sạch Đối với phòng sạch được sử dụng cho nghiên cứu vi sinh, nhiệt độ, độ ẩm và nồng độ CO2 cần được kiểm soát chặt chẽ để hỗ trợ sự phát triển của vi sinh vật

− Kiểm soát áp suất giúp ngăn ngừa nhiễm chéo từ môi trường bên ngoài vào phòng sạch Phòng sạch thường có áp suất cao hơn môi trường bên ngoài để tránh không khí bên ngoài xâm nhập gây 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]

2.2 Tổng quan về hệ thống IoT

IoT (Internet of Things) [3], hay còn được gọi là Mạng lưới Vạn vật kết nối, là một

hệ thống mà các thiết bị vật lý, đối tượng và các thành phần khác 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 cho phép chúng tương tác với nhau và với con người thông qua mạng Internet

Mạng IoT bao gồm các thiết bị như cảm biến, bộ xử lý và bộ điều khiển Các thành phần này thu thập dữ liệu xử lý và đưa ra quyết định điều khiển dựa trên bộ xử lý thông qua các chuẩn giao tiếp không dây như Wi-Fi, Bluetooth, LoraWan, Để tạo ra một mạng lưới thiết bị

Ứng dụng của IoT rất rộng, xuất hiện trong công nghiệp, nhà thông minh, đô thị thông minh và nhiều ứng dụng khác

2.3 Công nghệ mạng Bluetooth Mesh

2.3.1 Cơ sở lý thuyết về công nghệ Bluetooth

Công nghệ Bluetooth được Bluetooth SIG (Special Interest Group) [4] ra mắt lần đầu tiên vào năm 2000, với dự định ban đầu là để thay thế các công nghệ giao tiếp có dây truyền thống và nhanh chóng phổ biến trên các thiết bị ngoại vi của máy tính như là: thiết bị âm

2.3.2 Cơ sở lý thuyết về công nghệ mạng Bluetooth Mesh

Bluetooth Mesh là một công nghệ mạng được phát triển bởi Bluetooth SIG ra mắt vào tháng 7 năm 2017 dựa trên công nghệ BLE, để tạo ra một mạng lưới kết nối rộng lớn giữa nhiều thiết bị Điều này cho phép các thiết bị Bluetooth giao tiếp với nhau theo kiểu mạng lưới (Mesh Network), thay vì chỉ kết nối điểm-điểm hoặc điểm-đa điểm như trong các phiên bản Bluetooth truyền thống Bluetooth Mesh được đặc biệt thiết kế cho các ứng dụng yêu cầu độ tin cậy, khả năng mở rộng và tiết kiệm năng lượng, chẳng hạn như IoT (Internet of Things), nhà thông minh, tự động hóa tòa nhà và công nghiệp

Trong một mạng Bluetooth Mesh các thành phần không kết nối với nhau để truyền nhận dữ liệu mà nó dựa vào việc thiết bị phát bản tin quảng cáo (Advertising) để gửi gói tin và thiết bị nhận quét bản tin quảng cáo (Scanning) để nhận gói tin, các gói tin này được bảo mật bằng cách mã hóa bằng hai loại khóa bảo mật chính là NetKey và AppKey, vì thế cho dù gói tin được phát công khai thì các thiết bị Bluetooth khác quét được cũng khó có thể giải mã gói tin

2.3.3 Cấu trúc một mạng Bluetooth Mesh

Mạng Bluetooth Mesh là một loại mạng không dây được thiết kế để kết nối nhiều thiết bị lại với nhau trong một mạng lưới (Mesh Network) Các thành phần trong một mạng Bluetooth được mô tả trong hình:

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/)

Hình 2.1 mô tả một mạng Bluetooth Mesh gồm các thành phần chính là Node nhưng

với nhiều chức năng khác nhau tạo nên các kết nối khác nhau Trong đó

− 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

− Các loại kết nối:

− ADV (Not Relayed): Kết nối này thể hiện rằng tin nhắn không được chuyển tiếp

Nó chỉ truyền trực tiếp giữa các Node

− ADV (Low Power): Kết nối này thể hiện rằng tin nhắn truyền đến hoặc từ các Low Power Nodes Những tin nhắn này cần sự hỗ trợ từ Friend Nodes

− ADV Bearer: Kết nối này đại diện cho việc truyền tin nhắn qua giao diện quảng

bá (Advertising Bearer)

− GATT Bearer: Kết nối này đại diện cho việc truyền tin nhắn qua giao diện GATT (Generic Attribute Profile) GATT Bearer thường được sử dụng khi kết nối với các thiết bị không hỗ trợ trực tiếp Bluetooth Mesh nhưng 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

và có một địa chỉ riêng biệt 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:

− Server Model: Nhận và xử lý các lệnh từ các Client Model Ví dụ: một Server Model điều khiển đèn có thể nhận lệnh bật/tắt từ một Client Model

− 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, đại diện cho trạng thái hiện tại của một chức năng Ví dụ: trạng thái của một đèn có thể là "bật" hoặc "tắt" Các Model có thể chứa nhiều State khác nhau và mỗi State có thể được đọc, ghi và báo cáo

2.3.5 Sensor Model trong mạng Bluetooth Mesh

Sensor Model [5] trong mạng Bluetooth Mesh là một loại Model cụ thể được thiết kế

để hỗ trợ các chức năng liên quan đến cảm biến Các Sensor Model cho phép một Node (thường là một cảm biến) gửi và nhận các thông tin về các dữ liệu cảm biến khác nhau Sensor Model gồm 3 loại chính đó là Sensor Server Model, Sensor Client Model và Sensor Setup Model Trong đó:

Sensor Server Model có:

− Chức năng: Sensor Server Model chịu trách nhiệm lưu trữ và cung cấp dữ liệu cảm biến

− Messages: Sensor Server Model có thể gửi các thông báo về dữ liệu cảm biến hiện tại và nhận các lệnh từ các Client Model để báo cáo dữ liệu

− Sensor Client Model có:

− Chức năng: Sensor Client Model gửi các lệnh đến Sensor Server Model để lấy dữ liệu cảm biến hoặc điều khiển cách dữ liệu cảm biến được thu thập và báo cáo

− 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 cấu hình các thông số của Sensor Server Model, ví dụ như thiết lập các ngưỡng báo động, 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

+ Sensor Data Get/Status: Yêu cầu và cung cấp dữ liệu cảm biến hiện tại + Sensor Series Get/Status: Yêu cầu và cung cấp chuỗi dữ liệu cảm biến theo thời gian

+ Sensor Cadence Get/Set/Status: Yêu cầu và thiết lập tần suất thu thập và báo cáo dữ liệu

+ Sensor Settings Get/Set/Status: Yêu cầu và thiết lập các cài đặt cụ thể của cảm biến

− Cadence (Nhịp độ) xác định tần suất mà dữ liệu cảm biến được thu thập và báo cáo Cadence có thể được điều chỉnh để phù hợp với yêu cầu của ứng dụng, giúp cân bằng giữa độ chính xác của dữ liệu và hiệu quả sử dụng năng lượng

− Thresholds (Ngưỡng) xác định các giá trị biên của dữ liệu cảm biến để kích hoạt các sự kiện hoặc thông báo đặc biệt, như cảnh báo khi nhiệt độ vượt quá một mức xác định

2.3.6 Cấu trúc gói tin trong mạng Bluetooth Mesh

Gói tin trong mạng Bluetooth Mesh được gọi là Network PDU (Protocol Data Unit -

Đơn vị Dữ liệu Giao thức) [6] Một Network PDU gồm các trường được mô tả trong hình

2.3

Hình 2.3 Cấu trúc của một Network PDU

(Nguồn ảnh: https://www.bluetooth.com/specifications/specs/mesh-profile-1-0-1/)

IVI (Initialization Vector Indicator) là một trường nhỏ trong Network PDU của

Bluetooth Mesh, chỉ chứa một bit duy nhất Bit này là bit ít quan trọng nhất của IV Index, một chỉ số được dùng để đồng bộ hóa và bảo mật dữ liệu trong mạng

NID (Network Identifier) là một trường nhỏ trong Network PDU của Bluetooth

Mesh, chứa một giá trị 7-bit giúp xác định các khóa mã hóa và bảo mật cần thiết để xử lý gói tin

CTL là một giá trị 1-bit dùng để xác định loại tin nhắn và kích thước của NetMIC

Các giá trị của nó có ý nghĩa như sau:

− CTL = 0, loại tin nhắn là Access Message, kích thước NetMIC là 32 bit

− CTL = 1, loại tin nhắn là Control Message, kích thước NetMIC là 64 bit

TTL là một trường 7-bit dừng để xác định một gói tin có được tiếp tục chuyển tiếp

hay không và các giá trị của nó có ý nghĩa như sau:

− TTL = 0: Gói tin chưa được chuyển tiếp và sẽ không được chuyển tiếp thêm nữa

− TTL = 1: Gói tin có thể đã được chuyển tiếp ít nhất một lần, nhưng sẽ không được chuyển tiếp thêm nữa

− TTL từ 2 đến 126: Gói tin có thể đã được chuyển tiếp và vẫn có thể được chuyển tiếp tục

− TTL = 127: Gói tin chưa được chuyển tiếp và có thể được chuyển tiếp

SEQ (Sequence Number) là một số nguyên 24-bit, tức là nó có thể lưu trữ các giá trị

từ 0 đến 16,777,215 Mỗi khi một phần tử trong mạng Bluetooth Mesh tạo ra một gói tin mới (Network PDU), nó sẽ sử dụng một giá trị SEQ mới, kết hợp với IV Index và địa chỉ nguồn (SRC) để tạo ra một giá trị duy nhất

DST cũng là trường có giá trị 16-bit dùng để xác định phần tử hoặc các phần tử mà

Network PDU được hướng tới Địa chỉ này có thể là địa chỉ Unicast, địa chỉ nhóm, hoặc địa chỉ ảo Trường này được thiết lập bởi Node khởi tạo và không bị thay đổi bởi Relay Node

TransportPDU đây là thành phần chính chứa dữ liệu gồm một dãy các Octet dữ liệu,

trường này có tối đa 128-bit khi CTL=0 và 96-bit khi CTL=1 Và được tạo ra bởi lớp vận chuyển thấp hơn tại Node khởi tạo và không được thay đổi bởi lớp mạng

NetMIC là một trường 32-bit khi CTL=0 hoặc 64-bit khi CTL=1 dùng để xác thực

rằng DST và TransportPDU không bị thay đổi Và được thiết lập bởi lớp mạng tại mỗi Node phát hoặc chuyển tiếp Network PDU này

2.3.7 Quá trình thêm Node mới vào mạng Bluetooth Mesh

Các thiết bị hỗ trợ mạng Bluetooth Mesh cần có một thiết bị cung cấp gọi là Provisioner [6] Provisioner sẽ cung cấp các thông tin cần thiết để thiết bị chưa vào mạng gọi là Unprovisioned Device có thể tham gia vào mạng trở thành thiết bị được gọi là Node Quy trình này gọi là quá trình Provisioning, gồm các bước:

− Bước 1 Beaconing: Unprovisioned Device phát sóng để thông báo sẵn sàng được

cung cấp vào mạng bằng cách gửi các gói quảng cáo Mesh beacon

− Bước 2 Invitation: Provisioner phát hiện thông báo và gửi lời mời đến thiết bị

chưa được cung cấp

− Bước 3 Exchanging Public Keys: Cả hai thiết bị trao đổi khóa công cộng để thiết

lập kết nối bảo mật

− Bước 4 Authentication: Các thiết bị xác thực nhau Phương pháp có thể bao gồm

đầu ra và đầu vào số ngẫu nhiên hoặc các kỹ thuật ngoài kênh (OOB) khác

− Bước 5 Distribution of Provisioning Data: Sau khi xác thực, hai thiết bị trao đổi

dữ liệu cần thiết như khóa mạng (NetKey), khóa thiết bị, chỉ số IV, và cấp địa chỉ Unicast cho thiết bị mới