Nghiên cứu phương pháp giám sát nhiệt độ, độ ẩm của kho lạnh qua mạng internet

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THƠNG TIN VÀ TRUYỀN THƠNG NGUYỄN HUY TỒN NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM CỦA KHO LẠNH QUA MẠNG INTERNET Ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 852 02 16 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật điều khiển tự động hóa Người hướng dẫn khoa học TS Lê Hùng Linh Thái Nguyên - 2020 ii MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cam đoan Mục lục ………………………………………………………………….………….i Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt………………………… ……………… iv Danh mục hình vẽ (hình vẽ, ảnh chụp, đồ thị, v.v…………………………… v Mở đầu………………………………………………………………………………1 Nội dung………………………………………………………………… ……… CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Mục đích việc giám sát nhiệt độ độ ẩm kho lạnh .3 1.1.1 Giới thiệu chung kho lạnh 1.1.2 Phân loại kho lạnh 1.1.3 Yêu cầu chung kho lạnh 1.1.4 Mục đích việc giám sát nhiệt độ độ ẩm kho lạnh 10 1.2 Các phương pháp giám sát nhiệt độ độ ẩm kho lạnh đơn giản 11 1.3 Các phương pháp giám sát nhiệt độ độ ẩm kho lạnh tiên tiến 12 1.3.1 Điều khiển hoạt động phận làm lạnh 12 1.3.2 Có khả lưu trữ lịch sử thay đổi thông số .13 1.3.3 Giám sát từ xa thông qua máy tính, mạng Internet, sóng RF GSM 14 1.3.4 Có khả ứng dụng hệ thống giám sát thời gian thực .17 1.4 Kết luận chương 19 iii CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM QUA MẠNG INTERET 20 2.1 Giới thiệu internet 20 2.2 Ứng dụng Internet vào giám sát điều khiển 21 2.2.1 Nhà thông minh 21 2.2.2 Internet công nghiệp 23 2.2.3 Chăm sóc sức khỏe 26 2.2.4 Chuỗi cung ứng thông minh 27 2.2.5 Nông nghiệp thông minh 29 2.2.6 Ứng dụng Internet vào giám sát kho lạnh 31 2.3 Các phương pháp kết nối, hiển thị thông số lên mạng 32 2.3.1 MQTT (Message Queue Telemetry Transport) 32 2.3.2 HTTP 35 2.4 Chuẩn giao tiếp RS485 37 2.4.1 Khái niệm nguyên lý Modbus RTU 37 2.4.2 Ưu nhược điểm Modbus RTU 38 2.4.3 Phân biệt RS485 RS232 39 2.4.4 IC max485 41 2.5 Kết luận chương 43 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÀN HÌNH GIÁM SÁT, HIỂN THỊ NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM CỦA KHO LẠNH 45 3.1 Mơ tả tốn 45 3.2 Sơ đồ khối thiết bị 45 3.3 Mạch nguyên lý 48 iv 3.3.1 Mạch nguyên lý khối cảm biến 48 3.3.2 Mạch nguyên lý khối truyền thông 49 3.4 Nguyên lý hoạt động hệ thống 50 3.5 Lưu đồ thuật toán 53 3.5.1 Lưu đồ thuật toán khối cảm biến 53 3.5.2 Lưu đồ thuật tốn khối truyền thơng 54 3.6 Giao diện website 54 3.7 Kết đạt 55 3.7.1 Kết thiết kế phần mềm 55 3.7.2 Kết thực nghiệm ………………………………………………….57 3.8 Kết luận chương 59 KẾT LUẬN 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT - EEPROOM: nhớ - IOT: mạng lưới thiết bị kết nối với internet - M2M: tương tác máy với máy - MQTT: giao thức dạng gửi - POE: cấp nguồn qua cáp internet - PC: máy tính cá nhân - RF: tần số radio - RTU: thiết bị đầu cuối - RS232: chuẩn truyền thông - RS485:chuẩn truyền thông - SMS: dịch vụ tin nhắn ngắn - URL: đường dẫn vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ (Hình vẽ, ảnh chụp, đồ thị, ) Trang Hình 1.1: Mơ hình kho lạnh sinh hoạt…… …………………………………05 Hình 1.2: Kho lạnh cơng nghiệp………………………………………………… 05 Hình 1.3: Kho lạnh nơng nghiệp ………………………………………………… 06 Hình 1.4: Kho lạnh sản xuất cơng nghiệp………………………………… 10 Hình 1.5: Một loại cảm biến nhiệt độ thường sử dụng kho lạnh…… ….11 Hình 1.6: Một loại cảm biến độ ẩm thường sử dụng kho lạnh……… .12 Hình 1.7: Sơ đồ mạch khống chế nhiệt độ không dùng vi điều khiển………… 13 Hình 1.8: Mạch khống chế nhiệt độ W1209…………………… …………………14 Hình 1.9: Thiết bị giám sát kho lạnh thực phẩm với cảnh báo điện thoại hãng Vacker………………………………………………………… …………… 16 Hình 1.10: Một hệ thống giám sát thời gian thực cho kho lạnh hãng Vacker….17 Hình 1.11: Màn hình giám sát nhiệt độ độ ẩm thời gian thực hãng Vacker …………………………………………………………………………… 18 Hình 2.1: Ứng dụng internet vào nhà thơng minh…………… …………… 23 Hình 2.2: Mơ hình nhà máy điện tử hãng siemens………………… …….25 Hình 2.3: Ứng dụng internet vào chăm sóc sức khỏe………… ………………… 26 Hình 2.4: Ứng dụng internet vào chuỗi cung ứng, vận chuyển …… ……………27 Hình 2.5: Mơ ứng dụng internet nơng nghiệp ……………………… 29 Hình 2.6: Một hệ thống giám sát nhiệt độ độ ẩm qua mạng internet…………………… 32 Hình 2.7: Mơ hình MQTT………………………………………………………….33 vii Hình 2.8: Giao thức http…………………………………… …………………… 35 Hình 2.9: Cấu trúc đường dẫn theo giao thức http ……………………… ………35 Hình 2.10 Nguyên lý hoạt động Modbus RTU ………………………… … 38 Hình 2.11 Kết nối dùng cổng RS232…………………………………………… 39 Hình 2.12 Mơ hình giao tiếp RS485…………………………… …………… .40 Hình 2.13 IC max485…………………………………………………………… 41 Hình 2.14 Sơ đồ nối chân IC max 485…………………………………… .42 Hình 3.1 Sơ đồ khối tồn hệ thống……………………………… …………… 46 Hình 3.2 Sơ đồ khối module giám sát………………………………………………46 Hình 3.3 Sơ đồ khối khối truyền thơng…………………………………………… 47 Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến….….……………………………….……48 Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý khối truyền thơng……………………… …… …….49 Hình 3.6 Lưu đồ thuật tốn khối cảm biến ………………………………….… 53 Hình 3.7 Lưu đồ thuật tốn khối truyền thơng………………………………… 54 Hình 3.8 Giao diện server truy cập điện thoại……… ……………… 55 Hình 3.9 Thiết kế mạch module cảm biến …… ……………………………… 56 Hình 3.10 Thiết kế mạch module truyền thơng……………………………… .56 Hình 3.11 Khối truyền thơng…………………………………………………… 57 Hình 3.12.Khối cảm biến ….…………………………………………………… 57 Hình 3.13 Kết nối module giám sát khối truyền thơng……………………… 58 Hình 3.14 Hiển thị kết đo lên khối truyền thơng…….……………………… 58 Hình 3.15: Màn hình giám sát nhiệt độ độ ẩm trang web………………….59 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, thiết bị điện tử tự động hóa có mặt khắp nơi, dễ dàng bắt gặp tất lĩnh vực, từ ứng dụng đặc biệt công nghiệp sản phẩm dân dụng Ban đầu, việc giám sát từ xa thông qua hệ thống gồm phần tử nối với dây dẫn với chuẩn truyền thông phổ biến RS-232, RS-485 chuẩn công nghiệp ProfiBus Tuy nhiên, việc mở rộng phạm vi điều khiển (tức số lượng phần tử) mơ hình khó khăn, đặc biệt khoảng cách điều khiển hạn chế Sự đời công nghệ truyền thông với giao thức TCP/IP làm thay đổi hoàn toàn suy nghĩ phạm vi ứng dụng thiết bị giám sát từ xa Mơ hình mạng phổ biến mạng nội LAN (Local Area Network) mạng diện rộng WAN (Wide Area Network), gọi chung mạng Ethernet cho phép mở rộng dễ dàng phạm vi giám sát quy mô hệ thống Không thế, mạng Ethernet, gắn nhiều thiết bị đầu cuối khác có giao tiếp thơng qua cổng truyền thơng Ethernet máy tính, máy in, camera, đó, việc vận hành giám sát trở nên dễ dàng Sau hai năm học tập trường Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông, đào tạo tiếp thu kiến thức đại tiên tiến lĩnh vực tự động hóa Trước tốt nghiệp cao học, nhận đề tài: “Nghiên cứu phương pháp giám sát nhiệt độ, độ ẩm kho lạnh qua mạng internet” NỘI DUNG CỦA BẢN LUẬN VĂN ĐƯỢC CHIA LÀM CHƯƠNG - Chương 1: Tổng quan đề tài Chương 2: Nghiên cứu phương pháp giám sát nhiệt độ, độ ẩm qua mạng internet Chương 3: Thiết kế hình giám sát, hiển thị nhiệt độ, độ ẩm kho lạnh Với thời gian kiến thức có hạn, luận văn khơng thể tránh khỏi sai sót Rất mong góp ý thầy cơ, bạn bè đồng nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày tháng năm 2020 Tác giả luận văn Nguyễn Huy Toàn CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Mục đích việc giám sát nhiệt độ độ ẩm kho lạnh 1.1.1 Giới thiệu chung kho lạnh Kho lạnh nhà nhà kho thiết kế cách nhiệt với môi trường bên ngồi có chức làm lạnh, điều chỉnh nhiệt độ phù hợp với đặc tính vật lý, hóa học lô hàng, tránh tiêu cực từ môi trường nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, gây ảnh hưởng xấu tới chất lượng hàng hóa Hay hiểu cách đơn giản kho lạnh giống tủ lạnh, có quy mơ to rộng lớn hơn, lắp đặt thiết kế với hệ thống dàn lạnh công nghiệp với nhiệt độ thích hợp để bảo quản loại thực phẩm, nơng sản, rau quả, sản phẩm cơng nghiệp hố chất, công nghiệp thực phẩm, công nghiệp nhẹ, y tế…Trong đó, ứng dụng rộng rãi kho lạnh để bảo quản thực phẩm nông sản Để bảo quản thực phẩm người ta thực nhiều cách như: Phơi, sấy khơ, đóng hộp bảo quản lạnh Tuy nhiên phương pháp bảo quản lạnh tỏ có ưu điểm bật vì: + + Hầu hết thực phẩm, nơng sản thích hợp phương pháp Việc thực bảo quản nhanh chóng hữu hiệu phù hợp với tính chất mùa vụ nhiều loại thực phẩm nông sản Kho lạnh cần giữ cho thực phẩm, nông sản giữ nhiệt độ thấp, tránh trình phân hủy chúng Ở nhiệt độ thấp phản ứng hoá sinh thực phẩm bị ức chế Trong phạm vi nhiệt độ bình thường giảm 10°C tốc độ phản ứng giảm xuống 1/2 đến 1/3 lần Ngoài ra, nhiệt độ xuống 0°C, phần lớn hoạt động enzim không hoạt động 1.1.2 Phân loại kho lạnh Có nhiều cách phân loại kho lạnh khác nhau, khảo sát giới thiệu số loại kho lạnh khác có thị trường + Khối chấp hành: Điều chỉnh tốc độ quạt theo lệnh từ khối xử lý 48 3.3 Mạch nguyên lý 3.3.1 Mạch nguyên lý khối cảm biến Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến 49 3.3.2 Mạch nguyên lý khối truyền thơng Hình 3.5 Sơ đồ ngun lý khối truyền thông 50 3.4 Nguyên lý hoạt động hệ thống Khi cấp nguồn hệ thống hoạt động theo nguyên lý sau: Các nút giám sát nhận tín hiệu từ cảm biến (ở cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT22) sau gửi giá trị đo node truyền thông qua đường truyền RS485 (Module RS485 thực chuyển đổi “TTL to RS485” ngược lại) Khung truyền thể hình Start Byte Các byte khung truyền bao gồm: + + Start Byte: Ta chọn ký tự “@” + Check Byte: Ta chọn ký tự “#” Dữ liệu gồm có hai byte, byte giá trị nhiệt độ, byte thứ hai giá trị độ ẩm Mặc dù kết trả từ cảm biến DHT22 gồm phần nguyên phần thập phân nhiệt độ, độ ẩm ta lấy phần nguyên giá trị + Stop Byte : Ta chọn ký tự “$” Từ ta thấy bước thu thập tín hiệu Module truyền thơng là: Bước 1: Chờ tín hiệu nhận đường truyền RS485, tín hiệu nhận “@” chuyển sang bước Bước 2: Lưu byte nhận vào mảng liệu, mảng liệu gồm có byte nêu phía Bước 3: Kiểm tra tính đắn khung truyền nhận được, byte thứ “@’, byte thứ “#” byte thứ “$” khung truyền Ta chuyển sang bước Bước 4: Lấy byte thứ mảng vừa nhận để xác định ID module giám sát, byte thứ giá trị nhiệt độ byte thứ trị độ ẩm đo 51 Sau nhận liệu từ module cảm biến module truyền thông gửi liệu lên server thông qua ESP8266 Ở đây, ta sử dụng ESP8266 để tạo sever, ESP8266 hỗ trợ tạo server lưu nhớ flash lên tới 4MB, với dung lượng ứng dụng dung lượng hồn tồn đủ Sau này, ta tiếp tục phát triển hệ thống với nhũng tính lưu trữ, thống kê số liệu chuyển qua sever khác Địa đường dẫn server mặc định “192.168.4.1” Khi kết nối với wifi ta mở trình duyệt truy cập đến server theo đường dẫn “192.168.4.1/index” Wifi dùng cho ứng dụng này, ta thiết lập cho wifi khả dụng với cú pháp: WiFi.begin("tenwifi","matkhau"); Tuy nhiên, muốn kiểm tra hoạt động hệ thống mạng wifi Internet ta chọn thêm cách khác sử dụng wifi ESP8266 Trong chương trình, ta thiết lập ESP8266 chế độ phát wifi với tên wifi “esp1” mật “12345678” với thao tác sau: WiFi.mode(WIFI_AP); WiFi.softAP("esp1","12345678"); Khi thiết lập wifi vậy, kiểm tra hoạt động hệ thống, ta cần kết nối với wifi “esp1”và truy cập vào server tạo trước Ở đây, ta đặt đối tượng “sv” mang thuộc tính server ESP8266 Hay hiểu tên server ESP8266: ESP8266WebServer sv(80); Ta có liệu từ khối truyền thông lên server sau: sv.on("/index",[]{sv.send(200,"text/html",readData("index.html"));}); sv.on("/temp.html",[]{ sv.send(200,"text/html",String(temp));}); sv.on("/humi.html",[]{ sv.send(200,"text/html",String(humi));}); 52 sv.on("/temp2.html",[]{ sv.send(200,"text/html",String(temp2));}); sv.on("/humi2.html",[]{ sv.send(200,"text/html",String(humi2));}); sv.on("/trangthai.html",[]{sv.send(200,"text/html",String(trangthai));}); Ở dòng cuối cùng, ta gửi thêm biến “trạng thái” để biết server kết nối với cảm biến hay chưa Giao diện server chức hiển thị thông số nhiệt độ, độ ẩm thu thập cịn có thêm chức điều khiển xuống module cảm biến Với cấu chấp hành quạt phận làm lạnh, ta tắt cho hoạt động với ba cấp độ khác Trong mơ hình thực nghiệm này, cấu chấp hành chọn quạt DC với cấp tốc độ điều khiển cách thay đổi độ rộng xung (PWM) Tín hiệu gửi từ server gửi tương ứng có giá trị 0, 1, 2, Các tín hiệu gửi chung đến nút truyền thông cách liên tục 53 3.5 Lưu đồ thuật toán 3.5.1 Lưu đồ thuật toán khối cảm biến Bắt đầu Khởi tạo Đọc tín hiệu cảm biến Có tín hiệu điều khiển đường truyền RS 485 S Đ Lưu lệnh cài đặt vào EEPROM Xử lý lệnh Tính tốn điều khiển tốc độ quạt Gửi giá trị độ ẩm, nhiệt độ lên truyền thơng Hình 3.6: Lưu đồ thuật toán khối cảm biến 54 3.5.2 Lưu đồ thuật tốn khối truyền thơng Bắt đầu Khởi tạo Có tín hiệu đường truyền RS 485 Đ Hiển thị lên LCD Hiển thị lên Web Hình 3.7: Lưu đồ thuật tốn khối truyền thơng 3.6 Giao diện website Sau sử dụng phần mềm lập trình với ngơn ngữ html ta có giao diện web sau, Server lưu ESP8266 phần nguyên lý hoạt động trình bày phía Ta sử dụng máy tính điện thoại thơng minh để truy cập vào đường link để kiểm tra tính đắn hệ thống 55 Hình 3.8: Giao diện server truy cập điện thoại 3.7 Kết đạt 3.7.1 Kết thiết kế phần mềm Từ sơ đồ nguyên lý, ta sử dụng phần mềm thiết kế để thiết kế mạch in cho mạch thành phần sau: 56 Hình 3.9: Thiết kế mạch module cảm biến Hình 3.10: Thiết kế mạch module truyền thông 57 3.7.2 Kết thực nghiệm Dưới số hình ảnh thiết bị sau thi cơng thử nghiệm Hình 3.11: Khối truyền thơng Hình 3.12: Khối cảm biến 58 Hình 3.13: Kết nối khối cảm biến khối truyền thơng Hình 3.14: Hiển thị kết đo lên khối truyền thơng 59 Hình 3.15: Màn hình giám sát nhiệt độ độ ẩm trang web 3.8 Kết luận chương Từ nghiên cứu chương chương 2, chương luận văn bước xây dựng phần thực nghiệm để kiểm chứng tính đắn hệ thống Tác giả đưa sơ đồ thiết kế mạch phần cứng từ xây dựng lưu đồ thuật tốn phần mềm điều khiển Cuối tác giả chế tạo mạch thực nghiệm chạy tương thích với phần mềm Đồng thời, tác giả xây dựng giao diện web để hiển thị kết thu thập từ cảm biến để gửi lên Mặc dù phần cứng, phần giao diện đơn giản hoạt động ổn định, đáp ứng yêu cầu đưa toán 60 KẾT LUẬN Qua q trình tìm hiểu nghiên cứu, em hồn thành luận văn “Nghiên cứu phương pháp giám sát nhiệt độ, độ ẩm kho lạnh qua mạng internet” Luận văn đưa phương pháp giám sát nhiệt độ, độ ẩm thực tế từ đơn giản đến tiên tiến Từ luận văn chọn phương pháp giám sát nhiệt độ, độ ẩm qua mạng internet, phương pháp giám sát đại phù hợp với công nghệ 4.0 Sản phẩm luận văn không ứng dụng việc giám sát nhiệt độ, độ ẩm kho lạnh mà ứng dụng giám sát nhiều lĩnh vực khác Tuy nhiên, luận văn số hạn chế cần khắc phục + Mơ hình thực nghiệm cịn đơn giản, số điểm đo cịn + Giao diện web đơn giản Trong trình học hỏi làm luận văn em giúp đỡ tận tình thầy giáo Ts.Lê Hùng Linh thầy (cơ) giáo khoa Cơng nghệ Tự động hóa Tuy nhiên kiến thức trình độ cịn hạn hẹp nên q trình làm luận văn em khơng khỏi mắc phải thiếu sót hạn chế Vậy em mong nhận đóng góp ý kiến, nhận xét thầy (cơ) giáo tồn thể bạn để luận văn em hồn thiện Em xin chân thành cảm ơn! 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] - Điều chỉnh tự động Truyền động điện – Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi – NXB khoa học kỹ thuật – 2004 [2] - Tài liệu hướng dẫn thiết kế thiết bị điện tử công suất – Trần Văn Thịnh ĐH Bách khoa Hà Nội – 2000 [3] – Truyền động điện - Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn – NXB Khoa học kỹ thuật – 2001 Tiếng Anh [4] Davide Magrin, Marco Centenaro, and Lorenzo Vangelist, Performance Evaluation of LoRa Networks in a Smart City Scenario, IEEE ICC 2017 SAC Symposium Internet of Things Track, 21-25 May 2017 [5] Eyuel D Ayele, Chiel Hakkenberg, Jan Pieter Meijers, Kyle Zhang, Nirvana Meratnia, Paul J.M Havinga, Performance Analysis of LoRa Radio for an Indoor IoT Application, 2017 International Conference on Internet of Things for the Global Community (IoTGC), 10-13 July 2017 [6] Hugh Jack, Automation Manufacturing Systems with PLCs, 2005 [7] Tran Quang Vinh, Pham Manh Thang, Phung Manh Duong, “Controlling Communication Network in the Building Automation System,” Journal of Science,Vietnam National University, pp.129-140, Vol.26, 2010 [8] W Bolton, Programmable Logic Controller, Elsevier Newnes Publisher, 2006 ... 1.1.4 Mục đích việc giám sát nhiệt độ độ ẩm kho lạnh 10 1.2 Các phương pháp giám sát nhiệt độ độ ẩm kho lạnh đơn giản 11 1.3 Các phương pháp giám sát nhiệt độ độ ẩm kho lạnh tiên tiến 12 1.3.1... thông qua mạng Internet Trong chương tiếp theo, luận văn nghiên cứu cụ thể phương pháp giám sát nhiệt độ, độ ẩm thông qua mạng Internet 20 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM. .. CHƯƠNG - Chương 1: Tổng quan đề tài Chương 2: Nghiên cứu phương pháp giám sát nhiệt độ, độ ẩm qua mạng internet Chương 3: Thiết kế hình giám sát, hiển thị nhiệt độ, độ ẩm kho lạnh Với thời gian kiến