HỆ THỐNG IOT QUẢN LÍ TRẠM TRUNG CHUYỂN ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HÓA

Các nội dung nghiên cứu, kết quảtrong đề tài này là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây.Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét,

QUẢN LÍ TRẠM TRUNG CHUYỂN

ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HÓA

QUẢN LÍ TRẠM TRUNG CHUYỂN

ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HÓA

Người hướng dẫn

TS TRẦN VIỆT HÙNG

LỜI CẢM ƠN

Để có thể hoàn thành đồ án này, em đã nhận được nhiều sự trợ giúp, đóng góp ýkiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô, gia đình và bạn bè Bên cạnh đó, em xin chânthành gửi lời cảm ơn đến TS Trần Việt Hùng khoa Điện – Điện tử trường Đại họcTôn Đức Thắng đã hướng dẫn tận tình cho em trong suốt quá trình thực hiện Emcũng xin chân thành cảm ơn các thầy, cô trường Đại học Tôn Đức Thắng nói chung

và các thầy, cô trong Bộ môn Tự động hóa nói đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho

em trong quá trình học tập tại trường, giúp em có được nền tảng, cơ sở lý thuyếtvững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2021

Tác giả

Nguyễn Đức Bảo Định

hướng dẫn khoa học của TS Trần Việt Hùng Các nội dung nghiên cứu, kết quảtrong đề tài này là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây.Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giáđược chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệutham khảo.

Ngoài ra, trong đồ án hệ thống nhúng còn sử dụng một số nhận xét, đánh giácũng như số liệu của các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chúthích nguồn gốc

Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung đồ án hệ thống nhúng của mình Trường đại học Tôn Đức

Thắng không liên quan đến những vi phạm tác quyền, bản quyền do tôi gây ra trongquá trình thực hiện (nếu có)

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2021

Tác giả

Nguyễn Đức Bảo Định

3.1 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG 33.2 TÌM HIỂU VỀMODULEESP32 43.3 CẢM BIẾN CÂN NẶNGLOADCELL5KG 63.4 MẠCH GIẢM ÁPDC LM2596 3A: 83.5 MẠCH CHUYỂN ĐỔIADC HX711 93.6 KHỐI NGUỒN CẤP NGUỒN CHOMODULENODEMCUNGUỒN5 V 103.7 KHỐI LƯU TRỮARDUINOIDE 10

3.9 SƠ ĐỒ KẾT NỐI CHÂN CỦA MẠCH 12

3.9.1 Khối nguồn 13 3.9.2 Khối mạch chuyển đổi ADC HX711 13 3.9.3 Khối xử lý 14

4.2 LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN 15

5.1 TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM 16

5.1.1 Mạch in 2D và 3D 16 5.1.2 Mạch thực tế 18 5.1.3 Các bước tiến hành 19

VSS Voltage for Substrante

IEEE Institute of Electrical and Electronics EngineersWi-Fi Wireless Fidelity

MQTT Message Queue Telemetry Transport

IoT Internet of Things

TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Giới thiệu đề tài

Ngày nay với sự phát triển của công nghệ điện tử, kỹ thuật số các hệ thống dầnđược tự động hóa Sự phát triển của vi xử lí, vi mạch số được ứng dụng vào lĩnh vựcđiều khiển giúp việc xử lí thông tin nhanh hơn trước đây phục vụ vào cuộc sống củacon người

Trong lĩnh vực quản lí hàng hóa, những phương pháp thủ công tốn khá nhiều thờigian của chúng ta Thay vào đó việc sử dụng cân điện tử kết hợp với Node Red xuấtnhập dữ liệu lên Google Sheet để kiểm soát khối lượng và quản lí sản phẩm chính là

1 giải pháp hiệu quả trong lĩnh vực này

1.2 Mục đích nghiên cứu

Mục đích chính của đề tài này là thiết lập quy trình quản lí hàng hóa bằng việc sửdụng MQTT Aedes của Node Red để tiếp nhận dữ liệu cân nặng từ cân điện tửLoadcell, xử lí số liệu, tính toán trên Node Red và xuất dữ liệu lên Google Sheet.Đồng thời người dùng có thể quản lí số liệu và hiệu chỉnh từ xa thông quaDashboard trên Node Red

1.3 Đối tượng nghiên cứu

ESP32 NodeMCU, Module ESP 32 WiFi+Bluetooth Development Board, phầnmềm Arduino IDE để lập trình cho cảm biến cân nặng Loadcell, phần mềm vẽ mạchAltium, cách kết nối giữa linh kiện phần cứng Node Red và Google Sheet

1.4 Phạm vi nghiên cứu

Ứng dụng trong trạm trung chuyển, nhà kho, nhà máy, siêu thị

1.5 Dự kiến kết quả

Cân Loadcell sẽ đo khối lượng của hàng hóa, sau đó chuyển dữ liệu lên Node Red

xử lí tính toán và xuất giá trị lên Google Sheet

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT

2.1 Mảng Array

2.1.1 Tìm hiểu mảng Array

Mảng (Array) là một trong các cấu trúc dữ liệu cũ và quan trọng nhất Mảng có thểlưu giữ một số phần tử cố định và các phần tử này nền có cùng kiểu Hầu hết cáccấu trúc dữ liệu đều sử dụng mảng để triển khai giải thuật Dưới đây là các kháiniệm quan trọng liên quan tới Mảng

● Phần tử: Mỗi mục được lưu giữ trong một mảng được gọi là một phần tử

● Chỉ mục (Index): Mỗi vị trí của một phần tử trong một mảng có một chỉ mục

số được sử dụng để nhận diện phần tử

Mảng gồm các bản ghi có kiểu giống nhau, có kích thước cố định, mỗi phần tử đượcxác định bởi chỉ số

Mảng là cấu trúc dữ liệu được cấp phát liên tục cơ bản

2.1.2 Ưu điểm của mảng

● Truy câp phần tử với thời gian hằng số O(1)

● Sử dụng bộ nhớ hiệu quả

● Tính cục bộ về bộ nhớ

2.1.3 Nhược điểm của mảng

● Không thể thay đổi kích thước của mảng khi chương trình đang thực hiện

● Kích thước mảng cố định

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

3.1 Sơ đồ khối của hệ thống

Hệ thống quản lí cân nặng hàng hóa thông qua giao tiếp giữa Node Red với ESP32bao gồm các khối được thể hiện như hình sau :

Hình 3- 1: Mô hình tổng quát của hệ thống

3.2 Tìm hiểu về Module ESP32

Thiết bị ngoại vi của ESP32:

18 kênh chuyển đổi tương tự số

3 giao diện SPI

3 giao diện UART

10 Chân GPO cảm ứng điện dung

2 bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự

2 giao diện I2C

16 kênh đầu ra PWM

Hình 3- 3: Sơ đồ chân Module ESP32

SPI Flash: 32Mbits.

3.3 Cảm biến cân nặng Loadcell 5kg

Cảm biến Load cell là thiết bị cảm biến dùng để chuyển đổi lực hoặc trọng lượngthành tín hiệu điện

Mỗi cảm biến Load cell (cảm biến tải) một đầu ra độc lập, thường 1 đến 3 mV/V.Đầu ra kết hợp được tổng hợp dựa trên kết quả của đầu ra từng cảm biến tải - loadcell Các thiết bị đo lường hoặc bộ hiển thị khuyếch đại tín hiệu điện đưa về, quachuyển đổi ADC, vi xử lý với phần mềm tích hợp sẵn thực hiện tính toán chỉnh định

và đưa kết quả đọc được lên màn hình

Cảm biến cân nặng Load cell dựa trên nguyên lý cầu điện trở cân bằng Wheatstonegọi là cảm biến tải cầu điện trở

Điện áp hoạt động: 5V

Nhiệt độ hoạt động: -20 ~ 65 độ C Chất liệu cảm biến: Nhôm

Điều chỉnh điện áp trong khoảng 1.5V – 30V

Dòng điện đáp ứng tối đa: 3A

Hiệu suất là 92%

Kích thước: 45mm x 20mm x 14mm

3.5 Mạch chuyển đổi ADC HX711

Hình 3- 6: Mạch chuyển đổi ADC 24bit HX711

Mạch chuyển đổi ADC 24bit Loadcell HX711: module chuyển đổi analog sangdigital 24-bit HX711 được thiết kế để chuyển đối tín hiệu và ứng dụng điềukhiển công nghiệp để giao tiếp trực tiếp với một cảm biến cầu

Đây là mạch đọc giá trị cảm biến loadcell với độ phân giải 24bit và chuyển sanggiao tiếp 2 dây ( clock và data ) để gửi dữ liệu cho vi điều khiển / arduino

Thông số:

Điện áp hoạt động : 2.7 – 5V

Dòng tiêu thụ : < 1.5 mA

Tốc độ lấy mẫu : 10 – 80 SPS ( tùy chỉnh )

Độ phân giải : 24 bit ADC

Độ phân giải điện áp : 40mV

3.6 Khối nguồn cấp nguồn cho Module NodeMCU nguồn 5 V

Sử dụng nguồn 12 V - 3 A để cấp nguồn hoạt động cho mạch:

Hình 3-7 Nguồn adapter

3.7 Khối lưu trữ Arduino IDE

Arduino IDE được viết tắt (Arduino Integrated Development Environment) làmột chương trình giúp viết code và nạp vào linh kiện của phần cứng ( boardmạch, cảm biến, động cơ ….)

Hình 3-8 Arduino IDE

3.8 Khối Node Red

Node-RED là một công cụ lập trình kéo-thả để kết nối các thiết bị phần cứng,API và online services với nhau Nó cung cấp một trình soạn thảo dựa trên trìnhduyệt giúp dễ dàng kết nối các luồng với nhau bằng cách sử dụng một loạt cácNode trong bảng màu (palette) có thể được triển khai chỉ bằng một cú nhấpchuột

Hình 3-9 Node Red

3.9 Sơ đồ kết nối chân của mạch

Sơ đồ kết nối chân linh kiện được vẽ schematic trên phần mềm Altium

Hình 3- 10 Sơ đồ kết nối mạch.

3.9.2 Khối mạch chuyển đổi ADC HX711

Hình 3- 12: Khối mạch chuyển đổi ADC HX711.

Dùng để tiếp nhận dữ liệu cân nặng từ cảm biến cân nặng Loadcell và chuyển đếnESP32 để xử lý

3.9.3 Khối xử lý

Hình 3- 13: Sơ đồ kết nối với ESP32

Khối xử lý có chức năng đó là xử lý các tín hiệu được HX711 chuyển tới Nhậntín hiệu từ HX711và gửi lên Node Red sau đó Node Red tính toán và gửi tínhiệu lên Google Sheet để ghi nhận giá trị

GIẢI THUẬT VÀ ĐIỀU KHIỂN

4.1 Hoạt động của hệ thống

Hệ thống gồm ESP32 nắm vai trò tiếp nhận và truyền dẫn thông tin, được kết nốivới Wifi, Aedes MQTT trên Node Red, mạch chuyển đổi HX711 và cảm biến cânnặng Loadcell Theo quy trình quản lí hàng hóa, khi hàng hóa đến sẽ được cân trêncảm biến cân nặng, cảm biến nhận giá trị cân nặng của hàng hóa và chuyển đếnmạch chuyển đổi ADC HX711 để chuyển đổi giá trị tín hiệu từ analog sang digital.Sau đó giá trị được chuyển đến ESP32 và được chuyển tiếp lên Node Red tính toán

và xử lí thông qua Aedes MQTT broker Cuối cùng xuất giá trị lên Google Sheet.Kết quả hiển thị trên Google Sheet và Dashboard

4.2 Lưu đồ thuật toán

Hình 4- 1: Lưu đồ giải thuật điều khiển

Mô hình 3D được mô phỏng qua Altium mặt trước:

Hình 5- 2: Sơ đồ chân mạch in 3D mặt trước

Mô hình 3D được mô phỏng qua Altium mặt sau:

Hình 5- 3: Sơ đồ chân mạch in 3D mặt sau

5.1.2 Mạch thực tế

Mạch thực tế khi đã xuất file layout thực hiện in mạch và hàn chân các linh kiện:

Hình 5- 4: Mạch thực tế đã hoàn thiện và gia công mặt trước

Hình 5- 5: Mạch thực tế đã hoàn thiện và gia công mặt sau

5.1.3 Các bước tiến hành

- B1: Cấp nguồn điện cho esp32 và các linh kiện

Hình 5-6: ESP32, HX711 và cân Loadcell

- B2: Nạp code vào esp32 và boots

Hình 5-7 : Esp32 xuất giá trị lên Serial Monitor

5.2 Kết quả thực nghiệm

Kết quả đạt được sau khi thực hiện mạch đã hiển thị

Hình 5-8: Giá trị trên GoogleSheet

Hình 5-9: Giá trị trên Dashboard

5.3 Kết luận thực nghiệm

Kết quả thu được đã vẫn còn nhiều hạn chế Giá trị vẫn chưa thể được hiệu chỉnhchính xác Cảm biến cân nặng xuất giá trị liên tục và khó kiểm soát Mỗi khihàng hóa được đặt lên thì hệ thống sẽ tự động cộng lên 1 và publish giá trị cânnặng nếu giá trị lớn hơn 150000, sau đó dữ liệu sẽ được chuyển lên GoogleSheet và Dashboard Qua đây giúp chúng ta hiểu được quy trình quản lý hànghóa giám sát khối lượng hàng hóa

KẾT LUẬN

Sau quá trình thực hiện đồ án, hệ thống đạt được như sau

6.1 Ưu điểm

● Giải quyết được phần nào vấn đề đặt ra

● Phần cứng mô hình họa động tốt với việc đo khối lượng hàng hóa

● Giao diện thiết kế đơn giản và dễ dùng

6.2 Nhược điểm

● Sai số kết quả còn nhiều

● Khó hiệu chỉnh và kiểm soát giá trị.

● Giá trị khối lượng cần phải được tinh chỉnh nhiều mới sát được giá trịthực tế

6.3 Hướng phát triển

Trong tương lai em hy vọng có thể cải tạo cảm biến cân nặng thành cân điện tửvới nhiều tính năng hiện đại hơn Có thể kết hợp thêm cảm biến hồng ngoại đọcbarcode và tên sản phẩm, liên kết với database của siêu thị để cân nhiều loạihàng hóa khác nhau, xuất ra giá tiền mỗi loại dựa theo khối lượng

TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt:

[1] Hướng dẫn sử dụng cơ bản ardunio (Học viện Hàng không Việt Nam)

[2] Hocarm.org, Node-red cơ bản,https://hocarm.org/node-red-co-ban/

[3] Hocarm.org, Node-red MQTT và ESP8266, va-esp8266/

https://hocarm.org/node-red-mqtt-[4] Hocarrm.org, MQTT và ESP8266, broker/

https://hocarm.org/mqtt-client-va-mqtt-[5] Nick Chung (2017), Giới thiệu module ESP32 và hướng dẫn trình bày biên dịc trên Arduino IDE, http://arduino.vn/tutorial/1570-gioi-thieu-module-esp32-va-huong-dan-cai-trinh-bien-dich-tren-arduino-ide

const int LOADCELL_DOUT_PIN = 4;

const int LOADCELL_SCK_PIN = 2;

HX711 scale;

// Wifi và MQTT setup

const char* ssid = "Moon <3";

const char* password =

String dem = String(reading);

client.publish ("Can_Nang", dem.c_str(), true); delay(2000);

PHỤ LỤC B: FLOW TRÊN NODE RED

Hình 7-1: Flow trên Node Red

Ưu điểm của mảng

Nhược điểm của mảng

Sơ đồ khối của hệ thống

Tìm hiểu về Module ESP32

Cảm biến cân nặng Loadcell 5kg

Mạch giảm áp DC LM2596 3A:

Mạch chuyển đổi ADC HX711

Khối nguồn cấp nguồn cho Module NodeMCU nguồn 5 V

Khối lưu trữ Arduino IDE

Khối Node Red

Sơ đồ kết nối chân của mạch

Khối nguồn

Khối mạch chuyển đổi ADC HX711