Đồ án hệ thống nhúng đề tài máy sấy khô thực phẩm

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tên tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt Protocol/Internet Protocol Giao thức điều khiển truyền nhận/ giao thức liên mạng PVC Polyvinylclorua Một loại nhựa nhiệt

TỔNG QUAN VỀ ĐỒ SẤY KHÔ VÀ CÔNG NGHỆ INTERNET

Nhu cầu sử dụng đồ sấy khô

Trong thời đại phát triển ngày nay, nhu cầu ăn uống của con người đã thay đổi, chuyển từ nhu cầu ăn no, nhu cầu ăn ngon sang nhu cầu ăn an toàn, tăng cường hệ miễn dịch cho cơ thể Cùng với các loại thực phẩm “sạch” Hoa quả và thực phẩm sấy khô nói chung được khá nhiều gia đình ưu chuộng vì độ thơm ngon và hàm lượng dinh dưỡng không bị mất đi, lại bảo quản được lâu Nhu cầu mua hoa quả sấy khô thường tập trung vào các dịp Lễ Tết Nhưng giờ đây người tiêu dùng sử dụng chúng một cách phổ biến và thường xuyên Chúng trở thành món đồ ăn vặt hàng ngày, quà biếu…Thực tế cho thấy, nhu cầu của người dùng về mặt hàng này ngày càng cao Thậm chí nhiều siêu thị phải nhập khẩu hoa quả sấy khô từ Hàn Quốc,

Nhật Bản, Úc, Thái Lan với giá cao hơn thực phẩm trong nước gấp nhiều lần

Hình 1.1 Hoa quả sấy khô

Theo khảo sát, loại hồng sấy, hồng dẻo Hàn Quốc, Nhật Bản được bán tại các cửa hàng hoa quả nhập khẩu tại Hà Nội có giá gần 2 triệu đồng/hộp 36 quả Tương tự, nho khô Úc nguyên cành cũng được bán 2,5 triệu đồng cho đến 4 triệu đồng/thùng từ 5kg đến 7kg Hay Cherry sấy khô xuất xứ từ Mỹ cũng được bán với giá từ 700.000 – 900.000 đồng/kg

Khác với trái cây tươi dễ bị dập nát khi di chuyển và chỉ có theo mùa thì hoa quả sấy khô có thể tiêu thụ được quanh năm Trải qua các phương pháp tách nước truyền thống và hiện đại, chúng vẫn giữ được hàm lượng dinh dưỡng của mình, bảo quản được rất lâu và được người tiêu dùng vô cùng ưa chuộng

Hiện nay, các mặt hàng hoa quả sấy khô được sử dụng phổ biến và rộng rãi Một số loại quả sấy khô tiêu biểu được yêu thích có thể kể đến như mít, chuối, khoai lang, thanh long, xoài, ổi, dứa,… Ngoài phương pháp phơi nắng truyền thống thì hiện nay đa số đều sử dụng máy sấy thực phẩm Máy sấy thực phẩm là một chiếc máy đa năng có thể sấy được khá nhiều loại như hoa quả, thịt, cá, hải sản, dược liệu, hay những sản phẩm có giá trị kinh tế cao… Máy sấy thực phẩm lấy đi lượng nước có trong các loại trái cây hay các sản phẩm khác nhưng vẫn giữa nguyên vẹn thành phần dinh dưỡng và màu sắc ban đầu Để đánh giá một sản phẩm sấy có đạt đủ những yếu tố như độ thơm ngon và hàm lượng dinh dưỡng không bị mất đi, lại bảo quản được lâu sẽ dựa vào các ảnh hưởng

HỆ THỐNG NHÚNG sau Ở đây nhóm chúng em đưa ra 5 yếu tố chính ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm sấy khô gồm nhiệt độ sấy, độ khô không khí, tốc độ gió, kết cấu sản phẩm và tính chất riêng, từ đó phát triển ra các phương pháp sấy khác nhau để có được những đặc điểm sấy khô mong muốn theo ý mình

Nhiệt độ sấy của sản phẩm: sấy khô làm mất đi thành phần nước bên trong sản phẩm, nhiệt độ sấy càng cao thì nước càng nhanh hóa hơi, do vậy tùy thuộc vào đặc điểm từng sản phẩm mà lựa chọn nhiệt độ sấy cho phù hợp Sấy hoa quả, thực phẩm, dược liệu… cần phải giữa màu sắc, hương vị và đặc biệt là bảo toàn dinh dưỡng, do vậy nhiệt độ sấy nên ở mức thấp Độ ẩm của không khí: yếu tố này cũng quyết định lớn tới khả năng thoát hơi nước ra khỏi sản phẩm, giống như sự chênh lệch về áp suất hay mực nước, bên cao sẽ chảy về bên thấp, áp suất cao sẽ đẩy sang áp suất thấp Độ ẩm của không khí xung quanh sản phẩm sấy càng thấp thì sự thoát hơi nước ra khỏi sản phẩm càng dễ dàng

Tốc độ gió thổi qua sản phẩm sấy: khi hơi nước thoát ra khỏi bề mặt của sản phẩm sẽ góp phần làm tăng độ ẩm xung quang sản phẩm, do đó sự ngăn cản sự thoát hơi nước đang diễn ra tại bề mặt sản phẩm sấy, nên tốc độ gió đủ mạnh sẽ nhanh chóng làm khô sản phẩm

Kết cấu sản phẩm: yếu tố này nói lên đặc điểm bên trong sản phẩm như độ rắn chắc hay mềm nhũn, sản phẩm nhiều nước hay ít nước, kết cấu dễ bay hơi nước hay khó thoát hơi nước… Đặc tính riêng: một số đặc tính riêng mà chúng ta cầm xem xét tới như dẽ bị mất màu hay không, dễ bị co ngót hay không, mỗi sản phẩm sấy sẽ có yêu cầu khác nhau

Các yếu tố vừa nêu trên có ảnh hưởng lớn tới sản phẩm sấy, mỗi yếu tố hay kết hợp vài yếu tố với nhau sẽ có được máy sấy phù hợp với một nhóm sản phẩm nào đó, đáp ứng sấy hiệu quả, chi phí và đủ yêu cầu

Sau đây là thời gian sấy các loại thực phẩm khi dùng máy sấy chuyên dụng:

 Thời gian sấy lá nếp, lá chè, các loại lá thảo dược từ 1-3 tiếng

 Thời gian sấy rau củ thái mỏng như: cà rốt, su hào, súp lơ từ 4-7 tiếng

 Thời gian sấy các loại hạt nhỏ như: hạt đỗ xanh, đỗ tương, đậu đen, hạt ngũ cốc từ 4-7 tiếng

 Thời gian sấy các loại quả nhiều nước, nhiều đường như: chuối, tóc, mít từ 7-10 tiếng

 Sấy các loại quả có vỏ như: vải, nhãn, nho,… từ 30-48 tiếng

 Dược liệu thái mỏng từ 3-6 tiếng

Nhiệt độ thích hợp của một số sản phẩm tương ứng:

 Hoa quả nhiệt độ từ 50ºC-70ºC

 Các loại hạt nhiệt độ từ 60ºC-90ºC

 Các loại lá nhiệt độ từ dưới 60ºC

 Măng nhiệt độ dưới 90ºC

 Thịt cá nhiệt độ từ 70 – 90 o C

 Các loại củ như khoai lang, ngô,…nhiệt độ từ 80 – 90ºC

 Thuốc bắc, thuốc nam nhiệt độ khoảng 65 o C

Internet of Thing

Từ khi khái niệm IoT ra đời vào năm 1999, Internet of things (IoT) đã đi từ một giấc mơ đơn thuần và mông lung tới sự thực hiện hữu và rõ ràng Nguyên nhân chính có thể là việc sử dụng rộng rãi giao thức Internet (IP), sự phát triển phổ cập của máy tính, và sự phát triển không ngừng của phân tích dữ liệu Ngoài ra còn một số nhân tố khác cũng tạo ra sự phát triển của ngành

Internet of Thing (IoT) hay cụ thể hơn là Mạng lưới vạn vật kết nối Internet hoặc là Mạng lưới thiết bị kết nối Internet là một liên mạng, trong đó các thiết bị kết nối với nhau Việc kết nối thì có thể thực hiện qua Wifi, mạng viễn thông băng rộng

(3G, 4G), Bluetooth, ZigBee, hồng ngoại… Các thiết bị có thể là điện thoại thông minh, máy pha cafe, máy giặt, tai nghe, bóng đèn và nhiều thiết bị khác Cisco, nhà cung cấp giải pháp và thiết bị mạng hàng đầu hiện nay dự báo: Đến năm 2020, sẽ có khoảng 50 tỷ đồ vật kết nối vào Internet, thậm chí con số này còn gia tăng nhiều

HỆ THỐNG NHÚNG hơn nữa IoT sẽ là mạng khổng lồ kết nối tất cả mọi thứ, bao gồm cả con người và sẽ tồn tại các mối quan hệ giữa người và người, người và thiết bị, thiết bị và thiết bị

IoT là là một mạng lưới mà trong đó, mỗi đồ vật, con người được cung cấp một định danh của riêng mình, và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy tính

Ngoài ra IoT có khá nhiều ứng dụng trong cuộc sống xung quanh chúng ta mỗi ngày như:

Nhà thông minh (Smart Home):

Nông nghiệp thông minh (Smart Farm): Áp dụng các hệ thống cảm biến, theo dõi, tự động hoá vào các quá trình từ chuẩn bị, nuôi dưỡng đến phân phối

Hình 1.4 Nông nghiệp thông minh

Công nghiệp thông minh, nhà máy thông minh:

Hình 1.5 Công nghiệp thông minh, nhà máy thông minh

Nhìn nhận đồ án

Dựa vào nhu cầu thiết thực của cuộc sống con người, cũng như nhu cầu sử dụng không ngừng tăng cao của thị trường tiêu thụ đồ sấy khô, để đảm bảo an toàn thực phẩm, độ thơm ngon và hàm lượng dinh dưỡng không bị mất đi, lại bảo quản được lâu, nhóm chúng em dự vào những yếu tố trên nên đã chọn đồ án là thiết kế một máy sấy khô để đáp ứng nhu cầu trên Trong đồ án thì chúng em tập chung vào việc nhìn nhận bốn vấn đề chính là nhiệt độ sấy của sản phẩm, độ ẩm của không khí trong hộp sấy, kết cấu, đặc tính riêng của từng loại sản phẩm Bốn vấn đề trên và một số yếu tố khác nhóm em đang trong quá trình tìm hiểu và phát triển thêm để đưa ra một sản phẩm đánh giá tốt về việc sấy khô

Mục đính mà nhóm chúng em muốn hướng đến là dựa vào sự trải nghiệm của cuộc sống, vận dụng toàn bộ kiến thức chúng em tích lũy trong 4 năm đại học ở tại

Học viện trong suốt quá trình đạo tạo để tạo ra một sản phẩm thực tế nhằm rèn luyện các kĩ năng lập trình, kĩ năng làm việc nhóm, kĩ năng tạo lập văn bản.

Kết luận chương 1

Chương 1 đã trình bày tổng quan về nhu cầu sử dụng đồ sấy khô hiện nay, giới thiệu khái quát về công nghệ Internet of Thing, các ứng dụng của IoT vào cuộc sống , nhìn nhận đánh giá đồ án, mục tiêu cần đạt được của đồ án, những kiến thức tích lũy và các kĩ năng mềm Bên cạnh đó nội dung của chương này cũng trình bày chi tiết cụ thể về các vẫn đề để có một sản phẩm sấy khô tốt và đảm bảo vẫn giữa nguyên được các yếu tố về dinh dưỡng… Những nội dung này sẽ làm cơ sở cho việc, xây dựng thiết kế tổng quan và thiết kế chi tiết cho việc xây dựng máy sấy sẽ trình bày ở các chương kế tiếp

CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỀ TÀI

Các thiết bị sử dụng

ESP8266 là dòng chip tích hợp Wi-Fi 2.4Ghz có thể lập trình được, rẻ tiền, có hỗ trợ bộ giao thức TCP/IP và có thể tích hợp vào thành phần của vi điều khiển, được sản xuất bởi hãng Espressif Systems ở Thượng Hải, Trung Quốc

Chip ESP8226 lần đầu tiên được các nhà sản xuất phương Tây vào tháng 8 năm 2014 với module ESP-01, do nhà sản xuất bên thứ ba là Ai-Thinker sản xuất

Module này cho phép các vi điều khiển kết nối với mạng Wi-Fi và thực hiện các kết nối TCP/IP đơn giản bằng cách sử dụng các lệnh kiểu Hayes (tập lệnh

AT) ESP8285 là một chip ESP8266 với 1 MiB bộ nhớ flash được tích hợp, cho phép người dùng có thể sản xuất các thiết bị có khả năng kết nối với Wi-Fi chỉ với một chip đơn

HỆ THỐNG NHÚNG a) Thông số kĩ thuật

Sơ đồ chân của ESP8266:

Hình 2.2 Sơ đồ chân của ESP8266

- Nguồn: 5 VDC cấp qua cổng micro USB hoặc chân Vin

- Chip nạp và console UART: CP2102

- Ngoại vi tích hợp LED Status, Reset, bộ nhớ Flash

- Tương thích với firmware NodeMCU

- Tương tích với Arduino IDE

- Sơ đồ chân I/O: 11 (Tất cả các chân I/O đều có Interrup/PWM/I2C/One-wire, trừ chân D0)

- Số chân Analog Input: 1 (Điện áp vào tối đa 3.3V)

- Giao tiếp: Cable Micro USB

- Hỗ trợ bảo mật: WPA/WPA2

- Wi-Fi: 2.4 GHz hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n

Cảm biến nhiệt độ DS18B20 dây mềm, là phiên bản chống nước, chống ẩm của Cảm biến nhiệt độ DS18B20 Cảm biến nhiệt độ DS18B20 là cảm biến ( loại digital ) đo nhiệt độ mới của hãng MAXIM với độ phân giải cao ( 12 bit ) IC sử dụng giao tiếp 1 dây rất gọn gàng, dễ lập trình IC còn có chức năng cảnh báo nhiệt độ khi vượt ngưỡng và đặc biệt hơn là có thể cấp nguồn từ chân data ( parasite power )

Hình 2.1 Hình ảnh cảm biến DS18B20

Cảm biến nhiệt độ DS18B20 có thể hoạt động ở 125 độ C nhưng cáp bọc PVC nên giữ nó dưới 100 độ C Đây là cảm biến kỹ thuật số, nên không bị suy hao tín hiệu đường dây dài Cảm biến nhiệt độ DS18B20 1-Wire Digital Temperature Probe là cảm biến DS18B20 được thiết kế ở dạng dây chống nước với vò thép bảo vệ chắc chắn dài 1m, được sử dụng để đo nhiệt độ môi trường với chuẩn giao tiếp 1-Wire (1 chân Data duy nhất) rất dễ kết nối và lập trình, cảm biến có chất lượng tốt, độ bền cao Cần nối chân Data của cảm biến lên mức cao VCC qua điện trở kéo 4k7 Ohm hoặc 10k Ohm trước khi kết nối với Vi điều khiển Ứng dụng: HVAC kiểm soát nhiệt môi trường, đo nhiệt độ bên trong các tòa nhà, thiết bị, máy móc, và trong hệ thống giám sát, máy sấy khô

Hình 2.2 Sơ đồ chân của cảm biến DS18B20

Thông số kỹ thuật của cảm biến nhiệt độ DS18B20:

- Dải đo nhiệt độ: -55 đến 125 độ C ( -67 đến 257 độ F)

- Sai số: +- 0.5 độ C khi đo ở dải -10 – 85 độ C

- Độ phân giải: người dùng có thể chọn từ 9 – 12 bits

- Chuẩn giao tiếp: 1-Wire ( 1 dây )

- Có cảnh báo nhiệt khi vượt ngưỡng cho phép và cấp nguồn từ chân data

- Thời gian chuyển đổi nhiệt độ tối đa : 750ms ( khi chọn độ phân giải 12bit )

- Mỗi IC có một mã riêng (lưu trên EEPROM của IC) nên có thể giao tiếp nhiều DS18B20 trên cùng 1 dây

- Ống thép không gỉ (chống ẩm , nước) đường kính 6mm, dài 50mm

- Đường kính đầu dò: 6mm

2.1.3 Cảm biến nhiệt độ DHT11

DHT11 là cảm biến nhiệt độ và độ ẩm được tích hợp chung trong một cảm biến

Hình 2.5 Cảm biến nhiệt độ DHT11

Cảm biến độ ẩm và nhiệt độ DHT11 Temperature Humidity Sensor là cảm biến rất thông dụng hiện nay vì chi phí rẻ và dễ lấy dữ liệu thông qua giao tiếp 1 wire( giao tiếp digital 1 dây truyền dữ liệu duy nhất) Bộ tiền xử lý tín hiệu tích hợp trong cảm biến giúp bạn có được dữ liệu chính xác mà không cần phải bất kỳ một tính toán nào

- Dòng sử dụng: 2.5mA max( khi truyền dữ liệu)

- Đo tốt ở độ ẩm 20 to 70%RH với sai số 5%

- Đọ nhiệt độ tốt nhất ở nhiệt độ 0 to 50°C sai số ± 2

- Tần suất lấy mẫu tối đa 1 Hz ( 1 giây 1 lần )

- Kích thước 15mm x 12mm x 5.5mm

2.1.4 Màn hình LCD 16x2 và chuẩn giao tiếp I2C a) Màn hình LCD 16x2

LCD 16x2 có 16 chân trong đó 8 chân dữ liệu (D0-D7) và 3 chân điều khiển

(RS, RW, EN) Các chân điều khiển giúp ta dễ dàng cấu hình LCD ở chế độ lệnh hoặc chế độ dữ liệu

LCD16x2 xanh lá sử dụng driver HD44780, có khả năng hiển thị 2 dòng với mỗi dòng 16 ký tự, màn hình có độ bền cao, rất phổ biến, nhiều code mẫu và dễ sử dụng thích hợp cho những người mới học và làm dự án

Hình 2.7 Sơ đồ chân của LCD 16x2

- Điện áp hoạt động là 5 V

- Chữ đen, nền xanh lá

- Khoảng cách giữa hai chân kết nối là 0.1 inch tiện dụng khi kết nối với

- Tên các chân được ghi ở mặt sau của màn hình LCD hổ trợ việc kết nối, đi dây điện

- Có đèn led nền, có thể dùng biến trở hoặc PWM điều chình độ sáng để sử dụng ít điện năng hơn

- Có thể được điều khiển với 6 dây tín hiệu

- Có bộ ký tự được xây dựng hổ trợ tiếng Anh và tiếng Nhật b) Giao tiếp LCD với module I2C

I2C là một chuẩn giao tiếp theo mô hình master/slave được phát triển vào năm

1982 bởi hãng Philips cho việc giao tiếp ngoại vi giữa các vi điều khiển, IC trong khoảng cách ngắn Chuẩn giao tiếp I2C được sử dụng rất phổ biến trong các thiết bị điện tử bởi đặc tính dễ thực hiện với giao tiếp giữa một hoặc nhiều thiết bị làm master với một hoặc hoặc nhiều thiết bị làm slave Các hãng sản xuất IC ngày nay đều hỗ trợ giao tiếp I2C trên các IC có ứng dụng cần giao tiếp với các IC hay các vi điều khiển khác

Giao tiếp I2C chỉ sử dụng 2 dây cho việc giao tiếp giữa 128 thiết bị với việc định địa chỉ 7 bit và 1024 thiết bị với việc định địa chỉ 10 bit Mỗi thiết bị trong mô hình master/slave sẽ có một địa chỉ cố định và duy nhất và master sẽ lựa chọn thiết bị nào cần giao tiếp

I2C sử dụng 2 dây giao tiếp là SCL và SDA Dây SCL (viết tắt của Serial

Clock Data) là dây truyền xung clock phát từ thiết bị master đồng bộ với việc truyền dữ liệu Dây SDA (Serial Data) là dây truyền dữ liệu

Mạch vật lý I2C là mạch cực thu hở, do đó để mạng I2C có thể hoạt động được, cần tối thiểu 2 cặp điện trở pull-up như trên hình, thông thường các giá trị điện trở 4k7 hoặc 1k2 được sử dụng, tùy thuộc vào tốc độ truyền và khoảng cách truyền

Các dữ liệu được truyền trong I2C dạng các chuỗi 8 bit Sau khi bit Start đầu tiên được truyền, 8 bit tiếp theo chứa thông tin về địa của thiết bị sẽ được truyền tiếp Sau đó, một bit ACK sẽ được truyền để xác nhận việc truyền bit thành công

Sau khi truyền bit ACK, 8 bit tiếp theo chứa thông tin địa chỉ thanh ghi nội của thiết bị slave sẽ được truyền Sau khi hoàn tất việc định địa chỉ với 8 bit này, một bit ACK nữa sẽ được truyền để xác nhận Sau đó, 8 bit Data sẽ được truyền tiếp theo Cuối cùng, quá trình truyền kết thúc với 1 bit ACK và 1 bit Stop xác nhận việc truyền dữ liệu kết thúc

Hình 2.9 Các bit truyền nhận trong giao tiếp I2C

Module 1 Relay với opto cách ly nhỏ gọn, có opto và transistor cách ly giúp cho việc sử dụng trở nên an toàn với board mạch chính, module 1 Relay với opto cách ly 5v được sử dụng để đóng ngắt nguồn điện công suất cao AC hoặc DC, có thể chọn đóng khi kích mức cao hoặc mức thấp bằng Jumper

Tiếp điểm đóng ngắt gồm 3 tiếp điểm NC (thường đóng), NO(thường mở) và COM(chân chung) được cách ly hoàn toàn với board mạch chính, ở trạng thái bình thường chưa kích NC sẽ nối với COM, khi có trạng thái kích COM sẽ chuyển sang nối với NO và mất kết nối với NC

 Sử dụng điện áp nuôi DC 5V

 Relay mỗi Relay tiêu thụ dòng khoảng 80mA

 Điện thế đóng ngắt tối đa: AC250V ~ 10A hoặc DC30V ~ 10A

 Có đèn báo đóng ngắt trên mỗi Relay

 Có thể chọn mức tín hiệu kích 0 hoặc 1 qua jumper

 Kích thước: 1.97 in x 1.02 in x 0.75 in (5.0 cm x 2.6 cm x 1.9 cm)

2.1.6 Bóng đèn sấy dây tóc loại to Halogen

Các phền mềm thực hiện

MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) là một giao thức nhắn tin tiêu chuẩn OASIS cho Internet of Things (IoT) Được thiết kế như một phương tiện truyền tải tin nhắn publish/subscribe (xuất bản/đăng ký) cực kỳ nhẹ, lý tưởng để kết nối các thiết bị từ xa với băng thông mạng thấp MQTT ngày nay được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp, chẳng hạn như ô tô, sản xuất, viễn thông, dầu khí, nhà thông minh

MQTT là một trong những giao thức được sử dụng phổ biến nhất liên quan đến IoT MQTT cho phép các thiêt bị IoT hạn chế về tài nguyên gửi hoặc xuất bản thông tin về một chủ đề nhất định tới một máy chủ có chức năng như một message broker MQTT Sau đó, broker sẽ đẩy thông tin ra ngoài cho những máy khách đã subscribe chủ đề trước đó Đối với con người, một chủ đề trong giống như một đường dẫn tệp phân cấp Máy khách có thể subscribe một cấp cụ thể trong hệ thống phân cấp của chủ đề hoặc sử dụng kí tự đại diện để subscribe nhiều cấp

Cơ chế publish/subscribe hoạt động dựa trên 3 yếu tố:

• Publisher: kết nối tới broker và gửi gói tin

• Subscriber: kết nối tới một broker tương tự, nhận bản tin mà thiết bị theo dõi

• Message Broker: bộ điều khiển trung tâm, luân chuyển bản tin giữa các thiết bị trong hệ thống

Client gửi và nhận – publish/subscribe thông điệp thông qua các Topic – chủ đề Một Client có thể publish hay subscribe vào nhiều topic MQTT Broker sẽ tự động phân phối bất cứ thông điệp nào được publish – xuất bản vào một topic đến tất cả Client đã subscribe vào topic này

MQTT Topic thực chất là một chuỗi kí tự (UTF-8) được sử dụng bởi Broker để phân loại thông điệp trước khi gửi đến Client MQTT Topic có thể bao gồm nhiều mức – level, phân cách với nhau bởi dấu gạch ‘/’, ví dụ: IoT/May_say

Mỗi topic phải có ít nhất một kí tự, cho phép khoảng trống – space và có phân biệt chữ hoa và thường; ‘/’ là một topic hợp lệ Đặc tính nhẹ và chi phí tối thiểu của kiến trúc giao thức MQTT giúp đảm bảo truyền dữ liệu trơn tru với băng thông thấp và giảm tải cho CPU và RAM Trong số các lợi thế của MQTT so với các giao thức cạnh tranh là:

 Truyền dữ liệu hiệu quả và thực hiện nhanh chóng, do nó là một giao thức nhẹ

 Mức sử dụng mạng thấp, do gói dữ liệu bị giảm thiểu

 Phân phối dữ liệu hiệu quả

 Triển khai thành công viễn thám và điều khiển

 Truyền tải thông điệp nhanh chóng, hiệu quả

 Sử dụng lượng điện năng nhỏ, tốt cho các thiết bị được kết nối, và

 Tối ưu hóa băng thông mạng

Những nhược điểm tiềm ẩn đối với MQTT bao gồm những điều sau:

 MQTT có chu kỳ truyền chậm hơn so với Giao thức ứng dụng bị ràng buộc

 Khám phá tài nguyên của MQTT hoạt động dựa trên đăng ký chủ đề linh hoạt, trong khi CoAP sử dụng hệ thống khám phá tài nguyên ổn định

 MQTT không được mã hóa Thay vào đó, nó sử dụng TLS / SSL (Bảo mật lớp truyền tải / Lớp cổng bảo mật) để mã hóa bảo mật

 Rất khó để tạo ra một mạng MQTT có thể mở rộng toàn cầu

 Các thách thức MQTT khác liên quan đến bảo mật, khả năng tương tác và xác thực

NodeJS là một nền tảng xây dựng trên nền tảng Javascript V8 Engine, phần mềm này được sử dụng để tạo nên các ứng dụng website như các trang video clip, các diễn đàn và các trang mạng xã hội trong phạm vi hẹp Node JS là một trong những mà nguồn mở được nhiều lập trình viên sử dụng trên toàn thế giới

Các đặc tính của NodeJS

Sở hữu những đặc tính vượt trội, tin rằng trong tương lai NodeJS sẽ là một trong những ngôn ngữ lập trình hàng đầu

Không đồng bộ: None blocking – không đồng bộ có trên tất cả các API của

Node JS nó chủ yếu dựa trên server giúp trả dữ liệu về Việc di chuyển trên máy chủ của các API theo sau khi cơ chế thông báo các sự kiện của NodeJS Server và chờ đợi server trả dữ liệu về Việc di chuyển máy chủ đến các API sau khi gọi và cơ chế thông báo các sự kiện của Node JS giúp máy chủ có thể phản ứng từ các cuộc gọi API trước ( thời gian thực )

Chạy rất nhanh: Node được phát triển vững chắc dựa trên nền tảng Java

Script Engine do vậy việc thực thi chương trình diễn ra nhanh chóng

HỆ THỐNG NHÚNG Đơn luồng tuy nhiên khả năng mở rộng cao:

 Node.js mang đến một mô hình luồng dữ liệu duy nhật với sự kiện lặp với cơ chế tổ chức sự kiện giúp các máy chủ đáp ứng một cách ngăn chặn và làm cho máy chủ có khả năng mở rộng với các máy chủ truyền thống và tạo đề hạn chế để xử lý yêu cầu

 Node.js sử dụng một chương trình đơn luồng và các chương trình tương tự giúp thể cung cấp dịch vụ cho một số lượng lớn hơn nhiều so với yêu cầu tại các máy chủ truyền thống như Apache HTTP Server

Không đệm: NodeJS không đệm bất kỳ một dữ liệu thông qua các ứng dụng này chủ yếu là đầu ra của dữ liệu Ưu điểm của nodeJS mang lại vô cùng lớn:

+ Có tốc độ xử lý nhanh nhờ cơ chế xử lý bất đồng bộ (non-blocking) Bạn có thể dễ dàng xử lý hàng ngàn kết nối trong khoảng thời gian ngắn nhất

+ Giúp bạn dễ dàng mở rộng khi có nhu cầu phát triển website

+ Nhận và xử lý nhiều kết nối chỉ với một single-thread Nhờ đó, hệ thống xử lý sẽ sử dụng ít lượng RAM nhất và giúp quá trình xử Nodejs lý nhanh hơn rất nhiều

Có khả năng xử lý nhiều Request/s cùng một lúc trong thời gian ngắn nhất

+ Có khả năng xử lý hàng ngàn Process cho hiệu suất đạt mức tối ưu nhất

+ Phù hợp để xây dựng những ứng dụng thời gian thực như các ứng dụng chat, mạng xã hội …

Một số nhược điểm của nodeJS:

+ Nodejs gây hao tốn tài nguyên và thời gian Nodejs được viết bằng C++ và

JavaScript nên khi xử lý cần phải trải qua một quá trình biên dịch Nếu bạn cần xử lý những ứng dụng tốn tài nguyên CPU thì không nên sử dụng

Nodejs so với các ngôn ngữ khác như PHP, Ruby và Python sẽ không có sự chênh lệch quá nhiều Nodejs có thể sẽ phù hợp với việc phát triển ứng dụng mới Tuy nhiên khi xây dựng và triển khai dự án quan trọng thì Nodejs không phải là sự lựa chọn hoàn hảo nhất

Mysql là hệ quản trị cơ sở dữ liệu tự do nguồn mở phổ biến nhất thế giới và được các nhà phát triển rất ưa chuộng trong quá trình phát triển ứng dụng Vì Mysql là hệ quản trị cơ sở dữ liệu tốc độ cao, ổn định và dễ sử dụng, có tính khả chuyển, hoạt động trên nhiều hệ điều hành cung cấp một hệ thống lớn các hàm tiện ích rất mạnh Với tốc độ và tính bảo mật cao, Mysql rất thích hợp cho các ứng dụng có truy cập CSDL trên internet Người dùng có thể tải về Mysql miễn phí từ trang chủ

Mysql có nhiều phiên bản cho các hệ điều hành khác nhau: phiên bản Win 32 cho các hệ điều hành dòng Windows, Linux, Mac OSX, Unix, FreeBSD, NetBSD,

Kết luận chương 2

Chương 2 đã đưa ra được chi tiết các loại linh kiện và trình bày về các thông số kỹ thuật của các thiết bị sử dụng trong đồ án Chương này cũng đưa ra các ngôn ngữ để tạo ra một cơ sở dữ liệu cho đồ án, cũng như quá trình gửi và nhận dữ liệu thông qua MQTT Các chương tiếp theo sẽ lần lượt trình bày về thiết kế tổng quan và trình bày về chức năng của các khối cơ bản giao tiếp với các ngoại vi

THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Sơ đồ tổng quát hệ thống

Hệ thống bao gồm hai phần chính là khối vật lí và khối ứng dụng:

Hình 3.1 Sơ đồ khối tổng quát

Khối vật lí: có chức năng chính là đọc giá trị nhiệt độ, độ ẩm, hiển thị LCD

16x2, điều khiển các nút ấn

MQTT, Mosquitto: có chức năng là gửi và nhận gói tin giữa 2 khối vật lí, khối ứng dụng Cung cấp dữ liệu để lưu mà Mysql làm cơ sở dữ liệu giúp người dùng quan sát, và theo dõi sản phẩm

MYSQL: là quá trình lấy dữ liệu trên Mosquitto và lưu vào trong Database

Khối ứng dụng: hiển thị dữ liệu lên Web, và cài đặt thiết bị gửi xuống khối vật lí

Khối vật lí

Sơ đồ khối của ESP8266 có thể quản lí được trình bày ở hình 3.1

Hình 3.2 Sơ đồ khối cấu trúc xử lí của ESP8266

Trong đây, Khối vật lí thì ESP8266 có bốn chức năng chính như sau: o Thực hiện đọc nhiệt độ thông qua DS18B20, cảm biến nhiệt độ thông qua DHT11 o Nút ấn để chọn các chế độ để cài đặt, tăng giảm nhiệt độ, thoát khỏi chế độ cài đặt o Hiển thị dữ liệu cần hiển thị lên LCD 16x2 như nhiệt độ, độ ẩm thời gian… o Bật tắt Relay để điều chỉnh máy sấy.

Khối MQTT, Mosquitto

MQTT là phương thức truyền nhận các gói tin thông qua internet dưới dạng các gói tin có dung lượng nhỏ phù hợp với các thiết bị IoT, sử dụng một MQTT

Broker làm server trung gian để chuyển tiếp các gói tin giữa các thiết bị, MQTT có

2 phương thức để thao tác với gói tin như là publish, subscribe Ở đồ án này chúng em lựa chọn một Broker miễn phí trên mạng là Mosquitto để thiết lập một

Khối cơ sở dữ liệu(Mysql)

Mysql nhiệm vụ chính lưu trữ dữ liệu, hỗ trợ một số phương thức xuất dữ liệu ra ngoài dưới dạng các bảng, các cột hay hàng…

Khối ứng dụng

Hình 3.4 Sơ đồ khối ứng dụng

NodeJS: sử dụng NodeJS để tạo Server ảo trên máy tính cá nhân

Client : đóng vai trò như một thiết bị truy cập vào server được tạo ở bước trên.

Kết luận chương 3

Chương 3 đã nêu ra mô hình tổng quát của cả hệ thống do chúng em xây dựng và các khối trong đồ án của chúng em Đồng thời cũng chỉ rõ ra các nhiệm vụ chính của từng khối trong sơ đồ hẹ thống Chương này cũng đưa ra Ở chương

HỆ THỐNG NHÚNG sau chúng em sẽ đi vào trình bày chi tiết quá trình thiết kế kế và triển khai sản phẩm

THIẾT KẾ SẢN PHẨM

Kết nối ESP8266 với các module

Sơ đồ khối của vi điều khiển ESP8266 kết nối với các thiết bị ngoại vi được trình bày ở hình 4.1

Hình 4.2 Sơ đồ khối vật lí Ở phần này, ESP8266 sẽ thực hiện các chức năng chính là o Thực hiện đọc nhiệt độ thông qua DS18B20, cảm biến nhiệt độ thông qua DHT11 o Nút ấn để chọn các chế độ để cài đặt, tăng giảm nhiệt độ, thoát khỏi chế độ cài đặt o Hiển thị dữ liệu cần hiển thị lên LCD 16x2 như nhiệt độ, độ ẩm thời gian… o Bật tắt Relay để điều chỉnh máy sấy

Sơ đồ thuật toán thực hiện các chức năng trên được trình bày ở hình 4.2

Hình 4.3 Lưu đồ thuật toán khối vật lí

Giữa việc lựa chọn nhiệt độ giữa 2 cảm biến DHT11 và DS18B20 thì trong đề tài này nhóm chúng em lựa chọn cảm biến DS18B20 vì khi lấy được kết quả nhiệt độ nhóm em có so sánh thì cảm biến DS18B20 cho độ chính xác cao hơn rất nhiều Theo như nhà sản xuất chỉ có sai số ±0.5°C , đo được từ -55°C đến 125°C, nguồn cấp từ 3 – 5.5V, sử dụng một chân với 64 bit Serial code cho phép chúng ta dùng nhiều con trên cùng 1 chân digital(cơ chế One-Wire)

Chương trình code đọc nhiệt độ từ cảm biến DS18B20 trong Ardunio:

OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS);

DallasTemperature sensors(&oneWire); void setup(void)

Serial.println(sensors.getTempCByIndex(0)); delay(1000);

Trong đề tài nhóm em sử dụng DHT11 đọc độ ẩm trong buồng sấy và đồng thời theo dõi được độ ẩm của thực phẩm trong quá trình sấy để đảm bảo cho ra sản phẩm sấy chất lượng, dữ được độ dinh dưỡng Cảm biến DHT11 có dải độ ẩm hoạt động từ 20% đến 90% sai số ±5%

Chương trình code đọc độ ẩm từ cảm biến DHT11 trong Ardunio:

#include "DHT.h" const int DHTPIN = 4; const int DHTTYPE = DHT11;

DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE); void setup() {

} void loop() { float h = dht.readHumidity();

4.1.3 ESP8266 kết nối với Wifi

Quá trình kết nối giữa ESP8266 với wifi để thực hiện quá trình kết nối với khối MQTT, Mosquitto để chuyển gói tin và nhận gói tin giữa hai khối

Hình 4.4 ESP8266 kết nối với Wifi

Kết nối MQTT

MQTT là phương thức truyền nhận các gói tin thông qua internet dưới dạng các gói tin có dung lượng nhỏ phù hợp với các thiết bị IoT, sử dụng một MQTT

Broker làm server trung gian để chuyển tiếp các gói tin giữa các thiết bị, MQTT có

2 phương thức để thao tác với gói tin như là publish, subscribe Một thiết bị kết nối tới MQTT broker có thể subscribe vào một chủ đề để nhận thông tin từ một chủ đề được publish lên từ thiết bị khác được kết nối vào MQTT Broker

Hình 4.5 Sơ đồ chức năng khối MQTT, Mosquitto

Nhìn vào sơ đồ thấy rõ MQTT có chức năng là gửi dữ liệu từ khối vật lí thông qua mạng internet để gửi lên Broker ở đây là Mosquitto, nó giống như điểm trung chuyển dữ liệu, và cũng nhận dữ liệu yêu cầu xuống dưới từ trên khối ứng dụng Sau khi kết nối Wifi thành công sẽ thực hiện Publish dữ liệu đọc từ cảm biến gửi lên thông qua MQTT Tạo một chuỗi có dung lượng 256 ký tự “buffer[256]” và gọi hàm serializeJson để định dạng đối tượng “doc” đã tạo thành một định dạng chuỗi JSON Kiểm tra dữ liệu gửi lên Mosquitto thông qua lệnh sau: mosquitto_sub -h "broker.hivemq.com" -t "Iot/Data"

Hình 4.6 Dữ liệu gửi lên Mosquitto

Cơ sở dữ liệu

Cách thực hiện trên Mysql:

Kiểm tra database hiện tại:

Ví dụ: Kiểm tra databases hiện tại đang có

Tạo một databases trong Mysql:

CREATE DATABASE Tên_cơ_sở_dữ_liệu;

Ví dụ: Tạo một database có tên là sinhvien

Xóa một databases trong Mysql:

DROP DATABASE Tên_cơ_sở_dữ_liệu;

Ví dụ: xóa database có tên là sinhvien trong Mysql

USE Tên_cơ_sở_dữ_liệu;

Tạo một bảng để lưu dữ liệu trong database mà mình muốn:

CREATE TABLE Tên_bảng(Tên_cột_1 kiểu_dữ liệu, … );

Ví dụ: Tạo một bảng tên là sensor chứa 7 tham số đầu vào

CREATE TABLE sensor(id Int(3) primary key auto_increment,temp float(3),temp_set int (3),time_h int(3),time_p int(3), humi int(3), updtime time);

Xóa bảng trong database mà bạn muốn xóa:

Xem cấu trúc của bảng:

Xem dữ liệu trong bảng:

Thêm dữ liệu vào bảng:

INSERT INTO Tên_bảng(tên_cột_1, tên_cột_2) VALUES(dữ_liệu_cột_1, dữ_liệu_cột_2, ….);

Xóa dữ liệu trong bảng:

DELETE FROM Tên_bảng WHERE mệnh_đề;

Ngoài ra chúng ta có thể quan sát toàn bộ cơ sở dữ liệu của mình vào trong Mysql để kiểm tra, và theo dõi:

Hình 4.7 Quan sát dữ liệu trên Mysql

Dữ liệu gửi từ khối vật lí lên Mosquitto sử dụn giao thức MQTT để gửi gói tin, Mysql sẽ thực hiện đọc gói tin trên Mosquitto rồi thực hiện quá trình lưu vào trong Database

Hình 4.8 Dữ liệu đọc được từ Mosquitto

Mysql giúp chúng ta lưu trữ dữ liệu vào database và quản lí một cách khá dễ dàng, thuận tiện trong quá trình truy xuất:

Hình 4.9 Sơ đồ thực hiện lưu trữ Database

Từ đó sẽ có được sơ đồ kết nối giữa 3 khối vật lí, MQTT,Mosquitto, và Mysql 1 cách tổng quan :

Hình 4.10 Sơ đồ kết nối ba khối vật lí, MQTT, Mosquitto, và Mysql

Qua sơ đồ trên chúng ta thấy rõ được quá trình liên kết giữa các khôi, truy vấn các cơ sơ dữ liệu hiệu quả, dễ dàng

Web hiển thị

Là một trang Web do nhóm em tạo ra bằng 3 ngôn ngữ chính là HTML và

CSS, Bootstrap4 trong trang web này gồm ba phần chính:

Phần hiển thị dữ liệu quan sát gồm có nhiệt độ đọc được tại thời điểm hiện tại trong máy sấy, thời gian thực hiện quá trình sấy, nhiệt độ cài đặt trong quá trình sấy, độ ẩm trong quá trình sấy

Hình 4.11 Hiển thị dữ liệu

Phần biều đồ hiển thị sự thay đổi nhiệt độ, độ ẩm trong suốt quá trình sấy, giúp người thực hiện quan được nhiệt độ, độ ẩm trong suốt quá trình sấy để có thể thay đổi hay điều chỉnh để có được một sản phẩm tốt

Hình 4.12 Biều đồ hiển thị

Ngoài việc cài đặt máy sấy qua các nút ấn ở lớp vật lí để điều chỉnh máy sấy thì ở đây chúng em có thiết kế thêm phần bảng điều chỉnh máy sấy ở trên Web, giúp người dùng thao tác dễ hơn Ở đây có thể điều chỉnh được quá trình bật tắt Relay với thao tác rất đơn giản, người dùng có thể cài đặt nhiệt độ cần sấy theo thực phẩm mà mình cần, thời gian sấy trong quá trình sấy

Hình 4.13 Bảng điều chỉnh máy sấy

Dưới đây là trang Web hoàn chỉnh mà nhóm em đã thiết kế ra ở hình 4.14

Hình 4.14 Web hiển thị Đây là một trang web dựa vào những kiến thức chúng em nắm được đã tạo ra một môi trường thân thiện để giao tiếp giữa người dùng và thiết bị, nó làm đơn giản hóa quá trình cài đặt ở bên dưới, qua trang Web này giúp người dùng có thể quan sát khá chi tiết đến các chỉ số để đạt được một sản phẩm sấy khô có những yêu cầu đã đề ra sẵn để đảm bảo chất lượng cũng như dinh dưỡng, nhiệt độ , độ ẩm thời gian sấy, cũng như sự biến đổi nhiệt độ, độ ẩm trong suốt quá trình sấy khô thực phẩm

Thiết kế mạch

Dưới đây là sơ đồ nguyên lí mạch do nhóm em tự thiết kế để giúp cho việc giảm thiểu dây kết nối, và vận dụng kiến thức môn Cad-Cam vào trong đồ án:

Hình 4.15 Nguyên lý mạch điện

Quá trình đi dây trên PCB :

Kết luận chương 4

Chương 4 đã ghép nối toàn bộ các khối chức năng của các khối liên kết lại với nhau, trình bày cụ thể quá trình triển khai sản phẩm từ phần cứng đến phần mềm và quá trình cài đặt Ở chương 4 của đồ án, một sản phẩm máy sấy đã được hình thành và hoạt động bình thường với nhiều chức năng, cách lựa chọn để điều khiển cũng như quan sát quá trình sấy rõ ràng hơn, giúp cho người dùng sử dụng dễ dàng trong quá trình sử dụng

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Với sự hướng dẫn và yêu cầu của TS Nguyễn Ngọc Minh, đồ án đã được hoàn thành đúng tiến độ Đồ án này đã được hoàn thành và có được một sản phẩm thực tế, trong đó:

- Áp dụng những kiến thức, ngôn ngữ lập trình đã học và trong đồ án

- Phần cứng được thiết kế qua Altium designer để tối ưu hóa việc kết nối giữa các cảm biến, và phần điều khiển các thiết bị ở trong khối vật lí

- Thiết kế một server trên máy tính, lấy dữ liệu hiển thị lên Web cũng như giao tiếp giữa web với các thiết bị khác để điều chỉnh

- Sử dụng các giao thức MQTT, I2C, UART

- Ứng dụng IoT vào trong sản phẩm và cuộc sống

- Cách triển khai một sản phẩm thực tế, lên kế hoạch báo cáo tiến độ và các kĩ năng làm việc nhóm

Do thời gian nghiên cứu cũng như kinh nghiệm thiết kế hệ thống, kinh nghiệm làm việc với các ngôn ngữ lập trình còn hạn chế, cho nên đồ án này mới thiết kế dưới dạng nhỏ, và số lượng sản phẩm sấy chưa được lớn Hướng phát triển tiếp theo sẽ là:

- Tối ưu hóa quy trình sấy khô hơn nữa, để sấy được nhiều sản phẩm và đáp ứng đủ các nhu cầu lớn của người tiêu dùng

- Phát triển ứng dụng Web cũng như kết hợp với app trên các thiết bị thông minh như điện thoại để quá trình giao tiếp được đơn giản hóa hơn, và thân thiện với người dùng

- Phát triển sản phẩm với nhiều tiêu chí để đánh giá sản phẩm sấy khô thực phẩm tốt hơn