ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG vii LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM, nhóm sinh viên đã nhận được rất
TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Vấn đề xử lý rác thải, đặc biệt là rác lon và chai, là một thách thức lớn đối với các cộng đồng và tổ chức trên khắp thế giới Đây không chỉ là một vấn đề môi trường mà còn ảnh hưởng đến sức khỏe của con người và cả hệ sinh thái Hiện nay, mỗi ngày ở khắp nơi trên đất nước, chúng ta đang tạo ra khoảng 60.000 tấn chất thải từ sinh hoạt hàng ngày, thường được gọi là rác thải Trong số này, chất thải đô thị chiếm khoảng 60% Dự báo cho thấy đến năm 2025, lượng chất thải sinh hoạt sẽ tăng thêm 10 - 16% Vấn đề của lượng rác thải chưa được xử lý là rất lớn, trong đó rác thải là lon và chai tăng lên đáng kể Các sản phẩm như nước ngọt bia, đồ uống có ga, nước giải khát, thậm chí cả mỹ phẩm đều đóng gói trong lon chai, tạo ra lượng rác lớn mỗi ngày
Hình 1 1 Rác thải trên biển
Vấn đề về khả năng phân hủy kém: Chúng ta chỉ cần 5 đến 10 phút để dùng một túi nilon, lon, chai nhựa nhưng lại mất hàng trăm, hàng ngàn năm để phân hủy Khi rác thải ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 2 nhựa phân hủy thì hàng tỷ hạt nhựa “ngấm” và nguồn đất nước chúng ta đang sử dụng Gây ra ô nhiễm môi trường và cản trở quá trình tái chế
Hình 1 2 Rác nhựa ngấm vào đất
Gây ảnh hưởng tới môi trường nước là một vấn đề nghiêm trọng Thói quen của nhiều người vứt rác bừa bãi tại bờ sông, hồ, ao, cống rãnh đã tạo ra một cảnh tượng đáng lo ngại Lượng rác thải này không chỉ gây ra những tác động tiêu cực đối với môi trường nước mà còn ảnh hưởng đến đời sống của các loài sinh vật sống trong nước, làm giảm đa dạng sinh học Không chỉ tác động đến nguồn nước mặt và các sinh vật sống trong môi trường nước, rác thải sinh hoạt còn gây tổn thương đến nguồn nước ngầm Việc vứt rác một cách bừa bãi làm cho chất độc hại từ rác thải thấm vào đất và từ đó tiếp tục lan vào các nguồn nước ngầm Sự ô nhiễm này không chỉ ảnh hưởng đến chất lượng nước sử dụng mà còn gây ra nhiều bệnh nguy hiểm ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 3
Vấn đề của nguồn nước bị ô nhiễm không chỉ là một vấn đề của một nhóm cụ thể, mà là một vấn đề ảnh hưởng đến mọi mặt và mọi ngành nghề của đời sống Nó gây ra những tổn thất lớn không chỉ trong lĩnh vực sản xuất, nông nghiệp mà còn ảnh hưởng xấu đến kinh tế và đời sống cộng đồng địa phương Ảnh hưởng đến môi trường không khí: Các hộ gia đình thường sản sinh nhiều rác thải từ các loại thực phẩm, chiếm tỷ lệ cao trong tổng khối lượng rác thải Với khí hậu nóng ẩm và mưa nhiều ở Việt Nam, các thành phần hữu cơ dễ dàng phân huỷ, thúc đẩy quá trình lên men và thối rữa nhanh chóng, gây ra mùi hôi khó chịu cho con người Các chất thải khí thường phát ra trong quá trình này bao gồm H2S, NH3, CH4, SO2 và CO2, gây ảnh hưởng đến chất lượng không khí
Các bãi rác công cộng là một nguồn lây nhiễm dịch bệnh đáng lo ngại Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng trong các bãi rác, vi khuẩn gây bệnh như thương hàn có thể tồn tại trong khoảng 15 ngày, vi khuẩn gây lỵ có thể tồn tại lên đến 40 ngày, và trứng giun đũa có thể tồn tại đến 300 ngày Sự phát triển của các loại vi trùng gây bệnh thường diễn ra khi có sự xuất hiện của các vật chủ trung gian, như chuột, ruồi, muỗi, và nhiều loại ký sinh trùng khác, cả trong các bãi rác Các vật chủ này là nguồn lây nhiễm cho nhiều loại bệnh nguy hiểm cho con người và gia súc Ví dụ, chuột có thể truyền bệnh dịch hạch, ruồi và gián có thể truyền các bệnh đường tiêu hoá, trong khi muỗi có thể truyền bệnh sốt rét và sốt xuất huyết Đây là một mối đe dọa đáng lo ngại cho sức khỏe cộng đồng và yêu cầu các biện pháp quản lý và xử lý rác thải một cách cẩn thận và hiệu quả Xuất phát từ những vấn đề thực tiễn trên, là một sinh viên ngành Tự động hóa, nhóm sinh viên đã tìm hiểu dưới sự hướng dẫn của thầy PGS TS Trương Đình Nhơn và thiết kế: “Thùng phân loại rác tự động”.
Mục tiêu
Thiết kế mô hình máy phân loại rác tự động, với 3 loại rác lon, chai và rác không trong phạm vi xử lý ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 4
Xây dựng được hệ thống IOT lưu điểm và trả thưởng cho người dùng, theo dõi được dung tích thùng rác
Ứng dụng IOT trong việc thiết kế giao diện trực quan, gửi thông báo đến điện thoại di động của người quản lý hoặc người có liên quan khi có trạng thái bất thường của thùng rác.
Giới hạn đề tài
Chỉ phân loại rác lon chai nhựa có độ cứng vừa phải Không phân loại được hết các loại lon, chai nhựa, ly giấy như thực tế
Sử dụng camera cảm biến có độ trễ cao và động cơ công suất nhỏ, xilanh với tốc độ chậm.
Phương pháp nghiên cứu
Để thực hiện nội dung đề tài này, em đã dùng các phương pháp nghiên cứu như sau:
Kế thừa từ các kết quả nghiên cứu:
Kế thừa từ các mô hình phân loại rác đã có trong thực tiễn
Xem tài liệu về cơ sở lý thuyết của các linh kiện
Tìm tài liệu và đọc về cách sử dụng raspberry pi 4, esp32, giao tiếp giữa các module
Lập trình theo phương pháp đơn giản, tối ưu, dễ sử dụng và mang lại hiệu quả cao
Phương pháp thực nghiệm kiểm chứng
Thiết kế solidwork mô hình, xem xét những vật liệu đã có trên thị trường, xem cách thức hoạt động và chỉnh sửa lại
Thiết kế và xây dựng hệ thống trong môi trường thực tế ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 5
Thực hiện các kiểm tra và điều chỉnh cần thiết để đảm bảo tính ổn định và hiệu suất.
Nội dung nghiên cứu
Khi thực hiện đề tài và tiến hành tìm hiểu sơ bộ các nội dung cơ bản trên, cụ thể gồm các nội dung như sau:
Chương 1: Tổng quan về đề tài
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 3: Tính toán và thiết kế
Chương 4: Thi công hệ thống
Chương 5: Kết quả đạt được
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển
Các đề tài liên quan
Các đề tài liên quan đến máy phân loại rác tự động:
[1] T Nhan, "Máy phân loại rác tự động 'made by' sinh viên," 04 07 2020 [Online] Available: https://tuoitre.vn/may-phan-loai-rac-tu-dong-made-by-sinh-vien- 20200704110134408.htm
- Ưu điểm: hệ thống nhận diện xử lý nhanh, chi phí thấp
- Hạn chế: rác dễ nhanh đầy, chưa kết hợp IOT
[2] N To, "Công nghệ xử lý rác thải tương lai: Máy phân loại rác tái chế R One," 19 4
2022 [Online] Available: https://www.recycleone.vn/2022/04/19/may-phan-loai- rac/
- Ưu điểm: Hệ thống nhiều đặc điểm nổi bật, kết hợp trả tiền khi đổi rác
- Hạn chế: chưa có cơ cấu ép chai giảm thể tích của chai vào thùng rác ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 6
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Giới thiệu
2.1.1 Máy phân loại rác tự động là gì?
Máy phân loại rác tự động là một loại thiết bị hoạt động tự động để phân loại rác thải thành các nhóm tương ứng, chẳng hạn như nhựa, kim loại, thủy tinh, giấy, và gốm sứ Mục tiêu của máy này là tối ưu hóa quá trình tái chế và xử lý rác thải bằng cách tự động phân loại các loại vật liệu khác nhau Máy phân loại rác tự động thường được trang bị các cảm biến, hệ thống xử lý ảnh, và công nghệ trí tuệ nhân tạo để nhận diện và phân loại rác thải Khi rác thải được đưa vào máy, các cảm biến hoặc hệ thống camera sẽ quét và thu thập dữ liệu về các vật liệu có trong rác thải Sau đó, dữ liệu này được xử lý bởi hệ thống để phân loại rác thải vào các danh mục tương ứng Sau khi rác thải đã được phân loại, máy phân loại rác tự động có thể có các cơ chế để thu thập và lưu trữ rác thải đã phân loại, hoặc có thể dễ dàng truy cập để vận chuyển tới các khu vực tái chế hoặc xử lý tiếp theo
Hình 2 1 Máy phân loại rác ngoài đời
2.1.2 Các giải pháp xử lý rác thải nhựa
Phân loại từ đầu nguồn tái chế:
Phân loại rác từ nguồn là một phương pháp quan trọng trong quản lý rác thải nhựa, đặc biệt là trong bối cảnh ngày nay khi ý thức về bảo vệ môi trường đang ngày càng được ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 7 nhấn mạnh Thói quen phổ biến của nhiều người là đổ các loại rác thải vào một thùng chung mà không phân biệt loại, điều này gây ra những vấn đề nghiêm trọng
Trong quá trình thu gom và xử lý rác thải nhựa, việc phân loại từ nguồn làm giảm khó khăn cho nhân viên môi trường, giúp họ tập trung vào việc xử lý một cách hiệu quả hơn Ngoài ra, việc phân loại từ nguồn cũng giúp tiết kiệm thời gian và chi phí cho các quy trình xử lý về sau
Một lợi ích khác của việc phân loại rác từ nguồn là giảm thiểu tối đa việc rác thải bị lẫn lộn và bị ô nhiễm Khi các loại rác thải được phân loại sạch sẽ từ ban đầu, quá trình tái chế và xử lý trở nên dễ dàng và hiệu quả hơn Điều này không chỉ giúp giảm thiểu lượng rác thải đưa vào đất đốt hoặc chôn lấp mà còn giảm thiểu tác động xấu đến môi trường
Do đó, việc tạo ra những chương trình giáo dục và tăng cường ý thức cộng đồng về việc phân loại rác từ nguồn là cực kỳ quan trọng Mỗi cá nhân đều có thể đóng góp vào mục tiêu này bằng cách tuân thủ quy tắc phân loại rác thải từ nguồn và hướng dẫn những người xung quanh làm như vậy
Hình 2 2 Thực trạng xả rác bừa bãi
Tái sử dụng đồ nhựa:
Tái sử dụng đồ nhựa là một phương pháp tiết kiệm và bảo vệ môi trường mà nhiều cơ quan môi trường đang khuyến khích và chú trọng Thay vì chỉ sử dụng một lần và vứt ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 8 bỏ, việc tái sử dụng cho các mục đích khác nhau không chỉ giúp giảm lượng rác thải mà còn tạo ra cơ hội cho sự sáng tạo và tận dụng tối đa tài nguyên
Ví dụ, sau khi sử dụng xong, các chai nhựa có thể được tái sử dụng để đựng nước uống, bột giặt, hoặc nước rửa bát Điều này không chỉ giúp giảm sự tiêu tốn các tài nguyên mới mà còn giảm thiểu lượng rác thải nhựa được sinh ra
Ngoài ra, việc tái sử dụng cũng mở ra cơ hội cho việc sáng tạo và tự làm đồ trang trí từ những sản phẩm nhựa đã qua sử dụng Chẳng hạn, các chai nhựa có thể được biến thành ống cắm bút, chậu hoa, hoặc các vật dụng trang trí khác, giúp gia đình bạn có thêm không gian xanh và sinh động mà không cần tốn kém cho việc mua sắm đồ mới
Tuy nhiên, cần lưu ý rằng không phải tất cả các loại nhựa đều thích hợp để tái sử dụng Các chai nhựa từ các sản phẩm chứa hóa chất hoặc thuốc tẩy không nên tái sử dụng vì có thể gây hại cho sức khỏe Do đó, việc lựa chọn sản phẩm tái sử dụng cần phải cân nhắc và thận trọng
Tóm lại, việc tái sử dụng sản phẩm nhựa không chỉ giúp giảm thiểu lượng rác thải mà còn tạo ra cơ hội cho sự sáng tạo và bảo vệ môi trường Đây là một phương pháp tiết kiệm và hiệu quả mà mỗi cá nhân có thể thực hiện ngay từ hôm nay để đóng góp vào sự bền vững của hành tinh chúng ta
Hình 2 3 Tái chế rác thải nhựa ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 9
Tuyên truyền nâng cao ý thức cộng đồng Để giải quyết vấn đề rác thải nhựa, cách tốt nhất là kêu gọi mọi người hạn chế việc sử dụng đồ nhựa và thực hiện các biện pháp tái chế và xử lý rác thải một cách có trách nhiệm Điều này đòi hỏi sự hợp tác từ mọi người trong cộng đồng
Hạn chế sử dụng đồ nhựa: Mọi người cần giảm việc sử dụng đồ nhựa một cách tối đa Thay vì sử dụng túi nylon và chai nhựa một lần, hãy chuyển sang sử dụng đồ từ các vật liệu thân thiện với môi trường như gỗ, sứ Việc này không chỉ giảm lượng rác thải nhựa mà còn giúp bảo vệ môi trường
Tái sử dụng và tái chế: Mọi người cần tăng cường việc tái sử dụng các loại chai lọ và các vật dụng hàng ngày khác từ nhựa Ngoài ra, việc phân loại rác thải nhựa và thực hiện tái chế cũng là một biện pháp quan trọng để giảm thiểu lượng rác thải vào môi trường
Chấp hành quy định và tuyên truyền: Các cá nhân, nhà bán lẻ, nhà sản xuất cần tuân thủ quy định về xử lý rác thải và thực hiện các biện pháp tuyên truyền, nâng cao nhận thức cho cộng đồng về tác hại của rác thải nhựa và cách giảm thiểu nó
2.1.3 Lưu lượng khí trong quá trình ép
Thoát khí hiệu quả khi ép chai Không khí bên trong chai khi ép sẽ tạo ra áp suất ngược, cản trở quá trình nén Gây nổ chai hoặc không đủ lực để ép chai nhựa
Tổng quan về Rasberry Pi
Raspberry Pi ban đầu là một thẻ card được gắn trên bo mạch máy tính và được phát triển bởi các nhà sáng chế ở Anh Theo thời gian, Raspberry Pi đã tiến hóa thành một bo mạch đơn với chức năng của một máy tính mini, được sử dụng chủ yếu để giảng dạy khoa học máy tính ở các trường trung học ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 10
Raspberry Pi Foundation là một tổ chức phi lợi nhuận với mục tiêu xây dựng hệ thống linh hoạt mà nhiều người có thể sử dụng cho các mục đích tùy chỉnh khác nhau Sản phẩm này được phát triển tại Anh và ra mắt lần đầu tiên vào năm 2012
Raspberry Pi là một máy tính nhúng, kết hợp tính năng của một máy tính đầy đủ (chạy các hệ điều hành như Ubuntu hoặc Windows cho Raspberry Pi, có giao diện HDMI với màn hình, cổng USB, Ethernet, wifi ) và của một bộ vi điều khiển (với GPIO để điều khiển các thiết bị ngoại vi như LED, động cơ, cùng các module I2C, SPI, UART, PWM) Đối với các kỹ sư điện tử và tự động hóa, Raspberry Pi là một công cụ mạnh mẽ giúp họ giải quyết các bài toán điều khiển, lập trình xử lý tín hiệu và điều khiển trên hệ điều hành tương tự như máy tính Đặc biệt, nó rất phù hợp với các kỹ sư công nghệ thông tin, cho phép họ tập trung vào thuật toán và lập trình mà không cần lo lắng về thiết kế phần cứng, một lĩnh vực không phải là thế mạnh của họ do thiếu đào tạo chuyên sâu
Hình 2 4 Máy tính nhúng Raspberry pi 3 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 11
Thứ nhất là nguyên lý điều khiển bằng chương trình
Nhận lệnh từ người dùng: Người dùng nhập lệnh thông qua các thiết bị nhập liệu như bàn phím, chuột, hoặc cảm ứng
Giải mã lệnh: CPU (Central Processing Unit) đọc và giải mã các lệnh mà người dùng đã nhập vào Quá trình giải mã này sẽ phụ thuộc vào cấu trúc của câu lệnh, và CPU sẽ sử dụng ngôn ngữ lập trình phù hợp để hiểu và thực hiện lệnh đó
Thực hiện lệnh: Sau khi lệnh đã được giải mã, máy tính sẽ thực hiện các hành động cần thiết để đáp ứng yêu cầu của người dùng Điều này có thể bao gồm việc thao tác trên dữ liệu, hiển thị kết quả cho người dùng, hoặc thực hiện các tác vụ khác tùy thuộc vào mục đích cụ thể của chương trình
Tóm lại, nguyên lý này cho phép máy tính hoạt động một cách tự động và hiệu quả bằng cách sử dụng các chương trình đã được lập trình trước để điều khiển các quá trình xử lý dữ liệu Điều này giúp tăng cường tính linh hoạt và hiệu suất của máy tính trong việc thực hiện các tác vụ đa dạng từ phía người dùng
Thứ hai là nguyên lý truy cập theo địa chỉ
Nguyên lý truy cập theo địa chỉ là một khái niệm cốt lõi trong lĩnh vực mạng máy tính và hệ thống lưu trữ dữ liệu Nguyên lý này quy định cách các thiết bị hoặc dữ liệu được nhận diện và truy cập dựa trên một địa chỉ duy nhất Địa chỉ này có thể là địa chỉ IP trong mạng máy tính, địa chỉ bộ nhớ trong hệ thống máy tính, hoặc bất kỳ loại địa chỉ nào khác được sử dụng trong các hệ thống đánh địa chỉ khác nhau
2.2.3 Sơ đồ về các loại Raspberry Pi
Raspberry Pi 1: Bao gồm Pi 1 Model A, Model A+, Model B và Model B+ phát hành trong giai đoạn 2012-2014; sử dụng chip Broadcom, RAM 256MB-512MB Đây là thế hệ đầu tiên của Pi
Raspberry Pi 2: Pi 2 Model B ra mắt năm 2015, nâng cấp RAM lên 1GB, CPU 4 nhân tốc độ 900MHz ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 12
Raspberry Pi 3: Pi 3 Model B và Model B+ phát hành giai đoạn 2016-2018, tích hợp wifi, bluetooth 4.2, cổng USB boot
Hình 2 5 Các loại Raspberry Pi trên thị trường
Raspberry Pi 4 Model B - 1GB: đã ngừng sản xuất
Raspberry Pi 4 Model B - 2GB: phù hợp cho hầu hết các tác vụ cơ bản và lý tưởng cho những dự án khám phá và làm quen với Raspberry Pi
Raspberry Pi 4 Model B - 4GB: có thể được sử dụng như một máy tính cá nhân để thực hiện các tác vụ như duyệt web, viết chương trình Python, hoặc thực hiện đa nhiệm
Raspberry Pi 4 Model B - 8GB: lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu nhiều RAM như xử lý hình ảnh, nhận dạng, hoặc vận hành nhiều dịch vụ cùng lúc
Raspberry Pi 5 là phiên bản mới nhất, ra mắt vào giữa năm 2023, với hiệu suất nhanh hơn gấp đôi và nhiều cải tiến vượt trội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 13
Hình 2 6 Cấu hình giữa 2 dòng Raspberry Pi mới nhất
Hỗ trợ ngoại vi rộng rãi
Sự tiện ích của Raspberry Pi không thể phủ nhận với 26 chân GPIO đi kèm, làm cho nó trở thành một công cụ mạnh mẽ cho các dự án nhúng và giao tiếp phần cứng Khả năng này cho phép kết nối và điều khiển nhiều loại linh kiện, bao gồm cả các cảm biến kỹ thuật số Điều này mở ra cơ hội để tạo ra các ứng dụng phức tạp hơn, bằng cách kết hợp nhiều thiết bị và cảm biến với nhau Hơn nữa, với sự tương thích với hầu hết các thiết bị ngoại vi ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 14 được sử dụng với Arduino, Raspberry Pi trở thành một lựa chọn linh hoạt và đa dạng cho các dự án phát triển phần cứng
Với các cổng GPIO, USB và các giao tiếp khác như I2C, SPI, Raspberry Pi 4 có thể kết nối với nhiều loại cảm biến khác nhau, từ cảm biến nhiệt độ đơn giản đến cảm biến hình ảnh hoặc cảm biến chuyển động phức tạp
Bảng 2 1 Các loại cảm biến có thể kết nối với Raspberry Pi 4
Cảm biến Mô tả Ứng dụng
Cảm biến khí MQ-5 Phát hiện và nhạy cảm với
LPG, khí thiên nhiên, khí than
Máy dò rò rỉ gas
Cảm biến màu Phát hiện màu tĩnh Sắp xếp màu theo màu sắc phù hợp Cảm biến lửa Nhạy cảm với phổ ngọn lửa
Phát hiện cháy, robot chữa cháy
Cảm biến từ Cảm biến từ 49E Đo tốc độ động cơ, phát hiện vị trí đối tượng Cảm biến phản xạ hồng ngoại
Bộ thu phát hồng ngoại phản chiếu
Theo dõi dẫn đường robot, xe tránh chướng ngại vật
Cảm biến lazer Cảm biến lazer Phát hiện chướng ngại vật, robot thông minh Cảm biến độ ẩm Cảm biến độ ẩm đất Hệ thống tưới nước tự động, phát hiện độ ẩm đất, chậu hoa… ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 15
Cảm biến quay Phát hiện vòng quay cùng hay ngược chiều kim đồng hồ Định vị trong điều khiển công nghiệp
Cảm biến âm thanh Bộ khuếch đại công suất âm thanh tích hợp LM386
Phát hiện âm thanh môi trường xung quanh
Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm
Phát hiện nhiệt độ môi trường xung quanh và độ ẩm
Cảm biến độ nghiêng Phát hiện tín hiệu rung lắc Phát hiện rung lắc, báo động bảo vệ Cảm biến UV Cảm biến tia cực tím Máy kiểm tra tia cực tím, máy dò tia cực tím, đèn diệt khuẩn Cảm biến mức chất lỏng Phát hiện mức chất lỏng Báo động mức nước
Hình 2 7 Các loại cảm biến ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 16
Hỗ trợ tất cả các loại code
Raspberry Pi 4 là một máy tính cỡ nhỏ nhưng mạnh mẽ, có khả năng hỗ trợ nhiều loại code khác nhau, từ các ngôn ngữ lập trình cơ bản như Python và Scratch đến các ngôn ngữ phức tạp hơn như C++ và Java Với bộ vi xử lý 4 lõi Cortex-A72 (ARM v8) 64-bit và tùy chọn RAM từ 2GB đến 8GB, Raspberry Pi 4 có thể xử lý nhiều tác vụ đồng thời và chạy các dự án phức tạp Nó cũng hỗ trợ một loạt các hệ điều hành, bao gồm Raspberry Pi
Tổng quan về Module ESP32
ESP32 là một loạt các vi điều khiển Wi-Fi và Bluetooth dual-core được sản xuất bởi Espressif Systems Nó là phiên bản cải tiến của ESP8266, với nhiều tính năng mạnh mẽ hơn và hiệu suất tốt hơn ESP32 có hai nhân xử lý, một loạt các cổng kết nối và các tính năng như Wi-Fi, Bluetooth, Bluetooth Low Energy (BLE), cũng như nhiều giao thức mạng khác Điều này làm cho ESP32 trở thành một lựa chọn phổ biến cho các ứng dụng IoT (Internet of Things), nhúng và các dự án liên quan đến việc kết nối không dây ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 19
ESP32 được thiết kế với khả năng tiêu thụ điện năng thấp, rất lý tưởng cho các ứng dụng chạy bằng pin Hệ thống quản lý năng lượng tích hợp của nó cho phép ESP32 hoạt động ở chế độ ngủ và chỉ thức dậy khi cần thiết, giúp kéo dài đáng kể tuổi thọ của pin a) b) c) d)
Hình 2 8 Các loại Module ESP32 a) Module Doit Devkit V1 b) Module Esp32 Devkit c) ESP-32S NodeMCU d) ESP32 Thing ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 20
2.3.2 Các tính năng của ESP32
Bộ xử lý: CPU: Bộ vi xử lý Xtensa 32-bit LX6 với tùy chọn lõi kép hoặc lõi đơn, hoạt động ở tần số 240 MHz (đối với ESP32-S0WD và ESP32-U4WDH là 160 MHz) và đạt hiệu suất tối đa 600 MIPS (200 MIPS đối với ESP32-S0WDvà ESP32-U4WDH)
Bộ đồng xử lý: Công suất cực thấp (ULP - Ultra Low Power)
Hệ thống xung nhịp: Bao gồm CPU Clock, RTC Clock, và Audio PLL Clock
Bộ nhớ nội bộ: 448 KB ROM và 520 KB SRAM.
Kết nối không dây: Wi-Fi chuẩn 802.11 b/g/n và Bluetooth phiên bản 4.2
Bảo mật: Tương thích với tất cả các tính năng bảo mật theo tiêu chuẩn IEEE 802.11, bao gồm WFA, WPA/WPA2, và WAPI.
Khởi động an toàn (Secure boot)
Mã hóa bộ nhớ flash
OTP 1024-bit: Cung cấp tới 768-bit cho người dùng
Tăng tốc phần cứng cho mã hóa: Hỗ trợ AES, SHA-2, RSA, và mã hóa đường cong elliptic
Bộ ổn áp nội có điện áp rơi thấp (internal low-dropout regulator)
Miền nguồn riêng cho RTC (individual power domain)
Tiêu thụ chỉ 5 A trong chế độ deep sleep.
Khôi phục hoạt động từ ngắt GPIO, timer, đo ADC, và ngắt cảm ứng điện dung ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 21
Hình 2 9 Sơ đồ chân DOIT DEVKIT V1
2.3.3 Ưu điểm và nhược điểm ESP32
Bảng 2 2 Ưu điểm và nhược điểm ESP32 Ưu điểm Nhược điểm
- Hiệu Suất Mạnh Mẽ: Vi điều khiển
ESP32 là một trong những lựa chọn hàng đầu cho các dự án IoT và nhúng nhờ vào hiệu suất mạnh mẽ mà nó cung cấp Với hai nhân xử lý và tốc độ xung nhịp cao, ESP32 có khả năng xử lý dữ liệu một cách linh hoạt và hiệu quả
- Kết Nối Linh Hoạt: ESP32 tích hợp cả
Wi-Fi và Bluetooth, mở ra nhiều cơ hội cho việc kết nối và giao tiếp trong các ứng dụng không dây Khả năng này
- Tiêu thụ năng lượng: Mặc dù ESP32 có các tính năng tiết kiệm năng lượng nhưng vẫn có thể tiêu thụ năng lượng một cách đáng kể, đặc biệt khi hoạt động ở chế độ tăng cường hoặc thực hiện các tác vụ nặng Điều này làm cho việc sử dụng pin trở nên không hiệu quả, đặc biệt trong các thiết bị di động hoặc thiết bị được cung cấp bằng pin
- Phần cứng hạn chế: Mặc dù ESP32 có một loạt các tính năng, nhưng vẫn có ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 22 không chỉ giúp thiết lập kết nối với các mạng và thiết bị mà còn tạo điều kiện cho việc phát triển các ứng dụng đa kênh và đa nền tảng
- Hỗ Trợ Đa Nền Tảng: Một trong những điểm mạnh của ESP32 là khả năng hỗ trợ đa nền tảng, từ Arduino
IDE, MicroPython đến ESP-IDF, người dùng có thể lựa chọn môi trường lập trình ưa thích của mình Điều này giúp tạo điều kiện thuận lợi cho các nhà phát triển ứng dụng IoT với nhiều kỹ năng và kinh nghiệm khác nhau
- Tiết Kiệm Năng Lượng: ESP32 không chỉ mạnh mẽ về hiệu suất mà còn có các tính năng tiết kiệm năng lượng tích hợp sẵn Chế độ sleep sâu và các kỹ thuật quản lý năng lượng giúp tối ưu hóa việc sử dụng pin và kéo dài tuổi thọ pin, rất quan trọng trong các ứng dụng di động và IoT
- Đa Chức Năng và Linh Hoạt: Ngoài các tính năng cơ bản, ESP32 cung cấp một loạt các giao tiếp như UART, SPI,
I2C, ADC, DAC, và các tính năng như chế độ cảm biến và xử lý tín hiệu Điều này tạo ra một sân chơi linh hoạt cho những hạn chế về phần cứng Số lượng cổng GPIO có thể sử dụng có thể không đủ cho một số ứng dụng cụ thể, và hỗ trợ cho các giao thức cụ thể như LoRaWAN hoặc Zigbee có thể không có sẵn hoặc không đầy đủ
- Quản lý nhiệt độ: Khi hoạt động ở tốc độ xử lý cao, ESP32 có thể phát ra nhiệt độ cao, gây ra vấn đề về quản lý nhiệt độ, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu hoạt động liên tục hoặc trong môi trường nhiệt độ cao
- Kết nối không ổn định: Mặc dù ESP32 có khả năng kết nối với Wi-Fi và Bluetooth, nhưng trong một số trường hợp, kết nối có thể không ổn định hoặc gặp vấn đề, đặc biệt trong môi trường nhiễu hoặc trong các khu vực có sóng yếu
- Hạn chế về bảo mật: Mặc dù ESP32 có các tính năng bảo mật, nhưng vẫn có những rủi ro về an ninh thông tin có thể phát sinh, đặc biệt khi sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu bảo mật cao như hệ thống thanh toán hoặc hệ thống y tế
- Yêu cầu kỹ năng lập trình: Việc phát triển và lập trình cho ESP32 đòi hỏi kiến ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 23 việc phát triển ứng dụng với các yêu cầu kỹ thuật đa dạng
- Giá Cả Hợp Lý: Cuối cùng, mặc dù có nhiều tính năng mạnh mẽ, ESP32 vẫn có giá thành phải chăng so với các vi điều khiển có tính năng tương tự Điều này làm cho nó trở thành một lựa chọn hấp dẫn cho cả các dự án DIY và thương mại thức và kỹ năng lập trình cụ thể, đặc biệt nếu sử dụng các ngôn ngữ lập trình như C/C++ hoặc MicroPython Điều này có thể là một trở ngại đối với những người mới bắt đầu hoặc những người không có kinh nghiệm trong lĩnh vực này
- Hạn chế về tích hợp phần mềm: Mặc dù có các công cụ phát triển phần mềm như Arduino IDE và MicroPython, nhưng việc tích hợp phần mềm có thể gặp khó khăn đối với một số ứng dụng phức tạp hoặc yêu cầu tích hợp sâu Điều này đặc biệt đúng trong các dự án có yêu cầu đặc biệt hoặc phức tạp về phần mềm
2.3.4 Môi trường lập trình cho ESP32
Hình 2 10 Phần mềm Arduino IDE
Hệ thống cảm biến
Cảm biến khoảng cách hay còn gọi là cảm biến tiếp xúc hoặc cảm biến xa hay cảm biến li độ Đây là một loại cảm biến được thiết kế để đo khoảng cách từ cảm biến đến một đối tượng mục tiêu Các thiết bị được tích hợp cảm biến khoảng cách hoạt động bằng cách phát ra một tín hiệu (thường là sóng âm, sóng siêu âm, hoặc tia laser) và đo thời gian mà tín hiệu đó mất để đi từ cảm biến đến đối tượng và quay lại Dựa vào thời gian này, cảm biến có thể tính toán được khoảng cách giữa điểm xét và đối tượng
2.4.1.1 Cảm biến khoảng cách siêu âm
Cảm biến khoảng cách siêu âm là một loại cảm biến được sử dụng để đo khoảng cách từ cảm biến đến vật thể mục tiêu bằng cách sử dụng sóng âm siêu âm Sóng siêu âm là các sóng âm có tần số cao hơn ngưỡng của âm thanh có thể nghe được bởi con người, tức là hơn khoảng 20 kHz
Hình 2 14 Cảm biến siêu âm HC-SR04 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 27
Cảm biến siêu âm thường bao gồm ba phần chính: bộ phát, bộ thu và bộ điều khiển Mặc dù có thiết kế khác nhau, nhưng các thiết bị cảm biến sóng siêu âm thường có cấu trúc chung như sau:
Bộ phát: Là phần của cảm biến tạo ra sóng âm bằng cách sử dụng một loại vật liệu như gốm Thường có đường kính khoảng 15mm, nó hoạt động thông qua một cơ chế chuyển động, thường là máy rung, để tạo ra các sóng siêu âm truyền vào không khí
Bộ thu: Có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng sóng siêu âm thành năng lượng điện
Nó thường được thiết kế để tạo ra các rung động cơ học tương thích với sóng siêu âm, sau đó chuyển đổi thành năng lượng điện ở đầu ra của bộ thu
Bộ điều khiển: Là phần sử dụng mạch điện tích hợp để điều khiển việc truyền sóng siêu âm của bộ phát và đánh giá khả năng thu sóng và kích thước của bộ thu
Hình 2 15 Nguyên lý hoạt động của sóng siêu âm
Ưu điểm của sóng siêu âm:
- Đo khoảng cách không cần tiếp xúc
- Hoạt động được trong điều kiện thiếu ánh sáng
- Phát hiện vật liệu đa dạng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 28
Nhược điểm của sóng siêu âm:
- Phạm vi đo hạn chế
- Bị ảnh hưởng bởi điều kiện môi trường
- Đo với bề mặt vật liệu không đều sẽ cho kết quả không chính xác
- Tốc độ phản hồi chậm
2.4.1.2 Cảm biến khoảng cách laser
Cảm biến laser là một loại cảm biến sử dụng công nghệ laser để đo khoảng cách hoặc các đặc tính của vật thể hoặc môi trường xung quanh Công nghệ laser được áp dụng trong cảm biến này giúp nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của quá trình đo lường
Cảm biến laser hoạt động bằng cách phát ra tia laser và đo thời gian mà tia này mất để đi từ cảm biến đến vật thể và quay trở lại Dựa trên thời gian này và tốc độ lan truyền của ánh sáng, cảm biến có thể tính toán khoảng cách từ cảm biến đến vật thể
Nguyên lý hoạt động: Trong các ứng dụng máy móc và thiết bị, chúng ta thường dựa vào hai nguyên lý sau:
Nguyên lý góc tam giác: Được sử dụng trong các cảm biến phát hiện ở khoảng cách ngắn, như các cảm biến di chuyển hoặc cảm biến phát hiện vật cản Cảm biến sẽ phát ra ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 29 một chùm tia laser hình tam giác rộng, truyền qua một thấu kính đến mục tiêu Khi có sự thay đổi trong vùng tam giác, tia laser phản xạ sẽ gửi thông tin về cho cảm biến
Nguyên lý phản xạ: Được sử dụng trong các loại cảm biến đo khoảng cách, đo độ dày, để tính toán khoảng cách đến đối tượng dựa trên góc phản xạ Cảm biến sẽ phát ra một tia laser hẹp trực tiếp đến mục tiêu, sau đó ghi nhận tia laser phản xạ trở lại và thu vào đại diện cảm biến để xác định giá trị khoảng cách đo được
Hình 2 17 Nguyên lý hoạt động cảm biến laser
Ưu điểm của cảm biến laser:
- Mang lại độ chính xác cao
- Đáp ứng đa dạng chức năng
- Kích thước của bộ cảm biến nhỏ gọn
- Sử dụng dễ dàng, tự động hóa giúp tiết kiệm thời gian và sức lao động
Nhược điểm của cảm biến laser:
- Hạn chế bởi bề mặt đối tượng đo
- Ảnh hưởng bởi môi trường
- Hạn chế góc đo ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 30
2.4.1.3 Cảm biến khoảng cách Radar
Cảm biến khoảng cách radar là một loại cảm biến sử dụng sóng radar để đo khoảng cách từ cảm biến đến vật thể hoặc mục tiêu Cảm biến này hoạt động dựa trên nguyên lý phát ra sóng radar và đo thời gian mà sóng này mất để đi từ cảm biến đến mục tiêu và quay trở lại
Sóng radar là một dạng sóng điện từ có thể xuyên qua không khí và các môi trường khác mà không bị mất đi sức mạnh Khi sóng radar gặp phải một vật thể, phản xạ từ vật thể sẽ được thu lại bởi cảm biến radar Dựa vào thời gian mà sóng đi từ cảm biến đến mục tiêu và quay lại, cảm biến radar có thể tính toán khoảng cách đến mục tiêu một cách chính xác
Hình 2 18 Cảm biến khoảng cách Radar
Cảm biến Radar hoạt động bằng cách phát ra sóng vô tuyến điện tần số cực cao (tần số radio) về phía vật thể cần đo khoảng cách Khi gặp vật thể, sóng Radar sẽ phản xạ ngược trở lại và được thu bởi máy thu radar Thiết bị đo thời gian từ lúc phát đến lúc nhận sóng phản xạ để tính toán khoảng cách đến vật thể, dựa trên tốc độ truyền sóng radio Radar có thể đo khoảng cách xa hàng chục cây số và được ứng dụng trong hàng không, định vị vệ tinh, tàu thuyền, cảnh báo va chạm giao thông, quân sự
Ưu điểm của cảm biến Radar:
- Có khả năng đo được khoảng cách xa
- Hoạt động tốt trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 31
- Không phụ thuộc vào ánh sáng
Nhược điểm của cảm biến Radar:
- Chi phí còn khá đắt
- Đôi lúc nhiễu và phản xạ sai
- Giới hạn độ phân giải
- Kích thước và trọng lượng khá cồng kềnh và nặng
2.4.2 Cảm biến vật cản hồng ngoại
Cảm biến vật cản hồng ngoại, hay còn gọi là IR Sensor, là thiết bị điện tử dùng để phát hiện và đo lường bức xạ hồng ngoại trong môi trường xung quanh Tên tiếng Anh của loại cảm biến này là Passive Infrared (viết tắt là PIR), có nghĩa là "hồng ngoại thụ động"
Cảm biến hồng ngoại phát ra những tia vô hình để đo lường bức xạ từ các nguồn nhiệt trong phạm vi nhìn thấy của nó Bước sóng của nó dài hơn so với ánh sáng nhìn thấy (mặc dù vẫn nằm trong phổ điện từ) Tất cả các vật có nhiệt độ trên 5 độ Kelvin đều phát ra bức xạ hồng ngoại
Hình 2 19 Sơ đồ nguyên lý mạch thu phát cảm biến vật cản hồng ngoại
Các loại động cơ
2.5.1 Động cơ giảm tốc DC Động cơ DC là loại động cơ điện sử dụng dòng điện một chiều (DC) để hoạt động Chúng chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học thông qua sự tương tác giữa từ trường và dòng điện trong cuộn dây của động cơ Nhờ khả năng dễ dàng điều chỉnh tốc độ và mô-men xoắn, động cơ DC được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực
Hộp số giảm tốc (gearbox) là một thiết bị cơ khí gắn liền với động cơ, có chức năng giảm tốc độ quay và tăng mô-men xoắn đầu ra Bằng cách sử dụng các bánh răng để thay đổi tỷ số truyền, hộp số giảm tốc giúp điều chỉnh tốc độ và lực của động cơ sao cho phù hợp với các yêu cầu cụ thể của ứng dụng Động cơ DC kèm hộp số giảm tốc là sự kết hợp giữa động cơ DC và một hộp số giảm tốc Sự kết hợp này tận dụng ưu điểm của cả hai thành phần để cung cấp giải pháp hiệu quả cho các ứng dụng đòi hỏi tốc độ thấp và mô-men xoắn cao Động cơ cung cấp năng lượng ban đầu, trong khi hộp số điều chỉnh tốc độ và mô-men xoắn để đáp ứng các yêu cầu vận hành của thiết bị hoặc máy móc
Hình 2 21 Cấu tạo động cơ giảm tốc DC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 34
Nguyên lý hoạt động: Động cơ DC kèm hộp số giảm tốc hoạt động dựa trên các nguyên lý của động cơ
DC và hộp số giảm tốc Khi điện áp một chiều (DC) được cấp vào động cơ, dòng điện chạy qua cuộn dây, tạo ra từ trường và tương tác với từ trường của stato, làm cho rôto quay Tốc độ và hướng quay của rôto có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp hoặc sử dụng các mạch điều khiển điện tử Hộp số giảm tốc, gắn liền với động cơ, sử dụng các bánh răng để giảm tốc độ quay của rôto và tăng mô-men xoắn đầu ra Sự kết hợp này cho phép hệ thống cung cấp tốc độ thấp và lực mạnh mẽ, đáp ứng các yêu cầu về độ chính xác và hiệu suất cao trong nhiều ứng dụng
Khi sử dụng hộp số giảm tốc, tốc độ quay của trục động cơ giảm đáng kể, trong khi mô-men xoắn lại tăng lên Điều này là do hộp số giảm tốc làm giảm tốc độ quay của động cơ bằng cách tăng số vòng quay của bánh răng hoặc giảm đường kính của ổ bi, đồng thời tăng lực kéo cần thiết để tạo ra mô-men xoắn lớn hơn
2.5.2 Động cơ Servo DC Động cơ Servo DC là một loại động cơ DC có tích hợp hệ thống phản hồi (feedback) để điều khiển chính xác vị trí, tốc độ và mô-men xoắn Servo motor thường bao gồm một động cơ DC, một hộp số giảm tốc, một cảm biến (thường là bộ mã hóa hoặc chiết áp), và một mạch điều khiển tích hợp Các ví dụ phổ biến của động cơ DC Servo là MG996 và MG90, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng robot, mô hình hóa, và các hệ thống tự động hóa
Hình 2 22 Cấu tạo động cơ Servo DC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 35
Dòng điện một chiều đi qua cổ góp và chổi than vào cuộn dây quấn quanh lõi thép, tạo ra từ trường đối nghịch với từ trường của nam châm vĩnh cửu trên Stator, khiến rotor quay Để điều chỉnh tốc độ, cần thay đổi điện áp cấp vào cuộn dây
Bộ phận cảm biến có nhiệm vụ phản hồi thông tin về tốc độ và vị trí của động cơ đến bộ điều khiển Bộ điều khiển so sánh tín hiệu phản hồi này với giá trị đặt, sau đó điều chỉnh điện áp cấp vào động cơ cho phù hợp
Mạch điều khiển của động cơ kết nối với tín hiệu ra Khi động cơ hoạt động, vận tốc và vị trí được hồi tiếp về mạch điều khiển Nếu có bất kỳ cản trở nào ảnh hưởng đến chuyển động quay của động cơ, bộ phận phản hồi sẽ nhận diện tín hiệu và mạch điều khiển sẽ tiếp tục điều chỉnh để khắc phục sai lệch, đảm bảo động cơ đạt đúng vị trí yêu cầu.
Lý thuyết về các giao thức
MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) là một giao thức truyền thông điệp dựa trên mô hình Publish/Subscribe Giao thức này được thiết kế cho các thiết bị IoT, mang lại băng thông thấp, độ tin cậy cao và khả năng hoạt động trong môi trường mạng không ổn định, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng để trao đổi dữ liệu giữa nhiều thiết bị IoT
Ban đầu, MQTT là một giao thức độc quyền được sử dụng trong ngành dầu khí để giao tiếp với các hệ thống kiểm soát giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA) Ngày nay, MQTT đã trở thành một tiêu chuẩn phổ biến trong lĩnh vực thiết bị thông minh và là một trong những giao thức mã nguồn mở hàng đầu cho kết nối các thiết bị IoT MQTT hiện được áp dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như ô tô, năng lượng và viễn thông
Giao thức MQTT được sáng tạo vào cuối năm 1999 bởi hai kỹ sư công nghệ Andy Stanford-Clark và Arlen Nipper Mục tiêu của họ là phát triển một giao thức có khả năng tiết kiệm năng lượng và sử dụng băng thông thấp nhất có thể, nhằm kết nối các đường ống dẫn dầu thông qua kết nối vệ tinh ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 36 Đến năm 2011, IBM và Eurotech đã chuyển giao giao thức MQTT cho dự án Paho của Eclipse Vào năm 2013, MQTT đã được gửi lên tổ chức OASIS (Organization for the Advancement of Structured Information Standards) để được chuẩn hóa và chính thức đưa vào sử dụng
Hình 2 23 Giao thức MQTT giữa Rasberry Pi và ESP32
MQTT hoạt động theo mô hình truyền thông publish/subscribe với ba thành phần chính sau:
- Publisher: Thiết bị hoặc ứng dụng gửi thông điệp đến một chủ đề cụ thể
- Broker: Máy chủ trung gian có nhiệm vụ nhận thông điệp từ các Publisher và chuyển tiếp chúng đến các Subscriber
- Subscriber: Thiết bị hoặc ứng dụng nhận thông điệp từ các chủ đề mà nó đã đăng ký trước đó
Lợi ích của giao thức MQTT:
- Dữ liệu được truyền tải ngay lập tức, không phụ thuộc nội dung được truyền
- Sử dụng TCP/IP làm giao thức nền
- Tăng khả năng mở rộng và giảm đáng kể tiêu thụ băng thông mạng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 37
- Tiết kiệm thời gian xây dựng và phát triển
- Chi phí thấp nhưng vẫn đảm bảo an toàn, bảo mật
- Được sử dụng trong các ngành công nghiệp và các công ty lớn như Amazon, Facebook, …
- MQTT có chu kỳ truyền dữ liệu chậm hơn so với một số giao thức khác như CoAP
- MQTT không được mã hóa trực tiếp, tên người dùng và mật khẩu được gửi dưới dạng văn bản rõ ràng Thay vào đó, giao thức sử dụng TLS/SSL để bảo mật SSL/TLS không phải là giao thức nhẹ
- Rất khó để tạo ra một mạng MQTT mở rộng toàn cầu
- Các thách thức MQTT khác liên quan đến khả năng tương tác và xác thực
WebSocket là một giao thức truyền thông được sử dụng để thiết lập kênh liên lạc hai chiều thông qua một kết nối TCP duy nhất giữa máy khách (client) và máy chủ (server) Trái ngược với giao thức HTTP truyền thống, mà theo đó máy khách phải gửi yêu cầu và máy chủ phản hồi, WebSocket cho phép giao tiếp hai chiều, nghĩa là cả máy khách và máy chủ đều có thể gửi và nhận dữ liệu một cách tức thời và song song
WebSocket cũng cho phép mở rộng dễ dàng và hỗ trợ một loạt các giao thức và chuẩn bảo mật Với các tính năng này, nó đã trở thành một phương tiện quan trọng để phát triển các ứng dụng web hiện đại và các hệ thống truyền thông thời gian thực
WebSocket là một giao thức hai chiều cho phép giao tiếp song phương giữa máy khách và máy chủ Quá trình bắt đầu bằng một "bắt tay" (handshake) đặc biệt Trình duyệt gửi một yêu cầu HTTP đặc biệt đến máy chủ để mở kết nối WebSocket, bao gồm tiêu đề Upgrade HTTP/1.1 để thông báo về việc nâng cấp kết nối từ HTTP sang WebSocket Nếu ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 38 máy chủ hỗ trợ WebSocket, nó sẽ phản hồi với một tiêu đề HTTP để xác nhận việc chuyển đổi, và sau đó kết nối WebSocket sẽ được thiết lập
Khi kết nối đã được thiết lập, máy chủ và trình duyệt có thể trao đổi dữ liệu hai chiều một cách liên tục mà không cần yêu cầu hoặc phản hồi, giúp giảm thiểu độ trễ và tăng tốc độ truyền dữ liệu Dữ liệu trong WebSocket được đóng gói vào các "khung" (frames), mỗi khung có thể chứa dữ liệu văn bản hoặc nhị phân Cả hai bên có thể gửi và nhận dữ liệu một cách độc lập Đây là môt ưu điểm của giao thức WebSocket với HTTP việc truyền nhận bằng thời gian thực rất hữu ích cho các ứng dụng chat, chơi game, và những app cần thời gian thực khác
Khi một trong hai bên chủ động đóng kết nối, giao thức WebSocket sẽ đóng lại và kết thúc quá trình truyền tin
Hình 2 24 Giao thức HTTP và giao thức WebSocket
So sánh giữa giao thức HTTP và giao thức WebSocket ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 39
Bảng 2 3 So sánh giữa giao thức HTTP và giao thức Socket
Giao thức yêu cầu/phản hồi (request/response) sử dụng cú pháp văn bản
Giao thức truyền dữ liệu hai chiều (full-duplex) được thiết kế cho truyền dữ liệu realtime
Yêu cầu một kết nối mới cho mỗi yêu cầu, gửi yêu cầu và nhận phản hồi
Một kết nối liên tục được thiết lập và duy trì, cho phép truyền dữ liệu từ cả hai phía mà không cần tạo yêu cầu mới cho mỗi truy vấn
- Yêu cầu đến máy chủ yêu cầu một tài nguyên cụ thể
- Có thể là yêu cầu GET, POST, PUT, DELETE, vv
- Không yêu cầu một kết nối mới cho mỗi yêu cầu
- Thường sử dụng một yêu cầu nâng cấp để thiết lập kết nối WebSocket
- Máy chủ phản hồi bằng dữ liệu hoặc trang web tương ứng với yêu cầu
- Có thể phản hồi bằng mã lỗi nếu yêu cầu không thành công
- Dữ liệu có thể được gửi từ cả hai phía của kết nối mà không cần tạo yêu cầu mới
- Có thể gửi dữ liệu realtime như thông tin định vị, dữ liệu cảm biến, vv
Không thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu truyền dữ liệu realtime
- Thường được sử dụng cho các ứng dụng yêu cầu truyền dữ liệu realtime như ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 40 chat trực tuyến, trò chơi trực tuyến, vv
- Đặc biệt hữu ích trong IoT và các ứng dụng đòi hỏi cập nhật realtime
UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) là một loại giao thức truyền thông phổ biến được các thiết bị sử dụng để giao tiếp với nhau Nó được áp dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như viễn thông, vi xử lý, vi điều khiển, máy tính và các thiết bị điện tử
Nguyên lý hoạt động: UART sử dụng hai dây chính là Tx (Transmit) để truyền dữ liệu và Rx (Receive) để nhận dữ liệu Người dùng cần đặt cả hai thiết bị cùng tốc độ để có thể giao tiếp với nhau Tốc độ truyền thông thường dao động từ 9600 đến
115200 baud và cao hơn nữa
- Đơn giản và dễ triển khai
- Không yêu cầu tín hiệu đồng hồ, giảm số lượng dây cần thiết
- Tốc độ thấp hơn so với các giao thức đồng bộ
- Khoảng cách truyền dữ liệu bị giới hạn ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 41
Giao thức I2C (Inter-Integrated Circuit) là một giao thức truyền thông nối tiếp đồng bộ, được sử dụng rộng rãi để kết nối các vi điều khiển với các thiết bị ngoại vi như cảm biến, bộ nhớ và màn hình ESP32 hỗ trợ giao thức này, cho phép nó giao tiếp hiệu quả với nhiều thiết bị trên cùng một bus
I2C kết hợp các ưu điểm của cả SPI và UART Với I2C, bạn có thể kết nối nhiều thiết bị slave với một master duy nhất, tương tự như SPI Đồng thời, I2C cũng cho phép có nhiều master điều khiển một hoặc nhiều slave, điều này rất hữu ích khi cần nhiều vi điều khiển để ghi dữ liệu vào một thẻ nhớ chung hoặc hiển thị thông tin trên một màn hình LCD
- Giao thức I2C hoạt động dựa trên hai dây chính là SDA (Serial Data Line) để truyền nhận dữ liệu và SCL (Serial Clock Line) để cung cấp xung nhịp đồng bộ
Xử lý ảnh
TensorFlow 2 là một nền tảng mã nguồn mở toàn diện cho học máy, được phát triển bởi Google TensorFlow 2 được thiết kế để làm cho việc xây dựng và triển khai các mô hình học máy trở nên dễ dàng hơn so với các phiên bản trước đó Dưới đây là một số điểm nổi bật và đặc điểm chính của TensorFlow 2
Ngoài ra, TensorFlow Lite (TFLite) là một phiên bản nhẹ của thư viện TensorFlow, được thiết kế để chạy các mô hình máy học (Machine Learning) trên các thiết bị có tài ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 44 nguyên hạn chế như điện thoại di động, nhúng và các thiết bị IoT (Internet of Things) Gồm các đặc điểm và chức năng:
- TensorFlow Lite tối ưu hóa kích thước của mô hình và thư viện, giúp chúng phù hợp với các thiết bị có bộ nhớ hạn chế
- Sử dụng các kỹ thuật tối ưu hóa và tận dụng phần cứng đặc thù của thiết bị (như GPU, DSP) để cải thiện hiệu suất khi chạy mô hình
- TensorFlow Lite có thể chạy trên nhiều nền tảng khác nhau, bao gồm Android, IOS, Linux và Microcontrollers
Hình 2 28 Cách thực hiện xử lý ảnh
2.7.2 Các mô hình xử lý ảnh phổ biến trong TensorFlow Lite
TensorFlow 2 Detection Model Zoo là một phần của hệ sinh thái TensorFlow 2 bộ sưu tập các mô hình phát hiện đối tượng (object detection models) đã được huấn luyện trước được cung cấp bởi nhóm TensorFlow của Google Mô hình này được thiết kế để giúp ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 45 các nhà phát triển dễ dàng triển khai và tinh chỉnh các mô hình phát hiện đối tượng cho các ứng dụng cụ thể của họ
Nó gồm các mô hình đã được huấn luyện trên các tập dữ liệu phổ biến như COCO (Common Objects in Context) hoặc PASCAL VOC Từ đó giúp tiết kiệm thời gian và tài nguyên, đặc biệt là khi không có dữ liệu đủ lớn và khả năng tính toán mạnh mẽ để huấn luyện ngay từ đầu Ngoài ra, còn hỗ trợ tích hợp với TensorFlow Lite để triển khai trên các thiết bị khác nhau từ server đến thiết bị di động Cung cấp nhiều loại mô hình với các kiến trúc khác nhau như:
- Mobile Net: Là một mạng nơ-rơn sâu nhẹ được thiết kế để chạy trên các thiết bị có tài nguyên hạn chế như điện thoại di động Nó thường được sử dụng cho các ứng dụng nhận dạng và phân loại ảnh Tối ưu cho việc chạy trên các thiết bị nhúng
- SSD (Single Shot Multibox Detector): SSD là một mô hình phát hiện đối tượng nhanh và chính xác Nó kết hợp việc phát hiện đối tượng và phân loại trong một mạng nơ-ron duy nhất
- EfficientNet là một dòng mô hình phân loại ảnh được thiết kế để cân bằng giữa hiệu suất và tài nguyên Nó sử dụng một chiến lược tự động để tăng cường kích thước mô hình dựa trên kích thước dữ liệu đào tạo TensorFlow Lite hỗ trợ phiên bản tối ưu hóa của EfficientNet cho các thiết bị di động và nhúng
- SSD MobileNet v2 FPN Lite 320: Một biến thể khác của MobileNet v2 được kết hợp với Feature Pyramid Networks (FPN) để cải thiện khả năng phát hiện đối tượng trên các đối tượng nhỏ hoặc có kích thước biến thiên
Hình 2 29 Quá trình thực hiện xử lý ảnh ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 46
2.7.3 Cấu trúc vận hành của Model SSD MobileNet V2 FPN Lite 320
Mô hình SSD-MobileNet-v2-FPNLite-320 kết hợp các thành phần mạnh mẽ để phát hiện đối tượng trong hình ảnh một cách hiệu quả và nhanh chóng Sau đây là giải thích chi tiết về nguyên lý hoạt động của mô hình này:
- SSD là một kiến trúc phát hiện đối tượng với mục tiêu thực hiện phát hiện đối tượng trong một bước duy nhất, trái ngược với các phương pháp khác yêu cầu nhiều bước như R-CNN hay Fast R-CNN SSD sử dụng một mạng nơ-ron để tạo ra các bounding boxes và dự đoán nhãn cho từng bounding box trong một lần chạy duy nhất
- MobileNet v2 là một mạng nơ-ron tích chập nhẹ, tối ưu hóa cho các thiết bị có tài nguyên hạn chế MobileNet v2 được sử dụng như một mạng nền tảng (backbone) trong SSD để trích xuất các đặc trưng từ hình ảnh đầu vào
- FPN giúp cải thiện khả năng phát hiện đối tượng ở nhiều kích thước khác nhau bằng cách kết hợp các đặc trưng từ nhiều cấp độ khác nhau trong mạng CNN FPN tạo ra một biểu diễn đa quy mô của hình ảnh đầu vào, giúp phát hiện đối tượng tốt hơn ở các độ phân giải khác nhau
Nguyên lý hoạt động khi huấn luyện:
Bước 1: Chuẩn bị dữ liệu
Nhóm chụp hình các loại rác được phân loại với mỗi chai sẽ chụp 100 ảnh với nhiều góc khác nhau và tổng là 2400 ảnh với 3 loại rác chai nhựa, lon kim loại và ly giấy
- Backbone: MobileNet V2 trích xuất đặc trưng: Hình ảnh đầu vào được xử lý qua các lớp tích chập và ReLU của MobileNet v2 để trích xuất các đặc trưng từ hình ảnh
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
Quy trình công nghệ của hệ thống
Quy trình điều khiển của hệ thống nhóm chúng em đã xây dựng như Hình 3 1 dưới đây:
MG996R MG90S Động cơ DC giảm tốc ép
Cảm biến vật cản hồng ngoại
Hình 3 1 Sơ đồ quy trình hệ thống
- Đầu tiên các thiết bị sẽ chung một mạng wifi từ một router wifi phát ra
- Cảm biến vật cản hồng ngoại sẽ phát hiện rác khi được đưa vào
- Cảm biến siêu âm sẽ theo dõi khối lượng rác có trong thùng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 50
- Rasberry Pi sẽ xử lý ảnh thông qua camera và gửi tín hiệu về cho ESP32 thông qua giao thức MQTT
- ESP32 sau khi nhận tín hiệu thì sẽ thực hiện việc phân loại rác và ép rác thông qua xy lanh điện giữ chai, một xy lanh đâm thoát khí và động cơ giảm tốc 775
- ESP32 tạo một WebServer thông qua giao thức Websocket giúp truyền nhận dữ liệu cảm biến siêu âm liên tục Đồng thời trên WebServer sẽ có các nút nhấn điều khiển động cơ mg90 để đổi quà
- Module A9G sẽ gửi tin nhắn đến số điện thoại cài đặt trước khi nhận được dữ liệu thông qua giao thức UART
- Module PCA9685 sẽ điều khiển các động cơ servo thông qua giao thức I2C
Thiết kế một thùng để chứa tất các các thiết bị như quy trình thực hiện ở Hình 3 1
- Chiều dài của thùng bao gồm: o Ống để rác rơi vào dài 20cm o Khi rơi vào thì camera xử lý nằm dài gần 25cm o Chiều dài trục vitme tịnh tiến ép rác và động cơ dài25cm
- Chiều rộng của thùng bao gồm: o Tổng chiều rộng 3 hộp chứa quà là 30cm o Chiều rộng ống để rác là 10cm o Màn hình hiển thị giao diện theo dõi rộng 25cm
- Chiều cao của thùng bao gồm 3 tầng o Tầng dưới: là nơi đựng rác, với chiều cao thùng rác là 40cm Thêm 20cm cho máng phân loại rác và cách 20cm so với tầng giữa o Tầng giữa: có chiều cao 30cm, bao gồm độ nghiêng của ống đưa rác vào và chiều cao của nơi rác nằm vào để xử lý phân loại o Tầng trên: gồm có 3 hộp dài chứa quà cao 30cm
=> Vì vậy tổng kích thước cho thùng rác phải có kích thước tối thiểu là 80x68x150cm ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 51
Hình 3 2 Thiết kế kích thước thùng rác
Thiết kế kích thước lỗ để có thể thả vật rơi vào bên trong thùng
Nhóm em chỉ phân loại những chai nước với thể tích trong khoảng 500ml, đối với
3 loại rác là chai nhựa, lon kim loại, ly giấy những loại có kích thước trung bình và nhỏ là nhóm đối tượng đề tài hướng tới Vì vây kích thước của lỗ thả rác là 10x10cm với chiều cao của ống là 20cm và nghiêng 15 độ
Hình 3 3 Thiết kế kích thước lỗ đưa rác ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 52
Nơi lắp đặt cảm biến tiệm cận hồng ngoại giúp phát hiện vật được đưa vào
Với khoảng cách cảm biến phát hiện từ 2 ~ 5cm tùy vào độ nhạy cảm biến được chỉnh bằng biến trở, thì nhóm em thiết kế đặt cảm biến nằm ở phía trên ống đưa rác vào, với lỗ ống là 10x10cm
Ví dụ 1 chai nước có bề rộng trung bình từ 5 đến 8cm, thì khi rớt vào ống, khoảng cách cảm biến đủ để nhận diện được vật Vì vậy nhóm em thiết kế đặt cảm biến tiệm cận hồng ngoại ở phía trên nơi rác được đưa vào
CẢM BIỆN TIỆM CẬN HỒNG NGOẠI
Hình 3 4 Thiết kế nơi đặt cảm biến tiệm cận hồng ngoại
Thiết kế nơi rác rơi từ ống vào chỗ để xử lý ảnh
Nơi đề rác được thiết kế với kích thước 22x12x10 cm Trong 3 loại rác được phân loại, chỉ có chai nhựa là cao nhất, và những mẫu chai có dung tích khoảng 500ml chiều cao tối đa nhóm tìm được tối đa là 22cm và bề rộng tối đa khoảng 8 ~ 9 cm Vì vậy với kích thước thiết kế trên sẽ đủ để chai có thể nằm trong đó thuận lợi cho việc xử lý ảnh ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 53 ÉP VẬT
Hình 3 5 Thiết kế nơi rác nằm để xử lý ảnh
Thiết kế thanh ép vật của động cơ
Với chiều dài của nơi xử lý rác là 22cm, động cơ ép sẽ di chuyển với hành trình 18cm, tránh ép quá tải và sự đàn hồi của chai sau khi ép, tiết kiệm năng lượng
Hình 3 6 Thiết kế thanh ép vật ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 54
Bản vẽ cơ cấu ép vật:
Hình 3 7 Bản vẽ cơ cấu ép chai
Thiết kế cơ cấu chuyển động xoay thành tịnh tiến cho việc đẩy quà
Sử dụng servo mg90 để chuyển động xoay thành tịnh tiến giúp đẩy vật ra bên ngoài
Hình 3 8 Thiết kế chuyển động tịnh tiến thành xoay ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 55
Hình 3 9 Bản vẽ gá đỡ MG90S
Bản vẽ bánh răng MG90S:
Hình 3 10 Bản vẽ bánh răng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 56
Bản vẽ tấm đẩy quà:
Hình 3 12 Bản vẽ đẩy quà ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 57
Thiết kế máng phân loại rác vào từng thùng
Máng phân loại rác với kích thước 20x15x15cm Rộng rãi đủ để có thể rác rơi xuống và vào đúng thùng được phân loại
Hình 3 13 Máng phân loại rác
Các thiết bị dự tính trong mô hình
Với các yêu cầu thiết kế trên, sau đây là các thiết bị được dự tính trong mô hình
Với mô hình phân loại rác thải nhóm em chọn Raspberry Pi 4 8GB có đủ sức mạnh để xử lý các tác dụng về thị giác máy tính Dễ sử dụng như một máy tính kết hợp với camera để nhận diện được các hình ảnh chính xác và truyền dữ liệu cho Module ESP32 để điều khiển động cơ và cập nhật thông tin lên web:
- Broadcom BCM2711, Quad core Cortex-A72 ARM v8 64-bit SoC @ 1.5GHz
- Loại 8GB LPDDR4-2400 SDRAM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 58
- Wifi bao gồm chuẩn 2.4 GHz và 5.0 GHz IEEE 802.11ac Bluetooth 5.0và BLE
- 2 cổng USB 3.0và 2 cổng USB 2.0
- GPIO có chuẩn 40 chân, tương thích với các phiên bản trước
- Hỗ trợ 2 cổng ra màn hình Micro HDMI với độ phân giải lên tới 4K
- Cổng MIPI DSI và Cổng MIPI CSI.
- Hỗ trợ giải mã H.265(4Kp60), giải mã H.264 (1080p60) và mã hóa 1080p30.
- Khe cắm Micro-SD cho hệ điều hành và lưu trữ
- Nguồn điện DC 5V – 3Achuẩn USB-C
- Hỗ trợ 5VDC qua tiêu đề GPIO (tối thiểu 3A*)
- Hỗ trợ Power over Ethernet PoE (cần sử dụng PoE HAT)
- Kích thước: 85mm x 56mm x 17mm.
Hình 3 14 Rasberry Pi 4 Model B 8GB ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 59
Hiệu suất: ESP32 có một vi xử lý tốt, được xây dựng trên kiến trúc Xtensa dual- core, giúp nó xử lý các tác vụ đa nhiệm phức tạp một cách hiệu quả Hai nhân xử lý cho phép nó thực hiện nhiều công việc cùng một lúc, chẳng hạn như gửi dữ liệu web qua giao thức HTTP và đồng thời điều khiển servo Điều này đảm bảo rằng hiệu suất của hệ thống vẫn ổn định và mượt mà, ngay cả khi đang thực hiện nhiều tác vụ cùng một lúc
Kết nối Wi-Fi và Bluetooth tích hợp: ESP32 tích hợp sẵn một module Wi-Fi và Bluetooth, loại bỏ nhu cầu sử dụng các module bên ngoài cho kết nối mạng và giao tiếp không dây Điều này giúp giảm chi phí và không gian cần thiết trên board Kết nối Wi-Fi cho phép ESP32 kết nối với mạng Internet, từ đó cung cấp dữ liệu cho các ứng dụng web Bluetooth cũng có thể được sử dụng để giao tiếp với các thiết bị khác như điện thoại di động hoặc các cảm biến
Cổng GPIO nhiều: ESP32 có nhiều cổng GPIO, bao gồm cả các cổng hỗ trợ PWM (Pulse Width Modulation), cần thiết cho việc điều khiển servo Các cổng GPIO cho phép kết nối với nhiều thiết bị ngoại vi khác nhau như cảm biến, LED, hoặc các loại servo khác Điều này cung cấp tính linh hoạt trong việc thiết kế và triển khai các ứng dụng IoT, bao gồm cả việc điều khiển servo Vì vậy nhóm em lựa chọn Module ESP32 NodeMCU LuaNode32 loại 38 chân
- IC Chính: ESP32 (ESP-WROOM-32)
- Phiên bản Firmware: NodeMCU Lua
- Chip nạp và giao tiếp UART: CP2102
- GPIO hoàn toàn tương thích với firmwareNodeMCU
- Nguồn sử dụng: 5VDC (qua MicroUSBhoặc Vin)
- Bluetooh: BR/EDR + BLE ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 60
- Tích hợp đèn LED báo trạng thái, nút Reset, Flash
- Tương thích hoàn toàn với trình biên dịch: Arduino IDE
Hình 3 15 Module ESP32 NodeMCU LuaNode32 38 chân
3.2.3 Động cơ giảm tốc DC 775
Tính toán lựa chọn động cơ:
Bước 1: Xác định lực cần thiết
Giả thiết ép các chai 500ml với lực nén cần thiết để ép chai là 500N
Bước 2: Xác định hành trình nén
Hành trình nén dùng trục vitme là 20cm (0.2m)
Bước 3: Xác định tốc độ nén:
Giả sử hoàn thành quá trình nén trong 10s tức là 2cm/s (0.02m/s)
Dùng trục vitme với bước ren 2mm (0.002m)
Công thức tính moment xoắn (T) từ lực nén (F) và bước vít (L) là: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 61
- F: là lực ép của động cơ (N)
- L: là bước ren của trục vít me (2mm)
- : là hiệu suất cơ học của trục vít me (thường từ 0.3 đến 0.7, giả sử là 0.5)
Như ở bước 3 nếu ép chai nước xuống 140mm trong thời gian 15 giây d v
- dv: là khoảng cách di chuyển (mm)
- L: là bước ren của trục vít me (2mm)
Vậy số vòng quay trong một phút là:
Bước 5: Chọn động cơ điện
Sau khi tính toán xong ta cần chọn động cơ có:
Có momen xoắn tối thiểu là: 3.24 kg.cm
Với các yêu cầu tính toán về kỹ thuật trên, nhóm em lựa chọn động cơ giảm tốc DC
775 – 100 RPM để ép chai nhựa hoặc lon với tốc độ tuy ít hơn sẽ làm chậm tiến độ thực hiện, nhưng bù lại sẽ có lực ép mạnh để ép được mọi vật Vì nếu tốc độ lớn nhưng momen ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 62 xoắn nhỏ thì khi ép sẽ làm giảm tốc độ của động cơ Với các lý do trên nên nhóm em loại động cơ này với các thông số kỹ thuật dưới đây
- Tốc độ không tải: 100 rpm
- Tốc độ định mức động cơ: 75 RPM
- Momen định mức: 18 kg.cm
- Chiều dài của hộp số: 49.5 mm
- Đường kính của hộp số: 42 mm
- Kích thước trục: Trục D 8mm
Hình 3 16 Động cơ giảm tốc DC 775 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 63
Hình 3 17 Kích thước động cơ 775
3.2.4 Động cơ Servo DC MG90S
Với ứng dụng đổi rác lấy quà, nhóm chúng em sử dụng động cơ Servo Mg90s loại
360 độ chuyển từ xoay thành tịnh tiến để đẩy hộp quà ra ngoài khi nhấn nút và động cơ Servo Mg90s loại 90 độ để chặn lỗ bỏ chai khi chai đang xử lý Động cơ Servo MG90S có tích hợp sẵn driver điều khiển bên trong, cho phép dễ dàng điều khiển góc quay bằng phương pháp điều độ rộng xung (PWM), nó có lực xoắn momen đủ để thực hiện trong đề tài của nhóm
- Điện áp hoạt động: 4.8 ~ 6VDC.
- Momen xoắn tối đa: 1.8kg/cm (ở 4.8V), 2.2kg/cm (ở 6V)
- Tốc độ hoạt động: 0.1 giây/ 60 o (ở 4.8V,0.08 giây/60 o (ở 6V)
- Độ dài dây nối: 175mm.
- Kích thước: 22.8 x 12.2 x 28.5mm ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 64
Hình 3 18 Động cơ Servo Mg90s
3.2.5 Động cơ Servo DC MG996R Để tài gồm có những bước để tính toán lựa chọn động cơ MG996R cho việc làm máng xoay phân loại như được trình bày dưới đây:
Tính toán lực tác động:
- m: Khối lượng vật khoảng 300ml = 0.3 kg
- Wt: thế năng trọng trường (J)
Năng lượng này chuyển hóa thành động năng khi vật chạm máng Lực tác động trung bình lên máng nếu dừng lại trong khoảng thời gian rất ngắn có thể ước lượng:
- d: là khoảng cách dừng lại của chai nước khi chạm máng Bán kính lực tác động là 1cm
Khả năng chịu lực của MG996R: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 65 Động cơ có momen xoắn là 11kg.cm (6V) thì tại bán kính 1cm, lực chịu được là:
Với lực tác động khoảng 44.3 N từ chai nước rơi từ độ cao 15 cm, động cơ MG996R có khả năng chịu lực lên đến 107.91 N tại bán kính 1 cm Điều này cho thấy động cơ MG996R hoàn toàn có thể chịu được lực tác động này mà không gặp vấn đề về quá tải
- Lực kéo: 9.4kg/cm (ở 4.8V), 11kg/cm (ở 6V)
- Tốc độ xoay: 0.17 giây/60 o (ở 4.8V), 0.14 giây/60 o (ở 6V)
- Nhiệt độ hoạt động: từ 0 o Cđến 55 o C
- Dòng điện không tải: khoảng 0.15A.
- Vật liệu bánh răng: Kim loại
- Kích thước sản phẩm: 40.7 x 19.7 x 42.9mm
- Đây là phiên bản nâng cấp từ servo MG995 với lực kéo, tốc độ và độ chính xác cao hơn
Hình 3 19 Động cơ Servo DC MG996R ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 66
Xi lanh điện là một loại xi lanh với cơ cấu dẫn động tuyến tính bằng điện (loại cơ – điện), hoạt động đơn giản chỉ cần dây dẫn và nguồn điện Cấu trúc của xi lanh điện chuyển đổi năng lượng điện thành mô-men xoắn thông qua một động cơ điện kết nối với vít dẫn Khi vít dẫn quay, đai ốc di chuyển dọc theo trục của vít dẫn, và hướng di chuyển của đai ốc phụ thuộc vào chiều quay của vít dẫn Đề tài sử dụng xi lanh điện kết hợp với dao để đâm vào chai nhựa giúp thoát khí cho việc ép chai cùng với xy lanh để giữ chai Với lực ép chai được tính như trên khi lựa chọn động cơ, thì nhóm em lựa chọn xi lanh để đâm vào chai và xy lanh để giữ chặt chai với lực đẩy là 300N
- Mức độ bảo vệ: IP54
- Nhiệt độ hoạt động: từ 20 o C đến 75 o C
- Độ ồn khi hoạt động: Với các khối trên, dưới đây là sơ đồ nối dây của các thiết bị bao gồm sơ đồ nối dây cho ESP32, và sơ đồ nối dây cho Raspberry Pi ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 75
3.3.3 Sơ đồ nối dây điện
3.3.3.1 Sơ đồ nối dây ESP32
Xy lanh điện Công tắc hành trình 2
Hình 3 29 Sơ đồ đi dây điện cho hệ thống
Mạch điện gồm 1 nguồn tổ ong 24V qua mạch giảm áp XL4015 ra 5V-5A
- Nguồn ra 5V để cấp nguồn cho các thiết bị: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 76
Cảm biến vật cản hồng ngoại
- Nguồn ra 24V để cấp nguồn cho các thiết bị:
Động cơ DC giảm tốc 775
- Ngoài ra 3 module BTS7960 được cấp nguồn 3.3V bởi ESP32
3.3.3.2 Sơ đồ nối dây Raspberry Pi
Adapter chuyển đổi 220VAC -> 5VDC
Hình 3 30 Sơ đồ kết nối Raspbery Pi
Sơ đồ kết nối Raspberry Pi 4 khá đơn giản, chỉ cần cấp nguồn qua cổng USB Type
C và đưa camera vào cổng USB để xử lý ảnh ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 77
Thiết kế giải thuật cho hệ thống
- Gửi tín hiệu chính xác khi xử lý ảnh bên Raspberry Pi
- Xy lanh giữ chặt vật, xy lanh đâm chai giúp thoát khí, đồng thời động cơ di chuyển ép vật chính xác với vị trí đã cài đặt Phân loại rác vào đúng 3 thùng đã quy định
- Động cơ hoạt động đẩy quà ra chính xác
- Hệ thống lặp lại khi cần có người bỏ rác thải tái chế
3.4.2 Lưu đồ giải thuật Raspberry Pi 4
Kết nối các thiết bị vào chung Wifi
Khởi động MQTT Broker trên Raspberry Pi, lắp camera
Camera quét có rác hay không
Gửi dữ liệu đến ESP32 Đ
Hình 3 31 Lưu đồ xử lý ảnh của Raspberry Pi ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 78
- Đầu tiên, kết nối chung 2 thiết bị Raspberry Pi 4 và ESP32 vào cùng một mạng wifi Kết nối camera vào Raspberry Pi
- Sau đó khởi tạo giao thức MQTT Broker cho Raspberry Pi 4 và khởi tạo MQTT Client cho ESP32 giao thức với nhau
- Khi có vật, máy ảnh sẽ quét, xử lý ảnh và trả về kết quả
- Gửi kết quả đến ESP32 thông qua giao thức MQTT
3.4.3 Lưu đồ giải thuật ESP32
Sau đây là phần lưu đồ giải thuật chính trên ESP32 gồm 1 lưu đồ chương trình con và một lưu đồ chương trình chính
Lưu đồ chương trình con:
Cảm biến phát hiện lâu hơn 7s S
Gửi thông báo về điện thoại, thùng rác bị hư Đ
Hình 3 32 Lưu đồ chương trình con ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 79
Lưu đồ chương trình chính:
Kết nối các thiết bị vào chung Wifi
Thiết lập GSP và GSM
Cài đặt WebServer qua giao thức WebSocket
Kết nối các cảm biến và cơ cấu chấp hành
Nhận dữ liệu từ Rasberry Pi
Nhựa Đ Điều khiển ĐC ép, đâm chai và phân loại
Cổng điểm và hiển thị lên Web
Giấy Đ Điều khiển động cơ phân loại S
Kết nối WebClient vào WebServer
Nhận dữ liệu cảm biến và hiển thị lên WebServer Đọc giá trị cảm biến và gửi lên WebServer
Gửi thông báo về số điện thoại đã đặt trước
Nhận dữ liệu từ điện thoại Đ Gửi tọa độ của thùng về điện thoại S Điều khiển động cơ ép và phân loại
Cổng điểm và hiển thị lên Web Đủ điểm Đ
Gửi tín hiệu điều khiển động cơ Hiển thị thông báo thành công
Hiển thị thông báo không đủ điểm
Cảm biến phát S hiện vật Đ Điều khiển động cơ phân loại vào thùng chứa giấy
Hình 3 33 Lưu đồ điều khiển của ESP32
- Sau khi đã thiết lập xong giao thức MQTT thì sẽ thiết lập WebServer cho ESP32 sử dụng giao thức Websocket để truyền nhận dữ liệu ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 80
- Kết nối các cảm biến vào ESP32 và gửi dữ liệu cảm biến lên WebServer
- Mở WebClient đọc dữ liệu cảm biến và nhấn nút trên WebServer
- Cảm biến tiệm cận hồng ngoại nhận diện được có vật hay không Nếu có thì sẽ nhận dữ liệu từ Raspberry Pi gửi về
- ESP32 khi nhận dữ liệu từ Raspberry Pi khi có vật đưa vào
- Nếu là nhựa thì điều khiển động cơ đâm chai và ép Nếu là lon kim loại thì chỉ ép chai Nếu là giấy thì phân loại bình thường
- Khi phân loại xong sẽ cộng điểm và hiển thị lên web tổng số điểm đang có, tùy vào loại rác sẽ được cộng nhiều hay ít
- Khi nhấn nút trên Web thì nếu đủ điểm, sẽ hiển thị thông báo thành công và gửi tín hiệu về ESP32 điều khiển động cơ Nếu không đủ điểm thì hiển thị thông báo không đủ điểm để đổi quà
- Nếu nhận được tin nhắn đúng cú pháp từ số điện thoại đã đặt trước, thì gửi tọa độ của thùng rác đến điện thoại thông qua Module A9G
- Nếu dữ liệu cảm biến đọc được lớn hơn giá trị đặt trước thì gửi thông báo đến số điện thoại đặt trước là thùng rác đã đầy thông qua Module A9G ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 81
THI CÔNG HỆ THỐNG
Giới thiệu
Sau khi đã tính toán và thiết kế, nhóm chúng em đã lựa chọn được các thiết bị phù hợp với mô hình để thi công phần cứng cũng như phần mềm cho cả hệ thống.
Thi công phần cứng
4.2.1 Thi công phần cơ cấu ép Động cơ 775 100RPM
Cơ cấu ép vật được thi công bằng một tấm sắt để ép, và một ống dài hàn với đai ốc của Vitme để có thể tịnh tiến được Mặt bên được gắn lên một con trượt và gắn vào ray trượt giúp định hướng cơ cấu ép theo đường thẳng tránh bị nghiêng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 82
4.2.2 Thi công phần cơ cấu giữ và đâm vật
Hình 4 2 Cơ cấu giữ vật
Cơ cấu ép vật được làm bằng một tấm sắt hàn vào đầu của xy lanh điện Xy lanh điện sẽ đi với hành trình 50mm ép vật sát với vách ngăn đủ để giữ vật không bị di chuyển, nhằm ép không bị nghiêng vật
Khoảng cách xy lanh được đặt vừa đủ để có hành trình đi không chạm đến tấm ép vật Giúp cho động cơ 775 ép vật không bị chặn khi di chuyển theo thanh trượt
Cơ cấu ép rác được làm bằng một mũi sắt nhọn gắn vào đầu của xy lanh điện Xy lanh điện sẽ đi với hành trình khoảng 6cm đâm vào chai nhựa giúp chai thoát khí dễ dàng cho việc ép Như trình bày ở Hình 4 3 và Hình 4 4 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 83
Hình 4 3 Cơ cấu đâm vật
Hình 4 4 Xy lanh đâm vật ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 84
4.2.3 Thi công phần cơ cấu phân loại rác
Máng xoay phân loại Động cơ servo xoay phân loại HC-SR05
Hình 4 5 Cơ cấu phân loại rác
Cơ cấu phân loại rác là một máng nghiêng 125 độ, được gắn thêm 3 tấm xung quanh trên đầu đảm bảo cho việc vật rớt từ trên xuống rơi đúng vào máng Cơ cấu được gắn trên một động cơ MG996R loại 180 độ, giúp xoay rớt vật vào 1 trong 3 thùng được chỉ định phân loại
Ngoài ra còn có thêm 3 cảm biến siêu âm HC-SR05 để theo dõi dung tích của thùng
3 thùng rác nhựa, lon, giấy Dưới cùng là 3 thùng phân loại là một hình tròn với bán kính 30cm, được chia làm 3 thùng, mỗi thùng 120 độ, thùng cao 40cm Như được mô tả servo quay ở Hình 4 6 dưới đây ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 85
Hình 4 6 MG996R xoay phân loại rác 4.2.4 Thi công phần cơ cấu đổi quà Đẩy quà
Hình 4 7 Cơ cấu đổi quà mặt sau ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 86
Hình 4 8 Cơ cấu đổi quà mặt trước
Cơ cấu đổi quà sử dụng động cơ servo MG90S loại 360 độ chỉ có 3 chế độ là 0 độ quay thuận, 90 độ dừng, 180 độ quay nghịch In 3D và lắp ráp các cơ cấu như lược, bánh răng, đế và tấm đẩy quà ra ngoài Ngoài ra còn có camera để xử lý ảnh phân loại rác ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 87
Thi công phần mềm
4.3.1 Thi công đi dây điện
BTS7960 Điều khiển xy lanh giữ vật
BTS7960 Điều khiển động cơ ép vật
BTS7960 Điều khiển xy lanh đâm vật
Module 2 Relay Điều khiển đèn đỏ xanh
Hình 4 9 Thi công đi dây điện
Dây điện được bao bọc bởi dây quấn ruột gà và cố định gọn gàng Dây điện được đi trong máng dây và gắn vào bảng mạch điện
Bảng mạch được thiết kế trên một tấm mạch PCB đục lỗ sẵn được lắp 4 góc bằng trụ đồng Xung quanh gồm các module được điều khiển trực tiếp qua Module ESP32 ở vị trí trung tâm
Bên phải là nguồn tổ ong 24V – 15A cấp vào hệ thống, bên trái là máy tính nhúng Raspberry Pi 4 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 88
4.3.2 Thi công góc nhìn camera xử lý ảnh
Dưới đây là góc nhìn của camera xử lý ảnh nhận diện các loại rác thải:
Hình 4 10 Góc nhìn của camera xử lý ảnh
- Đầu tiên nhóm em tạo một tập dữ liệu đầu vào gồm ảnh về các loại rác thải và gắn nhãn phân loại từng loại rác thải, để đào tạo xử lý ảnh theo mô hình “SSD- Mobilenet-V2-fpnlite-320”
- Sau khi đã đào tạo xong thì đưa dữ liệu đó vào trong code python trên Raspberry Pi để thực hiện việc phân loại
- Camera sẽ xử lý phân loại rác thải dựa trên các biến đầu vào khi tạo tập dữ liệu về hình ảnh
- Sau cùng là gửi dữ liệu đã nhận diện được về ESP32 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 89
4.3.3 Thi công giao diện giám sát trên WebServer
Dưới đây là giao diện WebServer do nhóm chúng em tự thiết kế theo khuynh hướng đơn giản, nhằm hướng đến mục tiêu mọi người đều có thể quan sát và dễ dàng sử dụng:
Hình 4 11 Giao diện WebServer về theo dõi dung tích rác và đổi quà
- Giao diện hiển thị số lượng rác trong thùng của 3 loại rác, là dữ liệu của cảm biến siêu âm HC-SR05 gửi lên từ ESP32
- Hiển thị số điểm tổng để đổi quà Khi phân loại được rác là nhựa hay lon kim loại sẽ được cộng điểm và hiển thị lên giao diện
- Có 3 nút nhấn dùng để chọn 1 trong 3 loại quà tương ứng với từng số điểm Khi nhân nút sẽ gửi tín hiệu về ESP32 điều khiển Servo đẩy quà
Khi cuộn xuống sẽ hiển thị thêm 2 phần của giao diện là theo dõi số lượng rác trong ngày và địa chỉ của thùng rác như Hình 4 12 dưới đây: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 90
Hình 4 12 Giao diện Webserver theo dõi số lượng rác trong ngày và địa chỉ
- Số lượng rác trong ngày giúp mọi người có thể quan sát được trong ngày hôm đó đã có bao nhiêu loại rác được bỏ vô trong thùng tại những thời điểm khác nhau
- Cuối cùng là địa chỉ của thùng rác, để mọi người có thể biết được thùng rác tại đâu để có thể tới và bỏ rác ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 91
KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
Kết quả phần cứng
Sau quá trình thiết kế và lựa chọn các thiết bị để thiết kế, nhóm em đã hoàn thành việc thiết kế phần cứng với mô hình sản phẩm dưới đây ở Hình 5 1
Nơi bỏ rác Màn hình
Hình 5 1 Mô hình sản phẩm
- Nhóm đã thiết kế thành công được mô hình phân loại 3 loại rác Camera logitech 720p có thể lấy nét nhanh chóng và xử lý ảnh bên raspberry pi với model train phân biệt được nhanh và độ chính xác cao ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 92
- Máng xoay phân loại hoạt động chính xác với tốc độ nhanh, phân loại chính xác được 3 loại rác chai nhựa, lon kim loại và giấy vào 3 thùng
- Cơ cấu ép vật, giữ vật và đâm chai hoạt động tốt, tuy nhiên sau hơn 20 lần chạy phân loại thì có khoảng 2 lần động cơ ép rác làm chai nhựa bị đứng thẳng và không ép dẹp được Cơ cấu đâm chai để thoát khí cũng sẽ có vài lần đâm trượt ngang qua mặt chai vì bề mặt chai tròn gây khó đâm được chính xác
- Nhìn chung với việc ép chai nhựa còn khó khăn vì chai dễ bị trượt, còn đối với lon kim loại thì ép dẹp và phân loại chính xác.
Kết quả phần mềm
Sau khi đã thiết kế được mô hình phân loại rác, nhóm em đã đi dây điện gọn gàng và tránh các vật cản ảnh hưởng đến đường dây điện Dây điện được đi trong ruột gà nhằm tránh nước rơi vào, khi phân loại chai còn nước Dây được để gọn trong máng đi dây điện giúp mạch điện gọn gàng khi nhìn vào
Hình 5 2 Kết quả mạch điện ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 93
Dây điện đi trong ruột gà Đi dây điện ở tầng dưới
Hình 5 3 Kết quả đi dây điện cho tầng giữa ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 94 Đi dây điện ở tầng giữa
Dây điện đi máng dây
Hình 5 4 Kết quả đi dây điện cho tầng dưới
- Mạch điện được thiết kế trên bảng mạch pcb đúng với sơ đồ đi dây điện được thiết kế được trình bày ở chương 3
- Đi dây điện gọn, không bị vướng
5.2.2 Kết quả giao diện Raspberry Pi xử lý ảnh
Camera được đặt vừa khung nơi vật được đưa vào để có thể nhận diện được đúng và độ chính xác cao khi xử lý
Khi thả vật vào sẽ rớt trong vừa tầm nhìn của camera mà không bị ra khỏi khung hình nhằm tránh xử lý ảnh và nhận diện sai ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 95
Hình 5 5 Nhận diện chai nhựa
Hình 5 6 Nhận diện lon kim loại ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 96
Hình 5 7 Nhận diện ly giấy
Nhận xét: Tốc độ xử lý ảnh và nhận diện dữ liệu đúng với độ chính xác cao Tuy nhiên nhóm chỉ huấn luyện được tập ảnh khoảng 2400 ảnh cho 3 loại rác vì vậy nếu những loại rác chưa được huấn luyện khi đưa vào sẽ bị nhận diện sai
5.2.3 Kết quả giao diện WebServer
Thiết kế thành công được giao diện web giúp người dùng có thể theo dõi được dung tích của thùng rác, cũng như có nút nhấn giúp đổi quà khi đã phân loại rác thành công
Hình 5 8 Theo dõi dung tích rác có trong thùng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 97
Giao diện đổi quà gồm 3 nút nhấn và hiển thị số điểm hiện đang có Khi không đủ điểm nếu nhấn nút sẽ hiển thị thông báo “bạn không đủ điểm”, nếu đủ sẽ hiển thị thông báo “đổi quà thành công”
Có 3 loại quà sẽ tương ứng với từng số điểm, điểm càng nhiều thì quà càng lớn Tăng ý thức, tạo cảm hứng để mọi người phân loại rác
Thông báo hiển thị đủ điểm để đổi quà:
Hình 5 9 Giao diện đổi quà
Hình 5 10 Thông báo đủ điểm để đổi quà ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 98
Thông báo hiển thị không đủ điểm để đổi quà:
Hình 5 11 Thông báo không đủ điểm để đổi quà
Giao diện hiển thị biểu đồ để có thể theo dõi đếm số lượng rác được đưa vào trong thùng rác để phân loại vào trong 1 ngày là bao nhiêu lần, sẽ được thể hiện qua biểu đồ như Hình 5 12 dưới đây Qua đó, ta có thể biết được những giờ cao điểm người dùng sử dụng mô hình, nhằm đưa ra các giải pháp phát triển tối ưu hóa cho mô hình
Hình 5 12 Giao diện đếm số lượng rác trong ngày ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 99
Cuối cùng là địa chỉ của thùng rác, địa chỉ của thùng rác nhằm giúp mọi người có thể biết được vị trí của thùng để có thể đến và sử dụng
Hình 5 13 Giao diện hiển thị vị trí thùng rác
- Vì sử dụng giao thức websocket là giao thức truyền dữ liệu liên tục 2 chiều, nên cảm biến HC-SR05 đọc và gửi dữ liệu lên web theo thời gian cài đặt, ở đây nhóm cài đặt là 10 giây gửi tín hiệu của 3 cảm biến lên trên web 1 lần
- Các nút nhấn gửi tín hiệu về lại ESP32 có tốc độ phản hồi tương đối nhanh
- Dữ liệu khi phân loại được đếm và gửi lên web để vẽ biểu đồ cũng có tốc độ phản hồi nhanh
- Địa chỉ thùng rác được gắn trực tiếp từ URL từ google map, chưa dùng được module A9G để đúng vị trí hiện tại của mô hình lên trên web ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 100
5.2.4 Kết quả giao tiếp GSM và GPS
Module A9G hoạt động tốt, giao tiếp UART với ESP32 có thể nhắn tin đến một số điện thoại được đặt trước Khi cắm điện bắt đầu sử dụng, module sẽ gửi thông báo đến số điện thoại được đặt sẵn để biết được là module đã thực hiện các cài đặt khai báo ban đầu thành công Có thể lấy được kinh độ và vĩ độ thông qua GPS được tích hợp sẵn trong module, từ đó có biết vị trí của mô hình Có thể thông báo vị trí hiện tại của mô hình khi có vật bị kẹt không thể phân loại được nữa Ngoài ra khi thùng rác vượt qua mức giới hạn được cài đặt thì module A9G sẽ gửi tin nhắn thông báo về thùng rác đó đã đầy
Khi bắt đầu hoạt động
Nếu thùng rác nào đầy sẽ thông báo Gửi tin nhắn đến module A9G
Tin nhắn từ module A9G gửi đến về vị trí hiện tại
Hình 5 14 Thao tác với module A9G
Nhận xét: Tin nhắn được gửi đến đúng đến điện thoại được cài đặt sẵn, tuy nhiên thời gian để giao tiếp và gửi tin nhắn thì chậm khoảng gần 5 giây Còn về việc gửi tọa độ và tọa độ đó có chính xác hay không đến điện thoại, nó còn phụ thuộc vào vị trí đặt mô hình, nếu mô hình nằm ở trong nhà, sẽ khó để lấy được tọa độ vì module A9G sẽ cần phải ở ngoài trời để có thể nhận được tín hiệu GPS từ vệ tinh ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 101
Kết quả vận hành hệ thống
- Hệ thống phân loại được 3 loại rác: chai nhựa 500ml, lon, ly giấy, ống dẫn rác vào chính xác với vị trí được phân loại Tuy cơ cấu ép và đâm thoát khí đối với chai nhựa vẫn còn gặp nhiều khó khăn Nhưng đối với lon kim loại thì cơ cấu ép thực hiện khá tốt
- Việc xử lý ảnh và phân loại có tốc độ xử lý nhanh với độ chính xác cao, nhưng tập dữ liệu hình ảnh để huấn luyện training gần 2400 hình ảnh, với các loại chai nước lọc nhựa và lon kim loại người sử dụng phổ biến Nếu đưa các vật chưa được huấn luyện thì có thể sẽ nhận diện sai dẫn đến phân loại sai
- Động cơ chuyển từ xoay sang tính tiến giúp đẩy quà giao tiếp qua WebSever hoạt động tốt đáp ứng nhanh giúp đẩy quà rớt ra ngoài tốt
- Gửi tin nhắn về điện thoại thông qua module A9G hoạt động ổn định chính xác nhưng thời gian đáp ứng còn chậm Ngoài ra khi vật bị kẹt thì sẽ nhắn tin về điện thoại tọa độ của mô hình bị hư đang nằm ở đâu Cũng như thông báo thùng rác nào đã đầy ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – THÙNG PHÂN LOẠI RÁC TỰ ĐỘNG 102
