Thiết kế Đồng hồ Đo lưu lượng nước sử dụng công nghệ ultrasonic và 4g

Dẫn đến nhu cầu về các sản phẩm, hệ thống mạngkhông dây và IoT đáp ứng hoạt động thực tế ngày càng cao, vì vậy đề tài Đồ án “Nghiêncứu và thiết kế đồng hồ đo lưu lượng nước sử dụng công

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

Đà Nẵng, tháng 06 năm 2025

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐẠI HỌC

NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ - MÁY TÍNH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐẠI HỌC

NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ - MÁY TÍNH

Đề tài:

THIẾT KẾ ĐỒNG HỒ ĐO LƯU LƯỢNG NƯỚC SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ ULTRASONIC VÀ 4G

Giảng viên hướng dẫn : ThS VÕ THỊ HƯƠNG

Sinh viên thực hiện: : LÊ HỮU THẢO VY

Mã sinh viên: : 21115054120175

Lớp: : 21DT1

Tp Đà Nẵng, ngày…… tháng… năm 2025

Giáo viên hướng dẫn

(Ký & ghi rõ họ tên)

ThS Võ Thị Hương

Tp Đà Nẵng, ngày… tháng… năm 2025

Giáo viên hướng dẫn

(Ký & ghi rõ họ tên)

Ngày nay, với sự bùng nổ của công nghệ thông tin và điện tử, chúng ta đang bước vàocuộc cách mạng công nghiệp 4.0, các thiết bị thông minh ngày càng ảnh hưởng đến đờisống sinh hoạt hằng ngày của con người Dẫn đến nhu cầu về các sản phẩm, hệ thống mạngkhông dây và IoT đáp ứng hoạt động thực tế ngày càng cao, vì vậy đề tài Đồ án “Nghiêncứu và thiết kế đồng hồ đo lưu lượng nước sử dụng công nghệ Ultrasonic và 4G.” đượchình thành để góp phần để thực hiện “Internet vạn vật” có thể được phổ biến rộng rãi, dễtiếp cận hơn trong tương lai tại Việt Nam

Đề tài này sẽ trình bày kết quả của việc dày công nghiên cứu và phát triển đồng hồ nướcthông minh, áp dụng công nghệ Ultrasonic và 4G Đồng hồ sử dụng sóng siêu âm để đolường một cách chính xác lưu lượng đến từng lít nước tiêu thụ kết hợp với việc gởi truyền

dữ liệu một cách tự động, giúp giảm thời gian và công sức nhân công một cách tối đa so vớiviệc thu thập dữ liệu kiểu cũ Mục tiêu của đồ án này là cố gắng hoàn thện một cách tốtnhất có thể bản mẫu đồng hồ nước thông minh, để tiến tới thương mại hoá trong các lần cậpnhập chỉnh sửa tiếp theo

Ngày nhận đề tài: 14/02/2025 Ngày nộp đề tài: 17/06/2025

1 Tên đề tài

Thiết kế đồng hồ đo lưu lượng nước sử dụng công nghệ Ultrasonic và 4G

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu

- Số liệu thống kê thất thoát nước ở các hộ dân cử năm 2023-2024

- Các kiến thức kỹ thuật: vi điều khiển, hệ thống nhúng, IoT, phát triển Web

3 Nội dung thực hiện đề tài

- Tích hợp các công nghệ vào trong đồng hồ để có thể sử dụng phù hợp tại các hộdân và doanh nghiệp vừa và nhỏ Gồm có các chức năng như sau:

Cảm biến ultrasonic: đo lưu lượng nước thông qua cảm biến

Kết nối mạng không dây 4G: Giúp truyền tải dữ liệu lên Web quản lý

Sạc không dây giúp nạp nguồn năng lương cho pin tiện lợi hơn

- Xây dựng Web Application: Thu thập thông tin, trạng thái của người dùng giúpquản lý chặt chẽ và có thể ứng xem xét thất thoát nước

4 Sản phẩm

- Đồng hồ đo lưu lượng nước trực tiếp

- Ứng dụng Web quản lý lưu lượng từ đồng hồ

Giảng viên hướng dẫn {Chữ ký, họ và giảng viên hướng dẫn}

khiển và xử lí thông tin hiện nay Kỹ thuật vi điều khiển đóng một vai trò quan trọng trongtất cả các lĩnh vực của cuộc sống và khoa học kỹ thuật, đặc biệt là lĩnh vực điều khiển và tựđộng.

Đồ án tốt nghiệp là một đồ án trọng nhất đối với sinh viên khoa Điện- Điện Tử , qua việcthực hiện đồ án sinh viên có thể tổng hợp các kiến thức đã học cũng như đúc kết được nhiềukinh nghiệm thực tế quý giá trong quá trình làm sản phẩm, viết chương trình, đồng thời qua

đó nó giúp tăng khả năng sáng tạo, sự hứng thú, khả năng làm việc nhóm trong học tập vàlàm việc cho sinh viên

Báo cáo đồ án này được viết vào tháng 5 năm 2025 dưới sự giám sát và hướng dẫn củaKhoa Điện- Điện tử , Đại học Sư phạm Kỹ thuật Đà Nẵng, Giảng viên hướng dẫn Võ ThịHương

Nhân cơ hội này, em xin bày tỏ lòng biết ơn và gửi lời cảm ơn sâu sắc tới người hướngdẫn của em, Ông Huỳnh Xuân Hải, giám đốc công ty BKLogy đã tận tình hướng dẫn, độngviên không ngừng trong suốt thời gian em thực hiện đồ án này Em cũng xin bày tỏ lòngbiết ơn sâu sắc tới đội ngũ các anh chị trong Công ty đã tận tình giúp đỡ em trong suốt 5tháng em đi thực tập và thực hiện đồ án tại Công ty

Em cũng xin biết ơn và chân thành cảm ơn sâu sắc đến cô hướng dẫn Võ Thị Hương vàcác thầy cô trong Khoa Điện- Điện Tử, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật, Đại Học ĐàNẵng đã truyền đạt những kiến thức quý báu trong những năm học vừa qua và nhất là tạođiều kiện thuận lợi cho em học tập và thực hiện Đồ án tốt nghiệp này

Với sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình cùng với những kiến thức đã được học, đã nghiêncứu, em đã hoàn thành đồ án được giao Dù đã cố gắng rất nhiều song do kiến thức còn hạnchế, sự khác biệt giữa lí thuyết và thực tế nên đồ án không tránh khỏi những thiếu sót, rấtmong nhận được sự thông cảm, góp ý và tận tình chỉ bảo Em rất mong tiếp tục nhận đượcnhững sự chỉ dẫn, những lời động viên của người hướng dẫn, các anh chị trong Công tycũng như Thầy/Cô để các dự án sau này, công việc tương lai được hoàn thiện hơn

Chân thành cảm ơn!

dưới sự hướng dẫn và định hướng củaThS Võ Thị Hương Em cam kết rằng thông tinđược trích dẫn trong đồ án đều được chỉ rõ nguồn gốc và đã được phép công bố Các kếtquả đạt được được mô tả chính xác và trung thực Trong trường hợp có bất kỳ vi phạmnào, em hoàn toàn chịu trách nhiệm và sẵn sàng chấp nhận mọi hình phạt hoặc kỷ luật từphía khoa và nhà trường.Đã tiếp thu, bổ sung, cập nhật theo góp ý của giảng viên phảnbiện và góp ý hội đồng chấm Đồ Án Tốt Nghiệp ngày 27.6.2025

Sinh viên thực hiện{Chữ ký, họ và tên sinh viên}

Lê Hữu Thảo Vy

LỜI NÓI ĐẦU i

CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH iii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT v

MỞ ĐẦU vi

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC CÔNG NGHỆ 1

1.1 Tổng quan 1

1.1.1 Tổng quan hệ thống IoT 1

1.1.2 Tổng quan hệ thống đồng hồ đo lưu lượng nước thông qua website 2

1.1.3 Tổng quan về hệ thống đồng hồ đo lưu lượng nước thông minh tích hợp 3

công nghệ IoT 3

1.2 Cảm biến Ultrasonic HS0014-000 3

1.2.3 Phát xung bằng LED hồng ngoại (Infrare LED) 7

1.3 Các thành phần quan trọng của khối USS trong vi điều khiển MSP430FR6047 8

1.3.1 Giới thiệu vi điều khiển MSP430FR6047 8

1.3.2 Universal USS Power Supply (UUPS) 9

1.3.3 High-Speed PLL (HSPLL: High speed Phase-lock loop) 10

1.3.4 Sequencer for Acquisition, Programmable Pulse 10

1.3.4 Sigma-Delta High Speed (SDHS) 11

1.3.6 Analog-to-digital converter (ADC) 11

1.4 Tiêu chuẩn đồng hồ nước 13

1.4.1 Tuyền thông không dây 4G với SIM7670 14

a) Truyền thông không dây 14

b) Tổng quan về SIMA7670C 14

1.4.2 Chuẩn giao tiếp nối tiếp UART 17

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 25

2.1 Xác định yêu cầu 25

2.2 Thiết kế phần cứng 25

2.2.1 Sơ đồ khối hệ thống mạch Điện – Điện tử 25

2.2.2 Sơ đồ nguyên lý 25

2.2.3 Lựa chọn linh kiện 27

2.2.3 Sơ đồ mạch in 30

2.2.4 Bản vẽ kích thước hộp 31

2.3 Các sơ đồ trong sản phẩm 33

2.4 Các công cụ và môi trường phát triển phần mềm 36

2.5 Hoàn thiện đồng hồ đo lưu lượng nước 37

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG ỨNG DỤNG WEB QUẢN LÝ 38

3.1 Ứng dụng Web quản lý 38

3.1.1 Giới thiệu về Web 38

3.1.2 Sự khác nhau giữa Website và Web App 38

3.1.3 Ưu điểm và nhược điểm của Web App 38

3.1.4 Cách thức hoạt động của Web 39

3.2 Phát triển Web 40

3.2.1 Front-End 41

3.2.2 Back-End 41

3.3 Lựa chọn giải pháp để tạo nên Web quản lý 41

3.4 Phân tích đặc tả kỹ thuật hệ thống 43

3.5 Thiết kế cơ sở dữ liệu 43

3.6 Chức năng của hệ thống 43

3.8.1 Ứng dụng thực tế của công nghệ Ultrasonic 52

3.8.2 Công nghệ truyền thông 4G 52

3.8.3 Hiệu suất năng lượng thấp 52

3.9 Kết luận chương 52

KẾT LUẬN 54

Hướng phát triển đề tài 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ

Bảng 1.1: Thông số kỹ thuật của đầu dò 4

Bảng 1.2: Đặc điểm thông số dòng chảy của ống 4

Bảng 1.3: Độ chính xác của phép đo 5

Bảng 3 1 So sánh Website và Web App 38

Bảng 3.2: Dòng tiêu thụ và năng lượng tiêu thụ của đồng hồ 46

Hình 1.1 Biểu đồ thống kê thất thoát nước do đồng hồ cơ năm 2020-2024(*) vii

Hình 1.2 Cấu trúc hệ thống IoT 1

Hình 1.3 Cấu trúc hệ thống quản lý đo lưu lượng nước 2

Hình 1.4 Tổng quan hệ thống quản lý đồng hồ 3

Hình 1.5 Cảm biến Ultrasonic HS0014-000 4

Hình 1.6: Cảm biến Ultrasonic 5

Hình 1.7: Cảm biến ultrasonic 6

Hình 1.8: Cách hoạt động của Ultrasonic 6

Hình 1.9: Vi điều khiển MSP430FR6047 8

Hình 1.10: Khối UUPS trong khối USS 10

Hình 1.11: Khối High speed Phase-lock loop 10

Hình 1.12: Khối Sequencer for Acquisition, Programmable Pulse 11

Hình 1.13: Khối Sigma-Delta High Speed 11

Hình 1.14: Sơ đồ khối ADC 12

Hình 1.15 Sơ đồ khối chức năng của modul SIM7670 16

Hình 1.12 Sơ đồ bo mạch SIM7670 16

Hình 1.16: Giao tiếp UART 17

Hình 1.22 Định dạng gói tin phản hồi của HTTP 24

Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 26

Hình 2.3: Sơ đồ chân (pinout) module sim A7670c 29

Hình 2.4: Top PCB 30

Hình 2.5: Bottom PCB 30

Hình 2.6: 3D mặt trước 31

Hình 3.7: 3D mặt sau 31

Hình 2.8: Bản vẽ cơ khí kích thước hộp 32

Hình 2.9 Giao tiếp giữa các thiết bị 33

Hình 2.10 Lưu đồ thiết kế và phát triển 34

Hình 2.11 Lưu đồ thuật toán 35

Hình 3 1 Mô hình Client / Server 39

Hình 3.2 Trang web quản lý 40

Hình 3.3 Đặc điểm của Front-End và Back-End 40

Hình 3.4 Môi trường phát triển ứng dụng 43

Hình 3.5 Giao diện trang chủ 44

Hình 3.6 Biểu đồ đo lưu lượng trức tiếp hiển thị xung 44

Hình 3.7 Giao diện lịch sử hoạt động 45

Hình 3.8: Đo dòng điện thực tế 45

Hình 3.9: Gửi dữ liệu thông qua UART 47

Hình 3.10: Đo nước thực tế 47

Hình 3.11: Nhận dữ liệu từ module sim 50

Hình 3.12: webserver cho việc tiếp nhận dữ liệu 50

Hình 3.13: Quan sát lưu lượng dòng chảy qua biểu đồ 51

Hình 3.14: Sản phẩm thực tế trong quá trình phát triển và hoàn thiện 51

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

USS Ultrasonic Sensor Solution Giải pháp cảm biến siêu âm

HTTP HyperText Transfer Protocol Giao thức mạng kích thước nhỏ,

hoạt động theo cơ chế publish subscribe

-LCD Liquid Crystal Display Màn hình tinh thể lỏng

UART Universal Asynchronous

Receiver-Transmitter Bộ truyền nhận dữ liệu nối tiếp bấtđồng bộA7670C Module Sim 7670C

HSPLL High speed Phase-lock loop Vòng khoá pha tốc độ cao

SAPH Sequencer for Acquisition,

Programmable PulseSDHS Sigma-Delta High Speed

UUPS Universal USS Power Supply

IoT Internet Of Things

PLL Phase locked loop Vòng khoá pha

StandardizationADC Analog Digital Convert Chuyển đổi Analog sang DigitalDTC Data transfer controller

PGA Programmable gain amplifier

LDO Low drop out

MỞ ĐẦU

Trong lĩnh vực công nghiệp và quản lý đô thị hiện đại, việc đo lường và giám sát lưulượng nước đóng vai trò then chốt trong việc tối ưu hóa hoạt động cấp thoát nước, đảmbảo sử dụng tài nguyên hiệu quả và hỗ trợ công tác quản lý thông minh Với sự pháttriển nhanh chóng của công nghệ viễn thông và IoT, các giải pháp đo lưu lượng nướctruyền thống dần được thay thế bằng những hệ thống hiện đại, kết nối từ xa, giúp nângcao độ chính xác, giảm thiểu sai sót và tiết kiệm nguồn lực

Đề tài “Thiết kế mô hình đồng hồ đo lưu lượng nước thông minh sử dụng mạng 4G”

được thực hiện với mục tiêu nghiên cứu và triển khai một giải pháp đo lưu lượng nướctiên tiến, có khả năng thu thập dữ liệu và truyền tải thông tin thông qua mạng 4G Hệthống này hướng tới việc hiện đại hóa công tác quản lý cấp nước, hỗ trợ chuyển đổi sốtheo định hướng của chính phủ, đặc biệt phù hợp với nhu cầu thực tiễn tại các đô thị lớnnhư Đà Nẵng

Nội dung của đề tài bao gồm các công đoạn từ nghiên cứu tổng quan về công nghệcảm biến lưu lượng (ultrasonic, Hall…), module truyền thông 4G, nền tảng IoT, cho đến thiết kế phần cứng, xây dựng phần mềm xử lý và truyền dữ liệu, phát triển giao diện quản

lý và thử nghiệm mô hình thực tế Việc tích hợp các thành phần này tạo nên một hệ thốnghoàn chỉnh, có khả năng hoạt động ổn định, dễ triển khai và nhân rộng trong tương lai

Giới thiệu đề tài

Trong bối cảnh cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 đang diễn ra mạnh mẽ, việc ứngdụng công nghệ vào quản lý hạ tầng đô thị đóng vai trò then chốt trong việc xây dựng cácthành phố thông minh Một trong những lĩnh vực trọng yếu là ngành cấp nước – nơi màquá trình đo lường, giám sát và thu thập dữ liệu tiêu thụ nước vẫn còn mang tính thủcông, gây khó khăn trong việc tổng hợp, xử lý và theo dõi tiêu dùng

Đặc biệt tại các thành phố lớn như Đà Nẵng, với hơn 300.000 hộ dân sử dụng nước,nhu cầu nâng cấp hệ thống đo đếm lên phiên bản thông minh, có khả năng giám sát từ xa

là rất cấp thiết Việc hiện đại hóa hệ thống này không chỉ giúp giảm nhân công, tăng hiệu

suất thu thập dữ liệu, mà còn đáp ứng yêu cầu chuyển đổi số trong ngành nước theo địnhhướng của Chính phủ tại Quyết định 794/QĐ-TTg

Xuất phát từ thực tiễn đó, đề tài “Thiết kế mô hình đồng hồ đo lưu lượng nước thôngminh sử dụng mạng 4G” được thực hiện nhằm nghiên cứu và xây dựng một hệ thống đolường có khả năng thu thập và truyền dữ liệu lưu lượng nước theo thời gian thực thôngqua mạng 4G Hệ thống bao gồm các thành phần như cảm biến đo lưu lượng, vi điềukhiển, module truyền thông và phần mềm hiển thị dữ liệu

giấy tờ là chính, khiến cho việc theo dõi tiến độ xử lý, khối lượng công việc, báo cáothống kê mất nhiều thời gian và gây khó khăn cho nhiều khâu

Ngành điện đã tiên phong, có thể đọc chỉ số điện từ xa, ngành nước cũng đang thúcđẩy chuyển đổi số để đọc chữ số từ xa cùng với xu hướng chuyển đổi số của chính phủ số794/QĐ-TTg

Tại Đà Nẵng, có khoảng 300,000 hộ sử dụng nước, với số lượng đồng hồ nước lớndẫn đến nhu cầu chuyển đổi số cận kề đặt áp lực lên nhu cầu tiêu thụ đồng hồ nước thôngminh

Hình 1.1 Biểu đồ thống kê thất thoát nước do đồng hồ cơ năm 2020-2024(*)

Các cơ quan quản lý và đơn vị cấp nước hiện nay vẫn đang sử dụng rộng rãi đồng

hồ cơ trong việc đo đếm lưu lượng nước tiêu thụ tại hộ gia đình và doanh nghiệp Tuy làmột thiết bị đã được kiểm chứng qua thời gian, đồng hồ cơ tồn tại nhiều hạn chế, đặc biệttrong bối cảnh đô thị hóa và nhu cầu quản lý thông minh ngày càng tăng cao Việc đọc sốthủ công, không có khả năng truyền dữ liệu từ xa và không phát hiện được rò rỉ kịp thời

đã khiến đồng hồ cơ dần trở nên lạc hậu Trước tình hình đó, nhiều tổ chức và doanhnghiệp nước đang tích cực nghiên cứu giải pháp thay thế bằng công nghệ hiện đại hơnnhư cảm biến lưu lượng thông minh và kết nối dữ liệu qua Internet of Things (IoT) Điềunày không chỉ giúp giảm thiểu thất thoát nước, mà còn tăng cường hiệu quả giám sát vàquản lý hệ thống cấp nước theo thời gian thực, phù hợp với xu hướng chuyển đổi số quốcgia

Mục đích thực hiện đề tài

Trong bối cảnh nền công nghiệp 4.0 đang lan tỏa mạnh mẽ trên toàn thế giới, việcứng dụng các công nghệ hiện đại vào công tác quản lý hạ tầng đô thị là một xu thế tất yếu.Ngành cấp nước hiện nay tại Việt Nam vẫn còn tồn tại nhiều bất cập, trong đó nổi bật là

việc đo lường và ghi nhận chỉ số tiêu thụ nước vẫn được thực hiện thủ công tại nhiều khuvực Phương pháp này không chỉ gây tốn kém thời gian, nhân lực mà còn dễ xảy ra saisót, đặc biệt khó khăn trong việc tổng hợp và giám sát dữ liệu theo thời gian thực.

Trước thực trạng đó, đề tài được thực hiện với mục đích xây dựng một hệ thốngđồng hồ đo lưu lượng nước thông minh, có khả năng tự động thu thập dữ liệu đo lường vàtruyền tải thông tin qua mạng 4G Hệ thống giúp giảm thiểu sự can thiệp của con người,nâng cao độ chính xác và hiệu quả quản lý, đồng thời hướng tới mục tiêu phát triển đô thịthông minh và hỗ trợ quá trình chuyển đổi số trong ngành cấp nước

Mục tiêu đề tài

Đề tài hướng tới việc nghiên cứu, thiết kế và triển khai một mô hình đồng hồ đo lưulượng nước thông minh hoạt động ổn định, có khả năng đo lường chính xác và truyền dữliệu đo được đến hệ thống giám sát từ xa thông qua kết nối mạng 4G Việc xây dựng môhình không chỉ dừng lại ở lý thuyết mà còn bao gồm thử nghiệm thực tế, giúp đánh giákhả năng ứng dụng và nhân rộng hệ thống trong điều kiện vận hành thực tế

Cụ thể, đề tài đặt ra các mục tiêu sau:

 Thiết kế phần cứng của hệ thống: Lựa chọn và tích hợp các linh kiện cần thiết đểxây dựng một hệ thống đo lưu lượng nước thông minh, bao gồm cảm biến lưulượng nước phù hợp (có thể là cảm biến dạng Hall hoặc cảm biến siêu âm), vi điềukhiển trung tâm (chẳng hạn như ESP32, STM32 ), module truyền thông mạng diđộng 4G (ví dụ: SIM7670C, SIM7600) và các linh kiện phụ trợ như nguồn, ổn áp,mạch bảo vệ Toàn bộ phần cứng phải đảm bảo hoạt động ổn định, chính xác vàtiết kiệm năng lượng để có thể triển khai trong thực tế

 Xây dựng chương trình điều khiển: Viết phần mềm nhúng cho vi điều khiển đểthực hiện các chức năng đọc dữ liệu từ cảm biến, xử lý tín hiệu đo (như tính toánlưu lượng, tổng lượng nước sử dụng), đóng gói dữ liệu theo định dạng phù hợp vàtruyền dữ liệu đến hệ thống quản lý từ xa thông qua mạng 4G Phần mềm cũngcần xử lý các tình huống mất kết nối, dữ liệu lỗi, đảm bảo tính liên tục và độ tincậy của quá trình truyền thông

 Xây dựng phần mềm giao diện giám sát: Thiết kế một giao diện phần mềm đơngiản (có thể dưới dạng ứng dụng web hoặc phần mềm máy tính) để hiển thị dữ liệuthu thập từ đồng hồ nước Giao diện này cho phép người quản lý dễ dàng theo dõitình trạng tiêu thụ nước, lưu lượng thời gian thực, lịch sử sử dụng, và có thể mởrộng thêm các tính năng cảnh báo rò rỉ hoặc bất thường khi cần thiết

Triển khai và thử nghiệm hệ thống: Tiến hành lắp ráp, chạy thử mô hình trong

trong các khu dân cư, tòa nhà chung cư, hoặc các cơ quan, doanh nghiệp Nhữngphân tích này sẽ cung cấp góc nhìn thực tiễn và định hướng phát triển lâu dài của

hệ thống

Với những mục tiêu rõ ràng và định hướng ứng dụng thực tế, đề tài không chỉ manglại giá trị nghiên cứu về mặt học thuật mà còn góp phần vào quá trình chuyển đổi số trongngành cấp nước, giúp cải thiện chất lượng dịch vụ công và hướng tới xây dựng đô thịthông minh trong tương lai

Phạm vi nghiên cứu

Đề tài “Thiết kế hệ thống đồng hồ đo lưu lượng nước sử dụng công nghệ Ultrasonic4G” được thực hiện trong một khuôn khổ nghiên cứu mang tính ứng dụng, với phạm viđược xác định rõ ràng nhằm đảm bảo tính khả thi và phù hợp với điều kiện thực hiện củasinh viên, cơ sở vật chất, cũng như thời gian giới hạn Cụ thể, phạm vi nghiên cứu của đềtài được xác định như sau:

Về mặt kỹ thuật, đề tài tập trung vào việc thiết kế và chế tạo một mô hình thử nghiệmquy mô nhỏ Hệ thống bao gồm các thành phần chính như cảm biến lưu lượng nước, viđiều khiển và module truyền thông 4G Đối tượng đo là nước sạch, lưu thông qua mộtđoạn ống mẫu, mô phỏng dòng chảy thực tế Các thông số thu thập được sẽ được xử lýthông qua vi điều khiển và truyền đến máy chủ hoặc giao diện người dùng từ xa thôngqua kết nối mạng 4G Việc thiết kế tập trung vào nguyên lý hoạt động cơ bản, độ ổn địnhcủa tín hiệu và độ chính xác trong quá trình truyền nhận dữ liệu

Về không gian và quy mô triển khai, hệ thống được xây dựng và kiểm tra trong môitrường phòng thí nghiệm hoặc trên một mô hình nhỏ mang tính mô phỏng, không triểnkhai trong hệ thống cấp nước thực tế của hộ dân hoặc doanh nghiệp Điều này nhằm đảmbảo an toàn kỹ thuật và phù hợp với điều kiện triển khai của sinh viên Việc truyền dữliệu được thực hiện trên mạng di động thật, tuy nhiên chỉ áp dụng cho một thiết bị đơn lẻ,chưa có tính năng quản lý đồng thời nhiều thiết bị trong hệ thống

Về mặt chức năng, đề tài tập trung vào việc đo và truyền dữ liệu lưu lượng nước theothời gian thực Hệ thống chưa triển khai các chức năng nâng cao như cảnh báo rò rỉ, tựđộng đóng/mở van, phân tích hành vi sử dụng nước hoặc tích hợp với cơ sở dữ liệu quản

lý người dùng Ngoài ra, các vấn đề liên quan đến bảo mật và mã hóa dữ liệu trong quátrình truyền thông cũng chưa được đào sâu, nhằm tập trung nguồn lực vào phần cốt lõi là

đo lường và truyền nhận

Về mặt công nghệ, đề tài sử dụng kết nối 4G như một giải pháp truyền thông chính,chưa triển khai các công nghệ mạng khác như NB-IoT, LoRa hoặc Wi-Fi Giao diệnngười dùng được thiết kế đơn giản, chủ yếu hiển thị dữ liệu theo thời gian thực trên trìnhduyệt web hoặc phần mềm giám sát đơn giản, chưa tích hợp với nền tảng điện toán đámmây hoặc hệ thống quản lý thông minh

Tóm lại, đề tài được giới hạn trong phạm vi nghiên cứu, thiết kế và thử nghiệm một

hệ thống đồng hồ đo lưu lượng nước thông minh ở quy mô nhỏ, tập trung vào khả năng

đo đạc, xử lý và truyền dữ liệu từ xa thông qua mạng 4G, nhằm đánh giá tính khả thi vàtiềm năng ứng dụng thực tế trong quá trình chuyển đổi số ngành cấp nước hiện nay

Lý do chọn đề tài

Trong bối cảnh toàn cầu đang bước vào cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ tư (4.0),việc ứng dụng công nghệ vào các lĩnh vực truyền thống như cấp thoát nước là một yêucầu cấp thiết để nâng cao hiệu quả quản lý, tối ưu hóa nguồn lực và đáp ứng nhu cầu ngàycàng cao của xã hội hiện đại Hiện nay, trong khi ngành điện lực đã áp dụng thành côngcác giải pháp đo đếm và quản lý tiêu thụ điện từ xa bằng công tơ thông minh, thì ngànhcấp nước ở nhiều địa phương tại Việt Nam vẫn còn đang sử dụng hình thức ghi chỉ số thủcông Cách làm này không chỉ tốn nhiều thời gian, nhân công mà còn dễ dẫn đến sai sót,thiếu minh bạch và khó kiểm soát dữ liệu theo thời gian thực

Thực tế tại thành phố Đà Nẵng – một đô thị lớn với hơn 300.000 hộ dân sử dụngnước – cho thấy nhu cầu cấp thiết trong việc hiện đại hóa hệ thống đo lường tiêu thụnước Việc sử dụng đồng hồ đo lưu lượng nước thông minh kết hợp với công nghệ truyềnthông không dây, đặc biệt là mạng 4G, sẽ giúp ngành cấp nước nâng cao chất lượng dịch

vụ, giảm thiểu chi phí vận hành, đồng thời hỗ trợ người dân dễ dàng giám sát việc sửdụng nước của mình một cách trực quan và chính xác

Bên cạnh đó, đề tài còn thể hiện xu hướng hội nhập của ngành kỹ thuật và công nghệ,nơi mà cảm biến, vi điều khiển và mạng không dây (IoT) đang trở thành nền tảng cho các

hệ thống thông minh Việc lựa chọn đề tài “Thiết kế hệ thống đồng hồ đo lưu lượng nước

sử dụng công nghệ 4G” là cơ hội để người thực hiện vận dụng kiến thức chuyên ngànhnhư điện tử, lập trình nhúng, xử lý tín hiệu và truyền thông không dây vào một bài toánthực tế Đồng thời, đây cũng là dịp để tiếp cận các công nghệ hiện đại, nâng cao kỹ năngnghiên cứu, thiết kế và giải quyết vấn đề

Hơn nữa, đề tài mang tính ứng dụng cao, khả năng triển khai trong thực tiễn lớn, phù hợpvới định hướng chuyển đổi số mà Chính phủ Việt Nam đang đẩy mạnh (theo Quyết định794/QĐ-TTg về xây dựng chính phủ số trong lĩnh vực tài nguyên nước) Đề tài khôngchỉ có ý nghĩa về mặt kỹ thuật mà còn đóng góp vào tiến trình hiện đại hóa hạ tầng vànâng cao chất lượng sống cho người dân

Chính vì những lý do nêu trên, đề tài được lựa chọn nhằm giải quyết một nhu cầuthực tiễn rõ ràng, phù hợp với xu hướng phát triển công nghệ hiện nay và có ý nghĩa thiếtthực trong việc phục vụ cộng đồng

Phương pháp nghiên cứu tài liệu (lý thuyết):

Đây là phương pháp đầu tiên và quan trọng được sử dụng trong giai đoạn khởi đầu.Nhóm đã tiến hành thu thập, tìm hiểu các tài liệu khoa học, giáo trình, sách kỹ thuật, bàibáo chuyên ngành cũng như các tài liệu tham khảo trực tuyến liên quan đến cảm biến lưulượng nước, vi điều khiển, công nghệ truyền thông không dây (đặc biệt là mạng 4G), vàcác hệ thống đo lường thông minh hiện có Qua đó, nhóm xây dựng được nền tảng kiếnthức vững chắc để lựa chọn linh kiện, thiết kế sơ đồ phần cứng và lập trình phần mềmđiều khiển phù hợp

Phương pháp phân tích – tổng hợp:

Sau khi thu thập thông tin, nhóm tiến hành phân tích ưu nhược điểm của từng giảipháp kỹ thuật, so sánh các loại cảm biến và module truyền thông để lựa chọn cấu hìnhphù hợp nhất với mục tiêu và phạm vi của đề tài Kết quả của phương pháp này giúp đềtài tối ưu hóa chi phí, tính toán hiệu quả và khả năng mở rộng của hệ thống

Phương pháp thiết kế kỹ thuật:

Đây là phương pháp chủ đạo trong quá trình phát triển mô hình Nhóm tiến hànhthiết kế phần cứng, bao gồm việc chọn lựa linh kiện, xây dựng sơ đồ nguyên lý, vẽ mạchnguyên lý và mạch in (PCB), sau đó lắp ráp thành phần cứng hoàn chỉnh Song song đó,nhóm xây dựng phần mềm điều khiển nhúng chạy trên vi điều khiển, xử lý dữ liệu từ cảmbiến và truyền dữ liệu qua module 4G

Phương pháp thực nghiệm:

Sau khi hoàn tất phần thiết kế, nhóm tiến hành kiểm tra và thử nghiệm thực tế môhình Dữ liệu từ cảm biến được kiểm tra độ chính xác thông qua các phép đo đối chiếu.Khả năng truyền dữ liệu qua mạng 4G cũng được kiểm tra trong nhiều điều kiện khácnhau để đánh giá độ ổn định, tốc độ phản hồi và độ tin cậy

Phương pháp mô phỏng và xử lý tín hiệu:

Trong một số bước kiểm tra ban đầu, nhóm sử dụng các phần mềm mô phỏng mạchđiện và truyền thông (như Proteus, Tinkercad hoặc Serial Monitor) để đánh giá hoạtđộng của từng khối chức năng trước khi triển khai thực tế Điều này giúp giảm thiểu rủi

ro khi lắp ráp phần cứng và hỗ trợ xử lý lỗi hiệu quả

Phương pháp đánh giá và hoàn thiện:

Dựa trên kết quả thu được từ thực nghiệm, nhóm tiến hành đánh giá hiệu suất hệthống thông qua các tiêu chí như độ chính xác, độ trễ, tính ổn định và khả năng truyền dữliệu liên tục Những điểm chưa tối ưu sẽ được chỉnh sửa, nâng cấp hoặc thay thế để môhình hoạt động một cách hiệu quả và đáng tin cậy hơn

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC CÔNG NGHỆ 1.1 Tổng quan

1.1.1 Tổng quan hệ thống IoT

Internet of Things (IoT) được định nghĩa như một mạng lưới liên kết tất cả các vậtthể và người dùng vào Internet Nó xuất phát từ ý tưởng rằng mọi đối tượng, bất kể làvật thể hợp đồng hay con người, có thể được gắn với một định danh duy nhất thông quacác thiết bị công nghệ Mục tiêu của nó là tạo ra một mạng lưới kết nối để trao đổi thôngtin và dữ liệu

Hệ thống IoT phát triển và hoàn thiện nhờ vào sự hội tụ của nhiều công nghệ khácnhau, bao gồm công nghệ truyền thông không dây, công nghệ vi điều khiển và Internet

Nó không chỉ đơn thuần là việc kết nối các thiết bị, mà còn bao gồm việc thu thập vàchia sẻ thông tin Những dữ liệu chi tiết này có thể được tận dụng để cải thiện các hoạtđộng kinh doanh và giảm thiểu chi phí, bằng cách tối ưu hóa nguồn lực, quy trình sảnxuất và mở rộng ra các lĩnh vực mới mà trước đây không thể thực hiện được mà không

có dữ liệu thời gian thực đáng tin cậy

Hình 1.2 Cấu trúc hệ thống IoT

Công nghệ chủ chốt của hầu hết các giải pháp IoT bao gồm:

 Các thiết bị (things): các thiết bị có thể kết nối thông qua Wi-Fi, mạng viễn th

ông

băng thông rộng (3G, 4G-LTE), Bluetooth, LoRa, Zigbee, …

 Network and Cloud: truyền tải dữ liệu, xử lý và lưu trữ đám mây tạo ra môi tr

ường trung tâm mở để xử lý và lưu trữ dữ liệu Yếu tố địa lý của tình huống, tốc

 Application Layer: đây là hệ thống phần mềm cao cấp, nó có vai trò quan

trọng để tiếp nhận, cung cấp thông tin trực tiếp tới người dùng

Tác động của IoT rất đa dạng, trên các lĩnh vực: quản lý hạ tầng, y tế, xây dựng và

tự động hóa, giao thông… Cụ thể trong lĩnh vực y tế, thiết bị IoT có thể được sử dụng

để cho phép theo dõi sức khỏe từ xa và hệ thống thông báo khẩn cấp Các thiết bị theodõi sức khỏe có thể dao động từ huyết áp và nhịp tim với các thiết bị tiên tiến có khả

năng giám sát cấy ghép đặc biệt, chẳng hạn như máy điều hòa nhịp hoặc trợ thính tiêntiến.

1.1.2 Tổng quan hệ thống đồng hồ đo lưu lượng nước thông qua website

Hệ thống sẽ bao gồm hai thành phần chính: Đồng hồ đo lưu lượng nước và phầnmềm ứng dụng quản lý lưu lượng nước

Với hệ thống này, người dân có thể dễ dàng tự giám sát lượng nước mà gia đìnhmình sử dụng thông qua giao diện web hoặc ứng dụng di động Việc theo dõi lưu lượngtiêu thụ theo thời gian thực không chỉ giúp người dùng nâng cao ý thức tiết kiệm nước,

mà còn kịp thời phát hiện các dấu hiệu bất thường như rò rỉ hoặc thất thoát nước khikhông sử dụng Điều này góp phần tối ưu hóa chi phí sinh hoạt, đồng thời hỗ trợ các đơn

vị cấp nước giảm thiểu tổn thất và nâng cao hiệu quả trong công tác quản lý nguồn tàinguyên quý giá này

Hình 1.3 Cấu trúc hệ thống quản lý đo lưu lượng nước

1.1.3 Tổng quan về hệ thống đồng hồ đo lưu lượng nước thông minh tích hợp công nghệ IoT

Hệ thống đồng hồ đo lưu lượng nước thông minh tích hợp công nghệ IoT, giúpgiám sát lượng nước tiêu thụ theo thời gian thực, giảm thiểu thất thoát và nâng cao hiệuquả quản lý Hệ thống cho phép thu thập dữ liệu từ xa thông qua kết nối 4G và hiển thịthông tin sử dụng nước trên nền tảng web, từ đó hỗ trợ người dân và đơn vị cấp nước theodõi, cảnh báo và quản lý một cách chính xác, minh bạch và kịp thời Đây cũng là bướctiến góp phần thúc đẩy quá trình chuyển đổi số trong ngành nước tại Việt Nam

1.2 Cảm biến Ultrasonic HS0014-000

1.2.1 Giới thiệu về ultrasonic

có sẵn của AMS, Maxim Integrated và Texas Instruments Các đầu dò tích hợp có độ nhạycao, hiệu suất ổn định, độ tin cậy cao và tiêu thụ điện năng thấp.

 Tính năng:

- Hiện tượng mất áp suất thấp (Low pressure loss)

- Có độ chính xác cao (High accuracy)

- Tương thích với các mạch đo lưu lượng

 Thông số kỹ thuật:

- Đặc điểm đầu dò:

Bảng 1.1: Thông số kỹ thuật của đầu dò

1 Tần số cộng hưởng (Fs) 975 ± 30 KHz

2 Trở kháng cộng hưởng (R) ≤ 110 Ω

3 Điện dung tĩnh (C0) 1150± 20% pF

20ms ở 1MHz

2 Điện áp đầu vào tối đa 5 Vpp Tại 1 MHz

3 Áp suất tối đa cho phép 1,6 MPa

5 Nhiệt độ hoạt động 0,1 đến +50 oC

6 Nhiệt độ bảo quản -25 đến~+55 oC

7 Hao phí áp suất ≤40 KPa Q=2,5m3/h, T<30 oC

Tiêu chuẩn đo lường cho Class 2 của đồng hố nước

Hình 1.6: Cảm biến Ultrasonic

Hình 1.7: Cảm biến ultrasonic

Cảm biến lưu lượng bao gồm ống với đường kính D, hai đầu dò đặt cách nhau mộtkhoảng cách L Đầu dò được gắn trong một lớp bảo vệ Đầu dò được đặt trong 2 hố trong

1.2.2 Cách hoạt động của ultrasonic

Hình 1.8: Cách hoạt động của Ultrasonic

Theo hình 2.2, kích thích một trong hai đầu dò bằng cách đặt một xung vào đầu dò Tần

số của xung kích thích nên bằng với tần số cộng hưởng của đầu dò Trong các ứng dụng đolưu lượng nước, đầu dò với tần số cộng hưởng 1-3Mhz được sử dụng

Trong xung đầu tiên được tạo ra, Start signal được tạo ra để đánh dấu bắt đầu củaTime-of-flight Bên đầu nhận tạo ra xung Stop để đánh dấu thời gian mỗi xung siêu âmnhận được

Thời gian để sóng di chuyển từ đầu dò nay sang đầu kia được gọi là Time-of-flight(TOF)

Sau khi nhận được tín hiệu, đầu dò nhận tín hiệu (B) chuyển 1 xung siêu âm ngược lạicho đầu dò (A) Sự khác nhau giữa TOF_AB và TOF_BA tỉ lệ với vận tốc của dòng chảytrong ống.Sau khi nhận được tín hiệu, đầu dò nhận tín hiệu (B) chuyển 1 xung siêu âmngược lại cho đầu dò (A) Sự khác nhau giữa TOF AB và TOF BA tỉ lệ với vận tốc của dòng chảy trong ống.

l = D/2 đường kính bên trong đường ống

C = tốc độ âm thanh trong môi trườngV= Vận tốc trung bình của môi trường trong đường ống

Ta có

- A là diện tích mặt cắt ngang của ống

1.2.3 Phát xung bằng LED hồng ngoại (Infrare LED)

Ngoài việc đọc chỉ số thể tích, lưu lượng dòng chảy qua LCD thì người đọc chỉ số đồng

hồ còn có thể đọc các chỉ số một cách tự động bằng cách nhận xung phát dữ liệu từ mộtđèn LED phát hồng ngoại phát ra Đây là một lựa chọn khác cho việc đọc chỉ số tự độngtrực tiếp tại vị trí đặt đồng hồ, từ đó cho ra kết quả để có thể so sánh, phân tích và đánh giávới việc gửi dữ liệu tự động thông qua truyền thông 4G

1.3 Các thành phần quan trọng của khối USS trong vi điều khiển MSP430FR6047

1.3.1 Giới thiệu vi điều khiển MSP430FR6047

Hình 1.9: Vi điều khiển MSP430FR6047

Vi điều khiển MSP430FR6047 là dòng chip thuộc họ MSP430 của Texas instruments,MSP430 được thiết kế cho chi phí thấp nhất và đặc biệt là tiêu thụ điện năng thấp đượcứng dụng trong nhúng Vi điều khiển MSP430FR6047 được thiết kế chuyên dụng cho ứngdụng đo nước bằng công nghệ cảm biến Ultrasonic được Texas instruments phát triển vàsản xuất Vi điều khiển MSP430FR6047 được tối ưu và đơn giản nhất cho việc đọc cảm

biến Ultrasonic bao gồm các khối chuyên biệt như khối HSPLL: High speed Phase-lock loop, SAPH: Sequencer for Acquisition, Programmable Pulse, SDHS: Sigma-Delta High Speed Ngoài ra vi điều khiển MSP430FR6047 cũng là dòng chip sử dụng năng lượng

thấp đảm bảo các chế độ chờ, nghỉ và hoạt động để tiết kiệm năng lượng nhất đáp ứngđược thời gian sử dụng pin của đồng hồ

 Các tính năng chính của vi điều khiển MSP430FR6047:

- Đo lưu lượng nước siêu âm với mức tiêu thụ điện năng cực thấp tốt nhất: Độ chínhxác vi sai của time-of-flight (dTOF) là nhỏ hơn 25 ps (pico second), khả năng pháthiện tốc độ dòng chảy thấp nhỏ hơn 1 lit/giờ, tiêu thụ tổng thể khoảng 3 µA (microAmpe) với một phép đo mỗi giây

- Tuân thủ và vượt qua tiêu chuẩn chính xác của ISO 4064

- Có khả năng giao tiếp trực tiếp với cảm biến Ultrasonic tiêu chuẩn lên đến 2,5Mhz

- Tích hợp sẵn giải pháp cảm biến Ultrasonic (Ultrasonic sensing solution)

- Khả năng kiểm tra chư đo lường như tạo xung, đếm xung và hoạt động trong chế độLPM3.5 (low-power mode 3.5) 200nA (nano Ampe)

- Là vi điều khiển nhúng với kiến trúc RISC bit có xung đồng hồ lên đến MHz, phạm vi điện áp hoạt động rộng lên từ 1,8V-3,6V

16 Tối ưu hóa các chế độ cực thấp như chế độ hoạt động (active mode) khoảng 120µA/Mhz, chế độ chờ (standbt mode) với RTC (reat-time-mode) 450 nA (LPM3.5)

và chế độ tắt (Shutdown) là 30 nA (LPM3.5)

- Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên Ferroelectric (FRAM)

- Bộ nhớ không biến đổi lên tới 256KB

- Ghi với mức năng lượng cực thấp

- Ghi nhanh ở mức 125 ns mỗi từ (64KB trong 4 ms)

- Bộ nhớ hợp nhất = Chương trình + Dữ liệu + Lưu trữ trong một không gian(Unified memory = program + data + storage in one space)

- 1015 ghi chu kỳ chịu đựng

- Chống bức xạ và không từ xa

- Số nhân phần cứng 32 bit (Mpy)

- 6 kênh DMA nội

- RTC với chức năng lịch và báo thức

- 6 bộ hẹn giờ 16-bit với tối đa bảy lần chụp trên mỗi thanh ghi so sánh

- Kiểm tra CRC (cyclic redundancy check) 32 bit và 16 bit

- 16 kênh so sánh tương tự (analog comparator)

- Bộ so sánh SAR ADC (Successive Approximation Register Analog-to-DigitalConverters) 12 bit có tính năng cửa sổ so sánh, tham chiếu nội và giữ mẫu và giữmẫu, lên đến 16 kênh đầu vào bên ngoài

- Tích hợp trình điều khiển LCD với điều khiển tương phản cho lên đến 264segments

- Các cổng input/outout đa chức năng có thể lựa chọn chế độ low-power mode trêntất cả các cổng, lập trình xung lên và xuống cho tất cả các cổng

- Tích hợp lên đến bốn cổng giao tiếp nối tiếp EUSCI_A bao gồm UART với pháthiện tốc độ baud tự động và IRDA mã hóa và giải mã

- Tích hợp lên đến hai cổng giao tiếp nối tiếp EUSCI_B, I2C với nhiều địa chỉ slave

- Hệ thống xung đồng hồ linh hoạt

1.3.2 Universal USS Power Supply (UUPS)

Trình tự nguồn (PSQ: Power Sequencer): PSQ block: Điều khiển các chuỗi tăng vàgiảm nguồn liên tục của module USS

Trình tạo tham chiếu (BIAS_REF): BIAS_REF block: Tạo điện áp và dòng điện thamchiếu cần thiết cho SDHS, HSPLL và USS LDO (Low Drop Out)

USS_LDO block: Tạo ra quy định 1,6 V, được sử dụng bởi các phần bổ trợ USS

chính xác rất cao giữa các phép đo upstream và downstream HSPLL bao gồm hai khối,OSC và PLL Xung nhịp đầu ra của PLL nằm trong khoảng từ 68 MHz đến 80 MHz Hình dưới cho thấy sơ đồ khối HSPLL.

Hình 1.11: Khối High speed Phase-lock loop

- OSC (oscillator) block: Tạo ra xung 4 MHz hoặc 8 MHz từ USSXT (crystal orceramic resonator)

- PLL (phase-locked loop): Tạo xung trong phạm vi 68 MHz to 80 MHz từ đầu racủa OSC

1.3.4 Sequencer for Acquisition, Programmable Pulse

Máy phát sóng và giao diện vật lý (SAPH, SAPH_A) Là một trong những phương thứcphụ trong module giải pháp cảm biến siêu âm (USS hoặc USS_A)

Module SAPH có tính năng phát sóng PPG và module SAPH_A có tính năng phátsóng PPG_A SAPH_A là một tập hợp của SAPH; Bao gồm ba khối:

• Acquisition Sequencer (ASQ)

• Programmable Pulse Generator (PPG or PPG_A)

• Physical Interface (PHY)

Hình 1.12: Khối Sequencer for Acquisition, Programmable Pulse

1.3.4 Sigma-Delta High Speed (SDHS)

Module SDHS bao gồm ba khối: bộ khuếch đại tăng lập trình (PGA), the sigma-delta tốc độ cao (SDHS), và bộ điều khiển truyền dữ liệu (DTC) (see Figure 22-1)

Hình 1.13: Khối Sigma-Delta High Speed

• PGA block: Khuếch đại độ lợi của tín hiệu đầu vào trước SDHS

• SDHS block: ADC converts chuyển đổi tín hiệu đầu vào thành dữ liệu kỹ thuật số vớitốc độ lấy mẫu được lập trình

• DTC block: Chuyển dữ liệu đầu ra từ SDHS đến LEA RAM để xử lý dữ liệu

Hình 1.14: Sơ đồ khối ADC

Các tính năng ADC12_B bao gồm:

- Tốc độ chuyển đổi tối đa 200-KSPS ở độ phân giải tối đa 12 bit

- Bộ chuyển đổi 12 bit đơn không có mã bị thiếu

- Mẫu và giữ với các giai đoạn lấy mẫu có thể lập trình được điều khiển bởi phầnmềm hoặc bộ hẹn giờ

- Bắt đầu chuyển đổi theo phần mềm hoặc bộ hẹn giờ

- Tạo điện áp tham chiếu trên chip có thể lựa chọn phần mềm (1.2 V, 2.0 V hoặc 2,5V) với tùy chọn để thực hiện có sẵn bên ngoài

- Tham chiếu bên trong hoặc bên ngoài có thể lựa chọn phần mềm

- Tối đa 32 kênh đầu vào bên ngoài có thể cấu hình riêng lẻ với đầu vào đơn hoặcchênh lệch lựa chọn có sẵn

- Các kênh chuyển đổi nội bộ cho cảm biến nhiệt độ bên trong và 1/2 × AVCC vàbốn kênh nội bộ khác có sẵn trên các thiết bị được chọn

- Nguồn tham chiếu có thể chọn kênh độc lập cho cả tham chiếu tích cực và tiêu cực

- Xung clock có thể lựa chọn chuyển đổi

- Chế độ chuyển đổi kênh đơn, kênh đơn lặp lại, trình tự (quét tự động) và trình tự lặplại (quét tự động lặp lại)

- Thanh ghi vectơ ngắt để giải mã nhanh 38 ngắt ADC

- 32 thanh ghi lưu trữ kết quả chuyển đổi

- Cửa sổ so sánh để giám sát công suất thấp của tín hiệu đầu vào của thanh ghi kếtquả chuyển đổi

1.4 Tiêu chuẩn đồng hồ nước

Các tiêu chuẩn của đồng hồ nước nằm trong các tài liệu ISO 4064 Trong đo lường,chúng ta chủ yếu quan tâm đến tốc độ dòng chảy, Q, trong đó V là thể tích, và t là thời giancần thiết để thể tích này đi qua đồng hồ

Tốc độ dòng cố định, Q3, là tốc độ dòng cao nhất trong các điều kiện hoạt động mà tại

đó đồng hồ phải hoạt động trong phạm vi sai số cho phép lớn nhất Tốc độ dòng chảy đượcbiểu thị bằng mét khối trên giờ

Tốc độ dòng quá tải Q4, là tốc độ dòng chảy cao nhất mà tại đó đồng hồ sẽ hoạt độngtrong một khoảng thời gian ngắn, nằm trong sai số cho phép tối đa trong khi vẫn duy trìhiệu suất đo lường của nó khi nó hoạt động sau đó trong điều kiện hoạt động định mức, đó

là Q3

Tốc độ dòng chuyển tiếp, Q2, là tốc độ dòng chia phạm vi tốc độ dòng thành hai vùng,vùng tốc độ dòng trên và vùng tốc độ dòng dưới, mỗi vùng được đặc trưng bởi sai số tối đacho phép của riêng nó

Tốc độ dòng chảy tối thiểu, Q1, là tốc độ dòng chảy thấp nhất mà tại đó đồng hồ phảihoạt động trong phạm vi sai số cho phép lớn nhất

Tốc độ dòng chảy của đồng hồ nước - đặc tính tốc độ dòng chảy của đồng hồ nướcđược xác định bởi các giá trị từ Q1 đến Q4 Và đồng hồ nước thường được đặc trưng bởigiá trị số của Q3 tính bằng mét khối trên giờ và tỷ lệ giữa Q3 trên Q1 Điều này thể hiệnlưu lượng cao nhất và tốc độ dòng chảy nhỏ nhất của thiết bị đồng hồ nước

Hai cấp độ chính xác cho đồng hồ nước đã được xác định trong ISO 4064 Class 1 làcấp chính xác hơn Đồng hồ đo nước phải được thiết kế và sản xuất sao cho sai số chỉ thịcủa nó không vượt quá sai số tối đa cho phép, MPE, như được định nghĩa trong Class 1 vàClass 2. [7]

Đối với Class 1, chúng ta phải nhìn vào vùng tốc độ dòng chảy trên, là Q2 đến Q4, là1% Và áp dụng cho nhiệt độ từ 0,1 độ C đến 30 độ C Và nó tăng lên đến ± 2% cho nhiệt

độ lớn hơn 30 độ C Sai số tối đa cho phép đối với vùng tốc độ dòng chảy thấp hơn là ±3%, bất kể phạm vi nhiệt độ. [7]

1.4.1 Tuyền thông không dây 4G với SIM7670

a) Truyền thông không dây

Truyền thông không dây là lĩnh vực công nghệ phát triển nhanh nhất trong lĩnhvực truyền thông hiện nay Giao tiếp không dây là một phương thức truyền thông từđiểm này sang điểm khác, mà không cần sử dụng bất kì kết nối nào như dây điện, cáphoặc bất kì loại phương tiện vật lý nào Trong một hệ thống truyền thông, thông tinđược truyền từ người gửi đến người nhận hoặc từ máy phát đến máy thu được đặttrong khoảng cách giới hạn Với sự giúp đỡ của truyền thông không dây, máy phát và máy thu có thể đặt ở bất cứ nơi nào từ vài mét đến vài nghìn kilomet Một số truyềnthông không dây được sử dụng hiện nay của chúng ta là: Điện thoại di động, định vịGPS, điều khiển từ xa, âm thanh Bluetooth và Wifi, …

b) Tổng quan về SIMA7670C

SIMA7670C 4G HAT là module 4G/3G/2G và định vị vệ tinh toàn cầu, hỗ trợLTE CAT4 cho tốc độ tải xuống lên tới 150Mbps, đặc biệt nó tiêu thụ điện rất thấp v

à nhiều tính năng nổi bật sau đây:

Thiết kế: SIM7600CE có khả năng hoạt động đáng tin cậy

trong tất cả các môi trường, với nhiệt độ hoạt động từ –45 °

C đến + 90 ° C Modul Sim7670 được tích hợp các côngnghệ như GPS, kết nối mạng không dây 4G-LTE, SMS,Audio call,

Mức tiêu thụ điện: Modul được thiết kế cho các thiết bị di

động, thiết bị điện tử đeo được và các ứng dụng IoT,SIM7670 đạt được mức tiêu thụ điện năng thấp để tiết kiệmnăng lượng SIM7670 cũng bao gồm các tính năng hiện đại

Kết nối 4G-LTE: SIM7670 có thể hoạt động như một hệ

thống độc lập hoàn chỉnh hoặc như một thiết bị phụ choMCU chủ, khả năng kết nối mạng không dây sử dụng 4G-LTE giúp cho truyển thông tin một cách nhanh chóng

Thông số kỹ thuật

 Bộ xử lý

 Tần số xung nhịp 120 MHz

 Bộ xử lý ARM Cortex-M4F là một kiến trúc bộ xử lý RISC 32-bit được thiết

kế cho các ứng dụng thời gian thực Nó có một loạt các tính năng nâng cao,bao gồm:

SIMD: SIMD (Single Instruction, Multiple Data) là một tập lệnh cho phépthực hiện các phép tính số học ứng dụng xử lý dữ liệu, chẳng hạn như xử lýhình ảnh và âm thanh

FPU: FPU (Floating-Point Unit) là một bộ xử lý số thực, cung cấp khả năngthực hiện các phép tính số học trên số thực Điều này có thể cải thiện hiệu suấtcủa các ứng dụng xử lý hình ảnh và âm thanh, cũng như các ứng dụng cầntính toán độ chính xác cao

MMU: MMU (Memory Management Unit) là một bộ quản lý bộ nhớ, cungcấp khả năng bảo vệ bộ nhớ và quản lý bộ nhớ hiệu quả Điều này có thể giúpcải thiện độ an toàn và hiệu suất của các ứng dụng

 Kết nối không dây

Wifi: 2G, 3G, LTE Cat-4

Hình 1.15 Sơ đồ khối chức năng của modul SIM7670

Bo mạch phát triển SIM7670

Hình 1.12 Sơ đồ bo mạch SIM7670

c) Lập trình

SIM7670 được hỗ trợ tập lệnh tiêu chuẩn AT (Attention command) Điều này chophép người dùng sử dụng các lệnh AT để điều khiển modul và thực hiện các tác vụ khácnhau, chẳng hạn như thực hiện cuộc gọi điện thoại, gửi và nhận tin nhắn SMS, kết nốivới mạng dữ liệu và thiết lập cài đặt module

Để sử dụng tập lệnh AT với modul SIMA7670C, bạn cần kết nối module vớimáy tính hoặc thiết bị đầu cuối khác

 Phần cứng

 Module SIM7670

 Cáp USB - USB A / micro–USB B

 Máy tính chạy hệ điêu hành Windowns, Linux hoặc Mac OS

 Phần mềm

 PuTTY: Một chương trình terminal miễn phí và mã nguồn mở cho

Windows, macOS và Linux

 Termius: Một ứng dụng terminal trả phí cho iOS và Android

 MobaXterm: Một ứng dụng terminal miễn phí và mã nguồn mở cho

Windows, macOS và Linux

1.4.2 Chuẩn giao tiếp nối tiếp UART

UART có tên đầy đủ là Universal Asynchronous Receiver – Transmitter Nó là mộtmạch tích hợp được sử dụng trong việc truyền dẫn dữ liệu nối tiếp giữa máy tính và cácthiết bị ngoại vi

UART có chức năng chính là truyền dữ liệu nối tiếp Trong UART, giao tiếp giữa haithiết bị có thể được thực hiện theo hai phương thức là giao tiếp dữ liệu nối tiếp và giaotiếp dữ liệu song song