i
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
NGUYỄN HUY TOÀN
NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM CỦA KHO
LẠNH QUA MẠNG INTERNET
Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 852 02 16
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật điều khiển tự động hóa
Người hướng dẫn khoa học
TS. Lê Hùng Linh
Thái Nguyên - 2020
ii
MỤC LỤC
Trang phụ bìa
Lời cam đoan
Mục lục ………………………………………………………………….………….i
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt…………………………..………………...iv
Danh mục các hình vẽ (hình vẽ, ảnh chụp, đồ thị, v.v……………………………...v
Mở đầu………………………………………………………………………………1
Nội dung…………………………………………………………………...………...2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI .................................................................. 3
1.1. Mục đích của việc giám sát nhiệt độ và độ ẩm trong kho lạnh ........................ 3
1.1.1. Giới thiệu chung về kho lạnh. ................................................................... 3
1.1.2. Phân loại kho lạnh ..................................................................................... 3
1.1.3. Yêu cầu chung của kho lạnh ..................................................................... 8
1.1.4. Mục đích của việc giám sát nhiệt độ độ ẩm trong kho lạnh ................... 10
1.2. Các phương pháp giám sát nhiệt độ và độ ẩm của kho lạnh đơn giản ........... 11
1.3. Các phương pháp giám sát nhiệt độ và độ ẩm của kho lạnh tiên tiến ............ 12
1.3.1. Điều khiển hoạt động của bộ phận làm lạnh. .......................................... 12
1.3.2. Có khả năng lưu trữ lịch sử thay đổi các thông số .................................. 13
1.3.3. Giám sát từ xa thông qua máy tính, mạng Internet, sóng RF hoặc GSM
........................................................................................................................... 14
1.3.4. Có khả năng ứng dụng hệ thống giám sát thời gian thực........................ 17
1.4. Kết luận chương 1 .......................................................................................... 19
iii
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM
QUA MẠNG INTERET ........................................................................................... 20
2.1. Giới thiệu về internet ...................................................................................... 20
2.2. Ứng dụng Internet vào giám sát và điều khiển. ............................................. 21
2.2.1. Nhà thông minh ....................................................................................... 21
2.2.2. Internet công nghiệp ................................................................................ 23
2.2.3. Chăm sóc sức khỏe .................................................................................. 26
2.2.4. Chuỗi cung ứng thông minh .................................................................... 27
2.2.5. Nông nghiệp thông minh ......................................................................... 29
2.2.6. Ứng dụng Internet vào giám sát kho lạnh. .............................................. 31
2.3. Các phương pháp kết nối, hiển thị thông số lên mạng ................................... 32
2.3.1 MQTT (Message Queue Telemetry Transport) ....................................... 32
2.3.2 HTTP ........................................................................................................ 35
2.4. Chuẩn giao tiếp RS485.................................................................................. 37
2.4.1 Khái niệm và nguyên lý Modbus RTU .................................................... 37
2.4.2 Ưu nhược điểm của Modbus RTU ........................................................... 38
2.4.3. Phân biệt RS485 và RS232 .................................................................... 39
2.4.4. IC max485 .............................................................................................. 41
2.5. Kết luận chương 2 .......................................................................................... 43
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÀN HÌNH GIÁM SÁT, HIỂN THỊ NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM
CỦA KHO LẠNH ..................................................................................................... 45
3.1 Mô tả bài toán .................................................................................................. 45
3.2. Sơ đồ khối thiết bị .......................................................................................... 45
3.3. Mạch nguyên lý .............................................................................................. 48
iv
3.3.1 Mạch nguyên lý khối cảm biến ................................................................ 48
3.3.2 Mạch nguyên lý khối truyền thông .......................................................... 49
3.4. Nguyên lý hoạt động của hệ thống ................................................................. 50
3.5. Lưu đồ thuật toán ........................................................................................... 53
3.5.1. Lưu đồ thuật toán khối cảm biến ............................................................ 53
3.5.2. Lưu đồ thuật toán khối truyền thông. ..................................................... 54
3.6. Giao diện website ........................................................................................... 54
3.7. Kết quả đạt được ............................................................................................ 55
3.7.1. Kết quả thiết kế trên phần mềm .............................................................. 55
3.7.2. Kết quả thực nghiệm..………………………………………………….57
3.8. Kết luận chương 3 ......................................................................................... 59
KẾT LUẬN ............................................................................................................... 60
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 61
v
DANH MỤC
CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
- EEPROOM: bộ nhớ
- IOT: mạng lưới thiết bị kết nối với internet
- M2M: tương tác giữa máy với máy
- MQTT: giao thức dạng gửi
- POE: cấp nguồn qua cáp internet
- PC: máy tính cá nhân
- RF: tần số radio
- RTU: thiết bị đầu cuối
- RS232: chuẩn truyền thông
- RS485:chuẩn truyền thông
- SMS: dịch vụ tin nhắn ngắn
- URL: đường dẫn
vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
(Hình vẽ, ảnh chụp, đồ thị, ...)
Trang
Hình 1.1: Mô hình kho lạnh trong sinh hoạt……..…………………………………05
Hình 1.2: Kho lạnh công nghiệp…………………………………………………....05
Hình 1.3: Kho lạnh nông nghiệp …………………………………………………...06
Hình 1.4: Kho lạnh trong sản xuất công nghiệp…………………………………....10
Hình 1.5: Một loại cảm biến nhiệt độ thường được sử dụng trong kho lạnh……..….11
Hình 1.6: Một loại cảm biến độ ẩm thường sử dụng trong kho lạnh………...............12
Hình 1.7: Sơ đồ mạch khống chế nhiệt độ không dùng vi điều khiển…………................13
Hình 1.8: Mạch khống chế nhiệt độ W1209……………………..…………………14
Hình 1.9: Thiết bị giám sát kho lạnh thực phẩm với cảnh báo điện thoại của hãng
Vacker…………………………………………………………...……………........16
Hình 1.10: Một hệ thống giám sát thời gian thực cho kho lạnh của hãng Vacker….17
Hình 1.11: Màn hình giám sát nhiệt độ độ ẩm thời gian thực của hãng
Vacker ……………………………………………………………………………..18
Hình 2.1: Ứng dụng internet vào nhà thông minh……………..……………...........23
Hình 2.2: Mô hình một nhà máy điện tử của hãng siemens…………………..…….25
Hình 2.3: Ứng dụng internet vào chăm sóc sức khỏe…………...…………………..26
Hình 2.4: Ứng dụng internet vào chuỗi cung ứng, vận chuyển ……...……………27
Hình 2.5: Mô phỏng ứng dụng internet trong nông nghiệp ………………………. 29
Hình 2.6: Một hệ thống giám sát nhiệt độ độ ẩm qua mạng internet……………………..32
Hình 2.7: Mô hình MQTT………………………………………………………….33
vii
Hình 2.8: Giao thức http……………………………………..……………………...35
Hình 2.9: Cấu trúc đường dẫn theo giao thức http..………………………..………35
Hình 2.10. Nguyên lý hoạt động Modbus RTU …………………………...…......38
Hình 2.11. Kết nối dùng cổng RS232…………………………………………….....39
Hình 2.12. Mô hình giao tiếp RS485……………………………..…………….......40
Hình 2.13. IC max485……………………………………………………………....41
Hình 2.14. Sơ đồ nối chân của IC max 485…………………………………….......42
Hình 3.1. Sơ đồ khối toàn hệ thống………………………………..…………….....46
Hình 3.2. Sơ đồ khối module giám sát………………………………………………46
Hình 3.3. Sơ đồ khối khối truyền thông……………………………………………..47
Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến….….……………………………….……48
Hình 3.5. Sơ đồ nguyên lý khối truyền thông………………………...……...…….49
Hình 3.6. Lưu đồ thuật toán khối cảm biến..………………………………….…...53
Hình 3.7. Lưu đồ thuật toán khối truyền thông…………………………………....54
Hình 3.8. Giao diện server khi truy cập bằng điện thoại………...………………...55
Hình 3.9. Thiết kế mạch module cảm biến..……..………………………………...56
Hình 3.10. Thiết kế mạch module truyền thông……………………………….......56
Hình 3.11. Khối truyền thông……………………………………………………...57
Hình 3.12.Khối cảm biến...….……………………………………………………..57
Hình 3.13. Kết nối module giám sát và khối truyền thông………………………...58
Hình 3.14. Hiển thị kết quả đo lên khối truyền thông…….………………………..58
Hình 3.15: Màn hình giám sát nhiệt độ và độ ẩm trên trang web………………….59
1
LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, các thiết bị điện tử và tự động hóa có mặt ở khắp nơi, chúng ta
dễ dàng bắt gặp trong tất cả các lĩnh vực, từ những ứng dụng đặc biệt trong công
nghiệp cho đến những sản phẩm dân dụng. Ban đầu, việc giám sát từ xa thông qua
một hệ thống gồm các phần tử nối với nhau bằng dây dẫn với các chuẩn truyền
thông phổ biến như RS-232, RS-485 và các chuẩn công nghiệp như ProfiBus. Tuy
nhiên, việc mở rộng phạm vi điều khiển (tức số lượng các phần tử) của mô hình
này khá khó khăn, và đặc biệt là khoảng cách điều khiển thì rất hạn chế.
Sự ra đời của công nghệ truyền thông với giao thức TCP/IP đã làm thay đổi
hoàn toàn suy nghĩ cũng như phạm vi ứng dụng của thiết bị giám sát từ xa. Mô
hình mạng phổ biến đó là mạng nội bộ LAN (Local Area Network) và mạng diện
rộng WAN (Wide Area Network), gọi chung là mạng Ethernet đã cho phép mở
rộng dễ dàng phạm vi giám sát và quy mô của hệ thống. Không những thế, trong
mạng Ethernet, có thể gắn nhiều thiết bị đầu cuối khác nhau có cùng giao tiếp
thông qua cổng truyền thông Ethernet như máy tính, máy in, camera, .. do đó, việc
vận hành và giám sát trở nên cực kỳ dễ dàng.
Sau hơn hai năm học tập tại trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền
thông, tôi đã được đào tạo và tiếp thu được những kiến thức hiện đại và tiên tiến
trong lĩnh vực tự động hóa. Trước khi tốt nghiệp cao học, tôi nhận được đề tài:
“Nghiên cứu phương pháp giám sát nhiệt độ, độ ẩm của kho lạnh qua mạng
internet”.
2
NỘI DUNG
CỦA BẢN LUẬN VĂN ĐƯỢC CHIA LÀM 3 CHƯƠNG
- Chương 1: Tổng quan về đề tài.
- Chương 2: Nghiên cứu phương pháp giám sát nhiệt độ, độ ẩm qua mạng internet.
- Chương 3: Thiết kế màn hình giám sát, hiển thị nhiệt độ, độ ẩm của kho lạnh.
Với thời gian và kiến thức có hạn, luận văn không thể tránh khỏi sai sót. Rất mong
được sự góp ý của các thầy cô, bạn bè và đồng nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày tháng năm 2020
Tác giả luận văn
Nguyễn Huy Toàn
3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1. Mục đích của việc giám sát nhiệt độ và độ ẩm trong kho lạnh
1.1.1. Giới thiệu chung về kho lạnh.
Kho lạnh là nhà một nhà kho được thiết kế cách nhiệt với môi trường bên
ngoài có chức năng làm lạnh, có thể điều chỉnh nhiệt độ phù hợp với đặc tính
vật lý, hóa học của lô hàng, tránh được mọi tiêu cực từ môi trường như nhiệt
độ, độ ẩm, ánh sáng,... gây ảnh hưởng xấu tới chất lượng hàng hóa. Hay hiểu
một cách đơn giản thì kho lạnh cũng giống như một chiếc tủ lạnh, nhưng có
quy mô to và rộng lớn hơn, được lắp đặt và thiết kế với hệ thống dàn lạnh công
nghiệp với nhiệt độ thích hợp để bảo quản các loại thực phẩm, nông sản, rau
quả, các sản phẩm của công nghiệp hoá chất, công nghiệp thực phẩm, công
nghiệp nhẹ, y tế…Trong đó, ứng dụng rộng rãi nhất của kho lạnh là để bảo
quản thực phẩm và nông sản.
Để bảo quản thực phẩm người ta có thể thực hiện nhiều cách như: Phơi,
sấy khô, đóng hộp và bảo quản lạnh. Tuy nhiên phương pháp bảo quản lạnh tỏ
ra có ưu điểm nổi bật vì:
+ Hầu hết thực phẩm, nông sản đều thích hợp đối với phương pháp này.
+ Việc thực hiện bảo quản nhanh chóng và rất hữu hiệu phù hợp với tính
chất mùa vụ của nhiều loại thực phẩm nông sản.
Kho lạnh cần giữ cho thực phẩm, nông sản giữ ở nhiệt độ thấp, tránh
quá trình phân hủy của chúng. Ở nhiệt độ thấp các phản ứng hoá sinh trong
thực phẩm bị ức chế. Trong phạm vi nhiệt độ bình thường cứ giảm 10°C thì
tốc độ phản ứng giảm xuống 1/2 đến 1/3 lần. Ngoài ra, nhiệt độ xuống dưới
0°C, phần lớn hoạt động của enzim sẽ không hoạt động.
1.1.2. Phân loại kho lạnh
Có nhiều cách phân loại kho lạnh khác nhau, ở đây chúng ta sẽ khảo sát
và giới thiệu một số loại kho lạnh khác nhau đang có trên thị trường.
4
a. Phân loại kho lạnh theo công dụng
- Kho lạnh sơ bộ: Dùng làm lạnh sơ bộ hay bảo quản tạm thời thực phẩm tại
các nhà máy chế biến trước khi chuyển sang một khâu chế biến khác.
- Kho chế biến: Được sử dụng trong các nhà máy chế biến và bảo quản thực
phẩm (nhà máy đồ hộp, nhà máy sữa, nhà máy chế biến thuỷ sản, nhà máy xuất
khẩu thịt,…). Các kho lạnh loại này thường có dung tích lớn, cần phải trang bị
hệ thống có công suất lạnh lớn. Phụ tải của kho lạnh luôn thay đổi do phải xuất
nhập hàng thường xuyên.
- Kho phân phối, trung chuyển: Dùng điều hoà cung cấp thực phẩm cho các
khu dân cư, thành phố và dự trữ lâu dài. Kho lạnh phân phối thường có dung
tích lớn, trữ nhiều mặt hàng và có ý nghĩa rất lớn đối với đời sống sinh hoạt
của cả một cộng đồng.
- Kho thương nghiệp: Kho lạnh bảo quản các mặt hàng thực phẩm của hệ thống
thương nghiệp. Kho dùng bảo quản tạm thời các mặt hàng đang được doanh
nghiệp bán trên thị trường.
- Kho vận tải (trên tàu thuỷ, tàu hoả, ôtô): Đặc điểm của kho là dung tích lớn,
hàng bảo quản mang tính tạm thời để vận chuyển từ nơi này đến nơi khác.
- Kho sinh hoạt: Đây là loại kho rất nhỏ dùng trong các hộ gia đình, khách sạn,
nhà hàng dùng bảo quản một lượng hàng nhỏ.
5
Hình 1.1: Mô hình kho lạnh trong sinh hoạt
Hình 1.2: Kho lạnh công nghiệp
6
Hình 1.3: Kho lạnh nông nghiệp
b. Phân loại kho lạnh theo nhiệt độ
- Kho bảo quản lạnh: Nhiệt độ bảo quản nằm trong khoảng -2°C đến 5°C. Đối
với một số rau quả nhiệt đới cần bảo quản ở nhiệt độ cao hơn (đối với chuối là
10°C, đối với chanh là 4°C). Nói chung các mặt hàng chủ yếu là rau quả và các
mặt hàng nông sản.
- Kho bảo quản đông: Kho được sử dụng để bảo quản các mặt hàng đã qua cấp
đông. Đó là hàng thực phẩm có nguồn gốc động vật. Nhiệt độ bảo quản tuỳ
thuộc vào thời gian, loại thực phẩm bảo quản. Tuy nhiên nhiệt độ bảo quản tối
thiểu cũng phải đạt -18°C để các vi sinh vật không thể phát triển làm hư hại
thực phẩm trong quá trình bảo quản.
- Kho đa năng: Nhiệt độ bảo quản là -12°C, buồng bảo quản đa năng thường
được thiết kế ở -12°C nhưng khi cần bảo quản lạnh có thể đưa lên nhiệt độ bảo
quản 0°C hoặc khi cần bảo quản đông có thể đưa xuống nhiệt độ bảo quản -
18°C tuỳ theo yêu cầu công nghệ. Khi cần có thể sử dụng buồng đa năng để
gia lạnh sản phẩm.
7
Buồng đa năng thường được trang bị dàn quạt nhưng cũng có thể được trang
bị dàn tường hoặc dàn trần đối lưu không khí tự nhiên.
- Kho gia lạnh: Được dùng để làm lạnh sản phẩm từ nhiệt độ môi trường xuống
nhiệt độ bảo quản lạnh hoặc để gia lạnh sơ bộ cho những sản phẩm lạnh đông
trong phương pháp kết đông 2 pha. Tuỳ theo yêu cầu quy trình công nghệ gia
lạnh, nhiệt độ buồng có thể hạ xuống -5°C và nâng lên vài độ trên nhiệt độ
đóng băng của các sản phẩm được gia lạnh. Buồng gia lạnh thường được trang
bị dàn quạt để tăng tốc độ gia lạnh cho sản phẩm.
- Kho bảo quản nước đá: Nhiệt độ tối thiểu -4°C.
c. Phân loại kho lạnh theo dung tích chứa
Kích thước kho lạnh bảo quản phụ thuộc chủ yếu vào dung tích chứa
hàng của nó. Do đặc điểm về khả năng chất tải cho mỗi loại thực phẩm khác
nhau nên thường quy dung tích ra tấn thịt (MT – Meat Tons). Ví dụ: Kho
50MT, kho 100MT, 200MT, 500MT là những kho có khả năng chứa 50, 100,
200, 500 tấn.
d. Phân loại theo phương pháp cách nhiệt
- Kho xây: Là kho mà kết cấu là kiến trúc xây dựng và bên trong người ta bọc
lớp cách nhiệt. Kho xây chiếm diện tích lớn, giá thành tương đối cao, không
đẹp, khó tháo dỡ, và di chuyển. Mặt khác về mặt thẩm mỹ và vệ sinh kho xây
không đảm bảo tốt. Vì vậy, hiện nay ở nước ta thường ít sử dụng kho xây để
bảo quản thực phẩm.
- Kho panel: Được lắp ghép từ các tấm panel tiền chế polyuretan và được lắp
ghép với nhau bằng các móc khoá cam locking và mộng âm dương. Kho panel
có hình thức đẹp, gọn và giá thành tương đối rẻ, rất tiện lợi khi lắp đặt, tháo dỡ
và bảo quản các mặt hàng thực phẩm, nông sản, thuốc men, dược liệu… Hiện
nay nhiều doanh nghiệp ở nước ta đã sản xuất các tấm panel cách nhiệt đạt tiêu
8
chuẩn cao. Vì thế hầu hết các xí nghiệp, công nghiệp thực phẩm đều sử
dụng lắp đặt kho lạnh bằng panel để bảo quản hàng hoá.
1.1.3. Yêu cầu chung của kho lạnh
Mặc dù có nhiều cách phân loại khác nhau, nhưng kho lạnh có những
yêu cầu chung giống nhau, ở phần này ta nêu một số yêu cầu chính của kho
lạnh như sau:
Yêu cầu về cấu trúc:
- Kho lạnh được xây dựng ở nơi cao ráo, không bị ngập hoặc đọng nước,
thuận tiện về giao thông, xa các nguồn gây ô nhiễm có đủ nguồn cung cấp điện
ổn định đảm bảo cho sản xuất.
- Có mặt bằng đủ rộng cả trong lẫn ngoài, được bố trí thuận tiện cho việc
tiếp nhận, bốc dỡ, vận chuyển sản phẩm, tránh được khả năng gây nhiễm chéo
cho sản phẩm. Nền kho lạnh phải cao hơn mặt bằng xung quanh. - Nền của kho
lạnh, phòng đệm, phòng thay bao bì, đóng gói lại (nếu có) phải đảm bảo phẳng,
chịu tải trọng, không trơn trượt.
- Có tường bao hoặc vách ngăn cách với bên ngoài.
- Thiết kế kho lạnh phải có kết cấu vững chắc, có mái che không dột, được
cách nhiệt tốt.
- Trần và tường của kho lạnh, phòng đệm và phòng thay bao bì, đóng gói
lại (nếu có) được làm bằng vật liệu bền, không độc, không gỉ, không bị ăn mòn,
không ngấm nước, cách nhiệt tốt; có bề mặt nhẵn, màu sáng; được cấu tạo dễ
làm vệ sinh, khử trùng.
- Cửa của kho lạnh, phòng đệm được làm bằng vật liệu bền, không độc,
không gỉ, không ngấm nước, cách nhiệt tốt, có bề mặt nhẵn, được cấu tạo dễ
làm vệ sinh, khử trùng; khi đóng cửa phải đảm bảo kín; các tấm màng che tại
cửa kho lạnh được làm bằng vật liệu phù hợp.
9
- Kho lạnh được thiết kế sao cho khi xả băng, nước từ giàn lạnh, trên trần
kho, nền kho được chảy hết ra ngoài.
Yêu cầu về thiết bị, phương tiện bảo quản, vận chuyển:
- Thiết bị làm lạnh phải có công suất đủ để đảm bảo sản phẩm ở nhiệt
độ cần thiết và ổn định, kể cả khi kho chứa hàng đạt mức tối đa. Môi chất sử
dụng là loại môi chất được phép sử dụng, không ảnh hưởng đến môi trường.
- Các thiết bị áp lực chứa môi chất lạnh, ống dẫn, thiết bị trao đổi nhiệt
phải đảm bảo an toàn, không bị rò rỉ và phải kiểm tra định kỳ.
- Thiết bị nâng hàng, bốc dỡ, phương tiện vận chuyển được sử dụng
trong kho lạnh phải được làm bằng vật liệu phù hợp, không dò dầu,có cấu trúc
chắc chắn, thuận tiện cho việc bốc dỡ hàng hóa,vệ sinh.
- Bộ báo nhiệt độ được đặt ở nơi dễ nhìn, dễ đọc.
Yêu cầu về hệ thống chiếu sáng:
- Trang bị hệ thống chiếu sáng đủ sáng cho mọi hoạt động bốc dỡ, vận
chuyển sản phẩm.
- Đèn chiếu sáng trong kho lạnh phải đảm bảo an toàn và có chụp bảo
vệ.
- Sản phẩm trước khi đưa vào bảo quản ở kho lạnh phải đạt các yêu cầu
về chất lượng, được đóng bao phù hợp và ghi nhãn theo quy định.
- Không bảo quản nông sản lẫn với các thực phẩm khác, trường hợp cá
biệt nếu bảo quản thực phẩm khác trong kho lạnh nông sản thì các thực phẩm
này phải được bao gói kín, xếp lô riêng và không là nguồn lây nhiễm cho nông
sản.
- Phải có hệ thống quản lý, theo dõi việc sắp xếp hàng hoá để sản phẩm
trong kho được nhận dạng dễ dàng.
10
- Khi xếp hàng hoá trong kho lạnh, để không khí lạnh được lưu thông
tốt phải đảm bảo khoảng cách tối thiểu giữa hàng hoá với sàn, với tường, với
trần, với giàn lạnh và với quạt gió; thể tích từng nhóm phải thích hợp. Với
những kho lạnh lớn phải có lối đi bảo đảm thuận tiện cho người và phương tiện
khi xếp dỡ hàng.
Hình 1.4: Kho lạnh trong sản xuất công nghiệp
1.1.4. Mục đích của việc giám sát nhiệt độ độ ẩm trong kho lạnh
Bất kỳ kho lạnh nào cũng có những yêu cầu về nhiệt độ. Có những kho
lạnh còn có những yêu cầu ngưỡng nhiệt trên và ngưỡng nhiệt dưới.
Giám sát nhiệt độ rất quan trọng cho phòng lạnh. Điều này đặc biệt
quan trọng đối với việc lưu trữ các loại thuốc, vắc-xin, ngân hàng máu, phòng
thí nghiệm y tế, cũng như trái cây, rau, kem, thực phẩm đông lạnh, gà, thịt, pho
mát, bơ, vv..
Việc giám sát nhiệt độ giúp cho người vận hành nắm được nhiệt độ
hiện thời trong kho lạnh, từ đó có những phương án điều khiển cho hợp lý. Ví
dụ như nhiệt độ trong kho quá cao thì phải điều khiển hệ thống làm mát, làm
lạnh tăng công suất. Nếu nhiệt độ quá lạnh thì giảm công suất bộ phận làm
11
lạnh. Đồng thời nếu độ ẩm tăng thì phải bật quạt hoặc vừa sấy vừa làm lạnh để
hơi nước ngưng tụ lại.
Giám sát còn giúp người vận hành dễ dàng kiểm soát và phát hiện hệ
thống đang chạy có bị trục trặc về phần cứng hay không. Trong nhiều trường
hợp hệ thống đo và hệ thống làm lạnh, hệ thống điều khiển hoạt động không
đồng bộ với nhau gây khó khăn trong quá trình sử dụng, điều này chỉ có thể
phát hiện và sửa chữa nếu ta vận hành và giám sát thường xuyên.
1.2. Các phương pháp giám sát nhiệt độ và độ ẩm của kho lạnh đơn giản
Về cơ bản, muốn giám sát nhiệt độ và độ ẩm thì cần có cảm biến nhiệt
độ và độ ấm. Sự phát triển của các phương pháp giám sát ở đây đi liền với sự
phát triển của công nghệ các loại cảm biến cũng như các bộ điều khiển xử lý
tín hiệu cảm biến được sử dụng.
Những kho lạnh đơn giản chỉ sử dụng cảm biến nhiệt và độ ẩm dạng
điện trở hoặc tính chất giãn nở của thủy ngân (cảm biến nhiệt độ thủy ngân)
sau đó kết quả hiển thị lên thang chia vạch hoặc đèn báo. Một số loại hiện đại
hơn có tích hợp vi xử lý thì phần hiển thị có thêm màn hình LCD hoặc LED
bảy thanh. Tuy nhiên điểm chung của những hệ thống này đều là đơn giản, chỉ
có tính chất giám sát cục bộ không có khả năng giám sát và điều khiển từ xa.
Hình 1.5 Một loại cảm biến nhiệt độ thường sử dụng trong kho lạnh
12
Hình 1.6. Một loại cảm biến độ ẩm thường sử dụng trong kho lạnh
1.3. Các phương pháp giám sát nhiệt độ và độ ẩm của kho lạnh tiên tiến
Như đã trình bày trong phần trước, các hệ thống giám sát kho lạnh đơn
giản chỉ có chức năng đo và hiển thị thông số tại kho lạnh đồng thời cảnh báo
bằng đèn và còi (nếu có). Điều này gây khó khăn bất tiện khi muốn cùng lúc
giám sát nhiều điểm đo, nhiều kho lạnh khác nhau trong những hệ thống phức
tạp. Để khắc phục những nhược điểm đó, ngày nay những kho lạnh được giám
sát theo nhiều hình thức, phương tiện tiên tiến hơn. Trong phần này luận văn
sẽ đưa một số phương pháp giám sát nhiệt độ và độ ẩm trong kho lạnh.
1.3.1. Điều khiển hoạt động của bộ phận làm lạnh.
Đây là phương pháp cải tiến đầu tiên trong hệ thống giám sát kho lạnh.
Trước đây những hệ thống giám sát chỉ dừng lại ở “giám sát”, còn phần điều
khiển được tách rời hoặc là chỉ có thể điều khiển thủ công. Ví dụ với những hệ
thống sử dụng nhiệt kế thủy ngân, khi đó người vận hành chỉ có thể theo dõi
nhiệt độ bằng cách nhìn vào nhiệt kế, khi nhiệt độ cao hơn hoặc thấp hơn
ngưỡng đã quy định trước thì phải tiến hành tắt hoặc khởi động bộ phận làm
mát để thay đổi nhiệt độ trong kho.
Với sự ra đời của những cảm biến nhiệt độ, của linh kiện bán dẫn đã kết
nối phần cảm biến và cơ cấu chấp hành lại với nhau. Sự thay đổi giá trị của
13
cảm biến nhiệt sẽ tác động trực tiếp đến phần công suất và điều khiển hoạt động
của phần làm lạnh. Khi vi điều khiển chưa xuất hiện và phổ biến thì những hệ
thống “thuần điện tử” như này là rất phổ biến. Dưới đây là một sợ đồ thiết bị
như vậy.
Hình 1.7. Sơ đồ mạch khống chế nhiệt độ không dùng vi điều khiển
1.3.2. Có khả năng lưu trữ lịch sử thay đổi các thông số
Sau quá trình vận hành, nghiên cứu và thử nghiệm với những ứng dụng
khác nhau, người ta chọn ra được những thông số, giới hạn nhiệt độ độ ẩm cho
kho lạnh. Ví dụ như việc lưu trữ thuốc, nhiệt độ được lưu trữ trong phạm vi
2°C đến 8°C, trong lưu trữ vắc-xin thì độ ẩm thích hợp là 65%, vậy làm như
nào để có thể giữ được những thông số thích hợp này cho kho lạnh? Phương
án lựa chọn tối ưu nhất chính là dùng vi điều khiển, khi đó nhiệt độ đo được,
cũng như nhiệt độ đặt có thể được hiển thị trực quan thông qua màn hình LCD
hoặc LED bảy đoạn. Ngoài ra giá trị đặt hoặc phức tạp hơn là chế độ hoạt động
của hệ thống có thể được thay đổi được thông qua những nút nhấn và chương
trình điều khiển.
Trên thực tế đây là những hệ thống giám sát và khống chế nhiệt độ, độ
ẩm đang được sử dụng phổ biến nhất, do tính thuận tiện và giá thành hợp lý,
14
những hệ thống này phù hợp cho những mô hình kho lạnh đơn lẻ không cần
yêu cầu độ chính xác và thời gian đáp ứng nhanh.
Những vi điều khiển hiện nay thường tích hợp EEPROM bên trong
cho phép lưu trữ những giá trị cài đặt lại để sử dụng cho những lần sau đó, ngay
cả khi hệ thống mất điện hoặc khởi động lại mà không cần phải nhấn nút và cài
đặt lại các thông số đặt. Module W1209 phía dưới là một mạch khống chế có
chức năng giám sát và khống chế nhiệt độ với nhiều chế độ hoạt động thông
qua các nút nhấn.
Hình 1.8. Mạch khống chế nhiệt độ W1209
1.3.3. Giám sát từ xa thông qua máy tính, mạng Internet, sóng RF hoặc GSM
Ở phần trên, vai trò của vi điều khiển đã được thể hiện rất rõ rệt, tuy
nhiên những thông số của kho lạnh mới chỉ được điều chỉnh và khống chế cục
bộ tại chỗ. Với những hệ thống cần giám sát từ xa thì cần có thêm sự hỗ trợ
của máy tính, sóng RF hoặc SIM thông qua mạng viễn thông.
15
Giao thức ZigBee
Zigbee, giống như Bluetooth, là một loại truyền thông trong khoảng cách
ngắn, hiện được sử dụng với số lượng lớn và thường được sử dụng trong công
nghiệp. Điển hình, Zigbee Pro và Zigbee remote control (RF4CE) được thiết kế
trên nền tảng giao thức IEEE802.15.4 – là một chuẩn giao thức truyền thông vật
lý trong công nghiệp hoạt động ở 2.4Ghz thường được sử dụng trong các ứng dụng
khoảng cách ngắn và dữ liệu truyền tin ít nhưng thường xuyên, được đánh giá phù
hợp với các ứng dụng trong smarthome hoặc trong một khu vực đô thị/khu chung
cư.
ZigBee là công nghệ mới với tầm hoạt động trực tiếp lên đến 1 km trong
không khí. Nếu có chướng ngại vật trong đường dẫn của nó, phạm vi đi xuống
cho phù hợp. ZigBee hoạt động trong một phạm vi tần số cho phép ở hầu hết
các quốc gia. Các cảm biến ZigBee cũng hoạt động với yêu cầu năng lượng rất
thấp và do đó có thể hoạt động mà không cần điện.
LoRa
LoRa là viết tắt của Long Range Radio được nghiên cứu và phát triển
bởi Cycleo và sau này được mua lại bởi công ty Semtech năm 2012. Với công
nghệ này, chúng ta có thể truyền dữ liệu với khoảng cách lên hàng km mà
không cần các mạch khuếch đại công suất; từ đó giúp tiết kiệm năng lượng tiêu
thụ khi truyền/nhận dữ liệu. Do đó, LoRa có thể được áp dụng rộng rãi trong
các ứng dụng thu thập dữ liệu như sensor network trong đó các sensor node có
thể gửi giá trị đo đạc về trung tâm cách xa hàng km và có thể hoạt động với
battery trong thời gian dài trước khi cần thay pin.
LoRa sử dụng kỹ thuật điều chế gọi là Chirp Spread Spectrum. Có thể
hiểu nôm na nguyên lý này là dữ liệu sẽ được băm bằng các xung cao tần để
tạo ra tín hiệu có dãy tần số cao hơn tần số của dữ liệu gốc (cái này gọi là
chipped); sau đó tín hiệu cao tần này tiếp tục được mã hoá theo các chuỗi chirp
signal (là các tín hiệu hình sin có tần số thay đổi theo thời gian; có 2 loại chirp
16
signal là up-chirp có tần số tăng theo thời gian và down-chirp có tần số giảm
theo thời gian; và việc mã hoá theo nguyên tắc bit 1 sẽ sử dụng up-chirp, và bit
0 sẽ sử dụng down-chirp) trước khi truyền ra anten để gửi đi.[4],[5]
Ngoài những chuẩn kể trên còn có những chuẩn không dây kể trên còn có
những chuẩn khác hiện đã và đang được phát triển và ứng dụng ngày một rộng rãi
như Z-Wave; 6LoWPAN…
Hệ thống giám sát dựa trên cảm biến IP
Đây có thể là loại kinh tế nhất của hệ thống giám sát. Mỗi cảm biến phải
được kết nối với một cổng Ethernet và không yêu cầu điện năng cao. Những
hoạt động trên POE (Power over Ethernet) ngoài ra điều này có thể không có
bộ nhớ riêng của mình. Sẽ có một phần mềm Trung tâm trong một trong các
PC hoặc máy chủ trong hệ thống Ethernet. Mỗi cảm biến có thể được cấu hình
cho phần mềm này. Cảm biến chỉ đơn giản là đưa vào một cổng Ethernet.
Hình 1.9 Thiết bị giám sát kho lạnh thực phẩm với cảnh báo điện thoại của
hãng Vacker
17
1.3.4. Có khả năng ứng dụng hệ thống giám sát thời gian thực
Với những hệ thống kho lạnh cần yêu cầu chặt chẽ, đáp ứng nhanh thì
sự lựa chọn tối ưu là sát bằng hệ thời gian thực. Một số hệ thống cần giám sát
thời gian thực như:
+ Giám sát nhiệt độ cho tủ lạnh được sử dụng để giữ thuốc, vắc xin (đôi
khi cũng cần theo dõi cả nhiệt độ và độ ẩm)
+ Nhiệt độ và theo dõi độ ẩm kho được sử dụng để lưu trữ các sản phẩm
nhạy cảm nhiệt độ như thuốc, hóa chất.
+ Giám sát nhiệt độ của tủ đông công nghiệp
+ Giám sát nhiệt độ, độ ẩm, điều kiện động cơ, cho xe cộ vận chuyển
nhiệt độ hàng hoá nhạy cảm.
+ Giám sát nhiệt độ cùng với độ ẩm, rò rỉ nước cho các trung tâm dữ
liệu và phòng máy chủ.
+ Theo dõi nhiệt độ, độ ẩm và áp suất cho phòng bệnh nhân, các đơn vị
chăm sóc chuyên sâu, phòng sạch, phòng bị cô lập lâm sàng, trong bệnh viện.
+ Nhiệt độ, độ ẩm và giám sát áp suất trong phòng sạch trong môi trường
sản xuất.
+ Giám sát nhiệt độ của lò nung, nồi, ô tô, thiết bị công nghiệp, máy chế
biến.
+ Giám sát nhiệt độ trong quá trình bảo dưỡng bê tông.
18
Hình 1.10: Một hệ thống giám sát thời gian thực cho kho lạnh của hãng Vacker
Nguyên tắc hoạt động của hệ thống giám sát thời gian thực
Hình 1.11: Màn hình giám sát nhiệt độ độ ẩm thời gian thực của hãng Vacker
Nguyên tắc cơ bản của tất cả các hệ thống như vậy liên quan đến nhiều
cảm biến như cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm, cảm biến áp suất, v.v. Các
cảm biến này liên tục thu thập dữ liệu trong khoảng thời gian được lập trình
trước gọi là khoảng lấy mẫu. Khoảng thời gian lấy mẫu có thể thay đổi từ giây
19
Micro sang giờ dựa trên sự kết hợp của tham số được theo dõi. Tất cả các cảm
biến liên tục truyền đạt dữ liệu được thu thập đến một trạm cơ sở trung tâm.
Phương thức giao tiếp từ các cảm biến đến trạm cơ sở có thể ở các chế độ khác
hỗ trợ cung cấp điện.[6]
1.4. Kết luận chương 1
Trong chương này, luận văn đã đưa ra những khái niệm chung về kho
lạnh. Qua đó giúp người đọc hiểu được cấu trúc, nguyên lý hoạt động của kho
lạnh cũng như cách phân loại và ứng dụng của chúng trong thực tế đời sống và
sản xuất.
Đồng thời, luận văn cũng đã chỉ ra những phương pháp giám sát nhiệt
độ và độ ẩm trong kho lạnh. Trong đó có những phương pháp giám sát đơn
giản đã được sử dụng nhiều năm cũng như những phương pháp cải tiến hiện
đại mới xuất hiện trong vài năm trở lại đây.
Từ những kiến thức tổng hợp được, từ những vấn đề đã khảo sát và tìm
hiểu về kho lạnh luận văn chỉ ra mục đích hướng tới của luận văn là đi xây
dựng hệ thống giám sát nhiệt độ, độ ẩm hiện đại và cụ thể ở đây là thông qua
mạng Internet.
Trong những chương tiếp theo, luận văn sẽ nghiên cứu cụ thể phương
pháp giám sát nhiệt độ, độ ẩm thông qua mạng Internet.
20
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ,
ĐỘ ẨM QUA MẠNG INTERET
Trong chương này luận văn sẽ đi sâu tìm hiểu về phương pháp giám sát
nhiệt độ, độ ẩm qua mạng Internet.
2.1. Giới thiệu về internet
Internet là một hệ thống thông tin toàn cầu có thể được truy nhập công
cộng gồm các mạng máy tính được liên kết với nhau. Hệ thống này truyền
thông tin theo kiểu nối chuyển gói dữ liệu (packet switching) dựa trên một giao
thức liên mạng đã được chuẩn hóa (giao thức IP). Hệ thống này bao gồm hàng
ngàn mạng máy tính nhỏ hơn của các doanh nghiệp, của các viện nghiên cứu
và các trường đại học, của người dùng cá nhân, và các chính phủ trên toàn cầu.
Internet là một hệ thống thông tin toàn cầu có thể được truy nhập công
cộng gồm các mạng máy tính được liên kết với nhau. Hệ thống này truyền
thông tin theo kiểu nối chuyển gói dữ liệu (packet switching) dựa trên một giao
thức liên mạng đã được chuẩn hóa (giao thức IP). Hệ thống này bao gồm hàng
ngàn mạng máy tính nhỏ hơn của các doanh nghiệp, của các viện nghiên cứu
và các trường đại học, của người dùng cá nhân, và các chính phủ trên toàn cầu.
Lợi ích
Mạng Internet mang lại rất nhiều tiện ích hữu dụng cho người sử dụng,
một trong các tiện ích phổ thông của Internet là hệ thống thư điện tử (email),
trò chuyện trực tuyến (chat), máy truy tìm dữ liệu (search engine), các dịch vụ
thương mãi và chuyển ngân, và các dịch vụ về y tế giáo dục như là chữa bệnh
từ xa hoặc tổ chức các lớp học ảo. Chúng cung cấp một khối lượng thông tin
và dịch vụ khổng lồ trên Internet.
Nguồn thông tin khổng lồ kèm theo các dịch vụ tương ứng chính là hệ
thống các trang Web liên kết với nhau và các tài liệu khác trong www (World
Wide Web). Trái với một số cách sử dụng thường ngày, Internet và www
21
không đồng nghĩa. Internet là một tập hợp các mạng máy tính kết nối với nhau
bằng dây đồng, cáp quang, v.v.; còn www, hay Web, là một tập hợp các tài
liệu liên kết với nhau bằng các siêu liên kết (hyperlink) và các địa chỉ URL,
và nó có thể được truy nhập bằng cách sử dụng Internet. Các cách thức thông
thường để truy cập Internet là quay số, băng rộng, không dây, vệ tinh và qua
điện thoại cầm tay.
Trình duyệt Web phổ biến nhất
Các chương trình duyệt Web thông dụng ở thời điểm này là:
+ Internet Explorer có sẵn trong Microsoft Windows, của Microsoft
+ Mozilla và Mozilla Firefox của Tập đoàn Mozilla
+ Netscape Navigator của Netscape
+ Opera của Opera Software
+ Safari trong Mac OS X, của Apple Computer
+ Maxthon của MySoft Technology
+ Avant Browser của Avant Force (Ý).
+ Google Chrome của Google
2.2. Ứng dụng Internet vào giám sát và điều khiển.
Cùng với phát triển mạnh mẽ chóng mặt của ngành điện tử và truyền
thông, Internet đã và đang trải khắp mọi miền đất trên thế giới, ngày càng đi
sâu vào đời sống của con người, những ứng dụng của nó xuất hiện trong mọi
lĩnh vực, góp phần to lớn nâng cao chất lượng sống của con người. Dưới đây
là những ứng dụng tiêu biểu của Internet.
2.2.1. Nhà thông minh
Nhà thông minh là kiểu nhà được lắp đặt các thiết bị điện, điện tử có thể
được điều khiển hoặc tự động hoá hoặc bán tự động, thay thế con người trong
22
thực hiện một hoặc một số thao tác quản lý, điều khiển. Hệ thống điện tử này
giao tiếp với người dùng thông qua bảng điện tử đặt trong nhà, ứng
dụng trên điện thoại di động, máy tính bảng hoặc một giao diện web.
Trong căn nhà thông minh, đồ dùng trong nhà từ phòng ngủ, phòng
khách đến toilet đều gắn các bộ điều khiển điện tử có thể kết nối
với Internet và điện thoại di động, cho phép chủ nhân điều khiển vật dụng từ
xa hoặc lập trình cho thiết bị ở nhà hoạt động theo lịch. Thêm vào đó, các đồ
gia dụng có thể hiểu được ngôn ngữ của nhau và có khả năng tương tác với
nhau.
Có nhiều thương hiệu cho nhà thông minh, tuy vậy chưa có chuẩn công
nghiệp nào được đặt ra cho nó và do vậy thị trường nhà phân minh rất phân
mảnh. Các gói nhà thông minh hiện nay sử dụng các giao thức riêng theo ý chí
chủ quan của từng công ty/ nhà sản xuất/ tích hợp và không tương thích với
nhau.
Tự động hóa gia đình chính xác như tên gọi của nó: tự động hóa khả
năng điều khiển các vật dụng xung quanh ngôi nhà, từ bóng râm của cửa sổ
đến người cho thú cưng ăn bằng cách nhấn nút đơn giản (hoặc ra lệnh bằng
giọng nói). Một số hoạt động, như thiết lập quy trình bật và tắt một cái đèn theo
ý thích của người sử dụng, rất đơn giản và tương đối rẻ tiền. Những quy trình
điều khiển với khí cụ khác, như camera giám sát tiên tiến, có thể cần có sự đầu
tư nghiêm túc hơn về thời gian và tài chính.
Hiện nay công nghệ nhà thông minh tại Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ,
nhiều công nghệ mới được áp dụng vào phát triển cho hệ thống nhà thông mình.
Việc sử dụng kết nối không dây hoàn toàn giữa các thiết bị trong nhà đang
được ưu tiên và sử dụng rộng rãi. Điều này tạo nên thiết kế đột phá mang lại
sự sang trọng, tiện nghi và hiện đại cho ngôi nhà. [7]
23
Hình 2.1. Ứng dụng Internet vào nhà thông minh
Tóm lại, nhà thông minh là ngôi nhà có hệ thống giám sát và điều khiển
các thiết bị một cách tự động hoặc thông qua người dùng, người dùng có thể
điều khiển tại chỗ hoặc từ xa thông qua mạng Internet. Nếu không có mạng
Internet thì nhà thông minh sẽ thiếu đi một phần sức mạnh quan trọng của nó.
2.2.2. Internet công nghiệp
Internet ngày nay cũng được ứng dụng vào công nghiệp. Tuy nhiên nó
có điểm khác biệt so với những hệ thống nhà thông minh. Những hệ thống
trong công nghiệp cần đảm bảo sự ổn định trong khoảng thời gian hoạt động
liên tục. Do đó những hệ thống, dây chuyền sản xuất công nghiệp có sự xuất
hiện giám sát qua Internet thường là những hệ thống sử dụng kết nối có dây.
Có những bộ phận nhúng tương tự như trong hệ thống nhà thông minh hay
trang trại thông minh (như các loại cảm biến, các phần hiển thị, nhưng chúng
đều là những kết nối có dây chứ không phải qua 3G,4G hay wifi.
Kết nối các thiết bị công nghiệp và điều khiển thông qua Internet; là một
vấn đề cực kỳ hấp dẫn với người làm trong ngành kỹ thuật. Các nhà máy tại
Việt Nam chúng ta hiện nay. Các thiết bị điều khiển hầu hết được kết nối với
PLC, DCS hoặc SCADA điều khiển tự động hoạt bán tự động.
Nhưng khi ứng dụng của IoT được áp dụng vào trong nhà máy. Việc
quản lý các hệ thống này được thông qua Internet. Người quản lý không
cần đến nhà máy cũng biết được; các thông số của máy móc hoạt động ra sao.
24
Và hơn hết chúng ta có thể điều khiển các thiết bị; được kết nối ở bất kỳ nơi
nào trên thế giới thông qua Internet.
Như vậy thông qua việc kết nối các thiết bị trong nhà máy, chúng ta sẽ
biết được máy móc vận hành ra sao, điều khiển thiết bị từ xa, kiểm soát mức
nhiên liệu có trong bồn chứa, các nguyên vật liệu trong từng silo,…
Các yếu tố cần thiết để kết nối thiết bị công nghiệp với hệ thống Internet
+ Các cảm biến trong nhà máy phải kết nối được với truyền thông
Modbus
+ Từ truyền thông Modbus phải thông qua bộ chuyển đổi trung gian từ
Modbus lên Internet
+ Để truy cập vào hệ thống của nhà máy. Chúng ta cần thêm Webserver.
Ba yếu tố cơ bản để kết nối các thiết bị lên Internet. Nhưng để các thiết
bị cảm biến này hoạt động đúng theo yêu cầu cụ thể của từng khu vực, thì
chúng tôi phải lập trình hệ thống theo yêu cầu cụ thể cho từng cảm biến, từng
khu vực của nhà máy.
Ứng dụng của IoT trong sản xuất thông minh có thể hình dung đơn giản,
máy móc trở nên thông minh hơn nhờ được gắn những cảm biến, được kết nối
internet và liên kết với nhau qua một hệ thống để có thể tự nắm bắt toàn bộ quy
trình sản xuất rồi đưa ra quyết định. Sản phẩm cũng thông minh hơn nhờ các
cảm biến, thông báo cho máy móc biết chúng cần được xử lý như thế nào. Các
quy trình sẽ “có quyền tự trị” trong hệ thống module phân cấp. các thiết bị
thông minh làm việc với nhau qua mạng không dây hoặc thông qua “đám mây”,
các cảm biến, cơ cấu chấp hành và điều khiển cho phép máy móc liên kết với
nhau, liên kết đến các hệ thống mạng khác và giao tiếp với co người, các mạng
thông minh này sẽ là nền tảng của các “nhà máy thông minh”, “nhà máy số”.
25
Hình 2.2 Mô hình một nhà máy điện tử của hãng Siemens
Sản xuất thông minh từng là viễn cảnh nay đã trở thành hiện thực. Điều
này được minh chứng khi Siemens ra mắt nhà máy điện tử Amberg Siemens
được số hóa hoàn toàn tại Đức, vào năm 2013. Tại đây, quá trình sản xuất hoàn
toàn tự động nhờ các dây chuyền sản xuất thông minh, hệ thống vận chuyển
hoàn toàn tự động đảm bảo nguyên liệu được đưa từ nhà kho đến máy sản xuất
trong vòng 15 phút. Nhà máy vận hành 3 ca mỗi ngày, với hơn 3 triệu sản phẩm
xuất xưởng mỗi năm.
Lợi ích của ứng dụng của IoT vào trong công nghiệp
+ Tận dụng máy móc thiết bị tăng 3% – 5%
+ Tăng năng suất 10% – 15%
+ Giảm thời gian ngừng hoạt động 1% – 5%
26
+ Giảm giá thành 15% – 30%
+ Giảm giờ làm thêm của lao động kỹ thuật 20% -25 %
Nhờ ứng dụng của IoT vào sản xuất thông minh, nhà máy đã tăng sản
lượng lên 8 lần với số lao động và mặt bằng sản xuất gần như không đổi.
2.2.3. Chăm sóc sức khỏe
IoT có các ứng dụng khác nhau trong chăm sóc sức khỏe, từ các thiết bị
giám sát từ xa đến các bộ cảm ứng tiên tiến và thông minh để tích hợp thiết bị.
Nó có tiềm năng để cải thiện cách thức các bác sĩ chăm sóc và giữ cho bệnh
nhân an toàn và khỏe mạnh.
Chăm sóc sức khỏe IoT có thể cho phép bệnh nhân dành nhiều thời gian
hơn để tương tác với bác sĩ của họ nhờ đó nó có thể thúc đẩy sự tham gia của
bệnh nhân và sự hài lòng. Từ cảm biến thể dục cá nhân đến robot phẫu thuật,
IoT trong chăm sóc sức khỏe mang đến những công cụ mới được cập nhật với
công nghệ mới nhất trong hệ sinh thái giúp phát triển chăm sóc sức khỏe tốt
hơn.
IoT giúp cách mạng hóa chăm sóc sức khỏe và cung cấp các giải pháp
thân thiện với túi tiền cho bệnh nhân và chuyên gia chăm sóc sức khỏe.
Hình 2.3. Ứng dụng Internet vào chăm sóc sức khỏe
27
2.2.4. Chuỗi cung ứng thông minh
Chúng ta đang sống trong thời đại thị trường tài chính đầy biến động và
sự gián đoạn của mạng lưới cung ứng, và có khả năng hình dung những sự kiện
này có thể mang lại cho doanh nghiệp lợi thế cạnh tranh so với các đối thủ.
Đám mây cho phép thông tin lưu chuyển trong công ty theo thời gian thực, do
đó tăng cường giao tiếp hiệu quả giữa các bộ phận khác nhau. Tất cả các nhà
khai thác cảng như quản lý đội tàu, lái xe và hãng vận tải hàng hóa có thể trao
đổi thông tin nhanh chóng, giảm tắc nghẽn và hợp lý hóa các hoạt động cảng.
Điện toán đám mây cũng có thể giúp khắc phục thảm họa trong hậu cần cảng.
Các cảng lưu trữ rất nhiều dữ liệu liên quan đến hàng hóa và bất kỳ lỗi nào của
con người hoặc thảm họa tự nhiên có thể làm gián đoạn các doanh nghiệp. Đám
mây cung cấp một nền tảng an toàn và vững chắc để lưu trữ dữ liệu và giữ an
toàn trước các thảm họa hoặc lỗi của con người. Hơn nữa, các công nghệ điện
toán đám mây có khả năng tăng cường xả và tải container tại cảng.
Hình 2.4. Ứng dụng Internet vào chuỗi cung ứng, vận chuyển
IoT giúp giảm chi phí và mở ra các cơ hội để tạo thêm doanh thu. Các
cổng có thể sử dụng IoT hoặc công nghệ dựa trên dữ liệu khác trong các lĩnh
vực như theo dõi lô hàng và giám sát lưu trữ kho. Nó cũng có thể được sử dụng
để giám sát việc sử dụng cần cẩu, mang, thiết bị lưu trữ, bãi đỗ xe, xe tải và
28
các loại cơ sở hạ tầng khác. Điều này giúp xác định chính xác các tài nguyên
được sử dụng và lập kế hoạch để tối ưu hóa nâng cao. Cảm biến báo động dựa
trên công nghệ IoT có thể được sử dụng để phát hiện hành vi trộm cắp và cải
thiện an ninh hàng hóa trong cảng. Các cảm biến cũng có thể được sử dụng để
theo dõi các điều kiện môi trường như độ ẩm và nhiệt độ, do đó giúp các nhà
khai thác cảng cung cấp các điều kiện lưu trữ phù hợp cho các hàng hóa khác
nhau. Cảng có thể sử dụng các hệ thống của mình để liên lạc với các tàu trên
biển, hướng chúng đến vị trí lắp ghép của chúng. Ngoài ra, các hệ thống có thể
được sử dụng để hướng xe tải đến bãi đậu xe có sẵn, do đó quản lý tắc nghẽn
và nâng cao hiệu quả trong cảng.
Chuỗi cung ứng đã trở nên thông minh hơn trong vài năm. Cung cấp
giải pháp cho các vấn đề như theo dõi hàng hóa trong khi họ đang đi trên đường,
khi quá cảnh hoặc giúp nhà cung cấp trao đổi thông tin khoảng không quảng
cáo là một số dịch vụ phổ biến.
Với một hệ thống được kích hoạt IoT, thiết bị nhà máy có chứa các cảm
biến nhúng truyền dữ liệu về các thông số khác nhau như áp suất, nhiệt độ và
sử dụng máy. Hệ thống IoT cũng có thể xử lý quy trình làm việc và thay đổi
cài đặt thiết bị để tối ưu hóa hiệu suất.
29
2.2.5. Nông nghiệp thông minh
Hình 2.5 Mô phỏng ứng dụng Internet trong nông nghiệp
Nông nghiệp thông minh là một thuật ngữ rộng thu thập các hoạt động
sản xuất thực phẩm và nông nghiệp có ứng dụng công nghệ 4.0, bao gồm: IoT,
Big Data và công nghệ phân tích tiên tiến.
Các ứng dụng Internet phổ biến khác trong nông nghiệp thông minh có thể kể
đến như:
+ Các hệ thống dựa trên cảm biến để giám sát cây trồng, đất, đồng ruộng,
chăn nuôi, kho chứa, hoặc bất kỳ yếu tố quan trọng nào ảnh hưởng đến sản
xuất.
+ Xe nông nghiệp thông minh, máy bay không người lái, robot tự động
và thiết bị truyền động.
Lợi ích của việc sử dụng Internet trong nông nghiệp
Giống như trong các ngành công nghiệp khác, ứng dụng Internet trong
nông nghiệp hứa hẹn hiệu quả trước đây không có, giảm tài nguyên và chi phí,
30
tự động hóa dựa trên phân tích dữ liệu, và tối ưu hóa quy trình. Tuy nhiên, riêng
đối với ngành nông nghiệp, vai trò của Internet là vô cùng quan trọng. Nó sẽ
mang tới các giải pháp bước ngoặt, giải quyết những vấn đề cấp bách liên quan
tới sự sinh tồn và phát triển của loài người.
Hiệu quả vượt trội: Ngày nay, ngành nông nghiệp là một cuộc đua. Nông dân
bị thúc ép phải trồng nhiều sản phẩm hơn trong khi chất lượng đất ngày một tệ
hơn, diện tích ngày một giảm và biến động thời tiết ngày một phức tạp. IoT
trong nông nghiệp sẽ cho phép nông dân theo dõi sản phẩm và điều kiện của
họ trong thời gian thực. Họ nhận được thông tin chi tiết nhanh, có thể dự đoán
các vấn đề trước khi chúng xảy ra và đưa ra quyết định sáng suốt về cách phòng
tránh chúng. Ngoài ra, các giải pháp IoT trong nông nghiệp cũng cho phép thực
hiện quy trình sản xuất tự động, ví dụ, tưới tiêu, bón phân dựa trên nhu cầu và
robot thu hoạch tự động.
Phủ sóng nông nghiệp: Vào thời điểm dân số thế giới chạm ngưỡng 9 tỷ
người, 70% trong số đó sẽ sống ở khu vực thành thị. Nhà kính và hệ thống thủy
canh dựa trên IoT đặt trong lòng thành phố sẽ là cứu cánh, cung cấp nguồn
thực phẩm như trái cây và rau tươi ngắn hạn cho công dân thành thị.. Các hệ
thống nông nghiệp chu trình khép kín thông minh cho phép người ta cơ bản là
trồng được thực phẩm ở khắp mọi nơi, trong các siêu thị, trên các tòa nhà chọc
trời, tường và mái nhà, trong các container vận chuyển và, tất nhiên, trong
chính gia đình mình.
Giảm tài nguyên: Rất nhiều giải pháp IoT trong nông nghiệp được tập trung
vào việc tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên, như: Nước, năng lượng, đất đai.
Canh tác chính xác bằng cách sử dụng IoT dựa trên dữ liệu được thu thập từ
các cảm biến khác nhau sẽ giúp nông dân phân bổ chính xác để sử dụng vừa
đủ tài nguyên cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển nông sản.
Quy trình sạch hơn: Điều tương tự cũng liên quan đến thuốc trừ sâu và phân
bón. Các hệ thống dựa trên IoT để canh tác chính xác giúp các nhà sản xuất tiết
31
kiệm nước và năng lượng, không chỉ làm cho nông nghiệp xanh hơn, mà còn
giảm đáng kể việc sử dụng thuốc trừ sâu và phân bón. Cách tiếp cận này cho
phép có được một sản phẩm cuối cùng sạch hơn và hữu cơ hơn so với các
phương pháp nông nghiệp truyền thống.
Nhanh chóng: Một trong những lợi ích của việc sử dụng IoT trong nông
nghiệp là cải tiến tốc độ của các quy trình. Nhờ hệ thống giám sát và dự đoán
thời gian thực, nông dân có thể nhanh chóng phản ứng với mọi thay đổi đáng
kể về thời tiết, độ ẩm, chất lượng không khí cũng như sức khỏe của từng loại
cây trồng hoặc đất trên đồng ruộng. Đặc biệt, trong điều kiện thời tiết thay đổi
thất thường hoặc khắc nghiệt, việc ứng dụng IoT trong nông nghiệp sẽ có thể
giúp người nông dân thời đại mới cứu lấy mùa màng.
Cải thiện chất lượng nông sản: Nông nghiệp dựa trên nền tảng công nghệ sẽ
cho ra đời các sản phẩm tốt hơn. Bằng việc sử dụng cảm biến đất và cây trồng,
giám sát bằng máy bay không người lái (drone) trên không và lập bản đồ trang
trại, nông dân có thể hiểu rõ hơn sự phụ thuộc chi tiết giữa các điều kiện và
chất lượng của cây trồng. Sử dụng các hệ thống được kết nối, họ có thể tạo lại
các điều kiện tốt nhất và tăng giá trị dinh dưỡng của sản phẩm.
2.2.6. Ứng dụng Internet vào giám sát kho lạnh.
Hiện nay trên thị trường đã có một số thiết bị giám sát nhiệt độ độ ẩm của
kho lạnh rồi gửi thông tin lên mạng Internet, ví dụ như hệ thống phía dưới, dữ liệu
được truyền không dây qua wifi để gửi từ đầu cảm biến đến thiết bị thu thập. Sau
đó từ các thiết bị thu thập lại gửi các thông tin đó lên mạng và người truy cập có
thể truy cập mạng Internet bằng điện thoại để theo dõi, giám sát hệ thống. Ngoài
ra, các thông số hoặc tin cảnh báo có thể đc gửi thẳng tới điện thoại thông qua tin
nhắn SMS.
32
Hình 2.6 Một hệ thống giám sát nhiệt độ độ ẩm qua mạng Internet
Hệ thống như trên rất hữu ích với những yêu cầu dân dụng thông thường,
tuy nhiên, trong môi trường công nghiệp với nhiều nguồn nhiễu khác nhau thì
những kết nối có dây lại luôn được đánh giá cao về độ ổn định, tránh bị ảnh hưởng
từ các thiết bị khác thiết bị khác trong nhà máy (và ngược lại, tránh gây ảnh hưởng,
tạo nhiễu cho các thiết bị khác).
2.3. Các phương pháp kết nối, hiển thị thông số lên mạng
2.3.1 MQTT (Message Queue Telemetry Transport)
a. Giới thiệu chung về MQTT
Đây là một giao thức truyền thông điệp (message) theo mô hình
publish/subscribe (xuất bản – theo dõi), sử dụng băng thông thấp, độ tin cậy
cao và có khả năng hoạt động trong điều kiện đường truyền không ổn định.
33
Kiến trúc mức cao (high-level) của MQTT gồm 2 phần chính là Broker
và Clients.
Trong đó, broker được coi như trung tâm, nó là điểm giao của tất cả các
kết nối đến từ client. Nhiệm vụ chính của broker là nhận mesage từ publisher,
xếp các message theo hàng đợi rồi chuyển chúng tới một địa chỉ cụ thể. Nhiệm
vụ phụ của broker là nó có thể đảm nhận thêm một vài tính năng liên quan tới
quá trình truyền thông như: bảo mật message, lưu trữ message, logs,…
Client thì được chia thành 2 nhóm là publisher và subscriber. Client là
các software components hoạt động tại edge device nên chúng được thiết kế
để có thể hoạt động một cách linh hoạt (lightweight). Client chỉ làm ít nhất một
trong 2 việc là publish các message lên một topic cụ thể hoặc subscribe một
topic nào đó để nhận message từ topic này.
Hình 2.7. Mô hình MQTT
MQTT Clients tương thích với hầu hết các nền tảng hệ điều hành hiện
có: MAC OS, Windows, LInux, Androids, iOS…Có thể tưởng tượng broker
giống như một sạp báo. Publisher là các tòa soạn báo. Tòa soạn in báo và
chuyển cho sạp báo. Người đọc báo đến sạp báo, chọn tờ báo mình cần đọc
(subscriber).
Bởi vì giao thức này sử dụng băng thông thấp trong môi trường có độ
trễ cao nên nó là một giao thức lý tưởng cho các ứng dụng M2M (Machine to
machine)
34
Giao thức MQTT ra đời năm 1999 và tính đến thời điểm hiện tại, MQTT
phiên bản 3.1.1 được công nhận chuẩn OASIS.
b.Ưu điểm của MQTT
Giao thức MQTT cho phép hệ thống SCADA của bạn truy cập dữ liệu
IoT. MQTT mang lại nhiều lợi ích :
+ Chuyển thông tin hiệu quả hơn.
+ Tăng khả năng mở rộng.
+ Giảm đáng kể tiêu thụ băng thông mạng.
+ Giảm tốc độ cập nhật xuống giây.
+ Rất phù hợp cho điều khiển và do thám.
+ Tối đa hóa băng thông có sẵn.
+ Chi phí cực nhẹ.
+ Được sử dụng bởi ngành công nghiệp dầu khí, Amazon, Facebook và
các doanh nghiệp lớn khác.
+ Tiết kiệm thời gian phát triển.
Giao thức publish/subscribe thu thập nhiều dữ liệu hơn với ít băng thông
hơn so với giao thức cũ.
c. Bảo mật
MQTT được thiết kế một cách nhẹ và linh hoạt nhất có thể. Do đó nó
chỉ có 1 lớp bảo mật ở tầng ứng dụng: bảo mật bằng xác thực (xác thực các
client được quyền truy cập tới broker).
Tuy vậy, MQTT vãn có thể được cài đặt kết hợp với các giải pháp bảo
mật đa tầng khác như kết hợp với VPN ở tầng mạng hoặc SSL/TLS ở tầng
transport.
35
MQTT được thiết kế nhằm phục vụ truyền thông machine-to-machine
nhưng thực tế chứng minh nó lại linh hoạt hơn mong đợi. Nó hoàn toàn có thể
áp dụng cho các kịch bản truyền thông khác như: machine-to-cloud, cloud-to-
machine, app-to-app. Chỉ cần có một broker phù hợp và MQTT client được cài
đặt đúng cách, các thiết bị xây dựng trên nhiều nền tảng khác nhau có thể giao
tiếp với nhau một cách dễ dàng.
2.3.2 HTTP
HTTP là viết tắt của Hypertext Transfer Protocol. Đây là giao thức
nền tảng của các web hiện đại
Hình 2.8. Giao thức http
Trọng tâm của giao thức HTTP web là các request được gửi đến một
Uniform Resource Locators (URL). Các URL có một cấu trúc đơn giản mà
bao gồm của các thành phần sau:
Hình 2.9. Cấu trúc đường dẫn theo giao thức http
Giao thức thường là http, nhưng phổ biến hơn hiện nay là https với
tính năng bảo mật dữ liệu truyền nhận. Các cổng mặc định là 80, nhưng một
36
trong có thể thể được thiết lập một cách rõ ràng, như minh họa trong các hình
ảnh ở trên. Các resource path là địa chỉ của resource được yêu cầu trên server.
Verbs
URLs tiết lộ các thông tin địa chỉ của các server mà chúng ta muốn
giao tiếp, nhưng các verb là các hành động yêu cầu cần được thực hiện trên
server được xác định thông qua HTTP.
Những verb yêu cầu phổ biến là:
GET: lấy một nguồn tài nguyên hiện có. URL chứa tất cả các thông
tin cần thiết các máy chủ cần phải xác định vị trí và trả lại tài nguyên.
POST: tạo ra một nguồn tài nguyên mới. POST yêu cầu thường mang
một tải trọng mà xác định các dữ liệu về tài nguyên mới.
PUT: cập nhật một nguồn tài nguyên hiện có. Tải trọng có thể chứa
dữ liệu cập nhật của nguồn tài liệu.
DELETE: xóa một nguồn tài nguyên hiện có.
Status Code
Server sau khi xử lý request từ client thì sẽ trả về status code và nội
dung thông báo trong response. Status code cho biết kết quả của việc xử lý.
Các status code phổ biến:
2xx: Successful
Điều này nói với khách hàng rằng các yêu cầu đã được xử lý thành
công. Các mã phổ biến nhất là 200 OK. Đối với một yêu cầu GET, máy chủ
sẽ gửi tài nguyên trong nội dung thư. Có mã số ít được sử dụng khác:
3xx: Redirection
4xx: Request của client có lỗi. Phổ biến nhất là 404 Not Found mà mọi người
khá quen thuộc
37
5xx: Server Error, máy chủ gặp lỗi trong quá trình xử lý. Thông dụng nhất
là 500 Internal Server Error.
2.4. Chuẩn giao tiếp RS485
2.4.1 Khái niệm và nguyên lý Modbus RTU
a. Khái niệm:
Modbus là một giao thức truyền thông nối tiếp ban đầu được Modicon
(nay là Schneider Electric) trình làng năm 1979 để sử dụng với các bộ điều
khiển logic lập trình (PLC). Modbus đã trở thành một giao thức truyền thông
tiêu chuẩn thực tế và hiện là phương tiện phổ biến để kết nối các thiết bị điện
tử công nghiệp. Modbus thường được sử dụng để kết nối một máy tính giám
sát với một thiết bị đầu cuối từ xa (RTU) trong các hệ thống điều khiển giám
sát và thu thập dữ liệu (SCADA).
Giao thức Modbus RTU là một giao thức mở, sử dụng đường truyền vật
lý RS232 hoặc RS485 và mô hình dạng Master-Slave. Đây là một giao thức
được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực tự động hóa, công nghiệp.... vì
những ưu điểm ổn định, đơn giản, dễ dùng.
Modbus được coi là giao thức truyền thông hoạt động ở tầng "Ứng
dụng", cung cấp khả năng truyền thông Master/Slave giữa các thiết bị được kết
nối thông qua các bus hoặc network. Trên mô hình OSI, Modbus được đặt ở
lớp 7. Modbus được xác định là một giao thức hoạt động theo "hỏi/đáp" và sử
dụng các "function codes" tương ứng để hỏi đáp.
b. Nguyên lý:
Modbus RTU hoạt động dựa trên nguyên tắc Master - Slave tức là một
bên nhận (Master) và một bên truyền tín hiệu (Slave) thông qua địa chỉ thanh
ghi. Phương thức truyền của Modbus RTU bằng đường truyền vật lý RS232
hoặc Modbus RTU RS485, Modbus TCP/IP thì truyền trên địa chỉ IT thông
qua Internet.
38
Bộ chuyển đổi Z-8AI nhận 8 tín hiệu analog dạng 4-20mA hoặc 0-10V
chuyển sang Modbus RTU 2 dây trên nên tảng RS485 thông qua hệ
Hexadecimal.
Hình 2.10. Nguyên lý hoạt động Modbus RTU
2.4.2 Ưu nhược điểm của Modbus RTU
a. Ưu điểm của Modbus RTU
+ Tất cả các tín hiệu truyền trên 2 dây tín hiệu RS485 với khoảng cách
truyền xa 1200m
+ Giảm tối thiểu dây kết nối vào PLC
+ Tiết kiệm một lượng lớn Modul mở rộng PLC
+ Giảm không gian lắp đặt do bộ chuyển đổi có thiết kế mỏng nhỏ gọn
so với Module mở rộng của PLC
+ Độ ổn định và ít nhiễu so với tín hiệu analog 4-20mA
+ Các Module độc lập nhau nên quản lý dể dàng
+ Có thể dùng chung các hãng khác nhau có chuẩn Modbus RTU.
b. Nhược điểm của Modbus RTU
Tín hiệu không nhanh bằng việc dùng trực tiếp như analog hoặc
digital
Chỉ phù hợp cho điều khiển có thời gian đáp ứng 1s trở xuống
Cần PLC hay Scada có cấu hình mạnh đủ để đọc tất cả các thanh ghi
khi dùng nhiều bộ chuyển đổi Modbus RTU
39
2.4.3. Phân biệt RS485 và RS232
a. Tổng quan về RS232
RS232 còn được gọi là cổng COM thường được thấy trong các máy
tính bàn và tất cả đều có công truyền thông theo chuẩn RS232 để giao tiếp các
thiết bị khác như máy in, máy fax ….
RS-232 sử dụng 3 dây Tx (truyền), Rx (nhận tín hiệu) và GND (đất).
RS 232 hoạt động dựa trên sự chênh lệch áp giữa TX, RX và GND.
Nhược điểm của chuẩn truyền RS232 là tín hiệu không thể truyền đi xa,
do việc mất mát tín hiệu không thể phục hồi được, và việc kết nối theo chuẩn
RS232 chỉ được thực hiện giao tiếp giữa 2 thiết bị (point-to-point) nên hạn chế
số lượng thiết bị có trong mạng.
Một số đặc điểm của chuẩn truyền RS232 là : khoảng cách truyền tối
đa là 15m, tốc độ truyền là 20Kbps, hỗ trợ kết nối điểm-điểm trên một mạng.
Hình 2.11: Kết nối dùng cổng RS232
b.Tổng quan về RS485
Chuẩn RS485 chỉ truyền trên 2 dây A và B sử dụng sự chênh lệch áp
giữa A và B theo logic 0 hoặc 1 chứ không hề so sánh với đất. Điều này đảm
bảo tín hiệu truyền đi xa bởi khi nếu có trường hợp sụt áp thì đồng thời hai dây
đều sụt áp nên tín hiệu vẫn đảm bảo logic 1 hoặc 0.
40
Hình 2.12: Mô hình giao tiếp RS485
Giả sử A=1, B=0 thì thì dữ liệu nhận biết data bằng 1 và khi A=0, B=1
thì dữ liệu nhận biết là data bằng 0. Do cách so sánh trên khi bị suy giảm thì
sự chênh lệch điện áp vẫn không đổi chính vì thế mà tín hiệu truyền trên RS485
đi rất xa mà vẩn đảm bảo chính xác.
+ Khi sự chênh lệch điện áp giữa A và B nằm trong khoảng,-6V đến -
1.6V thì dữ liệu được nhận tương ứng với mức 1.
+ Khi sự chênh lệch điện áp giữa A và B nằm trong khoảng +1,5 đến
+6V thì dữ liệu được nhận tương ứng với mức 0.
Ưu điểm lớn nhất của chuẩn RS485 chính là truyền đi xa tới 1200m và
có thể kết nối nhiều thiết bị trên cùng một mạng chuẩn RS485 và kết nối tối
đa 32 thiết bị cùng lúc.
41
c. Sự khác nhau giữa RS232 và RS485
RS232 chỉ cho phép truyền theo phương thức điểm (point) – điểm
(point) trong khi RS485 truyền theo phương thức đa điểm. Tức là có thể truyền
nhiều tín hiệu khác nhau trong cùng một mạng (max 32 thiết bị).
Tốc độ truyền của RS232 (20 Kbits/s) nhanh nhưng khoảng cách
truyền ngắn (max 15m). Ngược lại, RS485 (10Mbit/s) có thể truyền đi xa (max
1200m)
2.4.4. IC max485
Hình 2.13: IC max485
Max 485 gồm bộ lái và bộ thu, tín hiệu vào bộ lái D logic TTL đổi thành
2 tín hiệu A và A, khi tín hiệu điều khiển DE mức thấp thì 2 chân AA cách ly
với vi mạch. Tín hiệu vào bộ thu là A và A, tín hiệu ra R logic TTL tùy thuộc
hiệu điện áp giữa A và A, khi RE logic 1 thì R cách ly với vi mạch.
42
Hình 2.14: Sơ đồ nối chân của IC max485
Chức năng Tên chân Stt chân
Nhận tín hiệu từ bus 485 RO 1
RE 2 Mức logic 0 trên chân này sẽ cho phép nhận tín hiệu
Mức logic 1 trên chân này sẽ cho phép gửi tín hiệu DE 3
Gửi dữ liệu ra bus 485 DI 4
GND Nối đất 5
Kết hợp với chân B mã hóa Visai dữ liệu A 6
Kết hợp với chân A mã hóa Visai dữ liệu B 7
VCC Nguồn nuôi điện áp cấp 5V 8
Hình 2.15: Thông số chân của IC max485
Thông số kỹ thuật:
- Max485 là bộ truyền nhận dữ liệu năng lượng thấp dùng cho chuẩn
RS485.
- Tốc độ bit Max= 2,5Mbps
- Có thể kết nối tối đa 32 thiết bị trên bus 485.
43
- Điện áp hoạt động : -7V đến 12V (ổn định nhất ở 5V)
- Bus Max485 truyền dữ liệu vi sai bằng 2 dây A, B nên khoảng cách
truyền lớn, khả năng chống nhiễu tốt.
- Với A-B > 200mV sẽ tạo mức logic 1.
- Với B-A > 200mV sẽ tạo mức logic 0.
Max 485 làm việc theo chế độ master-slave, master cho DE mức 1 để
truyền dữ liệu, còn các slave có DE=0, RE=0 chờ nhận dữ liệu. Khi master
muốn nhận dữ liệu thì DE=0, RE=0 còn slave phát sẽ có DE=1, RE=1. Điều
khiển các đường DE, RE bằng tín hiệu RTS hay mạch định thời.
2.5. Kết luận chương 2
Trong chương này, luận văn đã đi giới thiệu về Internet đồng thời đưa
ra những ứng dụng của Internet nói chung cũng như ứng dụng của Internet
trong giám sát kho lạnh.
Nội dung của chương cũng chỉ ra những phương pháp kết nối hiện thị
dữ liệu lên mạng Internet, từ đó tác giả lựa chọn sử dụng phương thức html để
đưa dữ liệu trên mạng.
Một phần quan trọng của chương là phần tìm hiểu về chuẩn RS485, và
cụ thể là giao thức ModBus RTU. Đây là giao thức được sử dụng phổ biến
trong công nghiệp, và cũng chính là giao thức được tác giả lựa chọn sử dụng
trong phần thực nghiệm của luận văn này.
Tóm lại, kết quả cuối cùng của chương 2 chính là nghiên cứu, khảo sát
và đưa ra phương án lựa chọn để xây dựng hệ thống giám sát nhiệt độ kho lạnh
qua mạng Internet, bao gồm:
+ Sử dụng phương thức thu thập tín hiệu sử dụng ModBus RTU.
+ Đưa dữ liệu lên mạng sử dụng giao thức http.
44
Nội dung chi tiết về sơ đồ thiết kế, lựa chọn thiết bị sẽ được trình bày
trong chương 3.
45
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÀN HÌNH GIÁM SÁT, HIỂN THỊ NHIỆT
ĐỘ, ĐỘ ẨM CỦA KHO LẠNH
3.1 Mô tả bài toán
- Đối tượng giám sát: Nhiệt độ và độ ẩm trong kho lạnh
- Mô tả bài toán: Trong kho lạnh đặt 2 cảm biến nhiệt độ và độ ẩm ở 2 vị trí.
Giá trị nhiệt độ và độ ẩm từ cảm biến báo về được hiển thị lên màn hình Lcd
và được gửi lên mạng internet. Người dùng truy cập vào trang web đã tạo và
theo dõi được thông số nhiệt độ và độ ẩm, đồng thời điều khiển được tốc độ
quạt trong kho lạnh.
3.2. Sơ đồ khối thiết bị
Như theo kết luận của chương 2, ta có thể phân tích và chỉ ra rằng phần
cứng của thiết bị sẽ gồm hai khối chính:
+ Khối cảm biến, đây là khối trực tiếp làm việc với cảm biến và đưa ra
kết quả đo. Kết quả này được truyền về khối truyền thông thông qua đường
truyền RS485.
+ Khối truyền thông, là khối có chức năng nhận tín hiệu từ cảm biến,
hiển thị kết quả đo, đồng thời đưa những kết quả đo này lên mạng Internet để
người sử dụng có thể truy cập và theo dõi.
Trong hệ thống có thể có một hoặc nhiều khối cảm biến đều được kết
nối chung với đường truyền RS485. Vậy ta sẽ có những sơ đồ khối như sau:
46
KHỐI CẢM
INTERNET
BIẾN 01
KHỐI R
TRUYỀN S
KHỐI CẢM
4
THÔNG
BIẾN 02
8 INTERNET 5
KHỐI CẢM
BIẾN 03
Hình 3.1: Sơ đồ khối toàn hệ thống
KHỐI TRUYỀN
THÔNG RS 485
KHỐI
CẢM BIẾN
XỬ LÝ
KHỐI
NHIỆT ĐỘ,
TRUNG TÂM
CHẤP
ĐỘ ẨM
HÀNH
KHỐI NGUỒN
Hình 3.2: Sơ đồ khối cảm biến
47
KHỐI TRUYỀN
THÔNG RS 485
KHỐI
KHỐI
TRUYỀN
XỬ LÝ
KHỐI
THÔNG LÊN
TRUNG TÂM
HIỂN THỊ
INTERNET
KHỐI NGUỒN
Hình 3.3: Sơ đồ khối khối truyền thông
Chức năng các khối trong hệ thống
+ Khối nguồn: cung cấp nguồn nuôi cho toàn bộ hệ thống
+ Khối xử lý trung tâm: tiếp nhận các giá trị từ cảm biến, tiến hành tính toán
điều khiển thiết bị chấp hành, gửi và nhận giữ liệu từ chuẩn RS485 và chuẩn
Internet,
+ Khối hiển thị: hiển thị các thông số nhiệt độ độ ẩm lên màn hình LCD
+ Khối truyền thông: Tiến hành giao tiếp giữa các khối theo chuẩn RS485
và gửi giữ liệu nhiệt độ, độ ẩm lên internet và đồng thời nhận lệnh điều khiển từ
Internet gửi về.
+ Khối cảm biến: Thu thập nhiệt độ độ ẩm gửi về khối xử lý.
+ Khối chấp hành: Điều chỉnh tốc độ quạt theo lệnh từ khối xử lý
48
3.3. Mạch nguyên lý
3.3.1 Mạch nguyên lý khối cảm biến
Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến
49
3.3.2 Mạch nguyên lý khối truyền thông
Hình 3.5. Sơ đồ nguyên lý khối truyền thông
50
3.4. Nguyên lý hoạt động của hệ thống
Khi được cấp nguồn thì hệ thống sẽ hoạt động theo nguyên lý sau:
Các nút giám sát nhận tín hiệu từ cảm biến (ở đây là cảm biến nhiệt độ, độ
ẩm DHT22) sau đó gửi giá trị đo được về node truyền thông qua đường truyền
RS485 (Module RS485 thực hiện chuyển đổi “TTL to RS485” và ngược lại).
Khung truyền này được thể hiện ở hình dưới.
Start Byte ID Byte Check Byte Temp Byte Humi Byte Stop Byte
Các byte trong khung truyền bao gồm:
+ Start Byte: Ta chọn là ký tự “@”.
+ Check Byte: Ta chọn là ký tự “#”.
+ Dữ liệu gồm có hai byte, một byte là giá trị nhiệt độ, byte thứ hai là giá
trị độ ẩm. Mặc dù kết quả trả về từ cảm biến DHT22 gồm cả phần nguyên và phần
thập phân của nhiệt độ, độ ẩm nhưng ta chỉ lấy phần nguyên của những giá trị này.
+ Stop Byte : Ta chọn là ký tự “$”.
Từ đó ta thấy các bước thu thập tín hiệu của Module truyền thông sẽ là:
Bước 1: Chờ tín hiệu nhận được trên đường truyền RS485, nếu tín hiệu
nhận được là “@” thì chuyển sang bước 2.
Bước 2: Lưu các byte nhận được vào mảng dữ liệu, mảng dữ liệu ở đây
gồm có 6 byte như đã nêu ở phía trên.
Bước 3: Kiểm tra tính đúng đắn của khung truyền nhận được, nếu byte thứ
nhất là “@’, byte thứ 3 là “#” và byte thứ 6 là “$” thì khung truyền là đúng. Ta
chuyển sang bước 4.
Bước 4: Lấy byte thứ 2 trong mảng vừa nhận được để xác định ID của
module giám sát, byte thứ 4 là giá trị nhiệt độ và byte thứ 5 là trị độ ẩm đo được.
51
Sau khi nhận được dữ liệu từ các module cảm biến thì module truyền thông
gửi dữ liệu lên server thông qua ESP8266.
Ở đây, ta sử dụng ESP8266 để tạo một sever, ESP8266 hỗ trợ tạo server lưu
trên bộ nhớ flash lên tới 4MB, với dung lượng của ứng dụng trong bài này thì dung
lượng đó hoàn toàn đủ. Sau này, ta có thể tiếp tục phát triển hệ thống với nhũng
tính năng lưu trữ, thống kê số liệu thì có thể chuyển qua những sever khác. Địa chỉ
đường dẫn của server này mặc định là “192.168.4.1”. Khi đã kết nối với wifi ta có
thể mở trình duyệt và truy cập đến server theo đường dẫn này hoặc
“192.168.4.1/index”. Wifi dùng cho ứng dụng này, ta có thể thiết lập cho bất kỳ
một wifi đang khả dụng nào với cú pháp:
WiFi.begin("tenwifi","matkhau");
Tuy nhiên, nếu muốn kiểm tra hoạt động của hệ thống ngay cả khi không
có mạng wifi và Internet thì ta có thể chọn thêm một cách khác là sử dụng wifi của
chính ESP8266. Trong chương trình, ta thiết lập ESP8266 ở chế độ phát wifi với
tên wifi là “esp1” và mật khẩu là “12345678” với thao tác như sau:
WiFi.mode(WIFI_AP);
WiFi.softAP("esp1","12345678");
Khi đã thiết lập wifi như vậy, khi kiểm tra hoạt động của hệ thống, ta chỉ
cần kết nối với wifi “esp1”và truy cập vào server đã tạo trước đó.
Ở đây, ta đặt đối tượng “sv” mang thuộc tính của server trên ESP8266. Hay
có thể hiểu chính là tên của server trên ESP8266:
ESP8266WebServer sv(80);
Ta có dữ liệu từ khối truyền thông lên server như sau:
sv.on("/index",[]{sv.send(200,"text/html",readData("index.html"));});
sv.on("/temp.html",[]{ sv.send(200,"text/html",String(temp));});
sv.on("/humi.html",[]{ sv.send(200,"text/html",String(humi));});
52
sv.on("/temp2.html",[]{ sv.send(200,"text/html",String(temp2));});
sv.on("/humi2.html",[]{ sv.send(200,"text/html",String(humi2));});
sv.on("/trangthai.html",[]{sv.send(200,"text/html",String(trangthai));});
Ở dòng cuối cùng, ta gửi thêm một biến “trạng thái” để biết được server đã kết
nối với cảm biến hay chưa.
Giao diện trên server ngoài chức năng hiển thị thông số nhiệt độ, độ ẩm thu
thập được còn có thêm chức năng điều khiển xuống module cảm biến. Với cơ cấu
chấp hành ở đây là quạt hoặc bộ phận làm lạnh, ta có thể tắt hoặc cho hoạt động với
ba cấp độ khác nhau. Trong mô hình thực nghiệm này, cơ cấu chấp hành chọn là quạt
DC với 3 cấp tốc độ được điều khiển bằng cách thay đổi độ rộng xung (PWM). Tín
hiệu gửi từ server gửi về tương ứng có các giá trị 0, 1, 2, 3. Các tín hiệu này được gửi
chung đến nút truyền thông một cách liên tục.
53
3.5. Lưu đồ thuật toán
3.5.1. Lưu đồ thuật toán khối cảm biến
Bắt đầu
Khởi tạo
Có tín hiệu điều khiển trên đường truyền RS 485
Đọc tín hiệu cảm biến
S
Đ
Lưu lệnh cài đặt vào EEPROM
Xử lý lệnh
Tính toán và điều khiển tốc độ quạt
Gửi giá trị độ ẩm, nhiệt độ lên bộ truyền thông
Hình 3.6: Lưu đồ thuật toán khối cảm biến
54
3.5.2. Lưu đồ thuật toán khối truyền thông.
Bắt đầu
Khởi tạo
Có tín hiệu trên đường truyền RS 485
S
Đ
Hiển thị lên LCD
Hiển thị lên Web
Hình 3.7: Lưu đồ thuật toán khối truyền thông
3.6. Giao diện website
Sau khi sử dụng phần mềm lập trình với ngôn ngữ html ta có giao diện trên
web như sau, Server này được lưu trên ESP8266 như trong phần nguyên lý hoạt
động đã trình bày ở phía trên. Ta có thể sử dụng máy tính hoặc điện thoại thông
minh để truy cập vào đường link này để kiểm tra tính đúng đắn của hệ thống.
55
Hình 3.8: Giao diện server khi truy cập bằng điện thoại
3.7. Kết quả đạt được
3.7.1. Kết quả thiết kế trên phần mềm
Từ sơ đồ nguyên lý, ta sử dụng phần mềm thiết kế để thiết kế mạch in
cho các mạch thành phần như sau:
56
Hình 3.9: Thiết kế mạch module cảm biến
Hình 3.10: Thiết kế mạch module truyền thông
57
3.7.2. Kết quả thực nghiệm
Dưới đây là một số hình ảnh của thiết bị sau khi thi công thử nghiệm
Hình 3.11: Khối truyền thông
Hình 3.12: Khối cảm biến
58
Hình 3.13: Kết nối khối cảm biến và khối truyền thông
Hình 3.14: Hiển thị kết quả đo lên khối truyền thông
59
Hình 3.15: Màn hình giám sát nhiệt độ và độ ẩm trên trang web
3.8. Kết luận chương 3
Từ những nghiên cứu ở chương 1 và chương 2, chương 3 của luận văn
đã từng bước xây dựng phần thực nghiệm để kiểm chứng tính đúng đắn của
hệ thống. Tác giả đã đưa ra sơ đồ thiết kế mạch phần cứng từ đó xây dựng lưu
đồ thuật toán và phần mềm điều khiển. Cuối cùng tác giả đã đi chế tạo mạch
thực nghiệm và chạy tương thích với phần mềm
Đồng thời, tác giả cũng đã xây dựng giao diện web để hiển thị kết quả
thu thập được từ cảm biến để gửi lên. Mặc dù phần cứng, phần giao diện còn
đơn giản nhưng cũng đã hoạt động ổn định, đáp ứng được yêu cầu đưa ra của
bài toán.
60
KẾT LUẬN
Qua quá trình tìm hiểu nghiên cứu, em đã hoàn thành luận văn “Nghiên
cứu phương pháp giám sát nhiệt độ, độ ẩm của kho lạnh qua mạng internet”.
Luận văn đã đưa ra các phương pháp giám sát nhiệt độ, độ ẩm trong thực tế từ đơn
giản đến tiên tiến. Từ đó luận văn đã chọn phương pháp giám sát nhiệt độ, độ ẩm
qua mạng internet, một phương pháp giám sát hiện đại phù hợp với công nghệ 4.0
hiện nay. Sản phẩm của luận văn không chỉ ứng dụng trong việc giám sát nhiệt độ,
độ ẩm của kho lạnh mà còn ứng dụng giám sát trong nhiều lĩnh vực khác.
Tuy nhiên, luận văn cũng còn một số hạn chế cần khắc phục
+ Mô hình thực nghiệm còn đơn giản, số điểm đo còn ít.
+ Giao diện web đơn giản
Trong quá trình học hỏi và làm luận văn em được sự giúp đỡ tận tình của
thầy giáo Ts.Lê Hùng Linh cùng các thầy (cô) giáo trong khoa Công nghệ Tự động
hóa. Tuy nhiên do kiến thức và trình độ còn hạn hẹp nên trong quá trình làm luận
văn em không khỏi mắc phải những thiếu sót và hạn chế. Vậy em rất mong nhận
được sự đóng góp ý kiến, nhận xét của các thầy (cô) giáo cùng toàn thể các bạn để
luận văn của em có thể hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
61
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1] - Điều chỉnh tự động Truyền động điện – Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn,
Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi – NXB khoa học và kỹ thuật – 2004.
[2] - Tài liệu hướng dẫn thiết kế thiết bị điện tử công suất – Trần Văn Thịnh - ĐH
Bách khoa Hà Nội – 2000.
[3] – Truyền động điện - Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn – NXB Khoa học và
kỹ thuật – 2001
Tiếng Anh
[4] Davide Magrin, Marco Centenaro, and Lorenzo Vangelist, Performance Evaluation of LoRa Networks in a Smart City Scenario, IEEE ICC 2017 SAC Symposium Internet of Things Track, 21-25 May 2017
[5] Eyuel D. Ayele, Chiel Hakkenberg, Jan Pieter Meijers, Kyle Zhang, Nirvana
Meratnia, Paul J.M. Havinga, Performance Analysis of LoRa Radio for an Indoor IoT Application, 2017 International Conference on Internet of Things for the
Global Community (IoTGC), 10-13 July 2017.
[6] Hugh Jack, Automation Manufacturing Systems with PLCs, 2005.
[7] Tran Quang Vinh, Pham Manh Thang, Phung Manh Duong, “Controlling
Communication Network in the Building Automation System,” Journal of
Science,Vietnam National University, pp.129-140, Vol.26, 2010
[8] W. Bolton, Programmable Logic Controller, Elsevier Newnes Publisher, 2006
