ĐỒ án hệ THỐNG NHÚNG kỹ THUẬT điều KHIỂN tự ĐỘNG hóa hệ THỐNG IOT QUẢN lí TRẠM TRUNG CHUYỂN

G IỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Ngày nay, công nghệ điện tử và kỹ thuật số đang thúc đẩy sự tự động hóa trong các hệ thống Sự tiến bộ của vi xử lý và vi mạch số đã được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực điều khiển, giúp xử lý thông tin nhanh chóng và hiệu quả hơn, phục vụ tốt hơn cho cuộc sống con người.

Trong quản lý hàng hóa, việc áp dụng các phương pháp thủ công thường tiêu tốn nhiều thời gian Thay vào đó, việc sử dụng cân điện tử kết hợp với Node Red để xuất nhập dữ liệu lên Google Sheet sẽ giúp kiểm soát khối lượng và quản lý sản phẩm hiệu quả hơn.

1 giải pháp hiệu quả trong lĩnh vực này.

M ỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Đề tài này nhằm thiết lập quy trình quản lý hàng hóa bằng cách sử dụng MQTT Aedes trong Node Red để tiếp nhận và xử lý dữ liệu cân nặng từ cân điện tử Loadcell Qua đó, dữ liệu được tính toán và xuất lên Google Sheet, cho phép người dùng quản lý và hiệu chỉnh thông tin từ xa thông qua Dashboard trên Node Red.

Đ ỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

The ESP32 NodeMCU is a versatile development board that combines WiFi and Bluetooth capabilities, making it ideal for projects involving load cell weight sensors By utilizing the Arduino IDE for programming, developers can easily integrate this module into their applications Additionally, Altium software can be employed for circuit design, while Node-RED facilitates seamless connectivity between hardware components and Google Sheets for data management and visualization.

P HẠM VI NGHIÊN CỨU

Ứng dụng trong trạm trung chuyển, nhà kho, nhà máy, siêu thị ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG

Hệ Thống IoT Quản Lí Trạm Trung Chuyển SVTH: Nguyễn Đức Bảo Định

D Ự KIẾN KẾT QUẢ

Cân Loadcell sẽ đo khối lượng của hàng hóa, sau đó chuyển dữ liệu lên Node Red xử lí tính toán và xuất giá trị lên Google Sheet.

CƠ SỞ LÍ THUYẾT

M ẢNG A RRAY

Mảng (Array) là một trong những cấu trúc dữ liệu cơ bản và quan trọng, cho phép lưu trữ một số lượng phần tử cố định, tất cả đều thuộc cùng một kiểu dữ liệu Các mảng thường được sử dụng trong hầu hết các cấu trúc dữ liệu để triển khai các thuật toán Dưới đây là những khái niệm quan trọng liên quan đến mảng.

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

• Chỉ mục (Index): Mỗi vị trí của một phần tử trong một mảng có một chỉ mục số được sử dụng để nhận diện phần tử

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

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

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

• Sử dụng bộ nhớ hiệu quả

• Tính cục bộ về bộ nhớ

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

• Kích thước mảng cố định

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

S Ơ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG

Hệ thống quản lí cân nặng hàng hóa thông qua giao tiếp giữa Node Red với ESP32 bao gồm các khối được thể hiện như hình sau :

Hình 3- 1: Mô hình tổng quát của hệ thống ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG

T ÌM HIỂU VỀ M ODULE ESP32

Module ESP32 là một MCU đa dụng và mạnh mẽ, phổ biến trong thiết kế mạch PCB Wifi-Bluetooth, đặc biệt trong các ứng dụng IoT hiện nay Nó có khả năng hoạt động trong phạm vi mạng cao, tiết kiệm năng lượng và có giá thành hợp lý Với CPU độc lập và tích hợp nhiều bộ ngoại vi phong phú, bao gồm cảm biến điện dung, ESP32 đáp ứng tốt nhu cầu đa dạng của người dùng.

Thiết bị ngoại vi của ESP32:

• 18 kênh chuyển đổi tương tự số

• 10 Chân GPO cảm ứng điện dung

• 2 bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự

Hình 3- 3: Sơ đồ chân Module ESP32 ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG

C ẢM BIẾN CÂN NẶNG L OADCELL 5 KG

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

Mỗi cảm biến Load cell có đầu ra độc lập từ 1 đến 3 mV/V, và đầu ra tổng hợp được tính toán dựa trên kết quả của từng cảm biến Các thiết bị đo lường hoặc bộ hiển thị sẽ khuyếch đại tín hiệu điện, sau đó chuyển đổi qua ADC và vi xử lý với phần mềm tích hợp để thực hiện tính toán và hiển thị kết quả lên màn hình.

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

Hình 3- 4: Cảm biến Loadcell 5kg

• Ảnh hưởng nhiệt độ tới độ nhạy %RO/ độ C : 0.003

• Ảnh hưởng nhiệt độ tới điểm không %RO/ độ C: 0.02

• Độ cân bằng điểm không %RO: ±0.1

• Nhiệt độ hoạt động: -20 ~ 65 độ C

• Chất liệu cảm biến: Nhôm ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG

• Dây xanh Lá: Ngõ ra ( + )

M ẠCH GIẢM ÁP DC LM2596 3A

Hình 3- 5: Mạch giảm áp DC LM2596 3A

Mạch chuyển điện áp từ 12 V của adapter xuống 5 V để cung cấp cho mạch Thông số kỹ thuật:

• Điều chỉnh điện áp trong khoảng 1.5V – 30V

• Dòng điện đáp ứng tối đa: 3A

• Kích thước: 45mm x 20mm x 14mm

M ẠCH CHUYỂN ĐỔI ADC HX711

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

Mạch chuyển đổi ADC 24bit Loadcell HX711 là một module chuyển đổi tín hiệu analog sang digital với độ phân giải 24-bit HX711 được thiết kế đặc biệt để chuyển đổi tín hiệu từ cảm biến cầu, phục vụ cho các ứng dụng điều khiển công nghiệp Mạch này cho phép đọc giá trị từ cảm biến loadcell và truyền dữ liệu qua giao tiếp 2 dây (clock và data) đến vi điều khiển hoặc Arduino.

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

• Độ phân giải : 24 bit ADC

• Độ phân giải điện áp : 40mV

• Kích thước : 38 x 21 x 10 mm ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG

K HỐI NGUỒN CẤP NGUỒN CHO M ODULE N ODE MCU NGUỒN 5 V

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

K HỐI LƯU TRỮ A RDUINO IDE

Arduino IDE (Môi trường Phát triển Tích hợp Arduino) là phần mềm hỗ trợ lập trình và nạp mã vào các linh kiện phần cứng như board mạch, cảm biến và động cơ.

K HỐI N ODE R ED

Node-RED là công cụ lập trình kéo-thả giúp kết nối thiết bị phần cứng, API và dịch vụ trực tuyến một cách dễ dàng Với trình soạn thảo dựa trên trình duyệt, người dùng có thể kết nối các luồng bằng cách sử dụng nhiều Node trong bảng màu và triển khai chỉ với một cú nhấp chuột.

S Ơ ĐỒ KẾT NỐI CHÂN CỦA MẠCH

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

Hình 3- 10 Sơ đồ kết nối mạch

Cấp nguồn 12V DC cho mạch giảm áp chuyển từ 12V DC sang 5V DC cho mạch hoạt động

3.9.2 Khối mạch chuyển đổi ADC HX711

Hình 3- 12: Khối mạch chuyển đổi ADC HX711

Dùng để tiếp nhận dữ liệu cân nặng từ cảm biến cân nặng Loadcell và chuyển đến ESP32 để xử lý. ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG

Hình 3- 13: Sơ đồ kết nối với ESP32

Khối xử lý nhận tín hiệu từ HX711, sau đó chuyển tiếp tín hiệu này lên Node Red Tại đây, Node Red thực hiện các phép tính và gửi kết quả lên Google Sheet để ghi nhận giá trị.

GIẢI THUẬT VÀ ĐIỀU KHIỂN

H OẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG

Hệ thống sử dụng ESP32 để nhận và truyền thông tin qua Wifi, kết nối với Aedes MQTT trên Node Red, mạch chuyển đổi HX711 và cảm biến Loadcell Khi hàng hóa đến, nó sẽ được cân bằng cảm biến, giá trị cân nặng sẽ được chuyển đến mạch HX711 để chuyển đổi tín hiệu từ analog sang digital Sau đó, giá trị này được gửi đến ESP32 và tiếp tục lên Node Red để tính toán và xử lý thông qua Aedes MQTT broker Cuối cùng, kết quả sẽ được xuất lên Google Sheet, hiển thị trên Google Sheet và Dashboard.

Hình 4- 1: Lưu đồ giải thuật điều khiển ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG

Sau khi thực hiện giải thuật thành công trên testboard Mạch được layout và hàn thi công gồm các kết quả sau

Mô hình mạch in 2D được vẽ trên phần mềm Altium xuất ra file PDF:

Hình 5- 1: Sơ đồ chân mạch in 2D

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

Hình 5- 2: Sơ đồ chân mạch in 3D mặt trước ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG

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

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

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

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

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

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

Hình 5-6: ESP32, HX711 và cân Loadcell ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG

- B2: Nạp code vào esp32 và boots

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

K ẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

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

Hình 5-8: Giá trị trên GoogleSheet

Hình 5-9: Giá trị trên Dashboard

K ẾT LUẬN THỰC NGHIỆM

Kết quả thu được vẫn còn nhiều hạn chế, với giá trị chưa được hiệu chỉnh chính xác Cảm biến cân nặng cung cấp giá trị liên tục và khó kiểm soát, tự động cộng thêm 1 mỗi khi hàng hóa được đặt lên Nếu giá trị lớn hơn 150000, hệ thống sẽ publish giá trị cân nặng và chuyển dữ liệu lên Google Sheet và Dashboard, giúp chúng ta hiểu rõ hơn về quy trình quản lý và giám sát khối lượng hàng hóa.

Tiêu đề	Hệ Thống IoT Quản Lí Trạm Trung Chuyển
Tác giả	Nguyễn Đức Bảo Định
Người hướng dẫn	TS. Trần Việt Hùng
Trường học	Trường Đại Học Tôn Đức Thắng
Thể loại	Đồ án
Năm xuất bản	2021
Thành phố	Thành Phố Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	34
Dung lượng	1,5 MB