HỆ THỐNG IOT QUẢN LÍ TRẠM TRUNG CHUYỂN ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HÓA

NGUYỄN ĐỨC BẢO ĐỊNH

HỆ THỐNG IOT
QUẢN LÍ TRẠM TRUNG CHUYỂN

ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HÓA


NGUYỄN ĐỨC BẢO ĐỊNH - 41703051

HỆ THỐNG IOT
QUẢN LÍ TRẠM TRUNG CHUYỂN
ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HÓA
Người hướng dẫn
TS. TRẦN VIỆT HÙNG




LỜI CẢM ƠN
Để có thể hồn thành đồ án này, em đã nhận được nhiều sự trợ giúp, đóng góp ý
kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cơ, gia đình và bạn bè. Bên cạnh đó, em xin chân
thành gửi lời cảm ơn đến TS. Trần Việt Hùng khoa Điện – Điện tử trường Đại học
Tôn Đức Thắng đã hướng dẫn tận tình cho em trong suốt quá trình thực hiện. Em
cũng xin chân thành cảm ơn các thầy, cơ trường Đại học Tơn Đức Thắng nói chung
và các thầy, cơ trong Bộ mơn Tự động hóa nói đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho
em trong quá trình học tập tại trường, giúp em có được nền tảng, cơ sở lý thuyết
vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt q trình học tập.
TP. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2021

Tác giả

Nguyễn Đức Bảo Định


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH
TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC TƠN ĐỨC
THẮNG
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự
hướng dẫn khoa học của TS. Trần Việt Hùng. Các nội dung nghiên cứu, kết quả
trong đề tài này là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây.
Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá
được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu
tham khảo.
Ngồi ra, trong đồ án hệ thống nhúng cịn sử dụng một số nhận xét, đánh giá
cũng như số liệu của các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chú
thích nguồn gốc.
Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tơi xin hoàn toàn chịu trách
nhiệm về nội dung đồ án hệ thống nhúng của mình. Trường đại học Tơn Đức
Thắng khơng liên quan đến những vi phạm tác quyền, bản quyền do tơi gây ra trong
q trình thực hiện (nếu có).
TP. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2021
Tác giả

Nguyễn Đức Bảo Định


(Trang này dùng để đính kèm Nhiệm vụ Đồ án tốt nghiệp có chữ ký của Giảng viên
hướng dẫn)

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

VIII

TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1

1.1

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1

1.2

MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

1

1.3

ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

1

1.4

PHẠM VI NGHIÊN CỨU

1

1.5

DỰ KIẾN KẾT QUẢ

2

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT
2.1

2

MẢNG ARRAY

2

2.1.1

Tìm hiểu mảng Array

2

2.1.2

Ưu điểm của mảng

2

2.1.3

Nhược điểm của mảng

2

THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG

3

3.1

SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG

3

3.2

TÌM HIỂU VỀ MODULE ESP32

4

3.3

CẢM BIẾN CÂN NẶNG LOADCELL 5KG

6

3.4

MẠCH GIẢM ÁP DC LM2596 3A:

8

3.5

MẠCH CHUYỂN ĐỔI ADC HX711

9

3.6

KHỐI NGUỒN CẤP NGUỒN CHO MODULE NODEMCU NGUỒN 5 V

10

3.7

KHỐI LƯU TRỮ ARDUINO IDE

10

3.8

KHỐI NODE RED

11

3.9

SƠ ĐỒ KẾT NỐI CHÂN CỦA MẠCH

12

3.9.1

Khối nguồn

13

3.9.2

Khối mạch chuyển đổi ADC HX711

13

3.9.3

Khối xử lý

14

GIẢI THUẬT VÀ ĐIỀU KHIỂN

14

4.1

HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG

14

4.2

LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN

15

THỰC NGHIỆM
5.1

TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM

16
16

5.1.1

Mạch in 2D và 3D

16

5.1.2

Mạch thực tế

18

5.1.3

Các bước tiến hành

19

5.2

KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

20

5.3

KẾT LUẬN THỰC NGHIỆM

21

KẾT LUẬN

21

6.1

ƯU ĐIỂM

21

6.2

NHƯỢC ĐIỂM

21

6.3

HƯỚNG PHÁT TRIỂN

22

TÀI LIỆU THAM KHẢO

22


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
VCC

Voltage Collector Collector

VDD

Voltage Drain Drain

VEE

Voltage Emitor Emitor

VSS

Voltage for Substrante

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Engineers

Wi-Fi

Wireless Fidelity

MQTT

Message Queue Telemetry Transport

IoT

Internet of Things




TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
1.1 Giới thiệu đề tài
Ngày nay với sự phát triển của công nghệ điện tử, kỹ thuật số các hệ thống dần
được tự động hóa. Sự phát triển của vi xử lí, vi mạch số được ứng dụng vào lĩnh vực
điều khiển giúp việc xử lí thơng tin nhanh hơn trước đây phục vụ vào cuộc sống của

con người.
Trong lĩnh vực quản lí hàng hóa, những phương pháp thủ công tốn khá nhiều thời
gian của chúng ta. Thay vào đó việc sử dụng cân điện tử kết hợp với Node Red xuất
nhập dữ liệu lên Google Sheet để kiểm sốt khối lượng và quản lí sản phẩm chính là
1 giải pháp hiệu quả trong lĩnh vực này.
1.2 Mục đích nghiên cứu
Mục đích chính của đề tài này là thiết lập quy trình quản lí hàng hóa bằng việc sử
dụng MQTT Aedes của Node Red để tiếp nhận dữ liệu cân nặng từ cân điện tử
Loadcell, xử lí số liệu, tính tốn trên Node Red và xuất dữ liệu lên Google Sheet.
Đồng thời người dùng có thể quản lí số liệu và hiệu chỉnh từ xa thơng qua
Dashboard trên Node Red.
1.3 Đối tượng nghiên cứu
ESP32 NodeMCU, Module ESP 32 WiFi+Bluetooth Development Board, phần
mềm Arduino IDE để lập trình cho cảm biến cân nặng Loadcell, phần mềm vẽ mạch
Altium, cách kết nối giữa linh kiện phần cứng Node Red và Google Sheet.
1.4 Phạm vi nghiên cứu
Ứng dụng trong trạm trung chuyển, nhà kho, nhà máy, siêu thị.




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

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT
2.1 Mảng Array
2.1.1 Tìm hiểu mảng Array
Mảng (Array) là một trong các cấu trúc dữ liệu cũ và quan trọng nhất. Mảng có thể
lưu giữ một số phần tử cố định và các phần tử này nền có cùng kiểu. Hầu hết các

cấu trúc dữ liệu đều sử dụng mảng để triển khai giải thuật. Dưới đây là các khái
niệm quan trọng liên quan tới 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.
2.1.2 Ưu điểm của mảng
● Truy câp phần tử với thời gian hằng số O(1).
● Sử dụng bộ nhớ hiệu quả.
● Tính cục bộ về bộ nhớ.
2.1.3 Nhược điểm của mảng
● Khơng thể thay đổi kích thước của mảng khi chương trình đang thực hiện.
● Kích thước mảng cố định




THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG
3.1 Sơ đồ khối của hệ thống
Hệ thống quản lí cân nặng hàng hóa thơng qua giao tiếp giữa Node Red với ESP32
bao gồm các khối được thể hiện như hình sau :

Hình 3- 1: Mơ hình tổng quát của hệ thống




3.2 Tìm hiểu về Module ESP32

Hình 3- 2: Module ESP32

Module ESP32 là module MCU đa dụng, mạnh mẽ và được sử dụng rộng rãi trong
các thiết kế mạch PCB Wifi-Bluetooth và được ứng dụng nhiều trong các ứng dụng
về IoT hiện nay. Có phạm vi ứng dụng từ mạng cao, tiết kiệm năng lượng giá thành
phù hợp. Có CPU độc lập có thể điều khiển và có tích hợp bộ ngoại vi phong phú từ
cảm biến điện dung.




Thiết bị ngoại vi của ESP32:
​

18 kênh chuyển đổi tương tự số.

​

3 giao diện SPI.

​

3 giao diện UART.

​

10 Chân GPO cảm ứng điện dung.

​

2 bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự.

​

2 giao diện I2C.

​

16 kênh đầu ra PWM.

Hình 3- 3: Sơ đồ chân Module ESP32




Thơng số kỹ thuật:
​

Nguồn sử dụng: 5VDC.

​

Kích thước: 25.4mm x 48.3mm.

​

Wifi 802.11 b/g/n/e/i.

​

Chuẩn 38 chân cắm 2.54mn

​

Tần số: 2400~2483.5Mhz.

​

SPI Flash: 32Mbits.

3.3 Cảm biến cân nặng Loadcell 5kg
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 (cảm biến tải) một đầu ra độc lập, thường 1 đến 3 mV/V.
Đầu ra kết hợp được tổng hợp dựa trên kết quả của đầu ra từng cảm biến tải - load
cell. Các thiết bị đo lường hoặc bộ hiển thị khuyếch đại tín hiệu điện đưa về, qua
chuyển đổi ADC, vi xử lý với phần mềm tích hợp sẵn thực hiện tính tốn chỉnh định
và đưa kết quả đọc được 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

Thơng số kỹ thuật:
​

Model : YZC – 133

​

Tải trọng: 5Kg

​

Rated Output (mV/V): 1.0 ± 0.15

​

Độ lệch tuyến tính (%): 0.05

​

Creep (5min) %: 0.1

​

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

​

Trở kháng đầu vào (Ω ) : 1066 ± 20

​

Trở kháng ngõ ra (Ω ): 1000 ± 20



​

Trở kháng cách li (MΩ) 50V: 2000

​

Điện áp hoạt động: 5V

​

Nhiệt độ hoạt động: -20 ~ 65 độ C

​

Chất liệu cảm biến: Nhôm




​

Độ dài dây: 180mm

​

Dây đỏ: Ngõ vào ( + )

​

Dây đen: Ngõ vào ( – )

​

Dây xanh Lá: Ngõ ra ( + )

​

Dây trắng : Ngõ ra ( – )

3.4 Mạch 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:
​

Hoạt động ở điện áp: 3V – 30V.

​

Công suất là 15W.

​

Điều chỉnh điện áp trong khoảng 1.5V – 30V

​

Dịng điện đáp ứng tối đa: 3A.

​

Hiệu suất là 92%.

​

Kích thước: 45mm x 20mm x 14mm.




3.5 Mạch chuyển đổi ADC HX711

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

Mạch chuyển đổi ADC 24bit Loadcell HX711: module chuyển đổi analog sang
digital 24-bit. HX711 được thiết kế để chuyển đối tín hiệu và ứng dụng điều
khiển cơng nghiệp để giao tiếp trực tiếp với một cảm biến cầu.
Đây là mạch đọc giá trị cảm biến loadcell với độ phân giải 24bit và chuyển sang

giao tiếp 2 dây ( clock và data ) để gửi dữ liệu cho vi điều khiển / arduino
Thông số:
​

Điện áp hoạt động : 2.7 – 5V

​

Dòng tiêu thụ : < 1.5 mA

​

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

3.6 Khối nguồn cấp nguồn cho Module NodeMCU nguồn 5 V
Sử dụng nguồn 12 V - 3 A để cấp nguồn hoạt động cho mạch:

Hình 3-7 Nguồn adapter

3.7 Khối lưu trữ Arduino IDE
Arduino IDE được viết tắt (Arduino Integrated Development Environment) là
một chương trình giúp viết code và nạp vào linh kiện của phần cứng ( board
mạch, cảm biến, động cơ ….).




Hình 3-8 Arduino IDE

3.8 Khối Node Red
Node-RED là một cơng cụ lập trình kéo-thả để kết nối các thiết bị phần cứng,
API và online services với nhau. Nó cung cấp một trình soạn thảo dựa trên trình
duyệt giúp dễ dàng kết nối các luồng với nhau bằng cách sử dụng một loạt các
Node trong bảng màu (palette) có thể được triển khai chỉ bằng một cú nhấp
chuột.




Hình 3-9 Node Red

3.9 Sơ 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.




3.9.1 Khối nguồn

Hình 3- 11: Khối nguồn

Nguyên lý hoạt động:
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.




3.9.3 Khối xử lý

Hình 3- 13: Sơ đồ kết nối với ESP32

Khối xử lý có chức năng đó là xử lý các tín hiệu được HX711 chuyển tới. Nhận
tín hiệu từ HX711và gửi lên Node Red sau đó Node Red tính tốn và gửi tín
hiệu lên Google Sheet để ghi nhận giá trị.

GIẢI THUẬT VÀ ĐIỀU KHIỂN
4.1 Hoạt động của hệ thống
Hệ thống gồm ESP32 nắm vai trò tiếp nhận và truyền dẫn thông tin, được kết nối
với Wifi, Aedes MQTT trên Node Red, mạch chuyển đổi HX711 và cảm biến cân
nặng Loadcell. Theo quy trình quản lí hàng hóa, khi hàng hóa đến sẽ được cân trên
cảm biến cân nặng, cảm biến nhận giá trị cân nặng của hàng hóa và chuyển đến
mạch chuyển đổi ADC HX711 để chuyển đổi giá trị tín hiệu từ analog sang digital.
Sau đó giá trị được chuyển đến ESP32 và được chuyển tiếp lên Node Red tính tốn
và xử lí thơng qua Aedes MQTT broker. Cuối cùng xuất giá trị lên Google Sheet.
Kết quả hiển thị trên Google Sheet và Dashboard.




4.2 Lưu đồ thuật tốn

Hình 4- 1: Lưu đồ giải thuật điều khiển