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

TỔNG LIÊN ĐỒN LAO ĐỘNG VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TƠN ĐỨC THẮNG
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

NGUYỄN ĐỨC BẢO ĐỊNH

HỆ THỐNG IOT
QUẢN LÍ TRẠM TRUNG CHUYỂN

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

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2021

download by :


TỔNG LIÊN ĐỒN LAO ĐỘNG VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TƠN ĐỨC THẮNG
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

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

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2021

download by :


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

download by :


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.
Ngoài ra, trong đồ án hệ thống nhúng còn 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 hồn tồn chịu trách nhiệm
về nội dung đồ án hệ thống nhúng của mình. Trường đại học Tơn Đức Thắng không
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

download by :


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

download by :


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

2.1

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

download by :


4.2

LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN ................................................................................................15
THỰC NGHIỆM ......................................................................................16

5.1

TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM .........................................................................................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

download by :


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

download by :


ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG
Trang 1/26

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 cơng 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 soát 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 thông 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.

Hệ Thống IoT Quản Lí Trạm Trung Chuyển

SVTH: Nguyễn Đức Bảo Định

download by :


ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG
Trang 2/26

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

Hệ Thống IoT Quản Lí Trạm Trung Chuyển

SVTH: Nguyễn Đức Bảo Định

download by :


ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG
Trang 3/26

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 qt của hệ thống

Hệ Thống IoT Quản Lí Trạm Trung Chuyển

SVTH: Nguyễn Đức Bảo Định

download by :


ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG
Trang 4/26

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.

Hệ Thống IoT Quản Lí Trạm Trung Chuyển

SVTH: Nguyễn Đức Bảo Định

download by :


ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG
Trang 5/26

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

Hệ Thống IoT Quản Lí Trạm Trung Chuyển

SVTH: Nguyễn Đức Bảo Định

download by :


ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG
Trang 6/26

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.

Hệ Thống IoT Quản Lí Trạm Trung Chuyển

SVTH: Nguyễn Đức Bảo Định

download by :


ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG
Trang 7/26

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 khơng %RO/ độ C: 0.02
• Độ cân bằng điểm khơng %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: Nhơm

Hệ Thống IoT Quản Lí Trạm Trung Chuyển

SVTH: Nguyễn Đức Bảo Định

download by :


ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG
Trang 8/26

• 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.
• Cơng 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.

Hệ Thống IoT Quản Lí Trạm Trung Chuyển

SVTH: Nguyễn Đức Bảo Định

download by :


ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG
Trang 9/26

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
công 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
• Dịng 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

Hệ Thống IoT Quản Lí Trạm Trung Chuyển

SVTH: Nguyễn Đức Bảo Định

download by :

ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG
Trang 10/26

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 ….).

Hệ Thống IoT Quản Lí Trạm Trung Chuyển

SVTH: Nguyễn Đức Bảo Định

download by :


ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG
Trang 11/26

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.

Hệ Thống IoT Quản Lí Trạm Trung Chuyển

SVTH: Nguyễn Đức Bảo Định

download by :


ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG
Trang 12/26

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.

Hệ Thống IoT Quản Lí Trạm Trung Chuyển

SVTH: Nguyễn Đức Bảo Định

download by :


ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG
Trang 13/26

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.

Hệ Thống IoT Quản Lí Trạm Trung Chuyển

SVTH: Nguyễn Đức Bảo Định

download by :


ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG
Trang 14/26

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 trị tiếp nhận và truyền dẫn thơng 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.

Hệ Thống IoT Quản Lí Trạm Trung Chuyển

SVTH: Nguyễn Đức Bảo Định

download by :


ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG
Trang 15/26

4.2 Lưu đồ thuật tốn

Hình 4- 1: Lưu đồ giải thuật điều khiển

Hệ Thống IoT Quản Lí Trạm Trung Chuyển

SVTH: Nguyễn Đức Bảo Định

download by :

ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG
Trang 16/26

THỰC NGHIỆM
5.1 Tiến hành thực nghiệm
Sau khi thực hiện giải thuật thành công trên testboard. Mạch được layout và hàn thi
công gồm các kết quả sau.
5.1.1 Mạch in 2D và 3D
Mơ hình mạch in 2D được vẽ trên phần mềm Altium xuất ra file PDF:

Hình 5- 1: Sơ đồ chân mạch in 2D

Hệ Thống IoT Quản Lí Trạm Trung Chuyển

SVTH: Nguyễn Đức Bảo Định

download by :


ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG
Trang 17/26

Mơ hình 3D được mơ phỏng qua Altium mặt trước:

Hình 5- 2: Sơ đồ chân mạch in 3D mặt trước

Hệ Thống IoT Quản Lí Trạm Trung Chuyển

SVTH: Nguyễn Đức Bảo Định

download by :