Đồ án tốt nghiệp TỰ ĐỘNG HÓA BKHN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÚNG TRÊN
CHIP ARM STM32F4 TẠI TỦ SLAVE
TRONG DỰ ÁN TỦ LƯU TRỮ THƠNG
MINH
LÊ ĐÌNH ***
****@sis.hust.edu.vn
Ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Chuyên ngành Tự động hóa cơng nghiệp

Giảng viên hướng dẫn:

PGS. TS. ****

Bộ mơn:
Viện:

Tự động hóa công nghiệp
Điện

HÀ NỘI – 07/2020

Chữ ký của GVHD



BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

--***--

-----------------

“

NHIỆM VỤ
THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP
Họ và tên:

LÊ ĐÌNH ***

Khóa:

60

Viện:

Điện

Ngành:

Tự động hóa cơng nghiệp

Mã số sinh viên: ****

1. Đầu đề thiết kế/Tên đề tài
Thiết kế hệ thống nhúng trên chip ARM STM32F4 tại tủ Slave trong dự án tủ lưu trữ
thơng minh
Các nội dung tính tốn, thiết kế
- Thiết kế phần cứng cho tủ Slave
- Thiết kế phần mềm mạch điều khiển trung tâm cho tủ Slave
2. Các bản vẽ đồ thị (ghi rõ các loại bản vẽ về kích thước các bản vẽ- nếu có):
……………………………………………………………………………………
3. Cán bộ hướng dẫn:
Phần
Lý thuyết
Thực hành

Họ tên cán bộ
PGS.TS. Nguyễn Quang Địch
PGS.TS. Nguyễn Quang Địch

4. Ngày giao nhiệm vụ thiết kế: ………………………………………….
5. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: ……………………………………………
Ngày…... Tháng .…..Năm………
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
(Ký, ghi rõ họ tên)

SINH VIÊN THỰC HIỆN
(Ký, ghi rõ họ tên)

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Ký, ghi rõ họ tên)

LỜI CÁM ƠN

Lời cảm ơn
Trong thời gian làm đồ án, em nhận được rất nhiều sự giúp đỡ của PGS. TS.
Nguyễn Quang Địch, Thầy Đặng Văn Khởi (nghiên cứu sinh của thầy Địch). Em xin
chân thành cảm ơn Thầy Địch – giảng viên Bộ mơn Tự động hóa Cơng nghiệp, Thầy
Khởi đã hướng dẫn em tận tình trong quá trình làm đồ án này.
Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong trường Đại học Bách
khoa Hà Nội nói chung, các thầy cơ trong Bộ mơn Tự động hóa Cơng nghiệp nói riêng
đã dạy dỗ cho em kiến thức về các môn đại cương cũng như các mơn chun ngành,
giúp em có được cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá
trình học tập.
Em xin chân thành cảm ơn.



TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN

Trong đồ án này, em được phân công làm về phần mềm trong hệ thống
nhúng trên chip ARM STM32F4 tại tủ Slave trong dự án tủ lưu trữ thông minh và
sử dụng trên hệ điều hành Ubuntu và sử dụng môi trường phát triển chip mới. Việc
tiếp cận với 1 hướng lập trình mới (khơng dùng IDE, phát triển hệ điều hành trên
chip) và tìm hiểu nhiều ngơn ngữ lập trình khác nhau (C/C++, FreeRTOS, Make,
LinkerScript, Jim-tcl) cũng như nền tảng trình biên dịch ARM-GCC compiler chạy
trên hệ điều hành Ubuntu (Linux). Qua đó, em đã được hiểu thêm về dòng chip
điều khiển khá mạnh hiện giờ, hiểu được quá trình thực thi các chương trình trên hệ
điều hành của Window và Ubuntu. Từ đó, nắm được bán chất quá trình thực thi sẽ
gồm các bước như thế nào. Tuy nhiên, đây là một phần khá mới và em mới được

tiếp xúc một cách rõ ràng trong quá trình 6 tháng học tập và làm việc trên Viện, gây
ra nhiều khó khăn cho em trong việc phát triển Code. Dẫn đến các đoạn chương
trình chưa được tối ưu và Source Code chưa đáp ứng đầy đủ yêu cầu trong lưu đồ
thuật toán xây dựng cho các task đã được đề cập ở dưới

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN



MỤC LỤC

MỤC LỤC
MỤC LỤC...............................................................................................................i
DANH MỤC HÌNH VẼ.........................................................................................iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT........................................................................vi
LỜI NÓI ĐẦU........................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG..............................................................3
1.1. Giới thiệu về tủ truyền thống.....................................................................3
1.2. Giới thiệu về tủ lưu trữ thơng minh...........................................................3
1.2.1.

Giới thiệu chung..............................................................................3

1.2.2.

Các đặc tính cơ bản của tủ lưu trữ tài liệu thông minh.....................4

1.3. Tổng quan về hệ thống tủ lưu trữ...............................................................7
1.3.1.

Sơ đồ tổng quan...............................................................................7

1.4. Kết luận chung.........................................................................................13
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO TỦ SLAVE..................................14
2.1. Phương án thiết kế cho toàn bộ hệ thống.................................................14
2.2. Chọn linh kiện và thiết kế phần cứng cho tủ Slave..................................14
2.2.1.

Vi điều khiển trung tâm.................................................................14

2.2.2.

Hệ thống động cơ BLDC Hall Sensor............................................17

2.2.3.

Hệ thống cảm biến.........................................................................20

2.2.4.

Hệ thống chiếu sáng.......................................................................30

2.2.5. Hệ thống nguồn cấp.............................................................................31
2.3. Kết luận chung.........................................................................................32
2.3.4.

Linh kiện phụ trợ...........................................................................32

2.3.5.

Sơ đồ thiết kế phần cứng................................................................33

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN MỀM CHO MẠCH ĐIỀU KHIỂN TRUNG
TÂM CỦA TỦ SLAVE.........................................................................................34
3.1. Đặt vấn đề................................................................................................34
3.2. Nền tảng, môi trường lập trình phát triển cho chip của mạch điều khiển
trung tâm...........................................................................................................34
3.2.1.

Tìm hiểu về hệ điều hành thời gian thực RTOS.............................34

3.2.2.

Phát triển môi trường phát triển chip điều khiển trung tâm............37

3.2.3.

Kết luận chung...............................................................................41


MỤC LỤC

3.3. Xây dựng các Task trên hệ điều hành.......................................................41
3.4. Xây dựng lưu đồ thuật toán cho từng “Task”...........................................42
3.4.1. Điều khiển thơng gió..........................................................................42
3.4.2.

Điều khiển mở tủ...........................................................................43

3.4.3.

Điều khiển đóng tủ.........................................................................46

3.4.4.

Điều khiển cảm biến nhiệt độ, độ ẩm.............................................48

3.4.5.

Xử lý sự kiện người trong tủ khi hệ thống đang đóng (From ISR) 48

3.4.6.

Xử lý sự kiện tài liệu nhô khi hệ thống đang đóng (From ISR).....49

3.4.7.

Xử lý sự kiện kẹt, quá tải động cơ.................................................50

3.4.8.

Xử lý sự kiện cháy trong................................................................51

3.4.9.

Xử lý sự kiện cháy ngoài...............................................................53

3.5. Tổng kết chung........................................................................................54
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ............................................................55
4.1. Kết quả.....................................................................................................55

4.2. Đánh giá...................................................................................................57
KẾT LUẬN...........................................................................................................59
PHỤ LỤC.............................................................................................................60
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................73


DANH SÁCH HÌNH VẼ

DANH MỤC HÌ
Hình 1.1. Hình ảnh về tủ lưu trữ truyền thống........................................................3
Hình 1.2. Hình ảnh về tủ lưu trữ thơng minh..........................................................4
Hình 1.3. Tổng quan hệ thống tủ lưu trữ tài liệu thơng minh..................................4
Hình 1.4. Hình ảnh minh họa hệ thống giá tiết kiệm diện tích................................5
Hình 1.5. Lưu đồ thiết kế tổng quan hệ thống tủ lưu trữ thơng minh......................7
Hình 1.6. Lưu đồ thiết kế tủ Master........................................................................8
Hình 1.7. Lưu đồ thiết kế tủ Slave...........................................................................9
Hình 1.8. Lưu đồ thiết kế tủ Outmost Slave...........................................................10
Hình 1.9. Mơ hình mạng CAN...............................................................................11
Hình 1.10. Truyền đơn cơng (Simplex)..................................................................11
Hình 1.11. Truyền bán song cơng (Half-duplex)...................................................12
Hình 1.12. Truyền song cơng (Full-duplex)..........................................................12
Hình 1.13. Chuẩn giao tiếp I2C............................................................................13
YHình 2.1. Hình ảnh của chip STM32F407VGt6………………………………………
14
Hình 2.2. Thơng số của STM32F407VGT6...........................................................15
Hình 2.3. Sơ đồ chân của vi điều khiển STM32F407VGT6...................................15
Hình 2.4. Mạch nguyên lý của STM32F407VGT6................................................16
Hình 2.5. Động cơ một chiều khơng chổi than (BLDC)........................................17
Hình 2.6. Tín hiệu cảm biến Hall..........................................................................18
Hình 2.7. Thứ tự chuyển mạch khi động cơ quay thuận chiều kim đồng hồ..........18

Hình 2.8. Thứ tự chuyển mạch khi động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ.........19
Hình 2.9.Hình ảnh Driver BLDC..........................................................................19
Hình 2.10. Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm SHT30.......................................................20
Hình 2.11. Sơ đồ chân PCA 9515..........................................................................21
Hình 2.12. Sơ đồ khối của PCA9515....................................................................21
Hình 2.13. Mạch nguyên lý của SHT30................................................................21
Hình 2.14. Cảm biến khí NH3 MQ-135................................................................22
Hình 2.15. Sơ đồ chân của TXS0102....................................................................22
Hình 2.16. Sơ đồ mạch nguyên lý của cảm biến MQ-135.....................................23
Hình 2.17. Cảm biến đo dịng ACS712.................................................................24
Hình 2.18. Sơ đồ chân của cảm biến ACS712.......................................................24
Hình 2.19. Vout so sánh với Ip..............................................................................24
Hình 2.20. Sơ đồ mạch ngun lý cảm biến dịng ACS712...................................24
Hình 2.21. Led thu phát hồng ngoại.....................................................................25
Hình 2.22. Sơ đồ chân của STM32F0...................................................................25
Hình 2.23. Thơng số của vi điều khiển STM32F030F4P6....................................25
Hình 2.24. Hình ảnh của 6N137...........................................................................26
Hình 2.25. Sơ đồ mạch nguyên lý đếm người........................................................26


DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 2.26. Hình ảnh cảm biến tiệm cận................................................................27
Hình 2.27. Sơ đồ mạch nguyên lý của cảm biến tiệm cận.....................................28
Hình 2.28. Cảm biến hồng ngoại dọc chống kẹt...................................................28
Hình 2.29. Mạch nguyên lý cho cảm biến hồng ngoại..........................................29
Hình 2.30. Cảm biến cuối hành trình....................................................................29
Hình 2.31. Sơ đồ chân của PC815........................................................................29
Hình 2.32. Mạch nguyên lý của cảm biến cuối hành trình....................................30
Hình 2.33. Hình ảnh led........................................................................................30

Hình 2.34. Hình ảnh của máng.............................................................................30
Hình 2.35. Hình ảnh nguồn tỏ ong được sử dụng.................................................31
Hình 2.36. Sơ đồ chân của NSD15-85-MEAN_WELL..........................................32
Hình 2.37. Sơ đồ chân của IC ổn áp LD1085.......................................................32
Hình 2.38. Sơ đồ thiết kế mạch nguồn cho tồn bộ hệ thống................................32
Hình 2.39. Tổng quan về tồn bộ kết nối phần cứng giữa các thiết bị..................33
YHình 3.1. Các trạng thái chuyển đổi của task …………………………………….35
Hình 3.2. Mơ hình phát triển chip khi sử dụng IDE..............................................37
Hình 3.3. Sơ đồ chi tiết các bước từ Code /Build/Run..........................................38
Hình 3.4. Mơi trường cài đặt ARM-GCC..............................................................38
Hình 3.5. Mơ hình phát triển chip trên Ubuntu OS (LINUX)................................39
Hình 3.6. Xây dựng các task trong hệ điều hành..................................................41
Hình 3.7. Quy trình các bước trong điều khiển thơng gió.....................................42
Hình 3.8. Sơ đồ thuật tốn cho điều khiển thơng gió............................................43
Hình 3.9. Quy trình các bước điều khiển mở tủ....................................................43
Hình 3.10. Lưu đồ thuật tốn của điều khiển mở tủ..............................................45
Hình 3.11. Sơ đồ quy trình điều khiển đóng tủ......................................................46
Hình 3.12. Lưu đồ thuật tốn cho điều khiển đóng tủ...........................................47
Hình 3.13. Quy trình thực hiện các bước trong điều khiển nhiệt độ, độ ẩm..........48
Hình 3.14. Quy trình xử lý khi có người trong tủ khi tủ đóng...............................48
Hình 3.15. Lưu đồ thuật tốn cho xử lý sự kiện có người trong tủ........................49
Hình 3.16. Lưu đồ thuật tốn cho dừng khẩn cấp.................................................49
Hình 3.17. Xử lý sự kiện tài liệu nhơ khi hệ thống đang đóng..............................50
Hình 3.18. Lưu đồ thuật tốn xử lý sự kiện tài liệu nhấp nhơ...............................50
Hình 3.19. Quy trình xử lý khi có kẹt q tải động cơ..........................................50
Hình 3.20. Lưu đồ thuật toán xử lý kẹt, quá tải động cơ.......................................51
Hình 3.21. Quy trình xử lý sự kiện cháy trong......................................................51
Hình 3.22. Lưu đồ thuật tốn cho sự kiện cháy trong...........................................52
Hình 3.23. Lưu đồ thuật tốn cho sự kiện cháy ngồi...........................................53
YHình 4.1. Hình ảnh 3D của mạch trung tâm……………………

……………………55
Hình 4.2. Hình ảnh của mạch điều khiển trung tâm trong thực tế........................55
Hình 4.3. Hệ thống điều khiển của tủ Slave sau khi nhúng trên hệ điều hành......56
Hình 4.4. Giao diện màn hình HMI......................................................................56


DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 4.5. Sơ đồ cây của chương trình điều khiển trên Sublime Text.....................57


DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Ghi chú tiếng anh

Ý nghĩa

BLDC

Brushless Direct Current

Động cơ một chiều không chổi
than

CAN

Controller Area Network

Giao thức giao tiếp nối tiếp

CPU

Central Processing Unit

Bộ xử lý trung tâm

FreeRTOS

Free Real Time Operating
System

Hệ điều hành thời gian thực

GDB

GNU Debugger

Trình gỡ lỗi

HMI

Human - Machine Interface

Giao diện người - máy

I2C

Inter-Integrated Circuit

Giao thức nối tiếp 2 dây

IDE

Integrated Development
Environment

Mơi trường phát triển tích hợp

IPC

Industrial Panel PC

Máy tính công nghiệp

ISR

Interrupt Service Routine

Dịch vụ ngắt trong FreeRTOS

OpenOCD

Open On Chip Debugger

Phần mềm gỡ lỗi trên chip

SCL

Serial Clock

Đường truyền xung clock trong
I2C

SDA

Serial Data

Đường truyền dữ liệu trong I2C

SPI

Serial Peripheral Interface

Giao diện 4 dây

UART

Universal Asynchronous
Receiver Transmitter

Truyền thông nối tiếp không
đồng bộ


LỜI NÓI ĐẦU

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, đặc biệt
trong lĩnh vực tự động hóa đã tạo nên một động lực thúc đẩy phát triển các
ngành công nghiệp khác nhằm phục vụ và đáp ứng được nhu cầu của con
người trong cuộc sống. Con người với sự trợ giúp của máy móc, những cơng
cụ thơng minh đã khơng phải trực tiếp làm việc, hay những cơng việc nằm
ngồi khả năng của con người đều có thể thực hiện được một cách hồn tồn
tự động. Từ đó giúp nâng cao năng suất lao động, mang đến sự thỏa mãn, chất
lượng cuộc sống ngày một tốt hơn.
Sự ra đời của hệ thống tủ lưu trữ thông minh xuất phát từ như cầu của
con người. Trên thế giới đã có rất nhiều quốc gia và các công ty lớn độc quyền
về tủ lưu trữ thông minh, giúp cho việc lưu trữ tài liệu, đặc biệt là các tài liệu
quan trọng tài liệu Quốc gia được an toàn hơn.
Là sinh viên ngành Kĩ sư Điều khiển và Tự động hóa tại Đại học Bách
Khoa Hà Nội, việc nghiên cứu, tìm hiểu các đặc tính của công nghệ trong việc
thiết kế hệ thống tủ thông minh có ý nghĩa thực tế hết sức quan trọng. Nó
khơng những trang bị cho chúng ta kỹ năng làm việc trong lĩnh vực điều khiển
tự động hóa mà cịn giúp chúng ta theo kịp với sự phát triển của khoa học kỹ
thuật ngày nay khi tốt nghiệp ra trường. Đặc biệt trong bối cảnh ngành công
nghiệp 4.0 đang ngày càng phát triển vượt bậc. Chính vì vậy đề tài em chọn
thực hiện đồ án tốt nghiệp của mình là thiết kế hệ thống nhúng trên chip ARM
STM32F4 tại tủ Slave dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Nguyễn Quang Địch.
Nội dung của đề tài đồ án tốt nghiệp “Thiết kế hệ thống nhúng trên
chip ARM STM32F4 tại tủ Slave trong dự án tủ lưu trữ thông minh”
được tổ chức thành 4 chương:
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO TỦ SLAVE
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN MỀM CHO MẠCH ĐIỀU KHIỂN
TRUNG TÂM CỦA TỦ SLAVE
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ

LỜI NÓI ĐẦU

Trong thời gian 6 tháng thực hiện đề tài đồ án tốt nghiệp, em đã nhận
được sự chỉ bảo và hỗ trợ tận tình của PGS. TS. Nguyễn Quang Địch cùng các
thầy cô giáo và cán bộ trong bộ môn. Qua đây em xin gửi lời cảm ơn chân
thành tới các thầy cơ.
Trong q trình thực hiện đồ án tốt nghiệp, do thời gian và khả năng
còn hạn chế, đồ án của em cịn nhiều thiếu sót. Em rất mong nhập được sự góp
ý chân thành của thầy cơ và các bạn để đồ án được hồn thiện hơn.
Hà Nội, ngày 6 tháng 7 năm 2020
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Ngọc Hải


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG
1.1.

Giới thiệu về tủ truyền thống

Tủ lưu trữ truyền thống là loại tủ dùng để lưu trữ các loại tài liệu với mục
đích là dùng để lưu trữ giấy tờ, sổ sách, hồ sơ và các giữ liệu quan trọng khác, rất
phổ biến trong cuộc sống của con người. Tùy theo tính bảo mật, mà chất lượng,
yêu cầu về tủ lưu trữ lại khác nhau và cũng đa dạng hơn.

Hình 1.1. Hình ảnh về tủ lưu trữ truyền thống
Có thể thấy rằng tủ lưu trữ truyền thống có kết cấu vô cùng đơn giản và dễ

sử dụng. Tuy nhiên, khi số lương hồ sơ cực kì lớn, tính bảo mật cao lên thì cần
một hệ thống tủ hồ sơ thơng minh đảm bảo được việc lưu trữ nhiều tài liệu dễ
dàng, tiết kiệm diện tích. Bởi vậy, đã có các cơng ty, tập đồn lớn đưa ra các
phương án thiết kế cho tủ lưu trữ loại này. Đó là việc ghép nhiều tủ đơn lại và có
thể di chuyển được với nhau để tạo thành một hệ thống giúp cho việc lưu trữ
được nhiều hơn.

1.2.

Giới thiệu về tủ lưu trữ thông minh

1.2.1. Giới thiệu chung
Hệ thống tủ lưu trữ dữ liệu thông minh ra đời là bước phát triển tiếp theo
của dòng sản phẩm phục vụ nhu cầu ngày càng cao của quá trình lưu trữ cũng
như khai thác sử dụng kho dữ liệu. Với sự phát triển của công nghệ hiện đại và
nhu cầu thực tế, hệ thống tủ lưu trữ dữ liệu thông minh cần lưu trữ được nhiều
hơn, bền hơn, tiết kiệm không gian hơn, dễ dàng vận hành hơn và thông minh
hơn.
Tổng quan chung của hệ thống tủ lưu trữ dữ liệu thông minh (Tủ hồ sơ) là
hệ thống phân tầng điều khiển và quản lý các tủ lưu trữ cục bộ được sắp xếp
nhiều tầng theo dạng Module với hai chế độ điều khiển trực tiếp và gián tiếp. Hệ
thống bao gồm nhiều tủ lưu trữ cục bộ (Slave) liên kết với một tủ điều khiển
trung tâm (Master). Mỗi tủ được trang bị đầy các hệ thống vận hành gồm: Hệ
3


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG

thống động cơ dịch chuyển, hệ thống cảm biến môi trường, hệ thống cháy nổ, hệ
thống an toàn cho người sử dụng, đèn báo và âm thanh… để theo dõi và cập nhập

liên tục trình trạng của các tủ, nhằm đưa ra các biện pháp giải quyết khi có sự cố.
Khác với các kho, hệ thống lưu trữ dữ liệu thơng thường; hệ thống chạy
hồn tồn tự động khi có u cầu của người sử dụng gửi đến, tự khắc phục sự cố
khi có và liên tục báo về trung tâm tình hình của các tủ Slave. Ngồi ra, hệ thống
tủ cịn được cung cấp phần mềm quản lý từ xa, giao diện giao tiếp người dùng,
cho phép quyền điều khiển và quản lý trên Smartphone. Đó là những đặc tính nổi
trội của tủ điều khiển thơng minh.

Hình 1.2. Hình ảnh về tủ lưu trữ thơng minh
Dưới đây là mơ hình tổng quan của một hệ thống tủ lưu trữ hồ sơ của tủ
Master điều khiển cho hệ thống tủ Slave:

Hình 1.3. Tổng quan hệ thống tủ lưu trữ tài liệu thông minh

4


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG

1.2.2. Các đặc tính cơ bản của tủ lưu trữ tài liệu thông minh
1.

Tiết kiệm tối đa không gian

Hệ thống bao gồm nhiều hệ thống Giá nhiều tầng, các giá sắp xếp liên
tiếp, cạnh nhau kết hợp với hệ thống chuyển động thông minh. Hệ thống phù hợp
với nhiều loại phịng lưu trữ kích thước khác nhau. Để đảm bảo mục đích lưu trữ
an tồn lại tiết kiệm các giá sắp xếp liên tiếp.
Hệ thống động cơ chuyển động sẽ dịch chuyển các giá, tạo khoảng cách
an tồn để người sử dụng có thể thao tác trên các giá và tài liệu lưu trữ khi có nhu

cầu truy xuất, sử dụng tài liệu.

Hình 1.4. Hình ảnh minh họa hệ thống giá tiết kiệm diện tích
2.

Hệ thống điều khiển thông minh, dễ dàng

Hệ thống giá bao gồm một màn hình cảm ứng với hệ thống điều hành
thơng minh, tích hợp các chức năng vận hành của giá, có them hệ thống cảnh
báo, chống ẩm mốc, đo nhiệt độ, độ ẩm, vv... Bên cạnh đó trong các trường hợp
khẩn cấp cịn có hệ thống vận hành bằng tay.
Với màn hình điều khiển nhân viên lưu trữ dễ dàng thao tác trên màn hình
cảm ứng hoặc trên máy tính từ xa thơng qua kết nối Internet. Giao diện vận hành
đơn giản, dễ sử dụng, tối đa hóa các phương tiện để phục vụ cho người vận hành
và quản lý một cách tốt nhất.
3.

Phát hiện và cảnh báo cháy

Toàn bộ hệ thống đều được lắp đặt cảm biến khói để giám sát tất cả các
khoang tài liệu. Khi có cảnh báo bất thường (nồng độ NH3 vượt mức cho phép ),
hệ thống sẽ tự động cảnh báo bằng loa, màn hình, đồng thời gian có thể tự động
cắt nguồn điện khi khẩn cấp.
4.

Cảm ứng hồng ngoại để bảo vệ an toàn cho người vận hành

Giữa các cột giá đều trang bị nhiều đường cảm ứng hồng ngoại. Khi có
người vào bên trong giá hoặc dưới đất có để rơi tài liệu hoặc vật gì đó, cảm ứng
hồng ngoại sẽ tự động dừng không cho tủ dịch chuyển để đảm bảo an toàn. Khi

5


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG

quá thời gian nhất định mà trong khoang giá khơng có người, giá sẽ tự động đóng
đồng thời trước khi đóng sẽ cảnh báo bằng âm thanh.
5.

Chức năng cảnh báo chống ẩm mốc, đo nhiệt độ, độ ẩm và hẹn giờ
thơng gió

Nhờ việc được trang bị đầy đủ các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm kết hợp với
bộ điều khiển thông minh và hệ thống thơng gió, điều hịa nhiệt độ. Giá di động
thơng minh cho phép hiển thị trên màn hình và cảnh báo cho người sử dụng các
thông số về nhiệt độ, độ ẩm của khoang tài liệu. Khi phát hiện thấy độ ẩm hay
nhiệt độ ngồi phạm vi cho phép, giá thơng minh sẽ bật hệ thống thơng gió trong
các khoang tủ, đảm bảo cho nhiệt độ, độ ẩm tối ưu bảo vệ tài liệu, tránh tình
trạng ẩm mốc, gây hư hại đến tài liệu. Khi nhiệt độ, độ ẩm trở về bình ổn, hệ
thống sẽ ngắt.
Ngồi ra, người dùng cũng có thể hẹn giờ định kì để thực hiện thơng gió
cho tất cả các khoang tài liệu thơng qua màn hình giao tiếp thông minh.
6.

Sử dụng khi mất điện

Hệ thống giá có thể được trang bị nguồn điện khẩn cấp khi bị mất điện. Hệ
thống giá sẽ chuyển sang chế độ vận hành khẩn cấp với các chức năng bị hạn
chế.
7.

Chức năng hiển thị giá

Tất cả màn hình điều khiển mỗi giá thơng mình đều hiển thị số giá khi
màn hình ở chế độ chờ. Sau một thời gian màn hình khơng được điều khiển, màn
hình sẽ chuyển sang chế độ chờ là số giá mà không cần dùng nhãn giấy, bảng
hiện thị hay Led hiển thị hoạt động của các giá.
8.

Chức năng bảo vệ động cơ

Nếu động cơ gặp vấn đề khi vận hành, khóa Rotor động cơ sẽ tự động
ngắt điện, sau khi sự cố được xử lý, sẽ tự động khơi phục vận hành.
9.

An tồn về điện

Hệ thống trang bị đầy đủ hệ thống bảo vệ, thiết bị chống dị điện. Khi phát
hiện có dịng dị, ngắn mạch … hệ thống sẽ tự động ngắt nguồn.
10.

Chức năng chiếu sáng tự động

Hệ thống có tích hợp đèn chiếu sáng trong giá và đèn chỉ lối đi, kết hợp hệ
thống tìm kiếm sẽ hỗ trợ người sử dụng tới nhanh vị trí cần tìm, tiết kiệm thời
gian và điện năng sử dụng. Khi có người sử dụng truy xuất vào khoang tài liệu
(được phát hiện thông qua cảm biến hồng ngoại) hệ thống đèn chiếu sáng sẽ tự
động bật.
Khi hệ thống đóng giá tài liệu thì hệ thống đèn chiếu sáng cũng sẽ tắt để
tiết kiệm điện năng. Từ đó làm giảm điện năng tiêu hao của tủ một cách đáng kể.

11.

Hệ thống bảo mật

Hệ thống có các cơ chế bảo mật hiện đại như khóa vân tay, quẹt thẻ, tự
động khóa từ xa thơng qua internet hoặc mobile giúp cho việc theo dõi tủ được
dễ hơn.

6


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG

12.

Chức năng tìm kiếm tài liệu

Hệ thống sẽ cung cấp một cơ sở dữ liệu để người quản lý thiết lập các
thông số của tài liệu (tên, vị trí trong khoang giá, số lượng...) qua đó kết hợp với
phần mềm trên máy tính, người sử dụng chỉ cần truy xuất bằng mã tài liệu hoặc
tên tài liệu sẽ được tự động cung cấp vị trí của tài liệu trong khu lưu trữ.
Hệ thống phát triển một phần mềm cung cấp tất cả các tính năng vốn có
khi thao tác trực tiếp tại tủ hồ sơ trên máy tính, để tại một ví trí từ xa quản lý vẫn
có thể vận hành bình thường hoặc khắc phục được các sự cố xảy ra, hỗ trợ người
tìm kiếm mà khơng cần trực tiếp có mặt. Có thể thấy tủ lưu trữ thơng minh có sự
vượt trội hơn hẳn so với các loại tủ truyền thống về tính ứng dụng và chức năng.
Trong tương lai, tủ lưu trữ thơng minh có thể thay thế hầu hết các loại tủ truyền
thống. Tuy nhiên, nhược điểm của tủ lưu trữ thơng minh đó về mặt giá thành rất
cao, và cấu trúc khá là phức tạp.

1.3.

Tổng quan về hệ thống tủ lưu trữ

1.3.1. Sơ đồ tổng quan
1.

Đặt vấn đề

Mục đích của hệ thống tủ hồ sơ là để lưu trữ giấy tờ, tài liệu, sổ sách.
Nhưng với hệ thống tủ truyền thống đó là một thách thức khơng nhỏ cho việc lưu
trữ vì rất tốn thời gian, cơng sức, tiền bạc. Chính vì lý do đó các cơng ty, tập đồn
lớn đã đưa ra phương án thiết kế là ghép các tủ đơn có thể di chuyển do hệ động
cơ tạo thành một hệ thống với những ưu điểm nổi bật hơn nhiều so với hệ thống
tủ truyền thống như: Tiết kiệm khơng gian, dễ dàng điều khiển, có hệ thống cảm
biến báo cháy, đếm người, chống ẩm mốc, hẹn giờ thơng gió, tự động chiếu sáng,
bảo mật cao, tự động tìm kiếm, tra cứu tài liệu.
2.

Sơ đồ tổng quan

Yêu cầu công nghệ
-

Thiết kế, chế tạo hệ thống tủ lưu trữ dùng để lưu trữ, bảo quản tài liệu.

-

Hệ thống có khả năng di chuyển, đảm bảo không gian gian lưu trữ tối ưu.

Hệ thống có khả năng điều khiển, giám sát, đảm bảo điều kiện lữu trữ tài
liệu tốt ưu nhất. Hệ thống có khả năng tìm kiếm tài liệu (ngay tại hệ thống, hoặc
thông qua PC và Smart Phone).

7


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG

Hình 1.5. Lưu đồ thiết kế tổng quan hệ thống tủ lưu trữ thông minh
Ở trong hình 1.3 đã cho chúng ta thấy về vị trí của tủ Slave và tủ Master
trong hệ thống tủ lưu trữ thơng minh. Có 2 trường hợp đó là tủ Master nằm về
một phía so với các tủ Slave, còn trường hợp còn lại là tủ Master nằm ở giữa.
Cịn ở hình 1.5 này, là lưu đồ thiết kế tổng quan của hệ thống tủ lưu trữ.
Có 3 phần đó là tủ Master, tủ Slave và tủ Outmost Slave (tủ Slave nằm ngồi
cùng).
a)

Tủ Master

Hình 1.6. Lưu đồ thiết kế tủ Master
Tủ Master bao gồm:
-

Mạch điều khiển trung tâm

8


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG

-

Các cảm biến và thiết bị điều khiển

-

Hệ thống chiếu sáng, báo số tủ và thơng gió

-

Kết nối với IPC, vv...

Mạch điều khiển trung tâm sẽ điều khiển các thiết bị: đèn chiếu sáng, điều
khiển thơng gió, cảm biến nhiệt độ, độ ẩm và cảm biến khí NH3. Tủ Master sẽ
điều khiển các tủ Slave thơng qua giao thức truyền thơng CAN. Ngồi ra mạch
cịn giao tiếp với màn hình của IPC như trên hình 1.6
IPC (Industrial Panel PC) là máy tính cơng nghiệp có độ chuyên dụng cao
được trong điều kiện khắc nhiệt (chịu sốc, chịu nhiệt và các va đập). Trong đề tài
này, IPC sẽ kết nối với mạch điều khiển trung tâm qua giao thức truyền thơng
RS485, với mục đích người sử dụng sẽ có thể điều khiển, kiểm tra được tủ
Master và các tủ Slave thơng qua màn hình cảm ứng của IPC.
IPC sẽ kết nối với cảm biến vân tay thơng qua USB, kết nối với mạch điều
khiển điều hịa qua một cổng LAN (Local Area Network- mạng máy tính cục bộ),
kết nối với loa khi có các thơng báo hay có sự cố xảy ra đối với hệ thống tủ. Đặc
biệt IPC cịn kết nối với máy tính riêng PC thông qua mạng LAN và kết nối với
smartphone qua Wifi. Điều này làm cho việc kiểm tra, hay theo dõi q trình vận
hành được linh hoạt, nếu có vấn đề sự cố cũng sẽ dễ dàng giải quyết kịp thời.
b)

Tủ Slave

Hình 1.7. Lưu đồ thiết kế tủ Slave
Tủ Slave bao gồm:
-

Màn hình HMI

-

Các cảm biến bao gồm: cảm biến khoảng cách, cảm biến nhiệt độ, độ ẩm,
cảm biến khí NH3, cảm biến tiệm cận, mạch đếm người, phát hiện tủ bị
khóa, động cơ truyền động, cảm biến hồng ngoại dọc, đèn chiếu sáng,
báo số tủ và giao thức truyền thông với CAN
9


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG

Từ các đặc tính cơ bản của tủ lưu trữ thơng minh, có thể thấy tủ Slave có
sử dụng rất nhiều các thiết bị cảm biến như cảm biến nhiệt độ, độ ẩm để đo nhiệt
độ, độ ẩm phòng giúp cho việc bảo quản tài liệu hơn kết hợp với điều khiển
thơng gió của tủ Master, cảm biến khí NH3 giúp tránh tính trạng cháy nổ ở tủ,
cảm biến hồng ngoại dọc để kiểm tra khi có người vào, vv…
Ngồi ra, các tủ Slave cũng giao tiếp với nhau thông qua giao thức truyền
thông CAN. Tủ Slave sẽ kết nối với màn hình HMI qua RS485 để giúp cho việc
kiểm soát hoạt động của tủ Slave được dễ dàng, hiệu quả hơn.
c)

Tủ Outmost Slave

Tủ Outmost Slave (hay tủ Slave ở ngồi cùng) là tủ phía ngồi cùng so với
vị trí của tủ Master. Về cấu tạo của tủ Outmost Slave thì cũng tương tự như các
tủ Slave ở phần b), tuy nhiên là có thêm một thiết bị khác đó là cảm biến hết
hành trình (endstop sensor) để kiểm tra tủ đóng để đảm bảo các tủ khơng bị xơ
dịch khi thực hiện q trình dịch chuyển, giúp đảm bảo an tồn cho hệ thống.

Hình 1.8. Lưu đồ thiết kế tủ Outmost Slave
3.

Tìm hiểu về các giao thức truyền thông trong hệ thống tủ lưu trữ

a)

Giao thức truyền thông CAN

Controller Area Network (CAN) là giao thức giao tiếp nối tiếp hỗ trợ
mạnh cho những hệ thống điều khiển thời gian thực phân bố (distributed realtime
control system) với độ ổn định, bảo mật và đặc biệt chống nhiễu cực kỳ tốt.
Ngay từ khi mới ra đời, mạng CAN đã được chấp nhận và ứng dụng một
cách rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp, chế tạo ô tô, xe tải. Với thời gian,
CAN càng trở nên thơng dụng hơn vì tính hiệu quả, ổn định, đơn giản, mở và đặc
biệt là chi phí rẻ. Nó được sử dụng với việc truyền dữ liệu lớn, đáp ứng thời gian
thực và trong môi trường khác nhau. Cuối cùng, truyền tốc độ cao rất ổn định.
Đó là lý do tại sao chúng được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác
10


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG

ngoài xe hơi như các máy nông nghiệp, tàu ngầm, các dụng cụ y khoa, máy dệt,
v.v...
Cơng nghệ cáp của mạng CAN có đường dây dẫn đơn giản, giảm tối thiểu
hiện tượng sự đội tín hiệu. sự truyền dữ liệu thực hiện nhờ cặp dây truyền tín
hiệu vi sai, có nghĩa là chúng ta đo sự khác nhau giữa 2 đường (CAN H và CAN
L). Đường dây bus kết thúc bằng điện trở 120 ohm (thấp nhất là 108 ohm và tối
đa là 132 ohm) ở mỗi đầu. Mạng CAN được tạo thành bởi một nhóm các nodes.
Mỗi node có thể giao tiếp với bất kỳ nodes nào khác trong mạng. Việc giao tiếp
được thực hiện bằng việc truyền đi và nhận các gói dữ liệu - gọi là message. Mỗi
loại message trong mạng CAN được gán cho một ID - số định danh – tùy theo
mức độ ưu tiên của message đó.

Hình 1.9. Mơ hình mạng CAN
Tiêu chuẩn ISO11898 định nghĩa hai lớp Physical layer và Data link layer.
Lớp Physical layer định nghĩa cách biểu diễn/thu nhận bit 0 bit 1, cách
định thời và đồng bộ hóa. Lớp Data link layer được chia làm 2 lớp nhỏ là logical
link control (LLC) và Medium Access Control (MAC): định nghĩa frame truyền
và những nguyên tắc arbittration để tránh khi cả hai Master cùng truyền đồng
thời.
Ngoài ra, chuẩn CAN còn định nghĩa nhiều cơ chế khác để kiểm tra lỗi,
xử lý lỗi... cơ chế kiểm tra và xử lý lỗi chia làm 5 loại lỗi: Bit error, Stuff error,
CRC error, Form error, ACK error…
Trong đồ án này, giao thức truyền thông CAN được sử dụng để giao tiếp
giữa các tủ Slave với nhau và để tủ Master điều khiển các tủ Slave.
b)

Giao thức truyền thông UART

Tên đầy đủ UART là “Universal Asynchronous Receiver / Transmitter”,
và nó là một vi mạch sẵn có trong một vi điều khiển nhưng không giống như một

giao thức truyền thông (I2C và SPI). Chức năng chính của UART là truyền dữ
liệu nối tiếp. Trong UART, giao tiếp giữa hai thiết bị có thể được thực hiện theo
hai cách là giao tiếp dữ liệu nối tiếp và giao tiếp dữ liệu song song.
Trong kênh truyền song song, khi truyền một gói dữ liệu n-bit thì ta cần n
đường truyền, mỗi bit trong gói dữ liệu sẽ đi trên một đường truyền. Trong kênh
truyền nối tiếp, ta chỉ cần một đường truyền để truyền tuần tự n bit của gói dữ
liệu. Như vậy, để truyền một gói dữ liệu trong kênh truyền song song ta tốn một
11