Xây dựng hệ thống đo đạc, thu thập và xử lý tín hiệu số các thông số môi trường từ xa qua mạng ethernet

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU CẤP ĐẠI HỌC QUỐC GIA Tên đề tài: Xây dựng hệ thống đo đạc, thu thập và xử lí tín hiệu số các thông số môi trường từ xa qua

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

CẤP ĐẠI HỌC QUỐC GIA

Tên đề tài: Xây dựng hệ thống đo đạc, thu thập và xử lí tín

hiệu số các thông số môi trường từ xa qua mạng Ethernet

Mã số đề tài: QG.12.02

Chủ nhiệm đề tài: TS Đỗ Trung Kiên

Hà Nội, tháng 09 năm 2014

MỤC LỤC

PHẦN I THÔNG TIN CHUNG 2

PHẦN II NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3

1 Đặt vấn đề 3

2 Mục tiêu 3

3 Phương pháp nghiên cứu 4

4 Tổng kết kết quả nghiên cứu 4

5 Đánh giá về các kết quả đã đạt và kết luận 20

6 Tóm tắt kết quả 21

PHẦN III SẢN PHẨM, CÔNG BỐ VÀ KẾT QUẢ ĐÀO TẠO CỦA ĐỀ TÀI 23

PHẦN IV TỔNG HỢP KẾT QUẢ CÁC SẢN PHẨM KH&CN và ĐÀO TẠO CỦA ĐỀ TÀI 25

PHẦN V TÌNH HÌNH SỬ DỤNG KINH PHÍ 26

PHẦN VI KIẾN NGHỊ 26

PHẦN VII PHỤ LỤC 28

PHẦN I THÔNG TIN CHUNG

1 Tên đề tài/dự án: Xây dựng hệ thống đo đạc, thu thập và xử lí tín hiệu số

các thông số môi trường từ xa qua mạng Ethernet

3 Danh sách chủ nhiệm, thành viên tham gia thực hiện đề tài/dự án

TT Chức danh, học vị, họ và tên Đơn vị công tác Chức danh thực hiện

đề tài/dự án

4 Tổ chức chủ trì: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội

5 Thời gian thực hiện:

5.1 Theo hợp đồng: từ tháng 10 năm 2012 đến tháng 10 năm 2014

5.2 Gia hạn (nếu có): Không

5.3 Thực hiện thực tế: từ tháng 10 năm 2012 đến tháng 10 năm 2014

Điều chỉnh sản phẩm:

Thành :

Nguyên nhân: Việc ứng dụng cho các trạm quan trắc môi trường đòi hỏi thời gian, kinh

phí triển khai và sự cho phép của các đơn vị chức năng liên quan nên trong phạm vi đề tài chưa thực hiện được

Ý kiến của Cơ quan quản lý: Đồng ý cho phép

(Có Phiếu đề nghị thay đổi trong quá trình thực hiện đề tài KHCN của ĐHQGHN đã được

phê duyệt kèm theo)

7 Tổng kinh phí được phê duyệt của đề tài, dự án: 180 triệu đồng

PHẦN II TỔNG QUAN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Đặt vấn đề

Việc đo lường và thu thập các thông số môi trường luôn là một vấn đề được các nhà khoa học quan tâm, đặc biệt với các biến đổi môi trường theo chiều hướng tiêu cực trong những năm gần đây Thông tin các thông số này được phân tích xử lý và đưa ra các khuyến cáo, cảnh báo về chất lượng cuộc sống hay các thảm họa tự nhiên Điều này tưởng chừng đơn giản, nhưng khi nhìn nhận việc thu thập thông tin trong thời gian dài, tại nhiều địa điểm khác nhau, tại những vùng miền không tiện giao thông, sinh hoạt, thì đây lại là vấn đề rất khó khăn về thời gian, chi phí cho các nhà khoa học

Trong các kỹ thuật đo lường, các hệ thống thu thập và xử lý dữ liệu tự động rất phổ biến Việc sử dụng các hệ này sẽ tiết kiệm được nhiều về chi phí và thời gian [1-6] Số liệu được thu thập và về cơ bản sẽ được hiện thị theo thời gian thực trên màn hình chỉ thị LCD [7,8] Một số hệ khác phát triển hơn, có thể lưu trữ dữ liệu trong bộ nhớ trong hoặc xuất ra

bộ nhớ ngoài Các hệ này sẽ cho phép thu thập được số liệu trong thời gian dài hơn [9,10] Tuy nhiên, vì các thông số môi trường phải được ghi nhận ở các địa điểm khác nhau, liên tục, thời gian thực nên nếu đơn thuần chỉ lưu trong bộ nhớ thì không thể giải quyết được triệt để vấn đề Với sự phát triển không ngừng của kỹ thuật truyền tin di động, mạng dữ liệu bao phủ khắp toàn cầu, bài báo này trình bày về việc thực hiện ý tưởng là đưa các số liệu thu thập từ các thông số môi trường của các hệ trên, truyền dẫn không dây qua dịch vụ GPRS và đưa vào lưu trữ trong mạng quản trị cơ sở dữ liệu mở MySQL Người dùng có thể lấy được số liệu từ bất cứ đâu mà không nhất thiết phải đến tận nơi đặt hệ thống

2 Mục tiêu

- Để khảo sát các thông số của môi trường, đề tài đã lựa chọn bốn thông số tiêu biểu

mà nếu có biến động, những thông số này sẽ là các cảnh báo chính những nguy cơ hiểm họa có thể xảy ra Đó là: nhiệt độ môi trường, độ ẩm tương đối, tiếng ồn, và nồng độ CO2 Bốn thông số này sẽ được đo bởi các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, tiếng

ồn và CO2

- Xây dựng Web Server thuận tiện cho việc đo đạc và thu thập thông tin từ xa, không cần phải có mặt tại hiện trường, đồng thời có thể lấy được, quản lý được các luồng thông tin tại nhiều trạm khác nhau, đặc biệt có thể lấy dữ liệu tại những nơi không

có mạng Ethernet có dây

Mô hình của hệ thống được mô tả trên hình 1 Khối thu thập và xử lý tín hiệu sử dụng

nhân để xử lý dữ liệu; lưu trữ trên máy chủ nội bộ (local server) để các máy tính trong hệ thống có thể truy cập lấy dữ liệu; và đặc biệt, theo hướng chính, điểm mới của đề tài là việc truyền tín hiệu lên mạng di động không dây GPRS Dữ liệu được lưu vào máy chủ của dịch vụ internet Người sử dụng, chỉ cần có quyền truy cập là có thể truy cập vào máy chủ này từ bất cứ nơi nào có mà máy tính có internet để lấy dữ liệu Đây là một ý nghĩa quan trọng của đề tài: thu thập, xử lý dữ liệu các thông số môi trường từ xa

3 Phương pháp nghiên cứu

3.1 Phương pháp tiếp cận

Tìm hiểu và vận hành một số sản phẩm có trên thị trường, tìm hiểu các tài liệu kĩ thuật tương ứng để từ đó xây dựng ra các tiêu chí chuẩn cho hệ thống sẽ xây dựng, sao cho đáp ứng được các yêu cầu cần thiết tương ứng như số đại lượng đo, dải đo,

độ chính xác, điều kiện và môi trường vận hành

3.2 Phương pháp nghiên cứu

- Thiết kế toàn bộ hệ thống; Phân tích hệ thống, chia nhỏ thành từng module

- Nghiên cứu, thiết kế chế tạo và kiểm tra hoạt động từng module

- Ghép lại hoàn chỉnh hệ thống; Kiểm tra hoạt động và vận hành hệ thống

- Đo đạc, đánh giá các kết quả thu nhận được

4 Tổng kết kết quả nghiên cứu

4.1 Các đối tượng đo lường và các thiết kế tương ứng

ĐO NHIỆT ĐỘ

Nhiệt độ môi trường là đại lượng quan trọng, ảnh hưởng lớn tới mọi sinh vật cũng như con người, trang thiết bị vật tư Do đó đo nhiệt độ môi trường là công việc rất quan trọng để đánh giá các thông số của môi trường Yêu cầu là đo nhiệt độ của môi trường, trong điều kiện ở nước ta thì nhiệt độ nằm trong khoảng từ 0oC đến 50oC Để

đo nhiệt độ, đề tài sử dụng 03 cảm biến nhiệt độ:

- IC DS18B20 [14] của MAXIM: khả năng phân giải nhiệt độ từ -55oC đến 125oC với độ phân giải từ 9 đến 12 bit, độ chính xác 0.5oC Là IC đo nhiệt độ giao tiếp số, mỗi giá trị của nhiệt độ tương ứng với một con số nhị phân trong một độ phân giải xác định

Vi điều khiển thu thập và xử lý

dữ liệu

Cảm biến nhiệt độ

Cảm biến độ ẩm

Cảm biến tiếng ồn

Lưu trữ: máy chủ nội bộ Phát trên GPRS

Mạng di động Máy chủ trên mạng Ethernet

Hình 1 Sơ đồ khối hệ thống đo đạc, thu thập và xử lí tín hiệu số các thông số môi trường từ xa

qua mạng Ethernet

- IC DHT11: Tín hiệu đầu ra là tín hiệu số Cảm biến này bao gồm 1 thành phần đo đạc nhạy ẩm và một thành phần đo lường nhiệt độ NTC, và khi được kết nối với một vi điều khiển 8-bit hiệu năng cao thì sẽ cung cấp được một chất lượng khá tốt, phản ứng nhanh, khả năng ổn định chống nhiễu và giá thành rẻ

- IC SHT15 của hãng Sensirion [12]: có thể đo đồng thời hai thông số của môi trường là nhiệt độ và độ ẩm Tín hiệu lối ra dạng số, có thể đọc và ghi vào vi điều khiển Dải nhiệt độ đo từ -10oC đến 55oC, dải độ ẩm từ 0 % RH - 100 % RH Độ chính xác của nhiệt độ và độ ẩm tương ứng là ± 0.5 °C và ± 2.0 %RH

Cả ba loại cảm biến này đều có các thông số và cấu hình giao tiếp phù hợp với mục đích của hệ đo thông số môi trường của đề tài

Cảm biến DS18B20

Cảm biến nhiệt độ DS18B20 sử dụng giao tiếp “1-dây” (1-wire) Đầu đo nhiệt độ số DS18B20 đưa ra số liệu để biểu thị nhiệt độ đo được dưới dạng mã nhị phân 9 đến 12 bit Chỉ cần hai đường dẫn gồm một đường cho tín hiệu và một đường làm dây đất là

đủ để kết nối vi điều khiển đến điểm đo Nguồn nuôi cho các thao tác ghi/đọc/chuyển đổi có thể được cấp riêng hoặc được trích từ đường tín hiệu Hình ảnh DS18B20 như trên hình 2

Hình 2 Hình ảnh thực của cảm biến nhiệt độ DS18B20

Giao tiếp chuẩn 1-dây là giao tiếp với hệ thống giao bus dữ liệu chỉ có 1 dây đường truyền được thiết kế bởi hãng bán dẫn Dallas Semiconductor Corp Chuẩn 1-dây dựa trên chuẩn giao tiếp I2C, cho phép truyền dữ liệu ở tốc độ thấp với khoảng cách lớn,

và có khả năng tự cấp nguồn ngay trên đường tín hiệu Cho phép kết nối nhiều thiết bị trên cùng một đường bus Mỗi thiết bị được đặc trưng bởi mã code riêng Do tính tiện lợi, nhỏ gọn, dễ lắp đặt, kinh tế nên chuẩn giao tiếp 1-dây thường được dùng cho các

hệ thu thập số liệu như các đầu đo nhiệt độ, độ ẩm…(hình 3)

TTX 100 của Đức) Quá trình khảo sát lấy số liệu chia thành hai giai đoạn

Giai đoạn 1, đo nhiệt độ của 1 cốc nước đá đang tan, để đá tan hết rồi, nhiệt độ của cốc nước tăng dần về nhiệt độ môi trường (22.4 0C) và ghi số liệu Giai đoạn 2, đo nhiệt độ của cốc nước nóng, để nước nóng nguội dần về nhiệt độ môi trường (22.4 0C)

và ghi số liệu (hình 4)

Hình 4 Khảo sát đánh giá hệ đo nhiệt độ dùng DS18B20 với nhiệt kế TTX 100 Ebro

Độ lệch chuẩn: 0.168 Bản thân thiết bị đọc chuẩn có sai số 0.5 0C Do đó sai số đo nhiệt độ của hệ thống là: 0.67 0C

- Khoảng đo: 0 - 100% RH, -40 - 123,8 oC; Sai số độ ẩm: ±5 %RH

- Sai số nhiệt độ: ±2 oC; Độ phân giải: 0,05 %RH, 0,01 oC

% Khác với độ ẩm tuyệt đối, độ ẩm tương đối đánh giá được khả năng còn có thể nhận thêm độ ẩm, hoặc bốc hơi, khả năng đạt đến ngưng tụ hơi nước Độ ẩm tương đối của môi trường ảnh hưởng tới khả năng bốc hơi hoặc bị làm ẩm của vật, sinh vật đặt trong môi trường đó Do đó việc đo độ ẩm tương đối là rất quan trọng để đánh giá môi trường, bảo quản vật tư, trang thiết bị, ảnh hướng lớn tới con người cũng như sự phát triển của sinh vật

Cảm biến đo độ ẩm tương đối

Hình ảnh cảm biến HS1100 trên hình 9 Mạch điện nguyên lý trên hình 10

Hình 9 Cảm biến độ ẩm tương đối

HS1100

Hình 10 Sơ đồ nguyên lý đo độ ẩm sử dụng

HS1101

Đặc tính kỹ thuật của HS1100:

- Khoảng đo: 0 - 100 %RH; Sai số độ ẩm: ±2 %RH

Cảm biến này đã được nhà sản xuất đưa ra hàm phụ thuộc của giá trị điện dung vào độ

ẩm tương đối của không khí

Hình 11 Biều đồ sự phụ thuộc điện dung của cảm biến vào độ ẩm tương đối

Để đo được độ ẩm tương đối RH trong công thức trên thì cần biết được C Tuy nhiên điện dung C là đại lượng điện khó đo trực tiếp, do đó ta sử dụng mạch điện dao động

có tần số phụ thuộc vào điện dung C này Mạch điện có chức năng này ta sử dụng IC LM555 mắc theo chế độ phát đa hài ổn định (hình 10)

Khi đó ta có sự phụ thuộc của tần số lối ra vào giá trị độ ẩm như sau:

Từ công thức trên ta có đồ thị sự phụ thuộc của độ ẩm vào tần số (hình 11) Từ đồ thị

ta thấy dạng đồ thị gần là một đường thẳng, độ ẩm là một hàm gần tuyến tính theo tần

số

Trong hệ thống nhúng ta có thể đếm được tần số của xung do mạch phát ra Và do đó

ta có thể tính được giá trị độ ẩm tương đối tương ứng (Hình 12)

Hình 12 Sơ đồ khối miêu tả hoạt động của hệ đo độ ẩm tương đối

Thực hiện với R2 = 470 kΩ, R4 = 68 kΩ từ datasheet của nhà sản xuất ta có:

1 ln(2)182.3 (1.25 1.36 2.19 0.90)(68000 2*470000)

Kết quả thực nghiệm về sự phụ thuộc của tần số và độ ẩm được chỉ ra trên hình 13

Đánh giá cảm biến độ ẩm tương đối HS1100:

HS1100 là cảm biến độ ẩm khá nhỏ gọn hoạt động trên cơ sở biến đổi điện dung theo

độ ẩm tương đối Nó có giá thấp và khá phổ biến trên thị trường và có độ nhạy, độ chính xác khá cao, đáp ứng được các công việc đo độ ẩm tương đối của môi trường thông thường (phòng, kho) Tuy nhiên do phải đo gián tiếp điện dung qua việc đếm tần số của mạch dao động nên việc chuẩn hóa, và đánh giá phẩm chất của hệ còn gặp nhiều khó khăn Độ chính xác bị ảnh hưởng bởi phẩm chất của mạch dao động, chưa

có bù nhiệt, và chưa có cơ cấu chống ngưng tụ hơi nước quá bão hòa trên cảm biến (có thể làm sai, hỏng cảm biến)

Xung dao động có tần

số (chu kỳ) phụ thuộc vào độ ẩm tương đối

IC LM555

Đếm tần số (đo chu kỳ) ,Tính được độ ẩm tương đối %RH

Xử lý , Lưu trữ truyền số liệu, (hiển thị)

xử lý Thu thập xử lý và

đánh giá số liệu nơi nhận

Hình 13 Biểu đồ sự phụ thuộc của tần số

của mạch dao động theo độ ẩm không khí

Hình 14 Khảo sát chuẩn hóa, đánh giá hệ

đo độ ẩm

Khảo sát căn chỉnh và chuẩn hóa hệ đo độ ẩm (SPĐT1)

Việc khảo sát được tiến hành như sau: Đưa thiết bị đo chuẩn và cảm biến vào cùng một hộp kín Thiết bị đo chuẩn cho phép theo dõi được sự thay đổi của nhiệt độ và độ

ẩm trong hộp kín khi ta tiến hành thí nghiệm Tiếp theo, thay đổi chậm độ ẩm tương đối của hộp kín để hộp kín có độ ẩm tương đối đồng đều, ghi lại độ ẩm từ thiết bị đo chuẩn và độ ẩm đo được từ hệ thống Qua việc tiến hành khảo sát thu được kết quả như trên hình 14

Độ lệch chuẩn: 1.53 Bản thân thiết bị đọc chuẩn có sai số 1% Do đó sai số đo độ

ẩm của hệ thống là: 2.53 % RH

Cảm biến đo độ ẩm DHT11 và cảm biến đo độ ẩm SHT15

Hai cảm biến này đã được trình bày trong phần đo nhiệt độ ở trên Sự khác biệt của các cảm biến là dải đo nhiệt độ, độ ẩm, độ chính xác, độ phân giải Nên tùy theo yêu cầu của các ứng dụng sẽ sử dụng loại cảm biến nào Tuy nhiên, trong phạm vi của bài toán khảo sát các thông số môi trường thì cả hai loại DHT11 và SHT15 đều sử dụng được

CO2, phản ứng tại điện cực sau sẽ xảy ra:

Tại Cathode: 2Li+ + CO2 + 1/2O2 + 2e- = Li2CO3Tại Anode: 2Na+ + 1/2O2 + 2e- =Na2O

Phản ứng tổng cộng: Li2CO3 + 2Na+ = Na2O + 2Li+ + CO2Suất điện động được tạo ra từ phản ứng trên, theo như phương trình Nerst:

EMF = Ec – (R.T)/(2F)ln (P(CO2)) Trong đó: P(CO2) - CO2 : Áp suất khí; Ec - Hằng số thể tích; R - Hằng số thể tích khí;

T - Nhiệt độ tuyệt đối; F - Hằng số Faraday

Khi thế nung nóng được đặt vào cho tới khi nhiệt độ bề mặt đủ lớn, sensor sẽ tạo thành một khối thống nhất, 2 mặt của nó sẽ tạo ra một tín hiệu điện thế mà dựa theo phương trình Nerst, trở kháng của khuếch đại nên rơi vào từ 100-1000 GΩ Đầu ra tương tự của sensor là điện thế từ 30-50 mV ứng với 350-10000 ppm CO2

Tín hiệu điện thế được khuếch đại để lên mức 0-5 V và đưa vào vi điều khiển (hình 16) Phần số liệu đo nồng độ CO2 được trình bày tích hợp ở phần sau về các dữ liệu thu nhận được và ghi vào máy chủ cục bộ thông qua giao tiếp UART Phần chuẩn hóa khối đo nồng độ CO2 trong đề tài này chưa được thực hiện vì chưa có được thiết bị chuẩn phù hợp

CẢM BIẾN ÂM THANH

Cảm biến âm thanh được sử dụng để đo biên độ của dao động trong không khí có dải tần số từ 20 Hz - 20 kHz Tương tự như màng nhĩ người, cảm biến âm thanh có một

chuyên cho âm thanh(hình 18)

Hình 17 Hình ảnh của micro trong

khuếch đại thuật toán LM386

Tín hiệu đi từ micro vào LM 386 được khuếch đại thế, trong mạch thực tế của độ khuếch đại rơi vào khoảng xấp xỉ 20 lần Tin hiệu không bị méo và biến dạng quá nhiều (LM 386 là một bộ khuếch đại chuyên dụng cho âm thanh) Vi điều khiển sẽ ADC điện thế để đưa ra kết quả tương ứng Dữ liệu này sau đó được hiển thị trên màn hình hoặc truyền qua UART lên server

Phần số liệu đo độ ồn được trình bày tích ở phần sau về các dữ liệu thu nhận được và ghi vào máy chủ cục bộ thông qua giao tiếp UART Phần chuẩn hóa khối đo độ ồn được kiểm tra bằng phần mềm Goldwave kiểm tra mức độ âm thu nhận vào trong máy tính thông qua micro

4.2 Lưu trư, truyền dữ liệu

LƯU TRỮ, TRUYỀN DỮ LIỆU LÊN MÁY CHỦ CỤC BỘ THÔNG QUA ĐƯỜNG TRUYỀN HỮU TUYẾN UART

Giao tiếp UART và phần mềm hỗ trợ Herquese

Phần này sử dụng giao tiếp truyền nhận không đồng bộ (UART) để chuyển dữ liệu giữa vi điều khiển và máy tính Giao tiếp UART thường được sử dụng trong một số chuẩn giao tiếp như EIA, RS-232, RS-422 or RS-485 Và có thể cấu hình được định dạng dữ liệu và tốc độ truyền

Để nhận dữ liệu từ vi điều khiển và lưu chúng vào một file text nhất định, đề tài sử dụng phần mềm Herquese – phần mềm miễn phí để thực hiện nhiệm vụ trên (hình 19)

Xử lý số liệu và đưa lên Lan Server:

Dữ liệu truyền từ vi điều khiển vào máy tính được lưu trữ trên máy tính và có thể được đưa trực tiếp lên Server mạng cục bộ Sử dụng ngôn ngữ HTML và PHP để hiển thị xây dựng giao diện, kiểm tra quyền truy cập và đưa ra được lượng dữ liệu tương ứng ở trên nhiều trình duyệt như Mozila Firefox, Chrome, Opera Để truy cập vào hệ

dữ liệu, cài đặt 2 quyền truy cập khác nhau: quyền người quản trị hoặc quyền khách Với quyền người quản trị, tất cả dữ liệu sẽ được thể hiện nhưng với quyền khách, chỉ

có 5 dữ liệu cuối cùng được hiển thị (hình 20)

Hình 19 Giao diện phần mềm Herquese Hình 20 Mô hình đặt quyền truy cập dữ liệu

Xây dựng thuật toán cho hệ đo:

Lưu đồ thuật toán chương trình đọc số liệu và hiển thị lên LCD (hình 21), chương trình đọc số liệu và truyền qua UART mà không hiển thị LCD (hình 22)

Hình 21 Lưu đồ thuật toán đọc số liệu

và hiện thị LCD

Hình 22 Lưu đồ thuật toán đọc và truyền số

liệu không hiện thị LCD Kết quả xây dựng hệ đo

Trên cơ sở đối tượng và phương pháp nghiên cứu trên, tiến hành ghép nối và xây dựng mạch đo thực tế, mạch vận hành (hình 23)