(Đồ án hcmute) thiết kế hệ thống quan trắc nước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO NGÀNH CNKT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUAN TRẮC NƯỚC GVHD SVTH MSSV SVTH MSSV Khố : ThS NGUYỄN NGƠ LÂM : NGUYỄN THANH CƯỜNG : 13141023 : BIỆN QUỐC THÀNH : 13141308 : 2013-2017 SKL 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 07/2017 an TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬTTHÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀ O TẠO CHẤT LƢỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUAN TRẮC NƢỚC NGUYỄN THANH CƢỜNG BIỆN QUỐC THÀNH MSSV:13141023 13141308 Khoá : 2013 Ngành: Công nghệ kĩ thuật điện tử - truyền thông GVHD: ThS NGUYỄN NGƠ LÂM SVTH: Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2017 an CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2017 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Thanh Cƣờng MSSV: 13141023 Biện Quốc Thành MSSV: 13141308 Ngành: Điê ̣n tƣ̉ viễn thông Lớp: 13141CLVT Giảng viên hƣớng dẫn: ThS Nguyễn Ngô Lâm ĐT: 01267828599 Ngày nhâ ̣n đề tài: 22/2/2017 Ngày nộp đề tài: 11/7/2017 Tên đề tài : Thiết kế hệ thống quan trắc nƣớc Các số liệu, tài liệu ban đầu: Đồ án môn học Nội dung thƣ̣c hiê ̣n đề tài : Thiết kế xây dựng hệ thống quan trắc nƣớc Giám sát thông số hệ thống điều khiển hoạt động hệ thống quaWeb Server mạng di động Sản phẩm: Mơ hình hệ thống quan trắc nƣớc đƣợc giám sát điều khiển qua mạng Internet mạng di động GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN ii an CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦNGHĨAVIỆTNAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN Họ tên Sinh viên: Nguyễn Thanh Cƣờng MSSV: 13141023 Biện Quốc Thành MSSV: 13141308 Ngành: Điê ̣n tƣ̉ viễn thông Tên đề tài: Thiết kế hệ thống quan trắc nƣớc Họ tên Giáo viên hƣớng dẫn: ThS Nguyễn Ngô Lâm NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lƣợng thực hiện: Ƣu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm:……………….(Bằng chữ: ) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2017 Giáo viên hƣớng dẫn iii an CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ tên Sinh viên: Nguyễn Thanh Cƣờng MSSV: 13141023 Biện Quốc Thành MSSV: 13141308 Ngành: Điê ̣n tƣ̉ viễn thông Tên đề tài: Thiết kế hệ thống quan trắc nƣớc Họ tên Giáo viên phản biện: NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lƣợng thực hiện: Ƣu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm:……………….(Bằng chữ: ) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2017 Giáo viên phản biện iv an LỜI CẢM ƠN Nhóm thực xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Thầy Nguyễn Ngô Lâm – Giảng viên Bộ môn Điện tử Viễn Thông trực tiếp hƣớng dẫn tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện để nhóm thực hồn thành tốt đề tài Bên cạnh đó, nhóm thực xin chân thành cảm ơn đến quý Thầy Cô trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh khoa Điện – Điện tử truyền đạt kiến thức quý báu, tạo dựng móng cho nhóm thực có sở nhƣ tảng kiến thức cần thiết để nhóm em hồn thành tốt đề tài Đồ Án Tốt Nghiệp nhƣ định hƣớng nghề nghiệp tƣơng lai sau Nhóm thực xin chân thành gửi lời cảm ơn đến quý phụ huynh hỗ trợ tinh thần vật chất Xin chân thành cảm ơn! NHÓM SINH VIÊN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI v an LỜI NĨI ĐẦU Hiện tƣợng nóng lên Trái Đất vấn đề đầy thử thách cho toàn giới, hệ kéo theo làm cho môi trƣờng nƣớc bị ô nhiễm, lũ lụt xảy thƣờng xuyên mối lo ngại cho ngƣời dân, lẫn quan chức nhà khoa học Ô nhiễm nƣớc vấn đề quan trọng hàng đầu,đã gây hậu nặng nề tỉnh Việt Nam, đặc biệt tỉnh chuyên nông ngiệp, nuôi trồng thủy sản, nên cần có thiết bị theo dõi thơng số mơi trƣờng nƣớc để đƣa định việc nuôi trồng tƣới tiêu Hệ thống giám sát liệu mơi trƣờng nƣớc có chức nhƣ thu thập nhiệt độ nƣớc, mực nƣớc, độ pH, để ngƣời dùng theo dõi liên tục mơi trƣờng nƣớc, áp dụng vào ni trồng thủy sản Hệ thống hƣớng đến môi trƣờng nƣớc đƣa cảnh báo kịp thời thông qua tin nhắn thông qua mạng, ngƣời dùng tra cứu thông số môi trƣờng thông qua mạng để kịp thời xử lý Thông số đƣợc lƣu trữ lại để ngƣời dùng tham khảo có biện pháp theo dõi lâu dài nhằm đƣa phƣơng án xử lý thích hợp vi an MỤC LỤC Trang phụ bìa TRANG Nhiệm vụ đồ án môn ho ̣c i Trang phiế u nhận xét giáo viên hƣớng dẫn ii Trang phiế u nhận xét giáo viên phản biện iii Lời cảm ơn iv Mục lục v Danh mu ̣c từ viết tắt xi Danh mu ̣c bảng biểu xii Danh mu ̣c hình ảnh xiii Chƣơng TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HIỆN NAY 1.1.1 Đặt vấn đề 1.1.2 Tính cấp thiết đề tài 1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 1.3 ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1.4 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.5 BỐ CỤC ĐỒ ÁN Chƣơng CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 KIT ARDUINO MEGA 2560 2.1.1 Sơ lƣợc Arduino 2.1.2 Tổng quan kit Arduino Mega 2560 R3 2.1.3 Thông số kỹ thuật Arduino Mega 2560 R3 vii an 2.1.4 Cấu trúc Arduino Mega 2560 R3 2.1.5 Phƣơng thức lập trình cho Arduino Mega R3 10 2.2 RASPBERRY PI 11 2.3 CÁC CHUẨN TRUYỀN SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI 13 2.3.1 1-Wire 13 2.3.2 RS232 14 2.3.2.1 Giới thiệu 14 2.3.2.2 Các mức điện áp đƣờng truyền 15 2.3.3 I2C 15 2.4 LCD HIỂN THỊ 16 2.4.1 Giới thiệu LCD 16 2.4.2 Sơ đồ chân 16 2.4.3 Các lệnh điều khiển 18 2.4.4 Module I2C giao tiếp với LCD 20 2.5 CẢM BIẾN DS18B20 21 2.5.1 Đặc tính kỹ thuật 21 2.5.2 Sơ đồ khối cảm biến DS18B20 22 2.5.3 Hoạt động cảm biến DS18B20 23 2.5.4 Bộ nhớ ROM cảm biến DS18B20 24 2.5.5 Thanh ghi định cấu hình cảm biến DS18B20 25 2.5.6 Cấp nguồn cho cảm biến DS18B20 26 2.6 CẢM BIẾN SIÊU ÂM SRF04 26 2.6.1 Giới thiệu sóng siêu âm 26 2.6.2 Thông số kỹ thuật SRF04 27 2.6.3 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 27 viii an 2.7 MODULE SIM800A 29 2.7.1 Giới thiệu Module SIM 29 2.7.2 Thông số kỹ thuật 30 2.7.3 Chức chân Module SIM800A 31 2.8 RELAY 31 2.9 ĐỘ PH 33 2.9.1 Giới thiệu độ pH 33 2.9.2 Phƣơng pháp đo độ pH điện cực 33 2.9.3 Cảm biến pH DFRobot 36 2.10 WEB SERVER 37 Chƣơng THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG 38 3.1 SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG 38 3.1.1 Yêu cầu hệ thống 38 3.1.2 Sơ đồ khối chức khối 38 3.1.3 Hoạt động hệ thống 39 3.2 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 39 3.2.1 Khối cảm biến nhiệt độ 39 3.2.2 Khối cảm biến đo mực nƣớc 40 3.2.3 Khối cảm biến pH 40 3.2.4 Khối GSM 41 3.2.5 Khối hiển thị 41 3.2.6 Khối Relay 42 3.2.7 Khối động bơm 43 3.2.8 Khối xử lý trung tâm 43 ix an Giải thích lƣu đồ: Bắt đầu chƣơng trình, ta khởi tạo cổng RS232, giá trị giới hạn ban đầu Sau kết nối với sở liệu Đọc chuỗi liệu cảm biến nhận đƣợc chân RX Nếu liệu nhận đƣợc khác rỗng, tiến hành cắt chuỗi, gửi lên Web Server Sau đọc giá trị giới hạn cảm biến Kiểm tra giá trị giới hạn khác với giá trị cài cũ gửi qua Arduino 3.3.2.Cấu hình cho phép sử dụng UART Raspberry Pi Dùng lệnh: $sudo raspi-config để cấu hình cho Raspberry Pi Tìm đến Advanced Option/Serial, chọn No gặp thơng báo “Would you like a login shell to be accessible over serial?” Sau khởi động lại Dùng lệnh: $sudo nano /boot/config.txt để mở file cấu hình Thêm (hoặc sửa) dịng enable_uart=1 cuối file Dừng dịch vụ Bluetooth (do Raspberry Pi 3, chân ttyAMA0 bị Bluetooth chiếm) lệnh $sudo nano /boot/config.txt Thêm dòng dtoverlay=pi3-disable-bt Dừng dịch vụ Bluetooth: $sudo systemctl disable hciuart Sau khởi động lại 3.3.3.Cài đặt Web Server Raspberry Pi Cài đặt Apache: sudoapt-get install apache2 apache2-doc apache2-utils Cài đặt gói hỗ trợ PHP: sudo apt-get install libapache2-mod-php5 php5 php-pear php5xcache Cài đặt để PHP kết nối đƣợc với sở liệu: sudo apt-get install php5-mysql 54 an Cài đặt sở liệu: sudoapt-get install mysql-server mysql-client Cài đặt phpmyadmin để quản lý sở liệu: sudoapt-get install phpmyadmin Trong trình cài đặt, phpmyadmin hỏi cài vào Web Server nào, chọn Apache2 Sau đó, đƣợc hỏi chọn sở liệu cho phpmyadmin, chọn Yes Kết nối phpmyadmin với Apache2 cách: Dùng lệnh: sudo nano /etc/apache2/apache2.conf Thêm dòng: Include /etc/phpmyadmin/apache.conf vào cuối file Lƣu tất lại khởi động lại Apache2: sudo /etc/init.d/apache2 restart Sau xây dựng trang web hoàn chỉnh, copy trang web vào thƣ mục /var/www/html/ Nhƣ lần truy cập địa IP Raspberry trình duyệt web chạy trang Web xây dựng Tuy nhiên Web Server hoạt động mạng LAN, muốn trang web hoạt động mạng Internet cần phải xuất Web Server lên Internet Nếu muốn thử nghiệm trang web dùng ứng dụng miễn phí nhƣ No-IP đăng ký miễn phí tên miền để xuất Web Server lên Internet 55 an CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC HIỆN 4.1 KẾT QUẢ PHẦN CỨNG Sau thi cơng, ta kết phần cứng Hình 4.1 Hình 4.1: Sản phẩm hồn chỉnh Hình 4.2: LCD hiển thị giá trị cảm biến, giới hạn, trạng thái motor 56 an Nhận xét: Hệ thống đo giá trị cảm biến, điều khiển motor Tuy nhiên chưa ổn định độ xác chưa cao Gửi liệu lên Web Server, đọc cài giá trị giới hạn từ Web Server gửi 4.2 KẾT QUẢ PHẦN MỀM Sau hồn thiện, giao diện trang Web Hình 4.3 4.2.1 Giao diện Web Hình 4.3: Giao diện trang Giao diện trang Gồm thơng số đo từ cảm biến, trạng thái máy bơm gửi lên cập nhật liên tục Có nút chức năng: Cài giới hạn Xem đồ thị biến động 57 an Hình 4.4: Đồ thị biến động cảm biến Đồ thị biến động cảm biến cập nhật liên tục Hình 4.5: Đồ thị biến động nhiệt độ Sử dụng listbox để chọn xem đồ thị biến động nhiệt độ 58 an Hình 4.6: Đồ thị biến động độ pH Sử dụng listbox để chọn xem đồ thị biến động độ pH Hình 4.7: Đồ thị biến động mực nước Sử dụng listbox để chọn xem đồ thị biến động mực nước 59 an Hình 4.8: Trang đăng nhập để cài đặt giới hạn Khi nhấn vào “Cài giới hạn” đưa đến trang đăng nhập Ở trang đăng nhập, tài khoản mật đặt “admin” “admin” Hình 4.9: Trang cài đặt giới hạn cảm biến Sau đăng nhập thành công vào trang cài đặt giới hạn 60 an 4.2.2 Giao tiếp qua mạng di động Hình 4.10: Giao tiếp qua mạng di động Báo động qua tin nhắn người dùng nhắn tin để lấy liệu đo Nhận xét: Web hiển thị liệu, cài đặt giới hạn cảm biến yêu cầu Việc báo động qua tin nhắn, nhắn tin để lấy giá trị đo hoạt động độ trễ 61 an CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG 5.1 KẾT LUẬN Sau hồn thành đề tài, nhóm thực yêu cầu đặt hệ thống như:  Đo nhiệt độ, độ pH, mực nước  Gửi đọc liệu từ Web Server Cài giới hạn cho cảm biến từ Web Server  Giao tiếp tin nhắn với người dùng qua mạng di động Tuy nhiên, hệ thống số hạn chế như:  Thời gian đáp ứng chưa nhanh  Đội xác liệu đo chưa cao chưa có so sánh với thiết bị đo chuyên dụng 5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN Sử dụng linh kiện có độ xác cao hơn, đáp ứng yêu câu hoạt động thời gian dài Sử dụng phương pháp xác việc đo mực nước Mở rộng thêm chức khác quan trắc nước đo độ mặn, độ đục 5.3 PHẠM VI ỨNG DỤNG Do thiết kế dạng mơ hình, nên chưa đáp ứng yêu cầu đo thực tế Cần gia cố thêm phần khung để hoạt động tốt môi trường yêu cầu 62 an TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Đình Phú (2015), “Vi điều khiển PIC 16F887” [2] Nguyễn Đình Phú (2015), “Thực tập vi điều khiển PIC 18F4550” [3] Nguyễn Việt Hùng – Nguyễn Ngô Lâm – Nguyễn Văn Phúc (2012), “Giáo trình kỹ thuật truyền số liệu”,Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM [4] Simon Monk (2013), “Raspberry Pi Cookbook” [5] https://www.raspberrypi.org [6] https://www.python.org [7] https://www.w3schools.com [8] https://www.stackoverflow.com [9]https://www.youtube.com 63 an PHỤ LỤC: HƯỚNG DẪN ĐIỀU KHIỂN - THIẾT LẬP 6.1 BẮT ĐẦU ĐỌC DỮ LIỆU TỪ ARDUINO: Sau Raspberry Pi khởi động xong, ta mở Python 2.7 Chọn File -> Open tìm đến file cần thiết Hình 6.1: Giao diện Python 2.7 64 an Sau mở file cần thiết, ta chọn Run -> Run Module Hình 6.2: Giao diện mở file 65 an 6.2 CÀI GIỚI HẠN TỪ WEB SERVER Từ Raspberry Pi ta truy cập vào địa http://localhost/ từ máy tính ta truy cập IP Raspberry Pi, ta Hình 6.3 Hình 6.3: Giao diện Web Server Ta chọn “Cài giới hạn”, trình duyệt chuyển đến trang đăng nhập Ở đây, tài khoản mật “admin” “admin” Hình 6.4: Giao diện trang đăng nhập 66 an Hình 6.5: Giao diện trang cài đặt giới hạn Sau đăng nhập thành công, ta đưa đến trang cài đặt Khi nhập vào xong giá trị mong muốn, nhấn “ACCEPT” Khi muốn thoát phiên đăng nhập, nhấn “LOGOUT” 6.3 LẤY GIÁ TRỊ ĐO ĐƯỢC HIỆN TẠI BẰNG TIN NHẮN Nhắn tin đến số điện thoại Module SIM800A với nội dung “DATN” để nhận liệu đo Hình 6.6: Tin nhắn nhận từ hệ thống gửi đến 67 an S an K L 0 ... đề tài : Thiết kế hệ thống quan trắc nƣớc Các số liệu, tài liệu ban đầu: Đồ án môn học Nội dung thƣ̣c hiê ̣n đề tài : Thiết kế xây dựng hệ thống quan trắc nƣớc Giám sát thông số hệ thống điều... WEB SERVER 37 Chƣơng THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG 38 3.1 SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG 38 3.1.1 Yêu cầu hệ thống 38 3.1.2 Sơ đồ khối chức khối 38 3.1.3 Hoạt động hệ thống 39 3.2 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 39 3.2.1... ĐÀ O TẠO CHẤT LƢỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUAN TRẮC NƢỚC NGUYỄN THANH CƢỜNG BIỆN QUỐC THÀNH MSSV:13141023 13141308 Khoá : 2013 Ngành: Công nghệ kĩ thuật điện tử - truyền thông