Thiết kế hệ thống iot giám sát và cảnh báo sự cố cho hệ thống xử lý nước áp dụng cho nhà máy sản xuất nước tinh khiết

Hệ thống xửlý nước hong quá hình hoạt độngthường gặp phảisựcố dẫn đến áp suấtnước thay đổi độtngột làmgián đoạnvà giảm hiệu suất sản xuất.Dođó, để đảmbảo chất lượng nước được sản xuất, v

THIÉT KÉ HẸ THỐNG IOT GIÁM SÁT VÀ CẢNH BÁO sự CỐ CHO HẸ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC - ÁP DỤNG CHO NHÀ MÁY SAN XUẤT

NƯỚC TĨNH KHIẾT

-Khoa Công nghệ Điện ĩử, Trường Đại học Công nghiệp Thành phổ Hồ Chi Minh

*nguyenvanỉanh@iuh edu vn

Tóm tăt Vai trò của nước rất quan trọng trong cuộc sống hằng ngày Vì vậy, đảm bảo chấtlượngnước trongsản xuất là rất cần thiết Tuynhiên, các hệ thống xử lýnước hiện naythường gặpphải những hạn chế

và bất cậptrong quá hìnhgiámsát và phát hiệnsự cố Đồng hồ đo áp suấtlàthiết bị thiết yếu được lắp đặt

thống giám sát và cảnh báo sự cốcó vai hòquan trọng Đegiảiquyết vấn đề trên,bàibáo đề xuất việc thiết

dùnghiển thị biểuđồ thời gianthực, đưa racảnh báovềtình hạngáp suất hoạt động, có thể huy xuất hình ảnh và video cho quá hình giám sát từ xa thiết bị đo Cuối cùng, mô hình và kết quả thực nghiệm được

Từ khóa Hệ thống giámsát, Jetson nano, IoT,xử lý ảnh, học máy, xử lýnước

IOT SYSTEM DESIGN OF MONITORING AND WARNING FOR WATER

TREATMENT SYSTEMS - APPLIED TO WATER PRODUCTION PLANT

Abstract The role of water isveryimportantin daily life Therefore, ensuring water quality in production

of monitoringand detecting problems Pressure gauges are essentialequipment installed in water treatment

production efficiency Therefore, to ensurethe quality of the water produced, itis important todevelop an

data to the Jetson Nano to analyze, process and readdieidentification results and dien transmit the datato

state of operating pressure,there isa live videofor the monitoring and remote monitoringof themeasuring device.The process of identifying and reading pressure gauge results is grouped using imageprocessing

resultsarepresentedtoverifydie effectiveoperation of theproposed system

Keywords Remotemonitoring system, Jetson Nano, loT, image processing,pressuregauge

Hội nghị Khoa học trẻ lần 5 nám 2023(YSC2023)-ỈUH

1 GIỚI THIỆU

Trong những năm gần đây, sự phát triển nhanh chóng củamạng lưới vạn vật kết nối internet (Internet of

sự cố trong các lĩnhvực khác nhau [1-4] Tronglĩnh vực xử lý nước, việc giám sát vàcảnh báo sự cố là

hóahọc khácđểloạibỏ các tạp chất rà vikhuẩn có hại Tuy nhiên, trongquá trình vận hành, các sự cố mất điện, lỗi thiếtbị đo, thiết bị bơm không hoạtđộng, có thểxảyra và ảnh hưởngđến chất lượngnước sản

dụng cho nhàmáy sản xuất nước tinh khiết.Đã có các nghiên cứu và ứng dụng thuật toán xử lý ảnh đề cập

này đượcthiết kếđểtheo dõi, đọckếtquả liên tục thông số áp suất thay đỗi trên mặt đồnghồ Khiphát hiện

hồđohiển thị trực tiếp tiện choviệ theo dõi từ xa Với việc áp dụng hệ thống loT sử dụng công nghệ xử lý

máy sản xuất nước tinh khiết có thể nâng cao hiệu suất rà giúp cải thiện hiệuquả vềđộ chính xáccủa quá trình giámsát, đồng thòigiảmthiểurủi ro sự cố và giảm bớt sự phụ thuộc vào nhân viênkỹthuật có mặt tại nhà máy

WebCam

Hình 1 Sơ đồ khối hệ thống giám sát và cảnh báo cho nhà máy nước

về trạng thái hoạt độngcủa đồng hồđo áp suất,biểudồRealtimeghi lại kếtquả áp suất đođạtcủađồnghồ

áptheo thời gianthực

2.1 Phương pháp nhận diện đồng hồ áp

5 Bước chia vòng tròn: Vòng tròn được chia thành 36phần và đượcđanh số từ 0 đến 36, vớimỗi góc có

Hough cứcle, nhóm đã có thể phát hiện và xác định được đường viền mặt đồng hồ Qua việc chia vòng tròn thành các phần và gắn số, nhóm đã tạo ramột phương pháp nhận điện dữ liệu chinh xác vàhiệu quảtừ đồng

hồ áp [6], [7],

Hình 2 Ảnh minh hoạ kết quả đùng thuật toán tìm ra các vòng tròn [9]

Hình 3 Kết quả trước và sau khi dùng thuật toán Hough Circle Transform

định tọa độ trungtâmvà bán kính, thuậttoánsẽ sử dụngmàu xanhlá cây đểvẽcácđường tròn và điểm đỏ

phần bằng nhau [7],

cạnh [7],

Phương pháp nàysử dụng một vector để lưu trữ thông số(x - bắt đầu, y - bắtđầu, X - kết thúc,ỵ - kết thúc)

Hội nghị Khoa học trẻ lần 5 năm 2023(YSC2023)-IUH

Hình 4 Sử dụng thuật toán HoughLinesP để phát hiện đường thẳng trên kim đồng hồ

2.2 Kỹ thuật thu thập, xử lý, nhận diện và luu trữ dữ liệu

a) Thuthập, xửlývà nhận diện dữ liệu:

Quá trình thu thập, xử lý và nhận diện dữ liệuđượctrinh bày tómtắt trong sơđồ hình 5&6.Dữ liệuhình

đóng vai tròlàmtrung tâm xử lý,thực hiện việc đọc và phân tíchdữ liệu hình ảnh

Quá trình xử lý dữ liệu ảnh baogồm việclàm mờ, chuyển đồisang ảnh xám, thay đổi kích thước và cắt ảnh

Kết quả sau khi nhận diệnđồnghồ áp được lưu trữtrong file "Data.Json" để dễ dàngtruyền tải dữliệu lên Webserver "Data.Json" là một tệp dữliệu có định dạng JSON(JavaScript Object Notation) được sửdụng

đểlưu trữ và truyền tải dữ liệu giữacác ứng dụng

File "Data.J son" được sửdụng để lưutrữ cấuhình, thông tin người dùng, sản phẩmhoặc bấtkỳ loại dữ liệu

Hình 5 Sơ đồ tổng quát quá trình thu thập, xử lý và nhận diện

Hình 6 Sơ đồ tổng quát quá trình thu thập, xử lý và nhận diện

2.3 Thiết kế giao diện người dùng

tương thích trêncácthiết bị và trìnhduyệtkhác nhau

Hình 7 Sơ đồ tổng quát hoạt động của khối giao diện người dùng

Gủo điện Nprôidùng

Sau quátrình phântích, tính toánvà thiết kế hệthống, cùng vớiviệc tìm hiểu cách thức nhậndiệnđồnghồ

ápvàlưu lượngkế, tiến hành thi công phần cứngcho mô hình Việc này bao gồm lắp rápvàcàiđặt phần

3.1 Mô hình thực nghiệm

(c) Bản dụng phần khung cho toàn bộ mô hình Hình 8 Mô hình phần cứng thực nghiệm

Hội nghị Khoa học trẻ lẩn 5 năm 2023(YSC2023)-ỈUH

3.2 Thực nghiệm nhận diện và đọc kết quả đồng hồ đo àp suất

quảđồng hồ áp File này được sử dụng để lưu trữ và cậpnhậtsố liệu đồng hồ áp liên tục trong quá trình chạy

• Bước 1: Chụphình ảnh đồng hồ ápvà lưu lại được minh họa trênhình 9

Hình 9 Ảnh đông hô áp được chụp lại từ video

import time

def avg_cireles(circles, b):

avg_x=o

avg_y=o

avg_r=o

fori in range(b):

avgr =avg_r + circles[0][i][2]

avg_r = int(avg_r/(b))

def dist_2jpts(xl, yl, x2,y2):

defc al ibrate_gaug e(fi le name ,fo 1 der_p ath):

img= cv2.imread(folder_path +”/" + filename + "jpg")

Nhập thông sốyêucầuvào Terminalđược thựchiện bởi đoạn mã lệnhsau:

Foldernameinside this file's folder: image

Min angle (lowest possible angle ofdial) - in degrees: 42.3

Min value: 0

Enter units:psi

Current reading: 58.38 psi

Kết quả: chương trình sẽtạo ra một file ảnhđã xác định các thông sốcủa đồng hồ áp và hiển thị kếtquả đọc giá trị lên terminal được thể hiện trêncác hình 10 & 11 Giá trị kết quả đọc dùng xử lý ảnhlà58.38psi

sovới giátrị thực tế là60psi

Hình 10 Ảnh đồng hồ được hệ thống tạo ra

niOMNAL

For iwfir fí le:1-ralíbrat ion.jpg

Kin ancle (lowest possible ancle of dial) in degrees: 4?.}

Max angle (highest possible angle) in degrees 112 Kin value: 0

Max valqc:

rpnter units: psi

I Current reading, 5fl.38 psi j

H f'AftesktopXlMgct ’ rocrssini'.Otcrt analog gauge send to.Webserver Pythons I

Hình 11 Kết quả đọc giá trị đồng hồ áp được hiển thị lên terminal

trình kiểm thửảnh tĩnh

Hội nghị Khoa học trẻ lần 5 năm 2023(YSC2023)-ỈƯH

hiển thị liên tục lênterminalbằngnhận dạng xử lý ảnh gần đúng với giátrịđọc thực tếlà ốOpsi

Hình 12 Nhận diện và đọc kết quả đồng hồ áp bằng video hiển thị trên terminal Cácthôngsố nhu góc quay vàthanggiátrị đồng hồ áp ảnh hưởngđếnkết quả đọc dùng xử lý ảnh Do đó,

độchính xác của kếtquả sẽ tăng lên khi cácthôngsốđuợcnhập chínhxác

psi và lớn nhất là 0.95psi Sai số (%) giữakết quả đọc dùng xử lý ảnh so với giá trị thục tế nhỏ nhất là 0.14%,lớn nhấtlà 5.42% và sai số trung bìnhlà1.46%

Bảng 1 So sánh giữa kết quả đọc đồng hồ áp dùng xử lý ảnh so với giá trị đọc thực tế

nghiệm

thục tế (psi)

xử lý ảnh(psi)

lệch (psi)

áp suất

3.3 Thực nghiệm kết quả gửi dữ liệu và hiễn thị của Web Server

thị thời gian thục giờ, biểu đồ Realtimeđểgiámsátáp suất, kếtquảđọcáp suất, cảnh báo áp suất hoạt động, video ghi lại hình ảnh của đồng hồáp,và khả năng bật/tắt camera và luu trũ hình ảnh

a) Thiết lập cảnh báo và biễu đồ Realtime

Thục hiện thiếtlập các nguõnghoạt động cho đồng hồáp và sử dụng dữ liệu từ file Data.Json để so sánh

áp để kiểm tra chuơng trình Kết quả cảnh báo và biểu đồRealtime đuợc thể hiện trên hình 13(a-c)

hiển thị giátrị tuong úng Khi áp suấtquá cao(>100psi)hoặc quá thấp (<30psi), kết quả cảnh báo và giá trịáp suất đuợc hiển thịtrên giao diện web

CANH BAO

Thict Bi

Dong Ho Ap

Trang Thai

AP SUAT 8<NM TMUONG

(a) Trường hợp áp suất bình thường

C0:57:0i

CANH BAO

00:53:41

CANH BAO

(c) Trường họp áp suất quá thấp Hình 13 Kết quả hiển thị lên Web Server trong 3 trường họp giám sát

b) Truỵ xuất video và hình ảnh từ Web Server

Hội nghị Khoa học trẻ lần 5 nám 2023(YSC2023)-ỈUH

ởHình 14.Người dùng cóthểtừxa giám sáthệ thống đồng hồ, điều khiển webcambằng các nút "Start” và

"Stop", vàlưu lại hình ảnh tại thòi điểmcần thiếtbằng cách nhấn "Snapshot and save"

CANH BAO

CAMERA

Hình 14 Giao diện hiển thị video trực tiếp hệ thống đo

4 KẾT LUẬN

xa thông qua camera, gửi cảnhbáo sự cố cho hệ thống xử lý nước, áp dụng cho nhàmáy sản xuất nước tinh

độ chênh lệch giữa kết quả đọc dùng xử lý ảnh so với giá trị thực tế nhỏ nhất là0.16 psi vàlớn nhất là 0.95pá Sai số (%) giữa kết quảđọcdùng xử lý ảnh sovới giá trị thực tế nhỏ nhấtlà 0.14% , lớn nhất là

hiển thị đầy đủ các thông số theo yêucầu Trong tươnglai, hướng pháttriển hệ thống toàn diện hơn nhưcó

triển hệ thốnggiámsát toàn diệnmà không chỉ dùng lạiởviệc giám sát đồng hồáp

TÀI LIỆU THAM KHẲO

[1] c N Văn, L H Lân, T N Tú and L H Nam, Nghiên cứu đề xuất giải pháp loT linh hoạt với mạng truy ền thông

vô tuyến và cảm biến đo lường, điều khiển, 2023 [Online], Available: https://doi.org/10.31276/VJST.65(1).32-37 [2] A Alavi, Internet of things-enabled smart cities: state-of-the-art and future trends, in Internet of things-enabled smart cities: State-of-the-art and future trends, pp 589-606, 2018

[3] I Mashal, in Choices for interaction with things on internet and underlying issues, pp 68-90, 2015

Conference on Control, Electronics, Renewable Energy and Communications (ICCEREC), pp 1-6, 2016

[5] Li, X., Yin, p., Duan, c., & Zhi, Y., Analog gauge reader based on image recognition, In Journal of Physics: Conference Series, Vol 1650, No 3, p 32-51, 2020

[6] s J K Pedersen, Circular Hough transform, 2007

[7] s K s G M N Shreya Adsul, Reading Analog Gauges Using open cv for Hazardous Area Applications, Special Issue VIT Campus, pp 39-42, 2021

[8] s K Y H s L s J a D s D Lee, Automatic Reading Analog gauge with Handheld device, 2020 IEEE International Conference on Consumer Electronics (ICCE), 2020

[9] Okokpujie, K., Noma-Osaghae, E., John, s., & Ajulibe, A, An improved iris segmentation technique using circular Hough transform, In IT Convergence and Security, Volume 2, pp 203-211, 2018

[10] Tài liệu Dự án kỹ thuật, 2022