Mục đích của đề tài: Xây dựng hệ thống giám sát, quản lí, lưu trữ giá trị mực nước khi vượt ngưỡng an toàn kết nối với ứng dụng điện thoại và điều khiển đóng mở cửa đập nước tự động khi
GIỚI THIỆU
TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
Thời đại ngày càng phát triển một cách nhanh chóng về mặt kinh tế lẫn công nghệ
Hồ thủy điện, thủy lợi chính là một trong những yếu tố góp phần phát triển kinh tế, xã hội và bảo vệ môi trường Nhưng nó cũng có những rủi ro to lớn nếu không đáp ứng đủ các yêu cầu an toàn về cơ sở hạ tầng, vật chất bởi vì nếu các con đập không đủ vững chắc thì sẽ có nguy cơ bị vỡ đập gây ra các hậu quả thiệt hại khôn lường về con người, kinh tế và thiên nhiên Các đập nước hồ thủy điện, thủy lợi đã được phát triển từ thời xưa với cơ sở vật chất không đủ chắc chắn, tiên tiến như hiện nay nên khi gặp bão lớn hoặc mưa to lượng nước trong hồ chứa gia tăng đột ngột dẫn tới áp lực mà các con đập chịu phải vô cùng lớn nên đã vỡ và để lại những hậu quả lớn Chẳng hạn như vụ vỡ đập Machchu 2 tại Ấn Độ vào năm 1979, do mưa to lớn lưu lượng nước vượt quá chịu sức chịu đựng mà con đập có thể gánh phải nên đã vỡ làm 2000 người chết Hay vụ vỡ đập thủy lợi tại Sri Lanka do con đập không chịu nổi sức nước và vỡ tràn làm cho gần 120 người thiệt mạng và mất tích Ở Việt Nam, đập thủy điện Ia Glae
2 cũng đã vỡ vào năm 2023 gây ra nhiều hậu quả xấu về kinh tế, nhiều cây cối lớn đổ vỡ tác động xấu đến môi trường, nhà người dân bị ngập lụt và các cây trồng thu hoạch đều bị cuốn trôi để lại thiệt hại tài sản cho dân vô cùng lớn [1] Một trong những yếu tố gây vỡ đập là do vào mùa mưa, bão lượng nước trong hồ chứa nước gia tăng đột ngột các con đập không được xả nước kịp thời nhằm giảm áp lực lên các con đập Vì thế, việc phát triển các hệ thống giám sát mực nước để theo dõi, quản lí mực nước tại các hồ chứa nước ở các con đập là điều vô cùng cần thiết để hạn chế những rủi ro vỡ đập
Các công nghệ điện tử đã phát triển vượt bậc vào thời điểm hiện tại, trong đó các cảm biến siêu âm để đo khoảng cách rất được ứng dụng trong các dự án quản lí mực nước Nhiều nhà phát triển họ đã kết hợp sử dụng cảm biến siêu âm với các hệ thống IoT để có thể thu thập, gửi dữ liệu một cách tự động đến các ứng dụng để giúp người quản lí có thể thuận lợi trong việc giám sát, đánh giá tình hình ở các hồ chứa nước để đưa ra những biện pháp phòng chống và khắc phục khi có sự cố xảy ra Ở nước ngoài, đã có những nhà phát triển, triển khai ý tưởng trên chẳng hạn như “Hệ thống giám sát và điều khiển hồ chứa tự động” là một trong hệ thống cơ sở máy tính của Montanhydraulik zur Uberwachung và Steuerung von Staudammen dùng để giám sát và kiểm soát các cửa đập hồ chứa được áp dụng thành công nhiều đập ở trên toàn thế giới [2] Ở Việt Nam, thì ta có hệ thống giám sát mực nước từ công ty PC3 - Investment Joint Stock Company tại hồ chứa nhà máy thủy điện Đa Krông 1 [3] hay hệ thống giám sát mực nước tự động thông qua việc sử dụng IoT của công ty VNATECH [4] Từ những nghiên cứu trên sinh viên đã có những cho mình sự hiểu rõ về ưu nhược điểm, những sáng kiến phù hợp để phát triển cho đề tài của mình
Thay vì giám sát mực nước của các hồ chứa nước một cách thủ công bằng cách quan sát qua camera để ghi ghép thì giờ đây các hệ thống giám sát mực nước được thực hiện một cách tự động hóa kết hợp với các hệ thống IoT đã góp phần đem lại nhiều hiệu quả hơn Chính vì thế ở đề tài “Thiết kế hệ thống giám sát mực nước và điều khiển cửa đập tự động” này, sinh viên sẽ tập trung phát triển hệ thống thu thập dữ liệu từ hồ chứa nước kết hợp với các giao thức mạng để gửi, lưu trữ dữ liệu vượt ngưỡng an toàn qua app điện thoại giúp người dùng có thể theo dõi, quản lí mực nước một cách chủ động nhằm đánh giá và đưa ra các biện pháp phòng tránh sự cố bất ngờ Bên cạnh đó việc bổ sung khả năng mở cửa đập nước một cách tự động hóa khi mực nước đạt ngưỡng báo động cũng đóng vai trò giảm thiểu khả năng gây ra sự cố vỡ đập một cách đột ngột trong mùa mưa hoặc bão tránh tình huống các con đập không được xả nước kịp thời.
MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Mục đích thiết kế hệ thống để có thể giám sát mực nước có trong hồ, gửi dữ liệu về app điện thoại để quan sát, xem xét lượng nước thay đổi tăng hoặc giảm theo thời gian Khi lượng nước đạt ngưỡng báo động sẽ gửi thông báo cần thiết để có thể đối phó kịp thời với sự cố cùng với mở cửa đập nước một cách tự động hóa để xả nước kịp thời về ngưỡng an toàn cho phép
Bên cạnh đó hệ thống sẽ lưu trữ những dữ liệu vượt ngưỡng an toàn mà cảm biến đo được trên trang tính giúp người quản lí có thể đánh giá, quan sát lượng nước tăng hay giảm theo thời gian để có những biện pháp phòng chống sự cố kịp thời hoặc có thể tiến hành bảo dưỡng, củng cố lại công trình đập nước.
NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU
Để thực hiện đề tài một cách khoa học và thuận lợi nhất sinh viên đã đề ra những nhiệm vụ cần thực hiện khi nghiên cứu đề tài:
- Nhiệm vụ 1: Tiến hành tìm kiếm tài liệu liên quan đến đề tài để khảo sát và định hình hướng đi cụ thể
- Nhiệm vụ 2: Xác định cụ thể yêu cầu mà hệ thống cần thiết từ đó thiết kế sơ đồ khối dựa trên chức năng của hệ thống Phân tích yêu cầu kĩ thuật và chức năng mỗi khối đề ra
- Nhiệm vụ 3: Dựa trên chức năng từng khối tiến hành tìm kiếm các linh kiện đáp ứng nhu cầu kỹ thuật theo từng khối Sau khi chọn linh kiện tiến hành tìm hiểu, nghiên cứu về thông số kỹ thuật các linh kiện để xây dựng các khối
- Nhiệm vụ 4: Sau khi thiết kế thành công từng khối riêng, tiến hành nghiên cứu khảo sát về app Blynk bao gồm đặc tính, chức năng, giao thức để giao tiếp với các thiết bị
- Nhiệm vụ 5: Thiết kế app Blynk trên điện thoại và tiến hành kết nối với các linh kiện bao gồm NodeMCU ESP8266, cảm biến siêu âm và động cơ Servo
- Nhiệm vụ 6: Đo đạc để thiết kế mô hình đập nước thu nhỏ và tiến hành thi công mô hình
- Nhiệm vụ 7: Lắp đặt thiết bị với mô hình để tiến hành chạy và kiểm tra kết quả hệ thống đem lại
- Nhiệm vụ 8: Tiến hành viết báo cáo trình bày nội dung nghiên cứu cho đề tài tốt nghiệp.
GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
Đề tài mà sinh viên nghiên cứu tập trung xây dựng một hệ thống giám sát mực nước thông qua cảm biến siêu âm kết hợp với NodeMCU ESP8266 để thực hiện gửi dữ liệu về mực nước từ một mô hình đập nước thu nhỏ về app điện thoại được đăng nhập bởi 1 tài khoản với quyền quản lí cao nhất và kết nối với Servo để mở cửa đập xả nước tự động khi đạt ngưỡng báo động chỉ khả thi trong 1 khu vực nhà máy thủy điện hoặc thủy lợi Sinh viên thiết kê hệ thống cùng mô hình chỉ giới hạn trong 1 quy mô nhỏ chưa thể phát triển ra quy mô lớn hơn chẳng hạn như nhiều đập nước trong 1 khu vực hoặc các khu vực lân cận.
ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
Đề tài nghiên cứu phát triển hệ thống lẫn phần mềm, phần cứng do đó sinh viên đã nghiên cứu từng đối tượng sau dựa trên thành phần của hệ thống Đối với phần mềm để phù hợp phát triển cho đề tài sinh viên đã nghiên cứu về các đối tượng như sau:
- App Blynk để phát triển ứng dụng điện thoại
- Dịch vụ Googlesheet để lưu trữ dữ liệu Đối với phần cứng thì sinh viên đã nghiên cứu các linh kiện, vật liệu sau:
- NodeMCU ESP8266 dùng để xử lí trung tâm, kết nối phần cứng và phần mềm
- Cảm biến siêu âm HC-SR04 dùng để lấy dữ liệu thực để đo khoảng cách mực nước
- Động cơ Servo để điều khiển mở cửa đập xả nước
- Các mô hình đập nước để thiết kế phục vụ cho việc xây dựng 1 mô hình thu nhỏ kết nối phần cứng và phần mềm.
PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Hệ thống giám sát mực nước và điều khiển mở cửa đập tự động hoạt trong một phạm vi quy mô nhỏ theo thời gian và không gian Đề tài được thực hiện mang tính chất ở cấp độ môi trường sư phạm, nghiên cứu tập trung tại các địa điểm có con đập ở các hồ thủy điện, hồ thủy lợi Thời gian nghiên cứu đề tài và triển khai ý tưởng trong khoảng thời gian là 3 tháng để thiết kế hệ thống đúng yêu cầu.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Đối với yêu cầu tổng quan của hệ thống thì sinh viên đã phối hợp sử dụng các phương pháp sau:
- Phương pháp nghiên cứu, tổng hợp lý thuyết dùng để tìm hiểu các kiến thức, lý thuyết về đề tài của sinh viên và chọn lọc những kiến thức phù hợp với đề tài của mình
- Phương pháp phân tích để lựa chọn linh kiện phù hợp với yêu cầu hệ thống
- Phương pháp đánh giá, đo đạc các mô hình đập nước
- Phương pháp mô hình hóa dùng để xây dựng một mô hình thu nhỏ gần giống với các đập nước thực tế
- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm dùng để kiểm tra, đánh giá dữ liệu đúng sai sau khi hoàn thành mô hình bằng cách cho hệ thống hoạt động ở thực tế
- Phương pháp định lượng dùng để thu thập dữ liệu và phân tích đánh giá dựa trên dữ liệu đã được thu thập.
BỐ CỤC ĐỀ TÀI
Chương 1: Giới thiệu Ở chương này sinh viên sẽ giới thiệu tổng quan về đề tài, mục đích, những nhiệm vụ, giới hạn, đối tượng, phạm vi, phương pháp nghiên cứu mà sinh viên đã thực hiện trong đề tài.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
GIỚI THIỆU VỀ WIFI
Wi-Fi là công nghệ dựa trên bộ tiêu chuẩn IEEE 802.11 sử dụng tần số vô tuyến (RF) mở rộng mạng cục bộ (LAN) dựa trên Ethernet có dây tới các thiết bị hỗ trợ Wi-
Fi, cho phép các thiết bị nhận và gửi thông tin từ Internet
Wi-Fi lần đầu tiên xuất hiện trên thị trường vào năm 1997 khi tiêu chuẩn kỹ thuật tiên phong IEEE 802.11 được công bố, cho phép truyền dữ liệu không dây với tốc độ lên tới 2 Mbit/s bằng phổ tần vô tuyến 2,4 GHz không được cấp phép Bước đột phá thương mại lớn của nó đến vào năm 1999 khi Apple giới thiệu các sản phẩm tiêu dùng đại chúng đầu tiên có kết nối Wi-Fi, trạm gốc không dây AirPort và iBook Nhờ vào bản sửa đổi IEEE 802.11b mới cho tiêu chuẩn Wi-Fi ban đầu, tốc độ dữ liệu lý thuyết có thể lên tới 11 Mbit/s Ngay sau đó, Apple tung ra AirPort dựa trên IEEE 802.11b, khởi đầu cho cuộc cách mạng không dây [5]
Kể từ đó, sự phát triển không ngừng của các tiêu chuẩn Wi-Fi IEEE 802.11 đã dẫn đến tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn nhiều, phạm vi dài hơn cũng như kết nối an toàn và đáng tin cậy hơn Tất cả các sửa đổi tiêu chuẩn IEEE 802.11 đều được xây dựng theo cách sao cho các thiết bị hoạt động theo thông số kỹ thuật của chúng sẽ tương thích ngược với các phiên bản trước đó để mọi thiết bị dựa trên IEEE 802.11 hiện đại đều có thể giao tiếp với các sản phẩm cũ hơn [5]
Wi-Fi sử dụng Giao thức Internet (IP) để liên lạc giữa các thiết bị đầu cuối và mạng LAN Kết nối Wi-Fi được thiết lập bằng bộ định tuyến không dây được kết nối với mạng và cho phép các thiết bị truy cập Internet
2.1.3 Một số chuẩn kết nối Wifi
Wifi sử dụng các tiêu chuẩn mạng 802.11 đã có nhiều loại và được phát triển vượt bậc trong nhiều thập kỷ qua cùng nhiều sự cải tiến thuận lợi cho việc kết nối [5, 6]:
Hình 2 1: Lịch sử phát triển các chuẩn kết nối WiFi qua từng năm [5]
- IEEE 802.11 là chuẩn Wi-Fi 2,4 GHz tiên phong được đề cập ở trên từ năm 1997 và nó vẫn được gọi bằng danh pháp đó Tiêu chuẩn này và các sửa đổi tiếp theo của nó là nền tảng cho mạng không dây Wi-Fi và đại diện cho các giao thức mạng máy tính không dây được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới
- IEEE 802.11b hay Wi-Fi 1 được giới thiệu ra thị trường vào năm 1999 với thông báo của Apple Nó cũng hoạt động ở tần số 2,4 GHz, nhưng để giảm nhiễu từ lò vi sóng, điện thoại không dây, thiết bị giám sát trẻ em và các nguồn khác, đồng thời để đạt được tốc độ dữ liệu cao hơn, nó đã kết hợp các sơ đồ điều chế được gọi là trải phổ chuỗi trực tiếp/khóa mã bổ sung (DSSS/CCK) ) Wi-Fi 1 cho phép liên lạc không dây ở khoảng cách tầm 38m trong nhà và tầm 140m ngoài trời
- IEEE 802.11a hay Wi-Fi 2 cũng được giới thiệu vào năm 1999, là phiên bản kế thừa của IEEE 802.11b Đây là thông số kỹ thuật Wi-Fi đầu tiên có sơ đồ điều chế đa sóng mang (OFDM) để hỗ trợ tốc độ dữ liệu cao, không giống như thiết kế một sóng mang của Wi-Fi 1 Nó hỗ trợ hoạt động ở tần số 5 GHz và băng thông 20 MHz hỗ trợ nhiều tốc độ dữ liệu
- IEEE 802.11g hay Wi-Fi 3 được giới thiệu vào năm 2003 Nó cho phép tốc độ dữ liệu nhanh hơn lên tới 54 Mbit/s trong cùng băng tần 2,4 GHz như IEEE 802.11b, nhờ sơ đồ điều chế đa sóng mang OFDM và các cải tiến khác Điều này hấp dẫn người dùng ở thị trường đại chúng vì thiết bị 2,4 GHz rẻ hơn thiết bị 5 GHz
- IEEE 802.11n hay Wi-Fi 4 được giới thiệu vào năm 2009 để hỗ trợ các dải tần 2,4 GHz và 5GHz, với tốc độ dữ liệu lên tới 600 Mbit/s, nhiều kênh trong mỗi dải tần và các tính năng khác Thông lượng dữ liệu IEEE 802.11n cho phép sử dụng mạng
WLAN thay cho mạng có dây, một tính năng quan trọng hỗ trợ các trường hợp sử dụng mới và giảm chi phí vận hành cho người dùng cuối và tổ chức công nghệ thông tin
- IEEE 802.11ac hay Wi-Fi 5 được giới thiệu vào năm 2013 để hỗ trợ tốc độ dữ liệu lên tới 3,5 Gbit/s với băng thông lớn hơn, các kênh bổ sung, khả năng điều chế tốt hơn và các tính năng khác Đây là chuẩn Wi-Fi đầu tiên cho phép sử dụng công nghệ nhiều đầu vào/nhiều đầu ra để có thể sử dụng nhiều ăng-ten trên cả thiết bị gửi và thiết bị nhận nhằm giảm lỗi và tăng tốc độ
- 802.11ax hay WiFi 6 ra mắt thị trường vào năm 2021 Tiêu chuẩn này mở rộng khả năng của 802.11ac theo một số cách chính Trước hết, các bộ định tuyến mới cho phép tốc độ luồng dữ liệu thậm chí còn cao hơn, lên tới 9,2 Gbps (gigabit mỗi giây) WiFi 6 còn cho phép nhà sản xuất cài đặt thêm nhiều ăng-ten trên một bộ định tuyến, chấp nhận nhiều kết nối cùng một lúc mà không lo bị nhiễu và chậm Một số thiết bị mới cũng kết nối ở băng tần 6 GHz cao hơn, nhanh hơn khoảng 20% so với 5GHz trong điều kiện lý tưởng.
WIFI ESP8266 NODEMCU
2.2.1 Lịch sử hình thành và phát triển
ESP8266 ban đầu được phát triển bởi Espressif Systems, xuất hiện vào khoảng năm 2013 dưới dạng mô-đun Wi-Fi chi phí thấp với ngăn xếp giao thức TCP/IP được nhúng Nó thu hút sự chú ý vì giá cả phải chăng, kích thước nhỏ gọn và tính linh hoạt Sau đó, ESP8266 đã trở nên phổ biến rộng rãi khi cộng đồng Arduino điều chỉnh nó để sử dụng với Arduino IDE Sự tích hợp này giúp những người có sở thích và nhà phát triển quen thuộc với Arduino làm việc với ESP8266 dễ dàng hơn [7]
Vào năm 2014, một nhóm nhà phát triển đã phát hành chương trình cơ sở Node MCU, chương trình cơ sở dựa trên Lua nguồn mở cho ESP8266 Phần firmware này đã đơn giản hóa việc lập trình ESP8266 giúp nhiều đối tượng hơn có thể tiếp cận nó.Cùng thời gian đó, các bộ công cụ phát triển như Node MCU Dev Kit đã được giới thiệu Những bộ dụng cụ này có mô-đun ESP8266 trên một bảng mạch đột phá, giúp việc tạo nguyên mẫu và thử nghiệm với ESP8266 trở nên dễ dàng hơn Theo thời gian, ESP8266 đã chuyển đổi từ vai trò chủ yếu là mô-đun Wi-Fi sang bộ vi điều khiển độc lập (MCU) có khả năng Wi-Fi tích hợp Sự phát triển này cho phép các nhà phát triển sử dụng ESP8266 làm MCU độc lập cho nhiều dự án IoT khác nhau [7]
Wifi ESP8266 NodeMCU phát triển vượt bậc với nhiều loại module khác nhau như sau:
Hình 2 2: Theo thứ tự từ trái sang phải NodeMCU V0.9, NodeMCU V1.0 và
Hình 2 3: Wemos D1 R2 và LoLin V3 NodeMcu Board [8]
Bảng 2 1: Bảng tóm tắt sơ lược về các loại module Wifi ESP8266 NodeMCU [8]
Nhãn hiệu NodeMCU DOIT Wemos Wemos LoLin
Anten PCB PCB PCB PCB PCB
ESP12E (AI- Thinker) USB nối tiếp
Có Có Có Có Có
Serial Chip CH340G CP2102/CH340G CH340G CH340G CH340G Thân thiện với
Tệ (bao gồm nhiều chân)
Tệ (Yếu tố hình thức Arduino)
Tệ (bao gồm nhiều chân)
Kích thước To To Trung bình Rất lớn To
2.2.3 Sơ đồ chân và thông số kỹ thuật Ở đề tài này sinh viên đã chọn module Wifi ESP8266 NodeMCU Lua CP2102 để xây dựng hệ thống Nó là một module phát triển dựa trên MCU ESP8266 có tích hợp Wifi và Chip CP2102 cho việc kết nối với máy tính Bên cạnh đó, nó còn có thể sử dụng điều khiển các thiết bị như cảm biến, servo,…thông qua các chân GPIO
Hình 2 4: Hình ảnh sản phẩm Wifi ESP8266 NodeMCU Lua CP2102 [9] Hình ảnh sơ đồ chân của module Wifi ESP8266 NodeMCU Lua CP2102:
Hình 2 5: Sơ đồ chân Wifi ESP8266 NodeMCU Lua CP2102 [10] Thông số kỹ thuật của module Wifi ESP8266 NodeMCU Lua CP2102 [9, 10]:
- Điện áp đầu ra: 3.3V DC
- Dòng điện: 15mA CPU, 20uA ở chế độ chờ và khoảng 80mA khi hoạt động
- Bộ nhớ ROM: MAX 16Mbyte
- Bộ nhớ SRAM: MAX 50Kbyte
- Các chuẩn giao tiếp: I2C, SPI, UART
Các tính năng của module Wifi ESP8266 NodeMCU LUA CP2102 bao gồm [11]:
- Tốc độ: Chuẩn 802.11n (2,4 GHz) có thể lên tới 72,2 Mbps
- Tích hợp Led báo trạng thái, nút Reset, Flash
- Tích hợp TCP/IP protocol stack
- Tích hợp chip chuyển USB- UART CP2102
- Giám sát đèn hiệu tự động (TSF phần cứng)
- Chế độ hoạt động : Station/SoftAP/SoftAP + Station
Khả năng kết nối Wifi của nó đã tạo nên một cầu nối thông tin giữa các thiết bị và hệ thống Giúp chúng ta có thể theo dõi, quản lí, gửi và ghi nhận dữ liệu cập nhật trên các ứng dụng của điện thoại, website một cách thuận lợi nhất Bên cạnh đó, khả năng điều khiển thiết bị từ xa thông qua Wifi của ESP8266 cũng góp phần giúp con người điều khiển thiết bị một cách linh hoạt, đỡ tốn sức và tiết kiệm thời gian
Với những tính năng nổi bật Wifi ESP8266 đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau chẳng hạn như các dự án:
- Các thiết bị an ninh thông minh, bao gồm camera giám sát và ổ khóa thông minh
- Các thiết bị năng lượng thông minh
- Các thiết bị công nghiệp thông minh
- Thiết bị y tế thông minh, bao gồm cả thiết bị theo dõi sức khỏe có thể đeo được
- Có thể hoạt động như một Access Point để tạo mạng cục bộ để kết nối thiết bị với nhau mà không cần phải thông qua Router.
CẢM BIẾN SIÊU ÂM HC-SR04
Cảm biến siêu âm là một thiết bị điện tử được dùng đo khoảng cách của vật thể mục tiêu bằng cách phát ra sóng âm siêu âm và chuyển đổi âm thanh phản xạ thành tín hiệu điện Sóng siêu âm truyền đi nhanh hơn tốc độ của âm thanh nghe được (tức là âm thanh mà con người có thể nghe được) Để phù hợp với thiết kế sinh viên đã chọn cảm biến siêu âm HC-SR04 để thực hiện đo khoảng cách của mực nước Cảm biến siêu âm HC-SR04 sử dụng sóng siêu âm để xác định khoảng cách tới vật thể Cảm biến này đọc từ 2 cm đến 400 cm (0,8 inch đến 157 inch) với độ chính xác 0,3 cm (0,1 inch), có công suất thấp, giá cả phải chăng, dễ giao tiếp phù hợp với hầu hết các dự án theo sở thích Ngoài ra, mô-đun đặc biệt này còn đi kèm với các mô-đun máy phát và máy thu siêu âm [12]
Hình 2 6: Cảm biến siêu âm HC-SR04 [15]
2.3.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Cảm biến khoảng cách siêu âm HC-SR04 bao gồm hai đầu dò siêu âm Một chiếc hoạt động như một máy phát chuyển đổi tín hiệu điện thành xung âm thanh siêu âm
40 KHz Cái còn lại hoạt động như một máy thu và lắng nghe các xung được truyền đi [12]
Tất cả bắt đầu khi chõn Trigger được đặt HIGH trong 10às Để đỏp lại, cảm biến sẽ truyền một chùm siêu âm gồm 8 xung ở tần số 40 kHz Mẫu 8 xung này được thiết kế đặc biệt để máy thu có thể phân biệt các xung truyền đi với nhiễu siêu âm xung quanh Tám xung siêu âm này di chuyển trong không khí ra khỏi máy phát Trong khi đó chân Echo ở mức HIGH để bắt đầu tín hiệu phản hồi Nếu những xung đó không được phản xạ trở lại, tín hiệu tiếng vang sẽ hết thời gian và giảm xuống mức thấp sau
38 mili giây (38 mili giây) Do đó, xung 38ms cho thấy không có vật cản trong phạm vi của cảm biến [12]
Hình 2 7: Không có vật cản trong phạm vi của cảm biến [12]
Hình 2 8: Các xung phát ra và phản hồi từ các chân khi không có vật cản [12]
Nếu những xung đó bị phản xạ trở lại, chân Echo sẽ ở mức LOW ngay khi nhận được tín hiệu Điều này tạo ra một xung trên chân Echo có chiều rộng thay đổi từ 150 às đến 25 ms tựy thuộc vào thời gian nhận tớn hiệu [12]
Hình 2 9: Khi có vật cản trước cảm biến [13]
Hình 2 10: Các xung khi phát ra và phản hồi từ các chân khi có vật cản [12] Tùy theo khoảng thời gian chân Echo ở mức HIGH, chúng ta có thể xác định khoảng cách mà sóng âm truyền đi, từ đó xác định khoảng cách từ cảm biến đến vật thể [12]
Với mục đích đó, ta sử dụng công thức cơ bản sau để tính khoảng cách:
- Khoảng cách = Tốc độ x Thời gian (2.1)
- Tốc độ là tốc độ âm thanh với giá trị là 340m/s
- Thời gian là khoảng thời gian chân Echo ở mức HIGH
Sau đó ta phải chia kết quả khoảng cách đo được từ công thức cơ bản cho 2 là bởi vì khoảng thời gian ta đo được là khoảng thời gian mà sóng âm thanh cần truyền đến vật thể và phản xạ trở lại
2.3.3 Sơ đồ chân và thông số kỹ thuật
Dưới đây là hình ảnh sơ đồ chân của cảm biến siêu âm HC-SR04:
Hình 2 11: Sơ đồ chân cảm biến siêu âm HC-SR04 [16]
Bảng 2 2: Tác dụng từng chân cảm biến siêu âm HC-SR04 [12]
VCC Cấp nguồn cho cảm biến siêu âm HC-SR04 (5V)
Trig Pin được sử dụng để kích hoạt các xung âm thanh siêu âm Bằng cỏch đặt chõn này ở mức HIGH trong 10às, cảm biến sẽ bắt đầu phát siêu âm
Echo Pin lên cao khi chùm siêu âm được truyền đi và duy trì ở mức HIGH cho đến khi cảm biến nhận được tiếng vang, sau đó nó xuống LOW Bằng cách đo thời gian chân Echo ở mức HIGH, khoảng cách có thể được tính toán
Bảng 2 3: Thông số kỹ thuật cảm biến siêu âm HC-SR04 [14] Điện áp hoạt động DC 5V
Tần số làm việc 40Hz
Khoảng cách tối thiểu 2cm Đo góc 15 độ
Tín hiệu đầu vào Trigger Xung 10uS TTL
Tín hiệu đầu ra Echo Tín hiệu đầu vào mức TTL và phạm vi trong tỷ lệ
Có lưu ý khi sử dụng cảm biến siêu âm HC-SR04 khi kiểm tra đối tượng, phạm vi diện tích không nhỏ hơn 0,5 mét vuông và trơn tru nhất có thể, nếu không nó sẽ ảnh hưởng đến kết quả đo
Cảm biến siêu âm đã và đang được sử dụng rộng rãi, phổ biến trong nhiều lĩnh vực khác nhau như y tế, công nghiệp,…Nó được sử dụng như là một cảm biến tiệm cận trong các bãi đỗ xe công nghệ ô tô tự động, hệ thống an toàn thông minh để tránh va chạm Hay trong lĩnh vực về trí tuệ nhân tạo, nó được sử dụng trong các hệ thống phát hiện vật cản của robot Bên cạnh đó nó còn được xem như cảm biến mức dùng để quản lí, giám sát và điều chỉnh các mực chất lỏng trong thùng hay các hồ chứa nước Đặc biệt nhất là trong lĩnh vực y tế, nó tạo khả năng cho phép nhìn thấy được các cơ quan nội tạng giúp cho bác sĩ dễ dàng quan sát, xác định được khối u hay có thể theo dõi sự phát triển của thai nhi.
ĐỘNG CƠ SERVO
2.4.1 Giới thiệu Động cơ servo có rất nhiều loại, hình dạng và kích cỡ Thuật ngữ servo được sử dụng lần đầu tiên vào năm 1859 bởi Joseph Facort, người đã thực hiện cơ chế phản hồi để hỗ trợ lái tàu bằng hơi nước để điều khiển bánh lái Động cơ servo là một phần của cơ cấu servo bao gồm ba bộ phận chính – động cơ, thiết bị phản hồi và thiết bị điện tử điều khiển [18] Động cơ servo là loại động cơ có thể quay với độ chính xác cao Thông thường loại động cơ này bao gồm một mạch điều khiển cung cấp phản hồi về vị trí hiện tại của trục động cơ, phản hồi này cho phép động cơ servo quay với độ chính xác cao Động cơ servo được chia làm 2 loại servo chính [19]:
- DC Servo: là động cơ dùng nguồn điện DC, phù hợp cho các ứng dụng nhỏ
Hình 2 12: Hình ảnh servo DC [22]
- AC Servo: là động cơ dùng nguồn điện AC, ứng dụng rộng rãi trong các máy móc công nghiệp vì xử lí được dòng điện cao
Hình 2 13: Hình ảnh servo AC [23]
2.4.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Cấu tạo của 1 servo bao gồm một động cơ DC hoặc AC, chiết áp, cụm bánh răng và mạch điều khiển Động cơ được gắn bằng bánh răng vào bánh điều khiển Khi động cơ quay, điện trở của chiết áp thay đổi, do đó mạch điều khiển có thể điều chỉnh chính xác mức độ chuyển động và theo hướng nào [19]
Nguyên tắc của hoạt động của servo dựa theo tiến trình như sau Trước hết, nó sẽ sử dụng cụm bánh răng để giảm RPM và tăng mô-men xoắn của động cơ Giả sử ở vị trí ban đầu của trục động cơ servo, vị trí của núm chiết áp sao cho không có tín hiệu điện nào được tạo ra ở cổng đầu ra của chiết áp Bây giờ tín hiệu điện được đưa đến một đầu vào khác của bộ khuếch đại phát hiện lỗi Bây giờ, sự khác biệt giữa hai tín hiệu này, một tín hiệu đến từ chiết áp và tín hiệu khác đến từ các nguồn khác, sẽ được xử lý theo cơ chế phản hồi và đầu ra sẽ được cung cấp dưới dạng tín hiệu lỗi Tín hiệu lỗi này đóng vai trò là đầu vào cho động cơ và động cơ bắt đầu quay Bây giờ trục động cơ được kết nối với chiết áp và khi động cơ quay thì chiết áp sẽ tạo ra tín hiệu
Vì vậy, khi vị trí góc của chiết áp thay đổi, tín hiệu phản hồi đầu ra của nó cũng thay đổi Sau một thời gian, vị trí của chiết áp đạt đến vị trí mà đầu ra của chiết áp giống với tín hiệu bên ngoài được cung cấp Ở điều kiện này, sẽ không có tín hiệu đầu ra từ bộ khuếch đại đến đầu vào động cơ vì không có sự khác biệt giữa tín hiệu tác dụng bên ngoài và tín hiệu được tạo ra ở chiết áp, và trong tình huống này, động cơ ngừng quay [19]
2.4.3 Sơ đồ chân và thông số kỹ thuật Để phù hợp với thiết kế hệ thống trong đề tài sinh viên đã chọn linh kiện servo SG90 để điều khiển mở cửa cho mô hình đập nước mini Dưới đây là sơ đồ chân của linh kiện:
Hình 2 14: Sơ đồ chân servo SG90 [24]
Bảng 2 4: Tác dụng các chân của servo SG90 [20]
Chân màu đỏ Chân nguồn VCC(5V DC)
Chân màu nâu Chân nối đất
Chân màu vàng hoặc cam Chân nhận tín hiệu PWM
Thông số kỹ thuật của động cơ servo SG90 bao gồm [21]:
- Kích thước: xấp xỉ 22,2 x 11,8 x 31 mm
- Mụ-men xoắn dừng: 1,8 kgfãcm
- Tốc độ hoạt động: 0,1 s/60 độ
- Dòng điện hoạt động: 750mA
- Khoảng nhiệt độ: 0 ºC – 55 ºC
2.4.4 Ứng dụng Động cơ servo đã có từ rất lâu và được sử dụng phổ biến trong nhiều ứng dụng, lĩnh vực khác nhau Chúng có kích thước nhỏ nhưng có sức mạnh lớn và rất tiết kiệm năng lượng Đối với những ứng dụng nhỏ thì những tính năng này cho phép chúng được sử dụng để vận hành ô tô đồ chơi, robot và máy bay được điều khiển từ xa hoặc điều khiển bằng sóng vô tuyến Đối với những lĩnh vực có quy mô rộng lớn, đòi hỏi công suất cao thì servo cũng đang được phát triển mạnh mẽ và phổ biến Chẳng hạn như trong lĩnh vực ô tô thì nó giúp duy trì tốc độ của xe hay trong ngành hàng không thì nó giúp duy trì chất lỏng thủy lực trong hệ thống thủy lực Servo còn rất được ưa chuộng trong các dự án, đề tài trong lĩnh vực giáo dục vì giá cả phải chăng và phù hợp với quy mô đề tài.
THIẾT KẾ
YÊU CẦU THIẾT KẾ
Để phát triển hệ thống giám sát mực nước và điều khiển mở cửa đập nước tự động khi mực nước đạt ngưỡng báo động thì sinh viên đã chia thiết kế hệ thống theo 2 phần riêng biệt bao gồm ứng dụng điện thoại di động (phần mềm) và mô hình kết nối với linh kiện điều khiển mở cửa đập (phần cứng) Cụ thể về yêu cầu các phần như sau:
- Đối với phần mềm thì hệ thống sẽ tự nhận dữ liệu đã qua xử lí, tính toán từ Wifi ESP8266 NodeMCU để cập nhật liên tục giá trị hiển thị trên Gauge và đồ thị của ứng dụng điện thoại giúp cho người dùng tiện lợi giám sát và quản lí
- Khi giá trị mực nước đạt ngưỡng báo động thì phần ứng dụng sẽ đẩy các thông báo lên ứng dụng và email để báo cho người dùng biết là giá trị đạt ngưỡng báo động sau đó sẽ tiến hành mở cửa đập nước tự động để xả nước đến khi về lại dưới ngưỡng an toàn và đóng cửa đập
- Bên cạnh đó, ứng dụng phần mềm có khả năng lưu trữ dữ liệu vượt ngưỡng an toàn giúp cho người dùng tiện lợi trong việc muốn xem xét dữ liệu mực nước tăng giảm trong ngưỡng cho phép để dùng cho việc đánh giá, xem xét đưa ra các biện pháp phòng tránh sự cố bất ngờ Dữ liệu được lưu trữ, cập nhật liên tục tự động trong 1 trang bảng tính google sheets
- Về mặt phần cứng thì hệ thống thì có khả năng đọc giá trị dữ liệu về khoảng thời gian đo từ mực nước đến cảm biến và thông qua Wifi ESP8266 NodeMCU tính toán được mực nước so với thành đập Sau đó gửi giá trị về đó về cho phần mềm tự động để hiển thị trên ứng dụng
- Bên cạnh đó, mô hình phần cứng sẽ bao gồm 1 động cơ servo để điều khiển mở cửa đập khi lượng nước đạt ngưỡng báo động để xả nước kịp thời trong những trường hợp mực nước dâng cao bất thường.
SƠ ĐỒ KHỐI VÀ NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG
Dựa trên những yêu cầu thiết kế thì sinh viên đã xây dựng sơ đồ khối cho hệ thống của mình như sau:
- Khối nguồn: Dùng nguồn điện 5V để cung cấp nguồn điện cho cả hệ thống
- Khối thu nhận dữ liệu: Ở khối này sẽ đo khoảng thời gian từ mực nước đến cảm biến
- Khối xử lý trung tâm: Khối này sẽ đảm nhận nhiệm vụ tính toán từ dữ liệu từ khối cảm biến, kết nối với ứng dụng điện thoại để cập nhật giá trị mực nước và kết nối với dịch vụ google sheet để lưu trữ dữ liệu
- Khối động cơ: Khối này sẽ nhận nhiệm vụ điều khiển servo để tự động mở cửa đập cho việc xả nước khi mực nước đạt ngưỡng báo động và sau đó sẽ đóng cửa đập nếu lượng nước về ngưỡng an toàn
Sơ đồ khối của hệ thống được thể hiện qua hình 3 1:
Hình 3 1: Sơ đồ khối hệ thống
KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM
KHỐI ĐỘNG CƠ TÍNH TOÁN
KẾT NỐI ỨNG DỤNG, LƯU TRỮ DỮ LIỆU KHỐI NGUỒN
Nguyên tắc hoạt động của hệ thống như sau:
- Kết nối phần cứng với phần mềm thông qua module Wifi ESP8266 NodeMCU
- Khối cảm biến bao gồm cảm biến siêu âm sẽ thực hiện đo thời gian từ mực nước trong hồ đến cảm biến, gửi dữ liệu về cho khối xử lí trung tâm
- Khối xử lí trung tâm sẽ thực hiện tính toán độ cao của mực nước dựa trên dữ liệu thời gian mà khối cảm biến gửi về và tính phần trăm mực nước so với thành đập
- Sau khi tính toán thì ESP8266 sẽ gửi dữ liệu đã xử lí về cho ứng dụng điện thoại để cập nhật giá trị trên các Widget Gauge và đồ thị
- Người dùng có thể quan sát phần trăm mực nước trên ứng dụng điện thoại Nếu lượng nước đạt ngưỡng báo động thì ứng dụng sẽ gửi thông báo trên ứng dụng kèm theo gửi mail cảnh báo
- Dữ liệu được cập nhật thay đổi liên tục và được lưu trữ trên dịch vụ google sheet khi mà giá trị của mực nước vượt ngưỡng an toàn
- Nếu lượng nước đạt ngưỡng báo động thì động cơ servo sẽ được tự động điều khiển quay 1 góc 90 độ để mở cửa đập xả nước về dưới ngưỡng an toàn và sau đó sẽ quay lại về vị trí cũ để đóng cửa đập.
THIẾT KẾ TỪNG KHỐI
Dựa vào những yêu cầu thiết kế hệ thống thì phần mềm phải thực hiện được nhiệm vụ sau:
- Kết nối được với khối xử lí trung tâm thông qua Wifi để nhận dữ liệu được tính toán từ khối xử lí
- Phần mềm phải thể hiện giá trị dữ liệu đã xử lí được cập nhật tự động được trên Widget gauge và đồ thị
- Gửi thông báo về cho ứng dụng và gửi mail khi mà mực nước đạt ngưỡng báo động
- Các giá trị dữ liệu sẽ được lưu trữ tự động theo thời gian thực tế liên tục trên 1 trang tính kể từ khi giá trị của dữ liệu vượt ngưỡng an toàn
Từ những nhiệm vụ trên, sinh viên đã đề ra lưu đồ giải thuật cho phần mềm:
Cấu hình các dịch vụ sử dụng và triển khai phần mềm kết nối với module
Nhận dữ liệu đã tính toán từ khối xử lí
Lưu trữ giá trị dữ liệu lớn hơn ngưỡng an toàn theo thời gian thực tế trên trang tính google sheet
Gửi thông báo trên app và gửi mail cảnh báo về cho gmail Kiểm tra giá trị đạt mức Hiển thị giá trị đã tính toán trên widget gauge và đồ thị Đăng nhập App Kết nối với Wifi Đúng Sai Đúng Sai
Hình 3 2: Lưu đồ giải thuật phần mềm
Dựa vào lưu đồ, phần mềm sẽ hoạt động theo trình tự như sau:
- Đầu tiên, phần mềm sẽ được cấu hình sử dụng với module Wifi ESP8266 NodeMCU Sinh viên sử dụng google sheet để thực hiện việc lưu trữ dũ liệu, vì thế sinh viên phải cấu hình kết nối với dịch vụ google sheet thông qua khối xử lí trung tâm
- Sau khi cấu hình, khi cấp nguồn phần mềm sẽ được kết nối với phần cứng thông qua Wifi Nếu thành công sẽ hiện giao diện app để đăng nhập và ngược lại không thành công sẽ yêu cầu kiểm tra lại kết nối Wifi
- Đăng nhập vào phần mềm với tài khoản đã đăng ký sử dụng Blynk Dự án trên app có thể được chia sẻ với nhiều người khác nhau nếu người chủ dự án cấp quyền Nếu đăng nhập sai sẽ phải đăng nhập lại
- Sau khi đăng nhập thành công thì ta có thể vào dự án đã được khởi tạo với Widget gauge để thể hiện giá trị mực nước thay đổi từ thấp đến cao (0% - 100%) và đồ thị thể hiện tổng quan mực nước
- Giá trị sẽ được nhận từ khối xử lí trung tâm sau khi đã tính toán và cập nhật tự động liên tục trên Widget và đồ thị
- Với mỗi giá trị thay đổi theo thời gian từ thấp đến cao sẽ được kiểm tra lần lượt nếu giá trị đó đạt ngưỡng báo động thì sẽ tiến hành gửi thông báo mở cửa đập trên app và gửi cảnh báo về email Ngược lại thì hệ thống sẽ tiếp tục giám sát mực nước đến khi thay đổi
Hình 3 3: Demo giao diện ứng dụng điện thoại
3.3.2 Thiết kế phần cứng Đối với thiết kế phần cứng sẽ có sơ đồ nguyên lí như sau:
Hình 3 4: Sơ đồ nguyên lí phần cứng Ở đây sơ đồ nguyên lí bao gồm khối xử lí trung tâm là module Wifi ESP8266 NodeMCU kết nối với cảm biến HC-SR04 để thu nhận dữ liệu (khối thu nhận dữ liệu) và servo (khối động cơ) để điều khiển mở cửa đập
Bảng 3 1: Bảng kết nối chân của phần cứng
Vin Cấp nguồn trực tiếp cho cảm biến siêu âm
D5 Kết nối với chân Trig của cảm biến để bắt đầu đọc tín hiệu D6 Kết nối với chân Echo của cảm biến để đo khoảng thời gian từ mực nước đến cảm biến D4 Kết nối với chân tín hiệu của servo để điều chỉnh góc quay 3V3 Đầu ra được điều chỉnh từ ổn áp cấp nguồn cho servo
Sinh viên sẽ tính công suất toàn mạch để lựa chọn khối nguồn phù hợp với hệ thống
- NodeMCU ESP8266: Theo thông số kỹ thuật thì ta có được dòng hoạt động là 80mA và nguồn điện đầu vào là 5V DC Do đó công suất tiêu thụ: 5 x 0.08 = 0,4W
- Cảm biến siêu âm HC-SR04: Theo thông số kỹ thuật thì ta có được dòng hoạt động là 15mA và nguồn điện đầu vào là 5V DC Do đó công suất tiêu thụ: 5 x 0,015 0.075W
- Động cơ servo SG90: Theo thông số kỹ thuật thì ta có được dòng hoạt động là 750mA và nguồn điện đầu vào là 5V DC Do đó công suất tiêu thụ: 5 x 0.75 = 3.75W Công suất tiêu thụ toàn mạch là: 0.4+0.075+3.75 = 4.225W Điện áp cần cung cấp cho NodeMCU ESP8266 là 5V do đó dòng điện cần cung cấp cho toàn mạch là 5 ÷ 4.225 = 1.18A
Vậy sinh viên sẽ lựa chọn khối nguồn là cục adapter chuyển đổi nguồn 220V AC, 2A thành 5V DC, 2A để cấp nguồn cho toàn hệ thống
3.3.2.2 Khối thu nhận dữ liệu
Khối thu nhận dữ liệu sẽ bao gồm cảm biến siêu âm HC-SR04 kết nối với module Wifi ESP8266 NodeMCU để thực hiện đo khoảng thời gian từ mực nước đến cảm biến
Hình 3 5: Phản xạ sóng siêu âm cảm biến HC-SR04 [29]
Chõn Trigger của cảm biến siờu õm sẽ được đặt ở mức cao trong 10 às sau đú sẽ gửi một chùm sóng siêu âm gồm 8 xung ở 40kHz Khi gặp vật cản nó sẽ phản xạ trở lại sau đó chân Echo sẽ nhận tín hiệu và xuống mức thấp ngay lập tức gây nên sự thay đổi về độ rộng xung của chân Echo tùy theo thời gian nhận tín hiệu Từ đó, tùy theo thời gian ở mức cao của chân Echo cảm biến siêu âm sẽ thu nhận được khoảng thời gian từ vật cản đến cảm biến Kế tiếp, sinh viên sẽ dùng hàm “pulseIn” để đo độ rộng xung từ cảm biến
3.3.2.3 Khối xử lí trung tâm
Khối xử lí trung tâm gồm module Wifi ESP8266 NodeMCU sẽ thực hiện các nhiệm vụ sau:
- Kết nối Wifi với hệ thống phần mềm, dịch vụ google sheet
- Từ việc đọc được giá trị dữ liệu từ cảm biến siêu âm HC-SR04, sẽ tiến hành tính toán khoảng cách từ mực nước đến cảm biến từ đó tính được độ cao mực nước để tính tỉ lệ phần trăm mực nước trong hồ
- Từ tỉ lệ phần trăm mực nước trong hồ sẽ tiến hành gửi giá trị đến phần mềm
- Tự động lưu trữ dữ liệu đã tính toán khi mà giá trị của dữ liệu vượt ngưỡng an toàn lên trang tính google sheet
- So sánh phần trăm mực nước với ngưỡng báo động (80%) Nếu đạt ngưỡng lớn hơn hoặc bằng 80% thì sẽ điều khiển servo quay 1 góc 90 độ để mở cửa đập xả nước về dưới ngưỡng an toàn (65%) sau đó quay lại về vị trí cũ để đóng cửa đập
Kết nối Wifi với phần mềm và dịch vụ google sheet
Tính toán dữ liệu đọc từ cảm biến siêu âm
Gửi giá trị tới phần mềm Điều khiển servo mở cửa đập, lưu trữ giá trị dữ liệu vượt mức Kiểm tra giá trị với mức trên Đúng Sai
Hình 3 6: Lưu đồ giải thuật khối xử lí trung tâm
Kiểm tra giá trị với mức dưới Điều khiển servo đóng cửa đập Đúng
Kết thúc Để tính toán được độ cao mực nước trong hồ thì bộ xử lí trung tâm sẽ tiến hành các bước như sau:
- Đầu tiên sẽ đọc khoảng thời gian từ mực nước đến cảm biến sau khi cảm biến thu nhận dữ liệu
- Sau đó, sẽ tính khoảng cách từ mực nước đến cảm biến theo công thức như sau:
+ S là khoảng cách từ mực nước đến cảm biến
+ V là tốc độ âm thanh trong không khí
+ T là khoảng thời gian từ cảm biến đến mực nước và ngược lại
KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ
KẾT QUẢ HOẠT ĐỘNG CỦA MÔ HÌNH
Sau 1 thời gian dài tìm hiểu, nghiên cứu và triển khai thì cuối cùng sinh viên đã hoàn thành hệ thống đã được kết nối với mô hình thu nhỏ như sau:
Hình 4 1: Mô hình đập nước mini kết nối với phần cứng Kết quả của hoạt động của mô hình như sau:
- Sau khi kết nối phần cứng với mô hình, tiến hành cấp nguồn điện để hoạt động Kết nối phần cứng với phần mềm thông qua Wifi và giao diện của phần mềm khi chưa có nước như hình dưới:
Hình 4 2: Giao diện phần mềm khi hoạt động
- Khi phần mềm hoạt động sẽ có thông báo đã online trên Timeline
Hình 4 3: Thông báo hoạt động trên Timeline
- Sau đây, sinh viên sẽ tiến hành đổ nước vào mô hình để kiểm tra sự thay đổi trên giao diện điện thoại
Hình 4 4: Cung cấp nước cho mô hình
- Giao diện của điện thoại mô hình sẽ hiển thị như sau:
Hình 4 5: Hiển thị giao diện sau khi được cấp nước
- Sau đó, sinh viên sẽ tăng lượng nước thêm lần lượt thành tỉ lệ 32,5% và 41,1% Sau đó tiến hành đo khoảng cách thực tế so với công thức tính toán để kiểm tra độ chính xác mực nước
Hình 4 6: Mực nước và giao diện hiển thị tỉ lệ 32,5%
Hình 4 7: Mực nước và giao diện hiển thị ở tỉ lệ 41,1%
- Theo công thức được sử dụng để tính toán khoảng cách từ dữ liệu thu được từ cảm biến như sau:
- Trong đó V là vận tốc âm thanh trong không khí là 340m/s tương đương với 29,412 us/cm Từ đó ta có thể tính toán khoảng cách như sau để phù hợp với đơn vị:
- Ta sẽ tính phần trăm mực nước so với độ cao thành đập như sau:
Bảng 4 1: Bảng giá trị P1, P2, khoảng cách thực tế P1, P2 và khoảng cách lý thuyết
Phần trăm Khoảng cách thực tế Khoảng cách lý thuyết
- Đối với P1 = 32,5% thì ta sẽ tính được S1 = 3,575 cm với Smax = 11 cm Tương tự đối với P2 = 41,1% thì ta sẽ tính được S2 = 4,521 cm So với khoảng cách thực tế lần lượt của P1, P2 là 3,57 cm và 4,52 cm có sự chênh lệch nhỏ vì do khoảng cách quá nhỏ để thước đo hiển thị được
- Từ đó ta thấy được hệ thống đo được khoảng cách với mức độ chính xác khá cao Vì nhiều hạn chế về nhiệt độ, độ trễ sẽ làm ảnh hưởng đến khoảng thời gian dữ liệu truyền về cho cảm biến
Kế tiếp, sinh viên sẽ đưa mực nước tới lớn hơn hoặc bằng ngưỡng báo động 80% để xem hoạt động của khối động cơ và cảnh báo ở phần mềm
Hình 4 8: Gia tăng mực nước tới vượt ngưỡng báo động 80%
Khi cho mực nước vượt ngưỡng báo động 80% thì ở phần mềm sẽ gửi các thông báo về cho ứng dụng điện thoại và gửi email như sau:
Hình 4 9: Thông báo được hiển thị trên ứng dụng và giao diện nền của điện thoại
Hình 4 10 Thông báo trên ứng dụng điện thoại và gửi email trực tiếp Đồng thời lúc đó mô hình đập nước thu nhỏ, khối động cơ servo sẽ điều khiển mở cửa đập để xả nước
Hình 4 11: Servo điều khiển quay góc 90 độ để mở cửa đập xả nước
Sau khi mở cửa đập, thì lượng nước được xả sẽ đưa về giá trị dưới ngưỡng an toàn cho phép là 65% thì sẽ điều khiển servo quay về vị trí của để đóng cửa đập
Hình 4 12 Lượng nước được xả về cho đến giá trị an toàn và điều khiển servo về vị trí cũ để đóng cửa đập Để tiện lợi cho quá trình quản lí, đánh giá và quan sát lượng nước tăng hoặc giảm kể từ khi mực nước vượt ngưỡng an toàn thì giá trị dữ liệu được lưu tự động, cập nhật theo thời gian thực tế trên 1 trang tính google sheet như sau:
Hình 4 13: Giá trị dữ liệu được lưu tự động trên trang tính google sheet