Báo cáo dự Án thực tế Đề tài xây dựng hệ thống cảm biến thu thập dữ liệu cho trạm dự báo thời tiết

Lí do chọn đề tài Với mong muốn xây dựng được một hệ thống có khả năng đo lường, thu thập các thông tin về thời tiết và các thông số đặc biệt khác nhằm mục đích theo dõi, dự báocác chỉ s

ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC

QUỐC GIA HÀ NỘI

BÁO CÁO DỰ ÁN THỰC TẾ

Đề tài : Xây dựng hệ thống cảm biến thu thập dữ liệu cho trạm dự báo thời tiết

Giảng viên hướng dẫn : Ts Hà Minh Cường

Nhóm sinh viên : Dương Quang Vinh

Nguyễn Việt Hùng

Vương Đức Chiến

Khóa : K64AE

Mục lục

Lời nói đầu

Chương 1: Tổng quan về dự án thực tế 4

1.1 Lí do chọn đề tài 4

1.2 Phương pháp nghiên cứu 4

1.3 Nội dung nghiên cứu 4

Chương 2 : Thiết kế 5

2.1 Giới thiệu chung về cảm biến và các loại cảm biến dùng trong dự án 5

2.2 Chuẩn giao tiếp truyền thông IOT 14

Chương 3 : Tiến hành dự án 21

3.1 Tổng quan tiến trình thực hiện 21

3.2 Thu thập dữ liệu và xử lí dữ liệu từ SenSor 21

3.3 Thiết kế mô hình lá chắn bảo vệ cho hệ thống cảm biến 24

Chương 4 : Tổng kết 26

4.1 Tổng quan quá trình 26

4.2 Kết quả đạt được 27

Chương 1: Tổng quan về dự án thực tế

1.1 Lí do chọn đề tài

Với mong muốn xây dựng được một hệ thống có khả năng đo lường, thu thập các thông tin về thời tiết và các thông số đặc biệt khác nhằm mục đích theo dõi, dự báocác chỉ số về thời tiết và môi trường sống, có thể ứng dụng nhiều trong cuộc sống cũng như trong sản xuất, nghiên cứu ( dự báo thời tiết, nông nghiệp công nghệ cao,hàng hải, ) Đó là lí do chính nhóm chúng em chọn đề tài xây dựng hệ thống cảm biến thu thập dữ liệu thời tiết và môi trường cho dự án thực tế lần này Hi vọng rằng những nghiên cứu ứng dụng và sản phẩm trong dự án này có thể đóng góp một phần nào đó để có thể dựa vào đó phát triển những dự án tốt hơn, và có thể hơn nữa là ứng dụng thực tiễn vào đời sống

1.2 Phương pháp nghiên cứu

Để tiến hành xây dựng hệ thống thu thập thông tin cho trạm dự báo thời tiết cần sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết bằng cách tìm hiểu, phân tích các tài liệu của nhà sản xuất cho mỗi loại cảm biến riêng biệt qua đó tìm cách đọc dữ liệu và kết nối những dữ liệu một cách hợp lí nhất Sau đó xây dựng thành một hệ thống cảm biến hoàn chỉnh

1.3 Nội dung nghiên cứu

- Các loại cảm biến được sử dụng trong dự án và phương pháp đọc dữ liệu từ những cảm biến đó

- Xây dựng hệ thống bảo vệ cảm biến

- Xây dựng mô hình hoàn chỉnh

Thông tin được xử lý để rút ra tham số định tính hoặc định lượng của môi trường, phục vụ các nhu cầu nghiên cứu khoa học kỹ thuật hay dân sinh và gọi ngắn gọn là

đo đạc, phục vụ trong truyền và xử lý thông tin, hay trong điều khiển các quá trình khác

Có nhiều loại cảm biến khác nhau và có thể chia ra thành một số nhóm chính:

Cảm biến vật lý: sóng điện từ, ánh sáng, tử ngoại, hồng ngoại, tia X, tia gamma, hạt bức xạ, nhiệt độ, áp suất, âm thanh, rung động, khoảng cách, chuyển động, gia tốc, từ trường, trọng trường,

Cảm biến hóa học: độ ẩm, độ PH, các ion, hợp chất đặc hiệu, khói,

Hình 1 : Hình ảnh về một số loại cảm biến

2.1.2 Các loại cảm biến dùng trong dự án thực tế

độ ẩm, áp suấtkhông khí

150.000 –250.000(VND)

bụi mịn PM2.5trong không khí

300.000 –500.000(VND)

6 MQ - 135 Xác định chất

lượng không khí

30.000 –50.000(VND)

7 Module Orange

Pi Lite

Máy tính nhúngđọc dữ liệu

400.000 –500.000(VND)

2.1.2.1.Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, áp suất không khí BME – 280

Mô tả :

BME – 280 là một mạch cảm biến áp suất được sử dụng như một áp kế điện tử giúp đo áp suất, độ ẩm, nhiệt độ của môi trường (không khí), cảm biến có thiết kế nhỏ gọn, độ bền cao có thể sử dụng ở trong nhà và ngoài trời với các ứng dụng nhàthông minh, dự báo thời tiết, vườn thông minh, cảm biến sử dụng giao tiếp I2C, SPI rất dễ kết nối với đi điều khiển

 Độ chính xác áp suất tuyệt đối: tuyệt đối ± 1hPa (sau khi hàn)

 Độ chính xác nhiệt độ tuyệt đối: ± 0,5 ° C (ở 25 ° C)

 Giao tiếp: I2C, SPI

Bộ cảm biến xuất dữ liệu PMS đến giao hiện Web, ứng dụng trên mobile, hệ thống Home Assistant, MQTT

Thông số kĩ thuật :

 Điện áp sử dụng: 5VDC

 Dòng tiêu thụ: 0.5A Sản phẩm KHÔNG kèm nguồn

 Chuẩn giao tiếp: Micro USB

 Đo hạt bụi : 0.3~1.0 / 1.0~2.5 / 2.5~10 Micrometer（μm（

 Kích thước sản phẩm: 60 x 45 x 25mm

( Hình 3 : Cảm biến bụi mịn PMS 5003 )

2.1.2.3 Cảm biến xác định hướng gió PR – 3000 – FXJT – N01

Mô tả : Cảm biến hướng gió RS-FXJT-N01có thiết kế nhỏ gọn và nhẹ, dễ dàng

mang theo và lắp đặt Khái niệm thiết kế mới có thể thu được thông tin hướng gió một cách hiệu quả Được làm bằng vật liệu composite polycarbonate, có đặc tính tốt như chống ăn mòn sức đề kháng và khả năng chống xói mòn, có thể đảm bảo máy phát không bị biến dạng trong một thời gian dài

Hệ thống ổ trục bên trong hoạt động trơn tru kết hợp thời gian thực đảm bảo độ chính xác của việc thu thập thông tin

o Phương pháp kiểm tra chẵn lẻ: Không có

o Độ dài bit dữ liệu: 8

o Độ dài bit dừng: 1

o Địa chỉ ModBus mặc định: 1

o Mã chức năng hỗ trợ: 03

 Phạm vi đo: 8 hướng

 Tốc độ phản hồi động : ≤ 0,5 giây

( Hình 4 : Cảm biến xác định hướng gió PR – 3000 – FXJT – N01 )

2.1.2.4 Cảm biến đo tốc độ gió PR – 3000 – FSJT – N01

Mô tả : Cảm biến tốc độ gió RS–FSJT-N01có hình dáng nhỏ và nhẹ, dễ dàng mang

theo và lắp ráp Thiết kế ba cốc hứng gió có thể thu được thông tin tốc độ gió một cách hiệu quả Được làm bằng vật liệu composite polycarbonate, có khả năng chống ăn mòn, chống xói mòn tốt và các đặc tính khác, có thể đảm bảo cảm biến được sử dụng trong một thời gian dài mà không bị rỉ sét và nó phối hợp với hệ thống ổ trục trơn bên trong để đảm bảo độ chính xác của việc thu thập thông tin

Thông số kĩ thuật :

 Nguồn điện một chiều (mặc định) : 10 ~ 30 VDC

 Công suất tiêu thụ : ≤ 0,3 W

 Mạch phát hoạt động ở nhiệt độ : -20 ~ +60℃ ℃（0%RH~80%RH

 Phương thức giao tiếp :

o Giao thức truyền thông 485 (modbus)

o Tốc độ truyền: 2400, 4800 (mặc định), 9600

o Độ dài bit dữ liệu: 8 bit

o Phương pháp kiểm tra chẵn lẻ: Không có

o Độ dài bit dừng: 1 bit

( Hình 5 : Cảm biến đo tốc độ gió PR – 3000 – FSJT – N01 )

2.1.2.5 Cảm biến xác định độ ẩm đất Soil Moisture Sensor

Mô tả : ES-SM-TH-01 là dòng cảm biến độ ẩm đất, nhiệt độ đất Soil Moisture

Sensor cho ra kết quả đo chính xác, ổn định & tin cậy Ngõ ra RS485 Modbus RTUchuẩn công nghiệp giúp dễ dàng kết nối đến các hệ thống điều khiển và giám sát

độ ẩm đất, nhiệt độ đất mong muốn (MCU, PLC, PC )

Phù hợp các ứng dụng:

 Đo nhiệt độ đất, đo độ ẩm đất Nhà kính

 Đo dữ liệu độ ẩm đất, nhiệt độ đất giúp nhà nông giám sát chất lượng vườn cây trồng

 Tích hợp các hệ thống tưới thông minh

 Các ứng dụng phù hợp giám sát đo độ ẩm đất, nhiệt độ đất cần độ chính xác cao, ổn định và tiện lợi

( Hình 6 : Cảm biến độ ẩm đất Soil Moisture Sensor )

2.1.2.6 Module Orange Pi Lite

Mô tả : Máy tính nhúng Orange Pi Lite là phiên bản nhỏ của Orange Pi giá rẻ từ

orangepi.org, máy có thể chạy được các hệ điều hành: Android 4.4, Ubuntu,

Debian Orange Pi Lite có cấu hình khá với chip Allwinner H3 quad core Cortex A7 1.2 GHz và ARM Mali-400MP2 GPU up to 600 MHz, RAM 512MB, cổng ra HDMI hỗ trợ CEC, Built-in microphone và 802.11 b/g/n WiFi

Máy không có cổng LAN như các phiên bản phổ biến khác nhưng bù lại lại có 2 cổng USB 2.0 và thêm 1 cổng micro USB OTG (ngoài ra còn có nguồn riêng) Cấuhình của Orange Pi Lite có thể đap ứng hầu hết các ứng dụng IoT phổ biến

Thông số kĩ thuật :

 SoC – Allwinner H3 quad core Cortex A7 1.2 GHz with an ARM 400MP2 GPU up to 600 MHz

Mali- System Memory – 512 MB DDR3

 Storage – micro SD card slot up to 64GB

 Video & Audio Output – HDMI with CEC support

 Audio Input – Built-in microphone

 Connectivity – 802.11 b/g/n WiFi via Realtek WiFi module with u.FL connector

 USB – 2x USB 2.0 host ports, 1x micro USB OTG port

 Camera – CSI Interface

 Expansions – 40-pin Raspberry Pi compatible header

 Debugging – 3-pin UART header for serial console

 Misc – Power button; Power and status LEDs; IR receiver

 Power Supply – 5V/2A via power barrel

 Dimensions – 69mm × 48mm

 OS supported – Android, Debian, Ubuntu

( Hình 7 : Module Orange Pi Lite )

2.2 Chuẩn giao tiếp truyền thông IOT

2.2.1 Chuẩn giao tiếp truyền thông là gì ?

Giao thức truyền thông là một tập hợp các quy tắc chuẩn cho phép hai hoặc nhiều thực thể trong một hệ thống thông tin liên lạc để trao đổi thông tin, dữ liệu qua các kênh truyền thông Giao thức sẽ định nghĩa các quy tắc, cú pháp, ngữ nghĩa, sự đồng bộ trong quá trình truyền thông và có thể thêm phương pháp khắc phục lỗi trên đường truyền Giao thức truyền thông có thể được thực thi trên phần cứng, phần mềm hoặc cả hai Đây đều là những khái niệm được phát triển bởi hiệp hội EIA – Hiệp hội điện tử công nghiệp phát hành từ những năm 70 của thế kỉ trước Cho đến nay đã có rất nhiều chuẩn giao tiếp truyền thông ra đời phục vụ cho nhiều mục đích sử dụng khác nhau, tiêu biểu có thể kể đến : RS232, RS485, UART, SPI, I2C, …

2.2.2 Các chuẩn giao tiếp được sử dụng trong dự án thực tế

2.2.2.1 Giao tiếp UART

Khái niệm :

UART là viết tắt của Universal Asynchronous Receiver / Transmitter UART hoàn toàn khác biệt với chuẩn giao tiếp SPI hoặc I2C, những chuẩn này chỉ đơn tuần là giao tiếp phần mềm Mục đích chính của UART là truyền và nhận dữ liệu nối tiếp.

Chuẩn giao tiếp UART sử dụng 2 dây để truyền và nhận dữ liệu giữa các thiết bị:

Là chân truyền dữ liệu Transmiter (Tx) và chân nhận dữ liệu Receiver (Rx)

(Hình 8 : Chân truyền và nhận thông tin UART)

Cấu hình :

Phương thức truyền dữ liệu Không đồng bộ

Số lượng Master ( thiết bị chủ ) 1

Nguyên lí truyền dữ liệu :

Trong giao tiếp này, có hai loại UART có sẵn là truyền UART và nhận UART và giao tiếp giữa hai loại này có thể được thực hiện trực tiếp với nhau Đối với điều này, chỉ cần hai cáp để giao tiếp giữa hai UART Luồng dữ liệu sẽ từ cả hai chân

truyền (Tx) và nhận (Rx) của UARTs Trong UART, việc truyền dữ liệu từ Tx UART sang Rx UART có thể được thực hiện không đồng bộ (không có tín hiệu CLK để đồng bộ hóa các bit o / p).

Việc truyền dữ liệu của UART có thể được thực hiện bằng cách sử dụng bus dữ liệu ở dạng song song bởi các thiết bị khác như vi điều khiển, bộ nhớ, CPU, Sau khi nhận được dữ liệu song song từ bus, nó tạo thành gói dữ liệu bằng cách thêm

ba bit như bắt đầu, dừng lại và trung bình Nó đọc từng bit gói dữ liệu và chuyển đổi dữ liệu nhận được thành dạng song song để loại bỏ ba bit của gói dữ liệu Tóm lại, gói dữ liệu nhận được bởi UART chuyển song song về phía bus dữ liệu ở đầu nhận

Ưu điểm và nhược điểm :

 Nó chỉ cần hai dây để truyền dữ liệu

 Tín hiệu CLK là không cần thiết

 Nó bao gồm một bit chẵn lẻ để cho phép kiểm tra lỗi

 Sắp xếp gói dữ liệu có thể được sửa đổi vì cả hai mặt được sắp xếp

 Kích thước khung dữ liệu tối đa là 9 bit

 Nó không chứa một số hệ thống phụ (hoặc)

 Tốc độ truyền của UART phải ở mức 10% của nhau

2.2.2.2 Chuẩn giao tiếp RS485

Khái niệm :

RS485 là một phương thức giao tiếp nối tiếp giữa máy tính và các thiết bị trong ngành công nghiệp, viễn thông, POS,… Hay còn được gọi là TIA-485 (-A) hoặc EIA-485 RS485 còn được đặc biệt sử dụng ở các môi trường nhiễu có phạm vi đường truyền rộng lớn, đường cáp đi đường dài trong môi trường nhiễu

RS485 không chỉ là giao diện từ thiết bị đến thiết bị đơn lẻ mà còn là tổ hợp truyềnthông có chức năng tạo ra các mạng đơn giản của nhiều thiết bị Có thể liên kết lêntới 32 thiết bị trên một cặp dây đơn với hệ thống dây nối đất có khoảng cách lên đến 1200m

Cấu tạo :

Cáp RS485 được tạo thành từ những sợi cáp nhỏ bằng đồng, xoắn với nhau theo từng cặp nối dài Bên cạnh sự đơn giản cũng có một số ưu điểm và nhược điểm đi kèm Với cấu tạo là những cặp xoắn nối tiếp khả năng nhiễu đối với chuẩn truyền

thông RS485 là rất ít, nhưng khi xuất hiện hiện tượng này thì các cặp khác cũng sẽ

bị kéo theo

Tiếp nối các sợi cáp xoắn là lớp vỏ bọc được làm bằng nhựa PVC dùng để phân biệt tín hiệu, có tính cách ly điện cực Đáp ứng được nhiệt độ dao động từ -10 độ Cđến 75 độ C

( Hình 9 : Cấu tạo của cáp RS485)

Nguyên lí truyền dữ liệu :

Dữ liệu khi được truyền qua 2 dây trong trạng thái xoắn lại Khi dây xoắn lại khả năng chống nhiễu cao và tín hiệu đường truyền sẽ tốt hơn Trong mạng RS485 được chia thành 2 cấu hình: Cấu hình 2 dây ( hệ thống bán song công), cấu hình 4 dây ( hệ thống song công toàn phần)

( Hình 10 : Nguyên lí hoạt động của RS - 485)

 Sơ đồ cấu hình 2 dây :

Hệ thống bán song công 2 dây được truyền theo hướng tại một thời điểm nhất định.Tín hiệu TX và RX cùng chia sẻ một cặp dây giúp tiết kiệm chi phí cài đặt

Trong sơ đồ này, hệ thống máy phát và hệ thống máy thu sẽ kết nối với mỗi nút trên cặp xoắn Tuy nhiên sẽ bị giới hạn ở chế độ bán song công, phải chú ý đến độ trễ của vòng

 Sơ đồ cấu hình 4 dây :

Cấu hình này hoạt động khác với cấu hình 2 dây, dữ liệu truyền đến và truyền đi đồng thời từ các nút, đồng thời nhận và truyền dữ liệu 2 dây sẽ có nhiệm vụ

truyền, 2 dây còn lại sẽ có nhiệm vụ nhận

Trong sơ đồ này, cổng chính và máy phát sẽ kết nối với nút nhận dữ liệu trên cặp xoắn Tuy nhiên, sơ đồ này bị giới hạn trong giao tiếp chính và phụ, nơi các nút không giao tiếp với nhau.

Ưu điểm và nhược điểm :

 Ưu điểm

 Sản phẩm tân biến, cải thiện được các điểm yếu của sản phẩm RS232 đi trước

 Có thể giao tiếp, kết nối cùng lúc nhiều máy phát trên cùng hệ thống mạng

 Kết nối được nhiều thiết bị trên cùng một hệ thống mạng

 Đối với điện trở đầu vào 12Ω thì sẽ kết nối được với 32 thiết bị Hoặc các đầu vào có điện trở khác cũng có thể kết nối lên đến 256 thiết bị

 Khi RS485 kết nối với các thiết bị ở khoảng cách xa có thể dùng thêm bộ lặp

để tăng số lượng thiết bị kết nối

 Mỗi tín hiệu kết nối với hai dây tín hiệu sẽ truyền nhanh với khoảng cách xa hơn

( Hình 11 : Mô tả Serial Data và Serial Clock )

Nguyên lí truyền dữ liệu :

Với I2C, dữ liệu được truyền trong các tin nhắn Tin nhắn được chia thành các khung dữ liệu Mỗi tin nhắn có một khung địa chỉ chứa địa chỉ nhị phân của địa chỉslave và một hoặc nhiều khung dữ liệu chứa dữ liệu đang được truyền Thông điệp cũng bao gồm điều kiện khởi động và điều kiện dừng, các bit đọc / ghi và các bit ACK / NACK giữa mỗi khung dữ liệu

Ưu điểm và nhược điểm :

 Ưu điểm

 Chỉ sử dụng hai dây

 Hỗ trợ nhiều master và nhiều slave

 Bit ACK / NACK xác nhận mỗi khung được chuyển thành công

 Phần cứng ít phức tạp hơn so với UART

 Giao thức nổi tiếng và được sử dụng rộng rãi

 Nhược điểm

 Tốc độ truyền dữ liệu chậm hơn SPI

 Kích thước của khung dữ liệu bị giới hạn ở 8 bit

 Cần phần cứng phức tạp hơn để triển khai so với SPI

Chương 3 : Tiến hành dự án

3.1 Tổng quan tiến trình thực hiện

3.2 Thu thập dữ liệu và xử lí dữ liệu từ SenSor

Mỗi một cảm biến có một đặc điểm cấu hình khác nhau nên yêu cầu về việc đọc và

xử lí dữ liệu cũng khác nhau Để hệ thống có thể được tối giản và dễ dàng sử dụng thì việc xây dựng mô hình phù hợp là vô cùng quan trọng

Thu thập dữ liệu và xử

lí dữ liệu từ Sensor

Thiết kế mô hình lá chắn bảo vệ cho hệ

thống

Lắp ghép, hoàn thiện

hệ thống

Tên cảm biến Chuẩn truyền thông

Tiến hành đọc dữ liệu từ cảm biến :

( Hình 14 :Code đọc dữ liệu cảm biến BME 280)

( Hình 15 : Code đọc dữ liệu cảm biến Wind-Speed )

( Hình 16 : Code đọc dữ liệu cảm biến Soil Moisture Sensor)

( Hình 17 : Code đọc dữ liệu cảm biến PMS 5003)

( Hình 18 : Kết quả hiển thị dữ liệu Độ ẩm đất)

( Hình 19 : Kết quả hiển thị dữ liệu Nhiệt độ - Độ ẩm – Áp suất )

3.3 Thiết kế mô hình lá chắn bảo vệ cho hệ thống cảm biến

3.3.1 Yêu cầu từ thực tế

Hệ thống cảm biến được sử dụng để thu thập thông tin thời tiết và môi trường sốngnên yêu cầu phải được đặt ở những vị trí có thời tiết vô cùng đặc biệt Chính vì vậycần phải xây dựng được một hệ thống bảo vệ các cảm biến dưới sự tấn công của thiên nhiên mà vẫn đảm bảo được việc thu thập thông tin vẫn được tiến hành một cách chính xác nhất

3.3.2 Xây dựng mô hình

Sau khi tham khảo những mô hình đang có sẵn trên thị trường cùng với những yêu cầu, mục tiêu của bài toán thì chúng tôi đã đưa ra được mô hình phù hợp nhất