Xây dựng hệ đo thông số môi trường đa tín hiệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Trần Thị Minh Phƣơng XÂY DỰNG HỆ ĐO THÔNG SỐ MÔI TRƢỜNG ĐA TÍN HIỆU LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội, tháng 12 năm 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Trần Thị Minh Phƣơng XÂY DỰNG HỆ ĐO THÔNG SỐ MÔI TRƢỜNG ĐA TÍN HIỆU Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến điện tử Mã số: 60.44.01.05 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS ĐỖ TRUNG KIÊN Hà Nội - Năm 2014 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc lòng biết ơn trân thành tới TS Đỗ Trung Kiên, thầy tận tình hướng dẫn tạo điều kiện giúp đỡ em hoàn thành luận văn Em xin gửi lời cảm ơn trân thànhđến thầy cô khoa Vật lý, môn Vật lý vô tuyến điện tử trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc Gia Hà Nội, thầy cô giúp đỡ bảo cho em suốt thời gian học tập Trường Em xin cảm ơn hỗ trợ đề tài nhóm B - Đại học Quốc gia Hà nội QG.12.02 Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn trân thành tới gia đình, bạn bè động viên, giúp đỡ em suốt trình học tập hoàn thành luận văn Do thời gian kiến thức hạn chế nên chắn luận văn nhiều thiếu sót Em mong nhận ý kiến đóng góp thầy cô bạn Một lần nữa, em xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, tháng 12 năm 2014 Học viên: Trần Thị Minh Phương MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Hệ thiết bị đo lường 1.2 Bộ thu thập số liệu (Data logger) Error! Bookmark not defined 1.2.1 Giới thiệu Error! Bookmark not defined 1.2.2 Một số đặc điểm số liệu hệ thu thập số liệu.Error! defined Bookmark not 1.2.3 Một số thu thập số liệu Error! Bookmark not defined 1.3 Thu thập số liệu thông qua webserver Error! Bookmark not defined CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Error! Bookmark not defined 2.1 Các đại lượng đo lựa chọn cảm biến Error! Bookmark not defined 2.1.1 Đo độ ẩm Error! Bookmark not defined a) Giới thiệu: Error! Bookmark not defined b) Lựa chọn cảm biến: Error! Bookmark not defined 2.1.2 Cảm biến nhiệt độ DS18B20 Error! Bookmark not defined a) Giới thiệu: Error! Bookmark not defined b) Lựa chọn cảm biến: Error! Bookmark not defined 2.1.3 Đo nồng độ khí CO2 Error! Bookmark not defined a) Giới thiệu: Error! Bookmark not defined b) Lựa chọn cảm biến Error! Bookmark not defined 2.1.4 Cảm biến âm Error! Bookmark not defined a) Giới thiệu: Error! Bookmark not defined b) Lựa chọn cảm biến: Error! Bookmark not defined 2.2 Vi điều khiển: Error! Bookmark not defined a) Giới thiệu vi điều khiển Error! Bookmark not defined b) Giới thiệu vi điều khiển PIC Error! Bookmark not defined c) Về vi điều khiển PIC 16F887A Error! Bookmark not defined 2.3 Các thành phần khác mạch: Error! Bookmark not defined 2.3.1 Bộ nguồn Error! Bookmark not defined 2.3.2 IC thời gian thực RTC DS1307 Error! Bookmark not defined 2.4 Truyền, nhận liệu đo Error! Bookmark not defined 2.5 Xử lý số liệu đưa lên Lan Server: Error! Bookmark not defined 2.6 Xây dựng hệ đo thông số môi trường đa tín hiệuError! defined Bookmark not 2.6.1 Mạch mô hệ đo: Error! Bookmark not defined 2.6.2 Xây dựng thuật toán cho hệ đo: Error! Bookmark not defined CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Error! Bookmark not defined 3.1 Kết xây dựng hệ đo Error! Bookmark not defined 3.2 Kết số liệu thu thập từ hệ đo Error! Bookmark not defined 3.3 Kết đưa số liệu lên Lan Server Error! Bookmark not defined 3.4 Các khả ứng dụng thực tiễn Error! Bookmark not defined 3.5 Tiềm năng, mở rộng nâng cấp hệ thông Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO Phụ lục DANH MỤC HÌNH VẼ Hình vẽ Trang Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ đo lường tự động Hình 1.2: Sơ đồ khối thu thập số liệu Hình 3: Bộ thu thập số liệu DVTH MT100 Hình 2.1: Sự phụ thuộc điện dung vào độ ẩm tương đối DHT11 11 Hình 2.2: Hình ảnh cảm biến DHT11 11 Hình 2.3: Hình ảnh cảm biến DHT11 mạch mô 11 Hình 2.4: Hình ảnh kết nối MCU DHT11 13 Hình 2.5: MCU gửi tín hiệu Start tín hiệu trả lời DHT11 13 Hình 2.6: Quá trình gửi bits “0” 13 Hình 2.7: Quá trình gửi bits “1” 14 Hình 2.8: Quá trình gửi bit STOP 14 Hình 2.9: Hình ảnh cảm biến DS18B20 mạch mô 15 Hình 2.10: Hình ảnh thực tế cảm biến DS18B20 15 Hình 2.10: Hình ảnh cảm biến khí gas MG811 16 Hình 2.11: Cấu tạo cảm biến MG811 17 Hình 2.12: Sự phuh thuộc cường độ dòng nồng độ CO2 – điều kiện môi trường bình thương (nhiệt độ 28oC; độ ẩm 65%) 17 Hình 2.13: Hình ảnh cảm biến MG811 mạch mô 18 Hình 2.14: Hình ảnh micro cảm biến đo âm 19 Hình 2.15: Hình ảnh cảm biến đo âm ghép nối với khuếch đại thuật toán LM386 20 Hình 2.16: Hình ảnh vi điều khiển PIC 16F877A 22 Hình vẽ Trang Hình 2.17: Hình ảnh DS1307 mạch mô 23 Hình 2.18: Sơ đồ khối DS1307 24 Hình 2.19: Giản đồ thời gian giao tiếp UART 26 Hình 2.20: Giao diện phần mềm Herquese 27 Hình 2.21: Mô hình đặt quyền truy cập liệu 29 Hình 2.22: Sơ đồ khối hệ đo 30 Hình 3.1: Hình ảnh hệ thống thu thập số 32 Hình 3.2: Hình ảnh chọn chế độ hiển thị số liệu lên LCD truyền UART 32 Hình 3.3: Hình ảnh truyền liệu đo theo UART vào máy tính 33 Hình 3.4 Hình ảnh file số liệu ghi nhận từ hệ lưu máy tính 33 Hình 3.5: Số liệu hiển thị qua phần mềm Herquese Hình 3.6: Giao diện hệ thống quản lý số liệu môi trường qua Lan Server Hình 3.7: Hình ảnh kết đo truy cập từ máy tính trung mạng cục 34 35 35 MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Trong năm gần với phát triển mạnh mẽ công nghệ linh kiện điện tử công nghệ thông tin(CNTT) đưa tự động hóa vào ngõ ngách sống, tạo thay đổi to lớn lao động, sản xuất Ứng dụng vi điều khiển, vi xử lý cho phép người tạo hệ thống hoạt động xác, tính ổn định cao, có khả làm việc cách tự động thông minh hơn, phục vụ cho mục đích cụ thể Với yêu cầu thực tế phòng thí nghiệm, bênh viện, nhà kính trồng cây, … cần kiểm soát tự động thông số môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, điểm sương, tiếng ồn, nồng độ khí, …) để điều chỉnh cho phù hợp việc nghiên cứu, xây dựng hệ đo thông số môi trường đa tín hiệu quan trọng cần thiết Với yêu cầu hệ cần thu thập thông số môi trường cách tự động,từ xa với khả xử lý, lưu trữ liệu môi trường 24/24 giám sát qua môi trường Internet thương mại hóa, nhiên giá thành hệ cao Chính vậy, việc nghiên cứu làm chủ kỹ thuật cho hệ đo thông số môi trường đa tín hiệulà điều cần thiết, phát huy nội lực nước, định hướng sản xuất sản phẩm tự động hóa chất lượng cao, giá cạnh tranh Với mục đích đó, nội dung luận văn tập trung trình bày việc nghiên cứu triển khai xây dựng hệ đo thông số môi trường đa tín hiệu sở sử dụng cảm biến đầu số ghép nối với vi điều khiển kết nối với máy tính làm Server Phƣơng pháp nghiên cứu Để xây dựng hệ đo thông số môi trường đa tín hiệu, em tiến hành khảo sát, phân tích đặc điểm liên quan đến thông số kỹ thuật cảm biến ứng với thông số môi trường cần khao sát, đặc trưng vi điều khiển, chuẩn kết nối; để khảo sát, đánh giá phương án thiết kế hệ em sử dụng phần mềm mô phỏng, tính toán thiết kế mạch trước thực lắp đặt Trong luận văn này, thông số môi trường xác định tập trung nghiên cứu bao gồm: nhiệt độ, độ ẩm, tiếng ồn nồng độ khí CO2 Việc khảo sát số liệu kiểm chứng kết thu được thực so sánh với hình thức đo đạt truyền thống Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo phụ lục, luận văn chia làm chương: Chương 1: Tổng quan Chương 2: Đối tượng phương pháp nghiên cứu Chương 3:Kết thực nghiệm Các kết luận văn chứa đựng chương chương 3.Kết luận văn thu biểu đồ nhiệt độ, độ ẩm, tiếng ồn nồng độ CO2 theo thời gian CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Hệ thiết bị đo lƣờng Việc đo đạc, thu thập xử lý thông tin nói chung chia làm ba phần đo, thu thập truyền xử lý Trong trình đo thực chất việc định lượng đại lượng vật lý thành số đơn vị cách thực phép đo dụng cụ đo Dụng cụ đo thông qua phép đo mà chuyển đại lượng vật lý cần đo đối tượng cần đo thành đại lượng khác có thông tin định lượng đại lượng tức hiển thị đọc cách định lượng Thường ngày nay, để thuận lợi cho việc lưu trữ, truyền thông, xử lý đại lượng cần đo chuyển đại lượng điện mang thông tin định lượng đại lượng cần đo hiệu điện dòng điện Đại lượng điện thuận lợi cho việc truyền, lưu trữ, xử lý thiết bị điện, mạch điện tích hợp, với công nghệ điện toán mà nhân loại đạt nhiều thành tựu Việc thu thập gồm truyền lưu trữ ngày thường thực sở điện toán Việc xử lý thông tin thực tự động hoàn toàn tự động phần thông qua hệ thống điện toán, thường thực hiệu vi xử lý chương trình hoạt động vi xử lý Người thực công việc liên quan hệ thống xây dựng hệ thống gồm phần cứng phần mềm, vận hành hệ thống, sử dụng đánh giá kết đo Một hệ thống đo đạc điều khiển tự động có chức đo đạc đại lượng, thông số đối tượng, truyền thông, lưu trữ, xử lý, phân tích đánh giá đưa tín hiệu điều khiển phản hồi tự động Sơ đồ khối hệ đo lường tự động Error! Reference source not found.1: Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ đo lường tự động TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Phan Minh Tân, Nguyễn Xuân Hoàng, Bùi Thị Thanh Quyên; Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm điểm sương THDP-1 sử dụng công nghệ PSOC [2] Trần Quang Vinh, Phạm Mạnh Thắng, Phùng Mạnh Dương; Mạng thông tin điều khiển hệ thống tự động hóa tòa nhà; Tạp chí khoa học khoa học tự nhiên công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội, Số 26 (2010) trang 129-140 [3] Vũ Ngọc Ha, Luận văn thạc sỹ “Xây dựng hệ thống đo đạc, thu thập xử lý tín hiệu số thông số môi trường từ xa qua mạng Ethernet Linux nhúng”, môn Vật lý Vô tuyến, khoa Vật lý, Trường đại học Khoa học tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội – 2013 Tiếng Anh [4] Coopmans, C; YangQuan Chen; A general-purpose low-cost compact spatialtemporal data logger and its applications, AUTOTESTCON, 2008, IEEE Conferences 2008 , Page(s): 64 - 68 [5] Edstrom, U.; Skonevik, J.; Backlund, T.; Karlsson, J.S.; A flexible measurement system for physiological signals in mobile health care, Engineering in Medicine and Biology Society, 2005 IEEE-EMBS 2005 27th Annual International Conference 2005 , Page(s): 2161 - 2162 [6] Hayes, J.; Crowley, K.; Diamond, D.; Simultaneous Web-based real-time temperature monitoring using multiple wireless sensor networks, Sensors, 2005 IEEE Conferences, 2005 [7] Hernández camacho , laura e Muñoz hernández; Virtual distributed supervision and control for an automated greenhousejorge [8] H Mirinefad, Sh sadati;Design and simulation of rutomated system for greenhouse using Labview; American-Eurasian J.agric&environ Sci, 3(2): 279-284, 2008 [9] Hsueh-Chun Lin; Yiao-Chiang Kan; Yao-Ming Hong; The Comprehensive Gateway Model for Diverse Environmental Monitoring Upon Wireless Sensor Network, Sensors Journal, IEEEVolume: 11, Issue: 5, 2011, Page(s): 1293 – 1303 [10] Ipsuwan, Y., Chow Mo-Yuen Control Methodologies in networked control system, 2003, Control Engineering Practice [11] Prabhudesai, R.G.; Joseph, A.; Agarwadekar, Y.; Mehra, P.; Kumar, K.V.; Luis, R.; Integrated Coastal Observation Network (ICON) for real-time monitoring of sea-level, sea-state, and surface-meteorological data, OCEANS 2010, IEEE 2010 , Page(s): - [12] Ku, K.K.K.; Bradbeer, R.; Hodgson, P.; Lam, K.; Lam Yeung; A low-cost, three-dimensional and real-time marine environment monitoring system, Data buoy with connection to the internet, OCEANS 2008 - MTS/IEEE Kobe Techno-Ocean 2008 , Page(s): – [13] Shi-feng yang and daudi s Simbeye ollege of electronic information and automation, tianjin university of science and technology; computerized greenhouse environmental Monitoring and control system based on Labwindows/cvi; journal of computers, vol 8, no 2, february 2013 [14] Segars, S., “The ARM9 Family – High Performance Microprocessors for Embedded Applications,” Proceedings of the International Conference on Computer Design: VLSI in Computers and Processors, pp 230 - 235, 5th October, 1998 [...]... hóa tòa nhà; Tạp chí khoa học khoa học tự nhiên và công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội, Số 26 (2010) trang 129-140 [3] Vũ Ngọc Ha, Luận văn thạc sỹ Xây dựng hệ thống đo đạc, thu thập và xử lý tín hiệu số các thông số môi trường từ xa qua mạng Ethernet trên nền Linux nhúng”, bộ môn Vật lý Vô tuyến, khoa Vật lý, Trường đại học Khoa học tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội – 2013 Tiếng Anh [4] Coopmans,... 1.1: Sơ đồ khối hệ đo lường tự động TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Phan Minh Tân, Nguyễn Xuân Hoàng, Bùi Thị Thanh Quyên; Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm và điểm sương THDP-1 sử dụng công nghệ PSOC [2] Trần Quang Vinh, Phạm Mạnh Thắng, Phùng Mạnh Dương; Mạng thông tin điều khiển trong hệ thống tự động hóa tòa nhà; Tạp chí khoa học khoa học tự nhiên và công nghệ - Đại học