Đồ án tốt nghiệp giám sát nước mạng lora

đồ án giám sát hệ thống nước cho căn hộ trong tòa nhá sử dụng mạng lora sử dụng chip psoc 4200 ,modul lora E31 công suất 50wm ,tiết kiệm năng lượng hoạt động,deep sleep .interrupt vector control.Trình biên dich psooc creater giám sát trên máy tính sử dụng ngôn ngữ c database

BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN

-ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU THẬP CHỈ SỐ CÔNG TƠ NƯỚC CHO CĂN HỘ TRONG TÒA NHÀ SỬ DỤNG MẠNG LORA

Sinh viên thực hiện : Trần Văn Khoa

Người hướng dẫn : PGS-TS.Nguyễn Văn Nghĩa.

Hà Nội ngày 12 tháng 12 năm 2018

NHẬN XÉT ĐỒ ÁN

1.Nhận xét của giáo viên hướng dẫn

2.Nhận xét của giáo viên đọc duyệt

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC HÌNH ẢNH 4

CHƯƠNG 1 KHẢO SÁT CÔNG NGHỆ VÀ XÂY DỰNG GIẢI PHÁP THIẾT KẾ9 1.1 TỔNG QUAN 9

1.1.1 Tổng quan sử dụng thiết bị đo ghi chỉ số công tơ nước 9

1.1.2 Cấu tạo các đồng hồ đo nước hiện này 11

1.1.3 Các Phương pháp đo lường lưu lượng 16

1.2 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 23

1.2.1 Giới thiệu đề tài 23

1.2.2 Thông số bài toán 23

1.2.3 Lựa chọn phương án thiết kế hệ thống 25

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 31

2.1 Xây dựng tính năng thiết bị thu thập chỉ số công tơ nước 31

2.1.1 Sơ đồ tính năng 31

2.1.2 Phân tích tính năng 33

2.2 Phân chia hệ thống 37

2.2.1 Node 38

2.2.2 Trung tâm 39

2.4 Phân chia phần cứng phần mềm 40

2.4.1 Phần cứng 40

2.2.2 Phần mềm 40

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 41

3.1 Thiết kế mạch Node 41

3.1.1 Khối nguồn 42

3.1.2 Khối Encoder 42

3.1.3 Khối truyền thông mạng Lora 43

3.1.5 Khối CPU 48

3.1.6 Sơ đồ nguyên lí tổng thể mạch Node 52

3.2 Thiết kế mạch Trung tâm 54

3.3.1 Khối nguồn 54

3.3.2 Khối truyền thông 56

3.2.3 Khối chuyển đổi TTL- USB 56

3.3.4 Khối hiển thị 58

3.3.5 Sơ đồ nguyên lí tổng thể mạch trung tâm 63

3.4 Mạch phần cứng 65

3.4.1 Mạch Node 65

3.4.1 Mạch Trung tâm 65

CHƯƠNG 4: CHƯƠNG TRÌNH VI ĐIỀU KHIỂN 66

4.1Tổng quan phần mềm Psoc Creator 66

4.2 Yêu cầu bài toán và lưu đồ thuật toán Node 66

4.2.1 Yêu cầu bài toán 66

4.2.2 Lưu đồ thuật toán 66

4.3 Chi tiết chương trình MCU mạch Node 68

4.3.1 Xác định các tài nguyên cần sử dụng 68

4.2.2 Tiết kiệm năng lượng hoạt động 69

4.2.4 Đọc giá trị cảm biến lưu lượng encoder 75

4.2.5 Lưu trữ dữ liệu EEPROM 77

4.2.6 Xây dựng phương án truyền thồng 83

4.2.7 Thống kê năng lượng tiêu thụ dựa theo chương trình hoạt động 88

4.4 Yêu cầu bài toán và lưu đồ thuật toán trung tâm 90

4.4.1 Yêu cầu bài toán trung tâm 90

4.4.2 Lưu đồ thuật toán chương trình trung tâm 90

4.5 Chi tiết chương trình MCU mạch Gate 92

4.5.1 Xác định các tài nguyên cần sử dụng 92

4.5.2 Đọc dữ liệu các Node gửi đến 93

4.5.3 Hiển thị dữ liệu các Node lên màn hình LCD 94

4.5.4 Truyền dữ liệu lên máy tinh 94

CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG PHẦN MỀM MÁY TÍNH 96

5.1 Yêu cầu phần mềm 96

5.2 Tổng quan phần mềm Visual Studio 96

5.2 Chương trình giao diện giám sát 98

5.2.1 Giao diện xây dựng 98

5.2.2 Lưu đồ thuật toán 100

5.2.3 Kết nối seriport, nhận dữ liệu từ MCU 101

5.2.4 Tách dữ liệu,cập nhật giao diện giám sát 102

5.2.5 Lưu trữ dữ liệu 103

5.2.6 Xuất báo cáo 105

CHƯƠNG 6: MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 107

6.1 Xây dựng thiết bị 107

6.1.1 Mô hình mạch Node 107

6.1.2 Mô hình trung tâm 108

6.1.3 Mô hình mô phỏng máy bơm nước 109

6.2 Kết quả đạt được 111

PHỤ LỤC 114

PHỤ LỤC 1: CODE CHƯƠNG TRÌNH NODE 114

PHỤ LỤC 2:CODE TRUNG TÂM 131

PHỤ LỤC 3:CODE C# GIAO DIỆN GIÁM SÁT MÁY TÍNH 143

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1: Đồng hồ cơ học 10

Hình 1 2: Đồng hồ điền tư 10

Hình 1.4: Người công nhân đến từng 11

Hình 1 3: Chỉ số công tơ nước 11

Hình 1.5 đồng hồ nước điện tư, truỳen số liệu thông qua đường truyển RS 485 11

Hình 1.6: Đồng hồ đo nước kiểu cơ học 12

Hình 1.7 Cấu tạo bên trong đồ hồ đo nước cơ học 13

Hình 1.8 Đồng hồ đo nước điện tư 14

Hình 1.9 Nguyên lí hoạt động đo nước điện tư 15

Hình 1.10 Cấu tạo thiết bị đo lưu lượng theo nguyên lí chênh áp 18

Hình 1.11: Nguyên lí đo lường theo nguyên lí Vortex 18

Hình 1.12: Thiết bị đo áp suất theo nguyên lí Vortex 19

Hình 1.14: Cấu tạo thiết bị đo lường lưu lượng Turbin 22

Hình 1.17 Flow Meters Titan 800 Series Turbine Flow Measurement Low Power 28

Hình 1 18:Thông số cảm biến lưu lượng 28

Hình 1.19 : Mạng Lora 30

Hình 1 20: EEPROM lưu trư 31

Hình 2.1: Sơ đồ tính năng thiết bị thu thập chỉ số công tơ nước cho căn hộ trong tòa nhà32 Hình 2 2: Sơ đồ tính năng thiết bị thu thập chỉ số công tơ nước Node-Trung tâm 33

Hình 2 3: Sơ đồ tính năng gưi dư liệu trung tâm mạch Node 35

Hình 2 10: Sơ đồ tính năng hoạt động tiết kiệm năng lượng 35

Hình 2 8: sơ đồ tính năng xư lí dư liệu trung tâm 36

Hình 2 6: Màn hình LCD 16x2 38

Hình 2.11: Nguyên lí hoạt động mạch Node 39

Hình 2.12: nguyên lí mạch trung tâm 40

Hình 3 1: Sơ đồ cấu trúc mạch Node 42

Hình 3 2: Nguyên lí mạch nguồn Node 43

Hình 3 3: Nguyên lí khối encoder 43

Hình 3 4: Nguyên lí tín hiệu cảm biến lưu lượng 44

Hình 3 6: Sơ đồ chân Modul Lora 46

Hình 3 7: Nguyên lí khối EEPROM Node 47

Hình 3 8 : Sơ đồ khối IC 24C04 48

Hình 3 9 : Sơ đồ chân IC 24C04 48

Hình 2.13: Số I/O chíp PSOC 50

Hình 2 14: Sơ đồ tính năng CY8C4245AXI 50

Hình 2 15:chíp CY8C4245 50

Hình 3 11 : Nguyên lí CPU Node 53

Hình 3 12: Sơ đồ nguyên lí tổng thể mạch Node 54

Hình 3 13: Sơ đồ cấu trúc mạch Trung tâm 55

Hình 3 14: Nguyên lí khối nguồn Trung tâm 55

Hình 3 15: IC LM2576 56

Hình 3 16: sơ đồ cấu trúc IC LM2576 56

Hình 3 17: Modul lora E31 57

Hình 3 18: Nguyên lí kết nối Modul Lora E31 57

Hình 3 19: Nguyên lí khối giao tiếp máy tính 57

Hình 3 20: Thông số hoạt động IC CH340G 58

Hình 3 21: Sơ đồ chân CH340G 59

Hình 3 22: Nút nhấn bốn chân 61

Hình 3 23: Sơ đồ nguyên lí nút nhấn 62

Hình 3 24: Sơ đồ nguyên lí LCD 16x2 62

Hình 3 25:Nguyên lí CPU Trung tâm 64

Hình 3 26: Nguyên lí tổng thể mạch trung tâm 65

Hình 3 27: Mạch in 3D Node trên phần mềm altium 66

Hình 3 28: Mạch in 3D Trung tâm trên phần mềm altium 66

Hình 4 1:Phần mềm Psoc Creater 67

Hình 4 2: Lưu đồ thuật toán Node 68

Hình 4 3: Khối logic lập trình mạch Node trên phân mềm Psoc Creator 69

Hình 4 4: Sơ đồ khối hoạt động của các chế độ MCU Cy8C4245 –AXI M483 74

Hình 4 5: Cảm biến lưu lượng 76

Hình 4 6:Nguyên lí hoạt động cảm biến Hall 76

Hình 4 7: Nguyên lí cấu tạo tổng thể cảm biến lưu lượng 77

Hình 4 8: Cấu hình ngắt GPIO trên phần mềm 78

Hình 4 9: Nguyên lí kết nối I2C 78

Hình 4 10:Nguyên lí giao tiếp I2C 79

Hình 4 11:Cơ chế giao tiếp Master-Slaver 79

Hình 4 12: Nguyên lí xung giap tiếp khởi động I2C 80

Hình 4 13: Nguyên lí xung dư liệu giao tiếp I2C 81

Hình 4 14: Cấu hình I2C trong phần mềm lập trình 81

Hình 4 15:Giản đồ xung gưi 1 byte giao tiếp I2C 24C04 82

Hình 4 16: Giản đôf xung ghi 1 trang trong giao tiếp I2C IC 24C04 82

Hình 4 17:Giản đồ xung đọc 1 byte trong giao tiêos I2C IC 24C04 82

Hình 4 18: Giảm đồ xung đọc nhiều byte dư liệu 83

Hình 4 19: Lưu đồ thuật toán đọc,ghi 1 byte I2C 83

Hình 4 20: Giản đồ xung UART 84

Hình 4 21:Cấu hình MCU giao tiếp Uart Modul Lora 86

Hình 4 22: Lưu đồ thuật toán gưi dư liệu uart 87

Hình 4 23: Lưu đồ thuật toán nhẫn dư liệ UART 87

Hình 4 24: Năng lượng tiêu thụ nguồn clock CPU 90

Hình 4 25: Năng lượng tiêu thụ khối I2C 90

Hình 4 26: Tổng năng lượng tiêu thụ MCU 91

Hình 4 27: Lưu đồ thuật toán chương trình MCU mạch trung tâm 92

Hình 4 28: Sơ đồ khối logic cấu hình MCU trên Psoc Creator 93

Hình 4 29: Lưu đồ thuật toán đọc dư liệu Node trên Trung tâm 95

Hình 4 30: Lưu đồ thuật toán gưi dư liệu từ Trung tâm lên PC 96

Hình 5 1: Phần mềm Visual Studio 2013 97

Hình 5 2:Giao diện lập thiết kế giao diện ứng dụng 98

Hình 5 3: Giao diện lập trình phần mềm 98

Hình 5 4: Màn hình giám sát trực tuyến 99

Hình 5 5: Màn Hình lưu trư số liệu 100

Hình 5 6: Màn hình quản lí thiết bị 100

Hình 5 7:Màn hình xuất báo cáo 101

Hình 5 8: Lưu đồ thuật toán nhận dư liệu ,cập nhật giao diện 101

Hình 5 9: Cấu hình comport trên phần mềm visual studio 102

Hình 5 10: Lưu đồ thuật toán kết nối seriport nhận dư liệu MCU 103

Hình 5 12: giao diện phần mềm SQL Server tạo cơ sở dư liệu 105

Hình 5 13:Số liệu lưu trư thông tin 106

Hình 5 14: Thống kê exel chỉ số công tơ nước 107

Hinh 6 1:Mô hình Node thu thập dư liệu lưu lượng nước 108

Hinh 6 2: Mô hình modul trung tâm 109

Hinh 6 3: Mô hình mô phỏng máy bơm nước 110

Hinh 6 4: Tổng thể mô hình xây dựng 111

Hinh 6 4: Chỉ số nước hiển thị trên 3 mạch Node khi chạy mô phỏng 112

Hinh 6 5: Kết quả hiển thị trên màn hình mạch trung tâm giám sát 112

Hinh 6 6: Màn hình theo dói trên máy tính khi kết nối với mạch trung tâm 113

Hinh 6 7:Dòng tiêu thụ của mạch Node khi ngủ 113

Hinh 6 8:Dòng tiêu thụ MCU khi thức đếm xung cảm biến lưu lượng trả về 114

MỞ ĐẦU

Công nghiệp hóa - hiện đại hóa trong sản xuất, quản lý ngày càng được mở rộng ở hầuhết các ngành nghề, nhằm hướng đến một nền kinh tế phát triển ổn định, tiết kiệm và hiệu quả.Áp dụng nhưng thành tựu khoa học kỹ thuật vào sản xuất sẽ góp phần giải phóng con người khỏi lao động chân tay nhàm chán và độc hại.Do đó, việc ghép nối các thiết bị hoạt động đơn lẻ thành một hệ thống thống nhất, hoạt động linh hoạt đang là xu hướng phát triển trên toàn thế giới.Hệ thống giám sát từ xa là công cụ không thể thiếu trong một hệ thống

Hiện nay việc cung cấp nước cho tòa nhà là rất quan trọng, nhất là đối với hộ gia đình sinh sống.Với mức tiêu thụ khổng lồ, việc quản lí đồng hồ công nước trong tòa nhà mỗi hộ gia đình hiện nay vẫn rất thô sơ, chủ yếu do con người thực hiện thủ động chưa

có tính tự động hóa, quản lí giám sát báo lỗi.Chính vì điều đó trong đề này em xây dựng thiết kế hệ giám sát chỉ số công tơ nước tòa nhà sư dụng mạng Lora giúp công việc quản lí dễ dàng hơn

Nội dung đồ án gồm 6 chương:

- Chương 1: Khảo sát công nghệ và xây dựng giải pháp

- Chương 2: Thiết kế hệ thống

- Chương 3: Thiết kế phần cứng

- Chương 4: Chương trình vi điều khiển

- Chương 5: Chương trình máy tính

- Chương 6: Mô hình thực nghiệm

Em xin đặc biệt chân thành cảm ơn PGS-TS.Nguyễn Văn Nghĩa, các thầy cô giáo trong bộ Kỹ Thuật Điện trường đại học Giao thông vận tải, và các anh tại cơ sở thực tập công ty TNHH Trang Thiết Bị Điện Điện tư Công nghiệp đã tạo điều kiện giúp đỡ

em trong thời gian qua giúp em hoàn thiện đồ án của mình

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2018

CHƯƠNG 1 KHẢO SÁT CÔNG NGHỆ VÀ XÂY DỰNG GIẢI PHÁP THIẾT KẾ

1.1 TỔNG QUAN

1.1.1 Tổng quan sử dụng thiết bị đo ghi chỉ số công tơ nước

Hiện nay các thiết bị đo ghi chỉ số công tơ nước có rất nhiều dạng khác nhau, được phân loại thành nhièu chủng loại theo cơ khí, điện tư, theo phương thức thu thập gưi sốliệu

Nhưng chung quy cũng quy về 2 loại chính là đồng hồ đo nước dạng cơ học và dạng điện tư

- Phương pháp thu thập dư liệu công tơ nước: hiện nay có rất nhiều cách quản lí

chỉ số công nước từ thủ công cho đến tự đông hóa

- Theo phương pháp thủ công: mỗi đồng hồ nước được lắp đặt tại mỗi hộ gia

đình, quản lí chỉ số đồng hồ được thực hiện bởi con người,hàng tháng sẽ có người của công ty quản lí nước đến từng hộ gia đình ghi lại chỉ số và thống kê số liệu.Phương pháp này rất tốn công sức và mất thời gian, thời gian phát hiện

sự cố xảy ra đối với đồng hồ nước rất chậm phải đến cuối tháng hoặc có người dân báo lên.Không chủ động xư lí thiết bị khi gặp sự cố

SVTH:Tr n Văn Khoa- Trang b đi n K55 â ị ệ 10

điền tử

Hình 1.3: Người công nhân đến

Phương pháp tự động : sư dụng đồng hồ điện tư, kết hợp với các phương thức truyền

số liệu về trung tâm giám sát thông qua đường truyền không dây: internet,sóng Radio hoặc có dây như đường truyền RS485

- Tuy nhiên đối với thiết bị đo ghi chỉ số công nước trong tòa nhà, phương pháp

thủ công giờ nên cần loại bỏ, phương pháp tự

động hóa lại thiếu 1 phương thức quản lí dư

liệu tập trung có thể theo dõi được tất cả thiết

bị liên tục thời gian, hoạt động trong mọi

điều kiện khi không có nguồn cấp từ lưới

điện quốc gia,thời gian sư dụng thiết bị lâu

dài, lắp đặt kết nối đơn giản dễ quản lí

- Chính vì điều đó trong đề tài này em thực

hiện xây dựng hệ thống thu thập chỉ số công

tơ nước trong tòa nhà có thể theo dõi được tất cả các đồng hồ lắp đặt mỗi căn

hộ, tự động hoàn toàn trong việc thu thấp số liệu.Theo thời gian thực, mỗi thiết bị lắp đặt sẽ tự động gưi số liệu về trung tâm giám sát.Trên trung tâm giám sát tất cả thiết bị thông qua màn hình máy tính.Thiết bị hoạt động lâu dài,không

cần cấp nguồn lưới điện quốc gia, thời gian sư dụng dài không cần thay pin lên tới vài năm

Hình 1.5 hình ảnh đồng hồ nước điện tử, truỳen số liệu thông qua đường truyển RS 485

1.1.2.1 Thiết bị đo chỉ số công tơ nước kiểu học

- Cấu tạo

1: đường ống nước vào 2: cánh quạt tuabin đo nước

1: ống nước dãn vào 2:Tuabine3: bánh răng chuyển đổi 4: mặt đồng hồ hiển thị

5: Kính che mặt hiển thị 6: đường ống nước ra

Đồng hồ đo nước cơ học được chia làm 2 phần:

-+ Phần thân của đồng hồ nước thông thường được cấu tạo liền rỗng trong và ở giưa thông lên trên để gắn bộ đếm ngay giưa.Chất liệu làm thân có nhiều loại như nhựa, gang, đồng và có cả inox và tùy vào mục đích sư dụng của nó mà sẽ được làm

3 4

5

6

Hình 1.6: Đồng hồ đo nước kiểu cơ học

Hình 1.7 Cấu tạo bên trong đồ hồ đo

nước cơ học

bằng chất liệu khác nhau hoặc kết hợp với nhau để đảm bảo đồng hồ nước động tốt nhất.Hai đầu của thân đồng hồ sẽ được tiện ren với các size nhỏ và đúc bích với các size lớn để có thể kết nối với đường ống cần sư dụng thống kê.

+Phần bộ đếm của đồng hồ nước cũng là phần quan trọng nhất làm nên một chiếc đồng hồ nước, nó bao gồm một cánh quạt sẽ đạt trong thân kết nói với bộ đếm ở trên bằng một trục liền hoặc trục từ chuyển động.Cánh quạt được làm bằng nhựa chịu nhiệt và áp lực cao để làm việc tốt và bền hơn trong môi trường áp lực.Phần lớn cánh quạt được bảo vệ bởi một bao chắn rác nhằm ngăn cho các dị vật lọt vào gây kẹt cánh quạt sẽ ngừng hoạt động của đồng hồ nước.Bộ đếm số là tổng hợp hệ thống bánh răng liên tục gồm nhiều bánh răng có trục kết nối với nhau và được liên kết tới mặt hiển thị số bên trên.Các bánh răng được sắp xếp theo logic chuyển đổi từ hoạt động quay của cánh quạt sang lưu lượng số khối của dãy hiển thị trên mặt đồng hồ nước

- Nguyên lí hoạt đông:

Nguyên lý hoạt động của đồng hồ nước là một chuỗi các hoạt động của cấu tạo đồng hồ nước bên trên diễn ra.Khi nước đi qua đồng hồ sẽ tạo chuyển động quay của cánh quạt từ chuyển động quay này sẽ được chuyển động lên hệ thống bánh răng truyền động bằng một trục kết nối hoặc trục chuyển động từ đảo chiều từ đây làm cho

hệ thống bánh răng truyền động hoạt động và cứ liên tục quay sẽ làm nhảy bánh răng ởdãy số hiển thị làm cho các con số bắt đầu nhảy báo hiệu khối lượng nước đã đi qua đồng hồ

Công thức tính toán lưu lượng đường ống

Q=V x ATrong đó Q: Lưu lượng nước qua đường ống(lit/phút hoặc km/h)

V: Vận tốc trung bình của dòng chảy

A: diện tích mặt cắt ngang đường ống

1.1.2.2 Thiết bị đo chỉ số công nước kiểu điển tử

Đồng hồ đo nước điện tư hoạt động dựa trên luật cảm ứng điện tư Faraday.Theo

nguyên tắc này, khi một môi trường dẫn điện đi qua từ trường B, điện áp E được tạo ra

tỷ lệ thuận với vận tốc v của môi trường, mật độ của từ trường và độ dài của dây dẫn

Hình 1.8 Đồng hồ đo nước

điện tử

Nguyên lí hoạt động

-Trong một đồng hồ đo lưu lượng điện tư, dòng điện được áp dụng cho các cuộn dây được đặt bên trong hoặc bên ngoài thân máy đo để tạo ra từ trường.Chất lỏng chảy quađường ống hoạt động như dây dẫn và điều này tạo ra điện áp tỷ lệ thuận với tốc độ dòng chảy trung bình.Điện áp này được phát hiện bằng cách cảm biến các điện cực được gắn trong thân máy đo Magflow và được gưi đến máy phát tính toán lưu lượng thể tích dựa trên kích thước ống

-Về mặt toán học, theo công thức Faraday ta có:

E tỷ lệ với V x B x L (ep1)Với:

E: là điện áp sinh ra trong ruột dẫn, V: là vận tốc của ruột dẫn,

B: là cường độ từ trường và

L: là chiều dài của dây dẫn

Điều quan trọng là lưu lượng chất lỏng được đo bằng đồng hồ đo lưu lượng từ phải được dẫn điện.Định luật Faraday chỉ ra rằng điện áp tín hiệu (E) phụ thuộc vào vận tốcchất lỏng trung bình (V), chiều dài của dây dẫn (D) và cường độ từ trường (B).Do đó từ trường sẽ được thiết lập ở mặt cắt ngang của ống

Công thức đo lưu lượng điện từ:

Hình 1.9 Nguyên lí hoạt động đo nước điện tử

Đồng hồ đo lưu lượng điện từ sư dụng định luật cảm ứng điện từ của Faraday để thực hiện đo lưu lượng.Định luật Faraday nói rằng, bất cứ khi nào một dây dẫn có độ dài 'l' dịch chuyển với vận tốc 'v' vuông góc với từ trường 'B', một emf 'e' được tạo ra theo hướng vuông góc với nhau.

E=B trong đó

B = Mật độ thông lượng từ (Wb / m2)

l = chiều dài ruột dẫn (m)

v = Vận tốc của ruột dẫn (m / s)Tốc độ dòng chảy Q được cho bởi

Q = (πd2 / 4) v… (eq2)trong đó

d = đường kính của đường ống

v = vận tốc trung bình của dòng chảy (vận tốc dây dẫn trong trường hợp này)Từ phương trình (eq1)

v = e / Bl

Q = πd2e / 4Bl

Q = Ke

trong đó K là hằng số mét

Do đó, lưu lượng thể tích tỷ lệ thuận với emf gây ra.Trong các ứng dụng thực tế, chúng

ta phải nhập giá trị hằng số 'K' trong lưu lượng kế từ tính có sẵn trong danh mục / hướng dẫn của nhà cung cấp

1.1.3 Các Phương pháp đo lường lưu lượng

Có rất nhiều phương pháp đo lường khác nhau nhưng về cơ bản được chia thành 2 loạichính

+ Đo lưu lượng thể tích (Volumetric Flow-rate)

- Đo lưu lượng theo nguyên lí chênh áp

- Đo lưu lượng theo nguyên lí turbine

- Đo lưu lượng theo nguyên lí điện từ

- Đo lưu lượng theo nguyên lí Vortex

- Đo lưu lượng theo nguyên lí chiếm chỗ

- Đo lưu lượng theo nguyên lí siêu âm

+ Đo lưu lượng khối lượng(Mass Flow-rate)

- Đo lưu lượng theo nguyên lí gia nhiệt

- Đo lưu lượng theo nguyên lí Coriolis

1.1.2.1 Đo lường theo nguyên lí chênh áp

Đây là nguyên lí đo được sư dụng rộng rãi nhất trong ngành công nghiệp,nguyên lí đo này dựa trên phương trình thể tích

Q=K

Với Q: lưu lượng thể tích K: hệ số

: Chênh áp -Theo đó, phương pháp này sẽ sư dụng các thiết bị tạo chênh áp bằng cách thay đổi tiếtdiện ngang của ống (theo hướng nhỏ lại)

-Để có thể tính toán ra lưu lượng chất từ chênh áp người ta sư dụng 1 transmitter chênh áp.Transmitter này có 2 đâù vào áp suất tương ứng với áp suất cao nhất tại điểmkhi tiết diện cắt ngang của ống chưa thay đổi và áp suất thấp nhất tại điểm dòng chảy

có tiết diện ngang nhỏ nhất

1.1.2.2 Đo lường theo nguyên lí Vortex

-Nguyên lí đo này cũng được sư dụng đối với chất lỏng, hơi hoặc khí.Nguyên lí

đo này được mô tả như sau: Người ta sư dụng một thiết bị dạng hình côn đặt vuông góc và chắn giưa dòng chảy.Khi lưu chất gặp thiết bị này nó sẽ hình thành các điểm xoáy Vortex ở phía hạ nguồn, lưu lượng càng lớn thì các điểm xoáy này càng nhiều

-Mỗi dòng xoáy sẽ tạo ra áp lực nhỏ.Sự dao động của áp lực này sẽ được ghi lạibởi các cảm biến và chuyển đổi thành tín hiệu xung điện.Nhưng dòng xoáy được tạo ra

Hình 1.10 Cấu tạo thiết bị đo lưu lượng theo nguyên li

chênh áp

Hình 1.11: Nguyên li đo lường theo

nguyên li Vortex

rất đều nhau trong giới hạn cho phép của thiết bị đo.Vì vậy tần số của dòng xoáy tỉ lệ với lưu lượng thể tích.Hằng số tỉ lệ được tính theo công thức sau:

K-Factor=

Hệ số KFactor phụ thuộc vào:

- Hình dạng hình học của thiết bị đo

- Tốc độ dòng chảy, tính chất và mật độ (density) của dòng chảy.Do đó phụ thuộc vào loại chất cần đo lưu lượng là lỏng, hơi hay khí

Nguyên lý đo Vortex bị ảnh hưởng bởi sự rung động của đường ống, sự sủi bọt của lưuchất….Tuy nhiên, trong thực tế thiết bị đo theo nguyên lý này cho kết quả khá chính xác (sai số <0,5%)

Hình 1.12: Thiết bị đo áp suất theo nguyên li Vortex

Ưu điểm:

- Độ thích ứng rộng ( cho hệ số Reynolds trên 10000)

- Lưu lượng kế loại Vortex có độ tin cậy và độ chính xác cao

- Phạm vi kích thước rộng

- Tín hiệu ra tuyến tính

Nhược điểm:

- Không đo được đối với chất dạng vưa hoặc chất lỏng có độ nhớt cao

- Người sư dụng không thể kiểm tra sự hiệu chỉnh (calibration)

- Dùng cho dòng chảy rối

- Có thể phải sư dụng tấm lọc

- Thiết bị có thể bị hư hại bởi sụ dao động của dòng chảy

1.1.2.3 Đo lường lưu lượng theo nguyên lí điện từ

Hình 1.13: Nguyên li đo lường lưu lượng điện tử

- Theo định luật cảm ứng điện từ của Faraday, sẽ xuất hiện điện áp cảm ứng khi dây dẫn chuyển động trong trường điện từ

- Trong nguyên lý đo điện từ thì dòng chảy trung bình chính là sự chuyển động của dây dẫn

- Điện áp cảm ứng tỉ lệ với vận tốc của lưu lượng dòng chảy và được đưa đến bộ khuếchđại thông qua 2 điên cực đo.Lưu lượng thể tích được tính dựa vào các công thức dưới đây:

Q=A.vVới:

Ue: Điện áp cảm ứng (V)

B: hệ số cảm ứng từ (Vs/m2)

L: Khoảng cách giưa 2 điện cực(m)

v: Vậntốc của dòng lưu chất

Q: lưu lượng thể tích (m3/s)

A: tiết diện mặt cắt ngang của ống(m2)

+Ưu điểm:

- Độ chính xác cao (+/- 0.5% of full scale)

- Vì chỉ phụ thuộc vào vận tốc của dòng lưu chất vào, không phụ thuộc vào khối lượng riêng, độ nhớt hay áp suất tĩnh của lưu chất

- Có độ thích ứng (tỉ số dòng chảy tối đa chia cho dòng chảy tối thiểu mà một dụng cụ có thể thích ứng) là 10:1 hoặc cao hơn.

- Có thể đo được 2 chiều

- Độ chênh áp không đáng kể

- Khoảng kích thươc đường ống đo lớn, từ 0.1 inch trở lên

+Nhược điểm:

- Lưu chất phải có tính dẫn, với độ dẫn điện lớn hơn 2 µΩ/cm2

- Cần phải có sự bảo dưỡng để chống ăn mòn

- Khó hiệu chỉnh (calibration)

- Giá từ vừa phải đến cao

- Kích thươc lớn và nặng

1.1.2.4 Đo lưu lượng theo nguyên lí chiếm chỗ

- Nguyên lý đo này tỏ ra khá đơn giản: Người ta sư dụng một cái bầu (chamber), trong bầu có các cánh quay và các cánh quay này sẽ chỉ cho phép lưu chất đi qua bầu theo từng đợt.Đồng thời sẽ có một bộ phận đo số lần lưu chất đi qua bầu, từ đó sẽ tính ra được lưu lượng

- Một hình thức khác dễ hình dung hơn của thiết bị đo này là xilanh – píton.Cứ mỗi lầnpiston đi hết một hành trình xi-lanh ta sẽ được một lượng xác định lưu chất.Như vậy để xác định lưu lượng ta chỉ việc xác định số lần dịchchuyển của piston và lượng lưu chất của mỗi lần dịch chuyển

- Có nhiều loại kích cỡ

Nhược điểm:

- Phụ thuộc vào sự hao mòn cơ khí

- Khó khăn trong việc lắp đặt, sưa chưa và thay thế, thiết bị thay thế phải phù hợp với

các thiết bị hiện hưu

- Cần phải có thiết bị lọc

1.1.2.5 Đo lưu lượng theo nguyên lí Turbine

Nguyên lý đo này được mô tả như sau: Khi lưu chất đi qua thiết bị đo nó sẽ làm quay cánh turbine, Lưu lượng càng lớn thì tốc độ càng cao.Sẽ có một phần cảm ứng để cảm nhận tốc độ quay của cánh turbine và cho ra các xung điện tương ứng.Số lượng các xung trong một đơn vị thời gian sẽ xác định lưu lượng của lưu chất

Hình 1.14: Cấu tạo thiết bị đo lường lưu lượng Turbin

Ưu điểm:

- Độ chính xác cao, khoảng 0.25% hoặc có thể cao hơn cao hơn

- Độ thích ứng thay đổi tùy thuộc vào thiết kế của thiết bị đo, độ nhớt, mật độ của chất lỏng và kích cỡ

của thiết bị đo

- Có thể đo được với mức lưu lượng rất lớn hoặc ở mức nhỏ

- Thích ứng với khoảng thay đổi nhiệt độ và áp suất lớn

- Đo được cả 2 chiều

Nhược điểm:

- Dễ bị hao mòn và hư hỏng nếu dòng lưu chất bẩn và không được bôi trơn

- Dễ bị hư hỏng nếu bị vượt quá tốc độ cho phép hay dòng chảy bị dao động

- Cần phải bào trì và hiệu chỉnh của nhà sản xuất hoặc trung tâm bảo trì sau 1 thời gian

sư dụng

- Độ thích ứng bị ảnh hưởng bới độ nhớt cao và mật độ thấp

- Giá thành tương đối cao

- Cần có bộ lọc

- Nhà cung cấp phải được yêu cầu bảo trì và calib chính xác

1.1.2.6 Đo lưu lượng theo nguyên lí siêu âm

Đây là phương pháp sư dụng nguyên lý sóng siêu âm, có thể có 2 phương pháp đo:

- Đo độ chênh lệch tần số siêu âm, gọi là Doppler frequency shift

- Đô chênh lệch thời gian – Difference in transit times

Ưu điểm:

- Dễ tháo lắp (dùng công nghệ clamp-on)

- Có độ chính xác cao

Nhược điểm:

- Không chính xác khi chất rắn trong lưu chất lơn

- Đối với công nghệ clamp-on thì sai số sẽ lớn khi thành ống bị đóng cặn và đòi hỏi ngoài của ống phải đồng nhất

Hình 1.15: Nguyên li đo lường lưu

lượng siêu ấm

1.2 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

1.2.1 Giới thiệu đề tài

- Mục tiêu đề tài: xây dựng 1 hệ thống giám sát chỉ số công tơ nước mỗi căn hộ trong

tòa nhà trung cư.Nhiệm vụ chính là đo ghi dư liệu thể tích nước sư dụng mỗi hộ thông qua công tơ nước và gưi dư liẹu về trung tâm giám sát

- Hoạt động chính của hệ thống:

+Các thiết bị đặt tại mỗi căn hộ gọi là Node sẽ đọc dư liệu chỉ số công tơ nước của hộ gia đình, dư liệu được lưu lại vào bộ nhớ mạch Node, hiển thị thông tin trạng thái hiện tại như lưu lượng,tổng thể tích lên màn hình.đồng thời dư liệu này được gưi về trung tâm kiểm soát Trung tâm.Thiết Bị Node ghi chỉ số nước hoạt động sư dụng nguồn pin,không cần cấp điện từ lưới điện quốc gia ,

+Tại Trung tâm sẽ phân tách tất cả dư liệu từ các node gưi đến chính là chỉ số công tơ nước của từng căn hộ và gưi lên tính tính.Máy tính nhận dư liệu, hiện thị trạngthái hoạt động của từng Node tức là chỉ số công tơ nước của từng căn hộ, trạng thái kếtnối hoạt động và lưu trư dư liệu theo thời gian thực vào cơ sở dư liệu

1.2.2 Thông số bài toán

Hệ thống được thiết kế để giám sát chỉ số công tơ nước của mỗi căn hộ trong tòa nha

̀.Theo quy chuẩn quy định việt nam ta có

 Lưu lượng nước sinh hoạt mỗi hộ gia đình trong chung cư:

Để tăng độ an toàn cấp nước lấy thêm 35% lưu lượng nước cấp.

=1.08.1,35 = 1,45 (m/h)

Lựa chọn dải đo lưu lượng 0-3m3/h – Tổng lưu lượng 0-99999m3

+Nội dung đề tài là thiết kế giám sát chỉ số công tơ nước trong toàn nhà.Hiện nay ở việt nam độ cao trung bình tòa nhà đều nhỏ hơn 200m.Nên phạm vi giám sát của thiết bị nhở hơn hoặc bằng 200 met

+Chu kì giám sát: 1h gưi dư liệu về trung tâm

Bảng số liệu thông số đề tài

3 Thời gian gưi dư liệu 2 h 1 lần gưi dư liệu trung tâm

4 Thời gian hoạt động 3 năm liên tục không thay pin

5 Số lượng thiết bị giám sát < 200 thiết bị

1.2.3 Lựa chọn phương án thiết kế hệ thống

1.2.3.1 Nhu cầu năng lượng của hệ thống và phân bố các khâu

- Giải quyết bài toán tiêu thụ năng lượng đối với thiết bị thu thập chỉ số công tơ nước là yêu cầu quan trọng.Hệ thống thu thập gồm 2 thiết bị ,Node và Trung tâm Trung tâm

sư dụng lưới điện quốc gia nên không cần tính đến năng lượng tiêu thụ.Tuy nhiên thiếtbị Node để đảm bảo an toàn cho hộ gia đình sư dụng,thiết bị không được sư dụng nănglượng lưới điện quốc gia để cấp nguồn ,chỉ được sư dụng năng lượng pin cung

cấp.Hơn nưa thiết bị cần phải hoạt động trong thời gian dài 3 năm liên tục ,nên việc tính toán lựa chọn thiết bị tiêu thụ năng lượng cần tối ưu triệt để giúp thiết bị hoạt động lâu dài

- Tính toán sơ bộ năng lượng tiêu thụ

Theo yêu cầu của bài toàn đề ra ,thiết bị Node bắt buộc phải sư dụng Pin để cấpnguồn

Bảng thống kê các loại pin trên thị trường hiện nay

1 Pin Li-ion 3.7 vol Pin sư dụng phổ biến ,dung lượng lưu trư cao ,hao mòn

theo thời gian kể cả không sư dụng,giá thành cao

2 Pin Li-po Pin thế hệ mới,dung lượng cao ,trọng lượng nhẹ,giá

thành cao,sư dụng trên thiết bị điện tư cao cấp

3 PLC/CNC lithium Pin dung lượng cao,chuyên dùng cho pin nuôi nguồn

cho các loại thiết bị công nghiệp

4 Pin Ni-Cd Pin nội trở nhỏ ,thường dùng cho máy ảnh ,đèn flash ,số

lần sạc cao tuy nhiên lại rất độc khi sư dụng

mặt trời

Chuyển ánh sáng mặt trời thành điện năng

- Lựa chọn Pin: Pin sư dụng cho thiết bị giám sát chỉ số phải đảm bảo các yêu cầu sau+ An toàn với người sư dụng

+ Dung lượng cao,thời gian lưu trư lâu dài

+ Điện áp phù hợp với vi điều khiển

+ Không cần nạp xả ,chỉ sư dụng 1 lần duy nhất

+ Kích thước gọn nhẹ

+ giá thành thấp

=> Xét theo nhưng tiêu chí trên ,lựa chọn dòng pin PLC/CNC lithium

Thông số kĩ thuật:

 Điện áp : 3.6 vol

 Dung lượng 5500mAH

 Chất liệu: Lithium

 Kích thước 33 x 50

- Tính toán sơ bộ năng lượng tiêu thụ của mạch Node đo ghi nước:

+ Dung lượng pin dụng cung cấp cho mạch Node: pin li-ion 3.6Vol -5500mAH+ Thời gian sư dụng thiết bị: 3 năm

+ Dòng tiêu thụ trung bình

- Phân Bố năng lượng các khâu trong mạch Node

Năng lượng cung cấp cho thiết bị Node gồm 4 phần

+ Năng lượng cung cấp cho cảm biến lưu lượng : 20uAH

+ Năng lượng cung cấp chi vi điều khiển MCU : 80uAH

+ Năng lượng cung cấp cho modul truyền thông không dây:60uAH

+ Năng lượng cung cấp cho chip Nhớ dư liệu::40uAH

Hình 1 16 :Pin Saft Lsh14 Lithium

3.6v Size C - 5500mah Nuôi Nguồn

Plc/Cnc

1.2.3.2 Lựa chọn thiết bị tối ưu năng lượng

1.2.3.2.1 Lựa chọn cảm biến lưu lượng

- Lựa chọn cảm biến: cảm biến lưu lượng nước phải đáp ứng 2 tiêu chí

+ Tiêu thụ năng lượng cực thấp : nhỏ hơn 20uAH

+ chịu được áp suất cao,theo tính toan mục 1.2.2 lưu lượng nước qua đồng hồ là

3m3/h tức là 50 lít trên phút

Từ nhưng yêu cầu trên lựa chọn cảm biến:

Tính năng kĩ thuật của cảm biến

Thông số kĩ thuật

- Điện áp hoạt động 3v -4.5v

- Dòng tiêu thụ trung bình: 4uA

- Nguyên lí làm việc: turbine -hall

- Độ chính xác: 0.5%

- Áp suất làm việc 10 bar

- Đơn vị xung: 361 xung/lit

- Ngõ ra: open Drain NPN

- Nhiệt độ hoạt đọng: -20 oC đến 80oC

- Dải đo 0-60 lit/phút

- Tiêu chuẩn chống nước: IP67

- Vật liệu: lõi quay: Polyamide và ferrite, Thân: SUS304, Trục quay: SUS316

Ưu điểm là dễ dàng giao tiếp với vi điều khiển, độ chính xác cao

1.2.3.2.2 Lựa chọn CPU điều khiển

MCU sư dụng trong thiết kế cần đáp ứng tiêu chí tiết kiệm năng lượng,dễ sư

dụng với người lập trình Đáp ứng yêu cầu này ,trong đề tài sư dụng dòng chip Psoc 4

do hãng Cypress.Đây là dòng chíp thông dụng,ứng dụng ở trong cả mỗi trường dân

dụng và công nghiêp,đặc biệt tính năng tiết kiệm năng lượng

Bảng thống kê mức độ tiêu thụ năng lượng của dòng chíp Psoc4

Đường ống nước Giắc tín hiệu

Hình 1.17 Flow Meters Titan 800 Series Turbine Flow

Measurement Low Power

Hình 1 18:Thông số cảm biến lưu

lượng

Power Mode Current Range (typical)

( V DD = 3.3 V to 5.0 V )

Wakeup Time PSoC

4100/4200

PSoC 4100M/4200M

PSoC 4200L PSoC 4100PS

Applicable

Applicable

Lựa chọn MCU dòng 4200 với Ingu=15uA <80uA đáp ứng yêu cầu bài toán

1.2.3.2.3 Lựa chọn modul truyền thông

- Số liệu chỉ số công tơ nước đo ở mạch Node thu thập cần gưi về trung tâm giám sát được gưi thông qua đường truyền không dây.Hiện nay có rất nhiều công nghệmạng tryền dẫn không dây khác nhau như : internet ,Zigbbe,RF,Radio

Bảng thống kê các công nghệ mạng truyền số liệu không dây hiện nay

STT Công nghệ

mạng

Công suất truyền

Khoảng cách

rất thấp <40uAH Tuy nhiên khoảng cách đủ xa để truyền toàn tòa nhà.Đo đómạng Lora là sự lựa chọn hợp lí cho phương án truyền thông

Thông tin

LoRa là viết tắt của Long Range Radio được nghiên cứu và phát triển bởi Cycleo và sau này được mua lại bởi công ty Semtech năm 2012.Với công nghệ này, chúng ta có thể truyền dư liệu với khoảng cách lên hàng km mà không cần các mạch khuếch đại công suất; từ đó giúp tiết kiệm năng lượng tiêu thụ khi truyền/nhận dư liệu

Nguyên lí hoạt động mạng Lora

LoRa sư dụng kỹ thuật điều chế gọi là Chirp Spread Spectrum.là dư liệu sẽ được băm bằng các xung cao tần để tạo ra tín hiệu có dãy tần số cao hơn tần số của dư liệu gốc (cái này gọi là chipped); sau đó tín hiệu cao tần này tiếp tục được mã hoá theo các chuỗi chirp signal (là các tín hiệu hình sin có tần số thay đổi theo thời gian; có 2 loại chirp signal là up-chirp có tần số tăng theo thời gian và down-chirp có tần số giảm theo thời gian; và việc mã hoá theo nguyên tắc bit 1 sẽ sư dụng up-chirp, và bit 0 sẽ sư dụng down-chirp) trước khi truyền ra anten để gưi đi

Băng tần làm việc của LoRa từ 430MHz đến 915MHz cho từng khu vực khác nhau trên thế giới:

 430MHz cho châu Á

 780MHz cho Trung Quốc

 433MHz hoặc 866MHz cho châu Âu

915MHz cho USA

Hình 1.19 : Mạng Lora

- Ưu điểm: truyền dư liệu đi xa với năng lượng tiêu thụ cực thấp, dễ dàng cấu hình thành network.

1.2.3.2.4 Lựa chọn chip nhớ

- Chip nhớ được sư dụng để lưu trư hằng ngày chỉ số công tơ nước thiết bị tránh mất số liệu khi mất nguồn cấp cho thiết bị.Yêu cầu đối với chip nhớ là công suất tiêu thụ

<40uah

Sư dụng chip nhớ dòng 24Cxxx của atmel có

các thông số kĩ thuật sau

1 Điện áp hoạt động 2.5-5 vol

7 Nhiệt độ hoạt đông -20 – 80oC

Hình 1 20: EEPROM lưu trư

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG

2.1 Xây dựng tính năng thiết bị thu thập chỉ số công tơ nước

2.1.1 Sơ đồ tính năng

Từ yêu cầu bài toán ta có sơ đồ tính năng cho thiết bị thu thập chỉ số công tơ nước sư dụng mạng Lora

Hình 2.1: Sơ đồ tinh năng thiết bị thu thập chỉ số công tơ nước cho căn hộ trong tòa nha

Hiển thị

Đánh địa chỉ gói tín, tạo gói dư

liệu

Truyền thông

Tách Gói dư liệu xác nhận từ

Trung tâm

Truyền thông

Hiển Thị Lưu lượng Từng Node

Giao tiếp máy tính

Tách Gói

Dư liệu theo Node

Xư lí, Tính toán

Gưi Gói Tin Nhận dư liệu thành công theo Node

Hiển thị

Đánh địa chỉ gói tín, tạo gói dư

liệu

Truyền thông

Tách Gói dư liệu xác nhận từ

Trung tâm

Trung tâm

Hình 2 2: Sơ đồ tinh năng thiết bị thu thập chỉ số công tơ

+ phần 1: modul Node thu thâp dư liệu tổng thể tích nước ,tính toán xư lí lưu trư và gưi vềtrung tâm giám sát

+ phần 2: modul trung tâm thu thập toàn bộ số liệu từ các modul node gưi đến qua mạng Lora,phân tích tách gói dư liệu

+ phần 3: màn hình giám sát, kết nối dư với modul trung tâm qua cổng usb, hiển thị trạng thái làm việc lưu lượng nước tại các node giám sát trên màn hình

2.1.2 Phân tích tính năng

2.1.2.1 Tính năng modul Node

Gồm có các tính năng chính :

 Thu thập dư liệu lưu lương nước

 Lưu trư số liệu tổng thể tích

 Gưi dư liệu về trung tâm giám sát

 Tiết kiệm năng lượng hoạt động

2.1.2.1.1 Thu thập dữ liệu lưu lượng nước

- Nhiệm vụ của mạch Node là giao tiếp cảm bién lưu lượng ,chuyển đổi tín hiệu cảm biến lưu lượng trả về quy đổi thành thể tích

- Cảm biến lưu lượng cấu tạo hoạt đọng theo nguyên tắc turbine-hall ,tín hiệu trả về dưới dạng xung Đọc tổng số xung trả về ta tính được tổng thể tích nước đã đi qua đường ống

2.1.2.1.2 Lưu trữ số liệu tổng thể tích

- Dư liệu chỉ số nước sau khi tính toán ,được lưu lại trên SRAM của MCU ,tuy nhiên dư liệu này sẽ bị mất đi khi MCU dừng hoạt đông.Do đó để đảm bảo an toàn dư liệu ,cần thiết phải lưu trư số liệu lại mà không bị mất khi MCU mất điện.Giải pháp được đưa ra là lưu trư dư liệu vào EEPROM.Có 2 loại ROM là sư dụng ROM của MCU và sư dụng ROM ngoài Tuy nhiên tuổi thọ của ROM MCU thấp hơn nhiều so với tuổi thọ của EEPROM ngoài nên lựa chọn theo giải pháp thứ 2 Theo chu kì thời gian hoạt động,sau 2tiếng thì tự động dư liệu được lưu lại vào EEPROM

2.2.2.1.3 Gửi số liệu về trung tâm giám sát

- Yêu cầu được đặt ra là dư liệu ở mạch Node cần thu thập và gưi về trung tâm giám sát Phương thức truyền dư liệu được dùng ở đây là sư dụng được truyền RF không dây kết nối 2 thiết bị lại với nhau

Sơ đồ tính năng hoạt động của Node gưi dư liệu về trung tâm giám sát

2.1.2.1.4 Tiết kiệm năng lượng hoạt động

- Như đã trình bày ở chương 1, modul Node cần hoạt động trong thời gian dài, sư dụng năng lượng pin không sư dung năng lượng cung cấp từ lưới điện quốc gia

- Dòng tiêu thụ trung bình để thiết bị hoạt động 3 năm 202 uAH

- Để có thể tiết kiệm năng lượng như vậy,bắt buộc MCU phải hoạt động trong chế độ nưa ngủ ,nưa hoạt động

Ngủ

Gưi dư liệu từ

về trung tâm

Lắng nghe phản hồi trung tâm

Tổng hợp số

liệu

Đóng gói dư liệu

Đánh địa chỉ

,checksum

-Khi mới khởi động ,MCU sẽ gưi dư liệu đang lưu trư thông tin lưu lượng nước từ mạch Node gưi về trung tâm trung tâm.Nêu quá trình gưi dư liệu thành công ,CPU sẽ lưu dư liệu vào Rom và đi vào giấc ngủ Sau 1 khoảng thời gian nhất định ,2 H CPU sẽ tự động thức dậy và thực hiện lại quy trình trên

- Việc đọc xung cảm biến lưu lượng diễn ra tương tự như quá trình gưi dư liệu ,nhưng nhanh hơn.Khi phát hiện có xung trả về MCU ngay lập từ CPU thức dậy lưu dư liệu vào bộ nhớ tạm thời SRAM sau đó lại đi vào giấc ngủ đợi có xung đánh thức tiếp theo

- Cách hoạt động như thế này giúp giảm năng lượng tiêu hao xuống mức tối thiểu ,nhưng vẫn đảm bảo đúng tính năng hoạt động của thiết bị

2.1.2.2 Tính năng modul trung tâm

 Xây dựng đường truyền vật lý nhận dư liệu các Node gưi đến

 Hiển thị tổng thế tích nước các node lên màn hình

 Lưu trư dư liệu

 Giao tiếp máy tính

2.1.2.2.1 Xây dựng đường truyền vật lý nhận dữ liệu các Node gửi đến

…………

Dư liệu Node 1

Dư liệu Node 2

Dư liệu Node n

Hủy đường truyền –lắng nghe nút khác

Giải ma dư li u ê

Xây dựng đường truyền với 1 nút Trung tâm

Hình 2 5: sơ đồ tinh năng xử li dư liệu trung tâm

-Mạch node thu thập dư liệu lưu lượng nước, mức nước bình chứa tại các vị trí khác nhau.dư liệu thu thập được mã hóa và gưi qua mạng Lora.

-Mạch trung tâm nhận dư liệu qua mạng Lora từ mạch node gưi đến.Mỗi node được cài đặt ID riêng biệt, mạch trung tâm được cài đặt địa chỉ để lắng nghe được tất cả các nút trong cùng channal gưi đến

- Dư liệu gưi từ mạch Node được mã hóa, mỗi Node có 1 ID riêng, Trung tâm nhận được bản tin sẽ giải mã phân tách dư liệu theo ID đi theo bản tin, lưu lại

-Mỗi lần mạch Node gưi dư liệu đến mạch trung tâm.nếu chưa có kết nối đến trung tâm thì trung tâm sẽ xây dựng đường truyền nhận dư nhận dư liệu riêng với mạch node đó.Tất cả các kết nối node khác đến sau sẽ bị ngắt kết nối cho đến khi trung tâm nhận xư lí xong

dư liệu từ node hiện tại gưi đến

-Ôn định, duy trì dữ liệu đường truyền mạng

- Dư liệu mỗi Node gưi về Trung tâm thông qua mạng Lora vô cùng quan trọng, không

cho phép mất dư liệu khi gưi về trung tâm.Tuy nhiên đường truyền sẽ có rất nhiều Node gưi về trung tâm, trong khi tại một thời điểm Trung tâm chỉ có thể cho phép 1 kết nối với Node

- Đáp ứng điều đó, Node và Trung tâm xây dưng 1 cơ chế hỏi đáp Client-Server.Nếu Node chưa được kết nối đến Trung tâm, nó sẽ gưi dư liệu liên tục cho đến khi Trung tâm nhận được dư liệu của Node gưi lên, gưi xác nhận lại Node bằng bản tin Broadcasting xácnhận dư liệu thành công.Lúc này Node nhận được xác nhận từ trung tâm sẽ nhả kết nối, không gưi dư liệu nưa, nhường đường truyền cho Node khác chưa kết nối với trung tâm.Cách kết nối này giúp tất cả các Node có thể kết nối với Trung tâm mà không lo mất

dư liệu chưa truyền lên trung tâm.Ổn định và bảo toàn dư liệu

2.1.2.2.2 Hiển thị tổng thế tích nước các Node lên màn hình

-Tính năng hiển thị là một tính năng

khá quan trọng, cho phép hiển thị chỉ

số công nước tại mỗi node lên màn

hình

Màn hình hiển thị phải hiển thị đầy

đủ thông số cần thiết, dễ dàng quan

sát, và dễ hiểu, giúp người sư dụng

có thể quan sát nhanh các thông số

Để đáp ứng nhưng tiêu chí trên, với mạch Node giám sát ta sẽ chọn hiển thị các thông số theo dõi lên màn hình LCD

2.1.2.2.3 Lưu trữ dữ liệu

- Trung tâm nhận rất nhiều dư liệu trừ các Node gưi đến khác nhau,tất cả các dư liệu này cần được lưu trư lại và gưi dần lên máy tính Đáp ứng điều này ,tất cả dư liệu các Node được lưu trư tạm thời trên bộ nhớ SRAM Theo định kì thời gian nhất định,MCU sẽnhận lấy tất cả dư liệu này từ bộ nhớ và gưi lên máy tính

- Đồng thời ,dư liệu lưu trư cũng được sư dụng để hiển thị thông tin chỉ số nước của từng Node trên màn hình LCD

2.1.2.2.4 Giao tiếp máy tính

-Chức năng kết nối máy tính cho phép gưi các giư liệu và thông số lên các giao diện được xây dựng trên máy tính.Giúp người sư dụng có thể điều theo dõi lưu lượng nước máy bơm, bồn chứa theo thời gian thực

- Dư liệu sau khi được gưi lên máy tính sẽ lưu trư theo thời gian thực vào cơ sở dư liệu

2.2 Phân chia hệ thống

Bài toán được thành 3 phần:

+ Node: thu thập dư liệu lưu lượng nước, gưi dư liệu về Gate

+ Gate: nhận dư liệu từ các node gưi về, phân tích dư liệu lưu lượng của từng node 1 hiển thị lên màn hình và gưi về máy tính

Hình 2 6: Màn hình LCD 16x2

+ máy tính: nhận dư liệu Gate thông qua USB, xư lí hiển thị trạng thái của từng Node lên màn hình

2.2.1 Node

Sơ đồ nguyên lí hoạt động của mạch Node

 Khối nguồn: Nguồn sư dụng pin 3.6 V DC

 Khối cảm biến lưu lượng: bao gồm cảm biến lưu lượng nước.tín hiệu trả về là dạng xung encoder

 Khối cách li: Tín hiệu từ cảm biến lưu lượng được đưa qua bộ cách li chuyển đổi tín hiệu cho phù hợp với vi điều khiển

 Khối CPU: Tính toán xư lí tín hiệu từ cảm biến đưa về, đưa dư liệu lên màn hình hiển thị,mã hóa dư liệu truyền đi, lưu trư dư liệu khi ngừng hoạt động

 Khối hiển thị LCD: hiển thị trạng thái lưu lượng nước, mức nước bổn chứa tại nơi theo dõi

 Khối lưu trư dư liệu: gồm 1 IC EEPROM lưu trư dư liệu khi mất điện đột ngột hay ngừng hoạt động

 Khối modul Lora: nhận dư liệu từ cpu mã hóa và truyền đi theo mạng Lora

 Khối Anten: bức xạ sóng điện từ ra ngoài môi trường để gưi dư liệu đi xa

Cảm

biến lưu

lượng

Lưu trư Dư liệu EEPROM

Khối chuyển đổi logic

Hình 2.7: Nguyên li hoạt động mạch Node