Xây dựng hệ thống đo đạc, thu thập và xử lý tín hiệu số các thông số môi trường từ xa qua mạng ethernet

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI BÁO CÁO TỔNG KẾT KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU CẤP ĐẠI HỌC QUỐC GIA Tên đề tài: Xây dựng hệ thống đo đạc, thu thập xử lí tín hiệu số thông số môi trường từ xa qua mạng Ethernet Mã số đề tài: QG.12.02 Chủ nhiệm đề tài: TS Đỗ Trung Kiên Hà Nội, tháng 09 năm 2014 MỤC LỤC PHẦN I THÔNG TIN CHUNG PHẦN II NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Đặt vấn đề Mục tiêu 3 Phương pháp nghiên cứu 4 Tổng kết kết nghiên cứu Đánh giá kết đạt kết luận 20 Tóm tắt kết 21 PHẦN III SẢN PHẨM, CÔNG BỐ VÀ KẾT QUẢ ĐÀO TẠO CỦA ĐỀ TÀI 23 PHẦN IV TỔNG HỢP KẾT QUẢ CÁC SẢN PHẨM KH&CN ĐÀO TẠO CỦA ĐỀ TÀI 25 PHẦN V TÌNH HÌNH SỬ DỤNG KINH PHÍ 26 PHẦN VI KIẾN NGHỊ 26 PHẦN VII PHỤ LỤC 28 PHẦN I THÔNG TIN CHUNG Tên đề tài/dự án: Xây dựng hệ thống đo đạc, thu thập xử lí tín hiệu số thông số môi trường từ xa qua mạng Ethernet QG.12.02 Mã số: Danh sách chủ nhiệm, thành viên tham gia thực đề tài/dự án Đơn vị công tác Chức danh thực đề tài/dự án TS Đỗ Trung Kiên Khoa Vật lý Chủ trì NCS Trần Vĩnh Thắng Khoa Vật lý Ủy viên NCS Lê Quang Thảo Khoa Vật lý Ủy viên TS Nguyễn Ngọc Đỉnh Khoa Vật lý Ủy viên CN Đàm Trung Thông Đã tốt nghiệp Ủy viên CN Nguyễn Thế Ninh Đã tốt nghiệp Ủy viên TT Chức danh, học vị, họ tên Tổ chức chủ trì: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội Thời gian thực hiện: 5.1 Theo hợp đồng: từ tháng 10 năm 2012 đến tháng 10 năm 2014 5.2 Gia hạn (nếu có): Khơng 5.3 Thực thực tế: từ tháng 10 năm 2012 đến tháng 10 năm 2014 Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu: Điều chỉnh sản phẩm: “Hệ đo từ xa thông số môi trường, ứng dụng cho trạm quan trắc môi trường, cảnh báo ô nhiễm môi trường” Thành : “Hệ đo từ xa thông số môi trường định hướng ứng dụng cho trạm quan trắc môi trường cảnh báo ô nhiễm môi trường” Nguyên nhân: Việc ứng dụng cho trạm quan trắc mơi trường đòi hỏi thời gian, kinh phí triển khai cho phép đơn vị chức liên quan nên phạm vi đề tài chưa thực Ý kiến Cơ quan quản lý: Đồng ý cho phép (Có Phiếu đề nghị thay đổi trình thực đề tài KHCN ĐHQGHN phê duyệt kèm theo) Tổng kinh phí phê duyệt đề tài, dự án: 180 triệu đồng PHẦN II TỔNG QUAN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Đặt vấn đề Việc đo lường thu thập thông số môi trường vấn đề nhà khoa học quan tâm, đặc biệt với biến đổi môi trường theo chiều hướng tiêu cực năm gần Thông tin thông số phân tích xử lý đưa khuyến cáo, cảnh báo chất lượng sống hay thảm họa tự nhiên Điều tưởng chừng đơn giản, nhìn nhận việc thu thập thơng tin thời gian dài, nhiều địa điểm khác nhau, vùng miền khơng tiện giao thơng, sinh hoạt, lại vấn đề khó khăn thời gian, chi phí cho nhà khoa học Trong kỹ thuật đo lường, hệ thống thu thập xử lý liệu tự động phổ biến Việc sử dụng hệ tiết kiệm nhiều chi phí thời gian [1-6] Số liệu thu thập thị theo thời gian thực hình thị LCD [7,8] Một số hệ khác phát triển hơn, lưu trữ liệu nhớ xuất nhớ Các hệ cho phép thu thập số liệu thời gian dài [9,10] Tuy nhiên, thơng số mơi trường phải ghi nhận địa điểm khác nhau, liên tục, thời gian thực nên đơn lưu nhớ khơng thể giải triệt để vấn đề Với phát triển không ngừng kỹ thuật truyền tin di động, mạng liệu bao phủ khắp tồn cầu, báo trình bày việc thực ý tưởng đưa số liệu thu thập từ thông số môi trường hệ trên, truyền dẫn không dây qua dịch vụ GPRS đưa vào lưu trữ mạng quản trị sở liệu mở MySQL Người dùng lấy số liệu từ đâu mà không thiết phải đến tận nơi đặt hệ thống Mục tiêu - Để khảo sát thông số môi trường, đề tài lựa chọn bốn thông số tiêu biểu mà có biến động, thơng số cảnh báo nguy hiểm họa xảy Đó là: nhiệt độ mơi trường, độ ẩm tương đối, tiếng ồn, nồng độ CO2 Bốn thông số đo cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, tiếng ồn CO2 - Xây dựng Web Server thuận tiện cho việc đo đạc thu thập thông tin từ xa, không cần phải có mặt trường, đồng thời lấy được, quản lý luồng thông tin nhiều trạm khác nhau, đặc biệt lấy liệu nơi khơng có mạng Ethernet có dây Mơ hình hệ thống mơ tả hình Khối thu thập xử lý tín hiệu sử dụng vi điều khiển Chỉ vi mạch vi điều khiển, tín hiệu đưa vào được thu thập, xử lý liệu, đưa tín hiệu phản hồi để điều khiển, cảnh báo Vì liệu thơng số mơi trường lấy vào liên tục, nên lượng liệu gần liên tục (real-time) nên sau xử lý thông tin xong, liệu lưu trữ để sử dụng cho mục đích khảo sát, theo dõi sau Đề tài thực phương án: lưu trữ máy tính thẻ nhớ để dễ dàng đưa vào máy tính cá nhân để xử lý liệu; lưu trữ máy chủ nội (local server) để máy tính hệ thống truy cập lấy liệu; đặc biệt, theo hướng chính, điểm đề tài việc truyền tín hiệu lên mạng di động không dây GPRS Dữ liệu lưu vào máy chủ dịch vụ internet Người sử dụng, cần có quyền truy cập truy cập vào máy chủ từ nơi có mà máy tính có internet để lấy liệu Đây ý nghĩa quan trọng đề tài: thu thập, xử lý liệu thông số môi trường từ xa Máy chủ mạng Ethernet Cảm biến nhiệt độ Mạng di động Cảm biến độ ẩm Cảm biến tiếng ồn Cảm biến CO2 Phát GPRS Vi điều khiển thu thập xử lý liệu Lưu trữ: máy chủ nội Lưu trữ: máy tính, thẻ nhớ Hình Sơ đồ khối hệ thống đo đạc, thu thập xử lí tín hiệu số thơng số môi trường từ xa qua mạng Ethernet Phương pháp nghiên cứu 3.1 Phương pháp tiếp cận Tìm hiểu vận hành số sản phẩm có thị trường, tìm hiểu tài liệu kĩ thuật tương ứng để từ xây dựng tiêu chí chuẩn cho hệ thống xây dựng, cho đáp ứng yêu cầu cần thiết tương ứng số đại lượng đo, dải đo, độ xác, điều kiện môi trường vận hành 3.2 Phương pháp nghiên cứu - Thiết kế tồn hệ thống; Phân tích hệ thống, chia nhỏ thành module - Nghiên cứu, thiết kế chế tạo kiểm tra hoạt động module - Ghép lại hoàn chỉnh hệ thống; Kiểm tra hoạt động vận hành hệ thống - Đo đạc, đánh giá kết thu nhận Tổng kết kết nghiên cứu 4.1 Các đối tượng đo lường thiết kế tương ứng ĐO NHIỆT ĐỘ Nhiệt độ môi trường đại lượng quan trọng, ảnh hưởng lớn tới sinh vật người, trang thiết bị vật tư Do đo nhiệt độ mơi trường công việc quan trọng để đánh giá thông số môi trường Yêu cầu đo nhiệt độ môi trường, điều kiện nước ta nhiệt độ nằm khoảng từ 0oC đến 50oC Để đo nhiệt độ, đề tài sử dụng 03 cảm biến nhiệt độ: - IC DS18B20 [14] MAXIM: khả phân giải nhiệt độ từ -55oC đến 125oC với độ phân giải từ đến 12 bit, độ xác 0.5oC Là IC đo nhiệt độ giao tiếp số, giá trị nhiệt độ tương ứng với số nhị phân độ phân giải xác định - IC DHT11: Tín hiệu đầu tín hiệu số Cảm biến bao gồm thành phần đo đạc nhạy ẩm thành phần đo lường nhiệt độ NTC, kết nối với vi điều khiển 8-bit hiệu cao cung cấp chất lượng tốt, phản ứng nhanh, khả ổn định chống nhiễu giá thành rẻ - IC SHT15 hãng Sensirion [12]: đo đồng thời hai thông số môi trường nhiệt độ độ ẩm Tín hiệu lối dạng số, đọc ghi vào vi điều khiển Dải nhiệt độ đo từ -10oC đến 55oC, dải độ ẩm từ % RH - 100 % RH Độ xác nhiệt độ độ ẩm tương ứng ± 0.5 °C ± 2.0 %RH Cả ba loại cảm biến có thơng số cấu hình giao tiếp phù hợp với mục đích hệ đo thông số môi trường đề tài Cảm biến DS18B20 Cảm biến nhiệt độ DS18B20 sử dụng giao tiếp “1-dây” (1-wire) Đầu đo nhiệt độ số DS18B20 đưa số liệu để biểu thị nhiệt độ đo dạng mã nhị phân đến 12 bit Chỉ cần hai đường dẫn gồm đường cho tín hiệu đường làm dây đất đủ để kết nối vi điều khiển đến điểm đo Nguồn nuôi cho thao tác ghi/đọc/chuyển đổi cấp riêng trích từ đường tín hiệu Hình ảnh DS18B20 hình Hình Hình ảnh thực cảm biến nhiệt độ DS18B20 Giao tiếp chuẩn 1-dây giao tiếp với hệ thống giao bus liệu có dây đường truyền thiết kế hãng bán dẫn Dallas Semiconductor Corp Chuẩn 1-dây dựa chuẩn giao tiếp I2C, cho phép truyền liệu tốc độ thấp với khoảng cách lớn, có khả tự cấp nguồn đường tín hiệu Cho phép kết nối nhiều thiết bị đường bus Mỗi thiết bị đặc trưng mã code riêng Do tính tiện lợi, nhỏ gọn, dễ lắp đặt, kinh tế nên chuẩn giao tiếp 1-dây thường dùng cho hệ thu thập số liệu đầu đo nhiệt độ, độ ẩm…(hình 3) Hình Mạch giao tiếp DS18B20 với vi điều khiển Khảo sát chỉnh chuẩn hóa hệ đo nhiệt độ dùng DS18B20: Việc khảo sát hệ đo nhiệt độ thực cách cho cảm biến nhiệt độ đo nhiệt độ nước cân nhiệt với nhiệt kế lấy làm chuẩn (ở nhiệt kế Ebro TTX 100 Đức) Quá trình khảo sát lấy số liệu chia thành hai giai đoạn Giai đoạn 1, đo nhiệt độ cốc nước đá tan, để đá tan hết rồi, nhiệt độ cốc nước tăng dần nhiệt độ môi trường (22.4 0C) ghi số liệu Giai đoạn 2, đo nhiệt độ cốc nước nóng, để nước nóng nguội dần nhiệt độ mơi trường (22.4 0C) ghi số liệu (hình 4) Hình Khảo sát đánh giá hệ đo nhiệt độ dùng DS18B20 với nhiệt kế TTX 100 Ebro Độ lệch chuẩn: 0.168 Bản thân thiết bị đọc chuẩn có sai số 0.5 0C Do sai số đo nhiệt độ hệ thống là: 0.67 0C Cảm biến DHT11 Hình ảnh DHT11 đưa hình 5, sơ đồ hoạt động ghép với vi điều khiển (hình 6) Hình Hình ảnh cảm biến DHT11 Hình Ghép nối DHT11 với vi điều khiển Đặc tính kỹ thuật DHT11: - Khoảng đo: 20-90 %RH, 0-50 oC - Sai số độ ẩm: ±5 %RH - Sai số nhiệt độ: ± oC - Độ phân giải: %RH, oC Thông tin đo đạc từ cảm biến DHT11 byte liệu: Byte 1: Giá trị phần nguyên độ ẩm (RH%); Byte 2: Giá trị phần thập phân độ ẩm(RH%); Byte 3: Giá trị phân nguyên nhiệt độ (TC); Byte 4: Giá trị phần thập phân nhiệt độ (TC); Byte 5: Kiểm tra tổng Cảm biến SHT15 Cảm biến SHT15 mô tả hình Sơ đồ giao tiếp với vi điều khiển hình Hình Hình ảnh cảm biến SHT15 Hình Ghép nối với vi điều khiển Đặc tính kỹ thuật SHT15: - Khoảng đo: - 100% RH, -40 - 123,8 oC; Sai số độ ẩm: ±5 %RH - Sai số nhiệt độ: ±2 oC; Độ phân giải: 0,05 %RH, 0,01 oC ĐO ĐỘ ẨM Để đo độ ẩm tương đối mơi trường sử dụng cảm biến với điện dung điện trở thay đổi phụ thuộc vào độ ẩm khơng khí Đề tài lựa chọn cảm biến sau: - Cảm biến loại điện dung HS1100 sản xuất Humirel - Cảm biến DHT11 - Cảm biến SHT15 Cảm biến đo độ ẩm HS1100 Độ ẩm tương đối đại lượng đặc trưng cho lượng nước khơng khí, xác định tỷ số áp suất hỗn hợp khí nước với áp suất nước bão hòa có nghĩa tỷ số khối lượng nước thể tích so với khối lượng nước thể tích nước bão hòa Đơn vị độ ẩm tương đối % Khác với độ ẩm tuyệt đối, độ ẩm tương đối đánh giá khả nhận thêm độ ẩm, bốc hơi, khả đạt đến ngưng tụ nước Độ ẩm tương đối môi trường ảnh hưởng tới khả bốc bị làm ẩm vật, sinh vật đặt môi trường Do việc đo độ ẩm tương đối quan trọng để đánh giá môi trường, bảo quản vật tư, trang thiết bị, ảnh hướng lớn tới người phát triển sinh vật Cảm biến đo độ ẩm tương đối Hình ảnh cảm biến HS1100 hình Mạch điện nguyên lý hình 10 Hình Cảm biến độ ẩm tương đối HS1100 Hình 10 Sơ đồ nguyên lý đo độ ẩm sử dụng HS1101 Đặc tính kỹ thuật HS1100: - Khoảng đo: - 100 %RH; Sai số độ ẩm: ±2 %RH Cảm biến nhà sản xuất đưa hàm phụ thuộc giá trị điện dung vào độ ẩm tương đối khơng khí C(pF) = C0 (1,25x10-7 RH3 – 1,36x10-5 RH2 + 2,19x10-3 RH + 9,0x10-1) Trong đó: C điện dung cảm biến độ ẩm tại; RH % độ ẩm khơng khí tại; C0 điện dung ứng với độ ẩm tương đối 55% Biểu đồ phụ thuộc điện dung vào độ ẩm tương đối cảm biến cho nhà sản xuất hình 11 Từ biểu đồ ta thấy phụ thuộc điện dung cảm biến vào độ ẩm tương đối từ 0% tới 100% gần tuyến tính Và thực nghiệm ta coi tuyến tính Hình 11 Biều đồ phụ thuộc điện dung cảm biến vào độ ẩm tương đối Để đo độ ẩm tương đối RH cơng thức cần biết C Tuy nhiên điện dung C đại lượng điện khó đo trực tiếp, ta sử dụng mạch điện dao động có tần số phụ thuộc vào điện dung C Mạch điện có chức ta sử dụng IC LM555 mắc theo chế độ phát đa hài ổn định (hình 10) Khi ta có phụ thuộc tần số lối vào giá trị độ ẩm sau: F C  R4  R2  ln   Trong đó: F tần số lối ra, C điện dung cảm biến ứng với độ ẩm tương ứng Từ cơng thức ta có đồ thị phụ thuộc độ ẩm vào tần số (hình 11) Từ đồ thị ta thấy dạng đồ thị gần đường thẳng, độ ẩm hàm gần tuyến tính theo tần số Trong hệ thống nhúng ta đếm tần số xung mạch phát Và ta tính giá trị độ ẩm tương đối tương ứng (Hình 12) Độ ẩm tương đối RH% mơi trường (khơng khí) Biến tử HS1100 Điện dung cảm biến theo độ ẩm C=k*RH+Co IC LM555 Xung dao động có tần số (chu kỳ) phụ thuộc vào độ ẩm tương đối Đếm tần Thu thập xử lý đánh giá số liệu nơi nhận Xử lý , Lưu trữ truyền số liệu, (hiển thị) xử lý Đếm tần số (đo chu kỳ) ,Tính độ ẩm tương đối %RH Hình 12 Sơ đồ khối miêu tả hoạt động hệ đo độ ẩm tương đối Thực với R2 = 470 kΩ, R4 = 68 kΩ từ datasheet nhà sản xuất ta có: f  12 7 ln(2)182.3 (1.25 RH  1.36 RH  2.193 RH  0.90)(68000  2*470000) 5 Kết thực nghiệm phụ thuộc tần số độ ẩm hình 13 Đánh giá cảm biến độ ẩm tương đối HS1100: HS1100 cảm biến độ ẩm nhỏ gọn hoạt động sở biến đổi điện dung theo độ ẩm tương đối Nó có giá thấp phổ biến thị trường có độ nhạy, độ xác cao, đáp ứng cơng việc đo độ ẩm tương đối môi trường thông thường (phòng, kho) Tuy nhiên phải đo gián tiếp điện dung qua việc đếm tần số mạch dao động nên việc chuẩn hóa, đánh giá phẩm chất hệ gặp nhiều khó khăn Độ xác bị ảnh hưởng phẩm chất mạch dao động, chưa có bù nhiệt, chưa có cấu chống ngưng tụ nước bão hòa cảm biến (có thể làm sai, hỏng cảm biến) thường phòng thí nghiệm Bộ mơn Vật lý Vơ tuyến; số liệu đo so sánh đồng thời với thiết đo chuyên dụng Sau thiết lập cài đặt để kết nối hệ thống với máy tính, số liệu truyền lưu dạng file text (.txt) Các số liệu hệ thống ghi nhận lưu dạng txt sau máy tính giao diện phần mềm Herquese (hình 24): Hình 24 Hình ảnh file số liệu ghi nhận từ hệ lưu máy tính Kết thu thập số liệu cho thấy, nhiệt độ môi trường: 28 0C, độ ẩm khơng khí: 59 %RH, cường độ âm: từ 48 đến 52 dB; nồng độ khí CO2 khơng khí: Từ 424 đến 456 ppm Thực khảo sát hệ đo khoảng thời gian đo khác thời điểm lấy mẫu khác ngày, cho thấy: Hệ có tính ổn định cao, thơng số nhiệt độ độ ẩm biến đổi điều kiện đo có biến động nhiệt độ độ ẩm, thông số cường độ âm nồng độ khí CO2 biến đổi nhanh theo biến đổi môi trường tần suất lấy mẫu Kết số liệu thu thập so sánh đồng thời với kết đo từ thiết bị đo chuyên dụng đặt vị trí đo cho kết tương đồng với sai số nhỏ Kết đưa số liệu lên Lan Server Từ số liệu thu thập được, đề tài tiến hành đưa trực tiếp lên Server mạng cục để máy tính khác mạng cục truy cập vào liệu để đọc, ghi thay đổi nội dung Giao diện hệ thống quản lý số liệu mơi trường qua Lan Server (hình 25) Để truy cập vào hệ liệu này, đề tài cài đặt quyền quản trị quyền khách (Hình 26) 14 Hình 25 Giao diện hệ thống quản lý số liệu môi trường qua Lan Server Hình 26 Hình ảnh kết đo truy cập từ máy tính mạng cục LƯU TRỮ, TRUYỀN DỮ LIỆU LÊN MÁY CHỦ MẠNG INTERNET THÔNG QUA KẾT NỐI KHÔNG DÂY GPRS QUA MÔI TRƯỜNG ETHERNET Hệ thống GPRS GPRS (General Packet Radio Service) công nghệ đầy triển vọng Viện Tiêu chuẩn Viễn thơng châu Âu tiêu chuẩn hố vào năm 1993, phát triển tảng công nghệ thơng tin di động tồn cầu (GSM) sử dụng đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) Công nghệ GPRS hay biết đến với mạng di động hệ 2.5G GPRS cho phép sử dụng máy điện thoại di động thông thường để truy nhập Internet, làm việc với thư điện tử, server Web thông thường Bộ thu thập số liệu sử dụng hệ Linux nhúng Trên thực tế, ứng dụng hệ điện tử nhúng sử dụng hệ điều hành Linux phát triển lĩnh vực công nghệ thông tin, điển hình thiết bị số PDA (Personal Digital Assistant), điện thoại di động thiết bị giải trí đa phương tiện Đề tài nghiên cứu ứng dụng hệ thống linux nhúng việc xây dựng hệ thống thu thập số liệu dựa hệ điều hành GNU/Linux với hai kênh đo thử nghiệm cho nhiệt độ độ ẩm, có khả mở rộng số kênh đo cho nhiều đại lượng khác Board mạch NGW100 Board mạch NGW100 (hình 27) kit phát triển sản xuất công ty Atmel Board thiết kế với xử lý trung tâm ARM 32 bit AP7000, có hỗ trợ nhớ FLASH (8 MB song song, 8MB nối tiếp), RAM (32 MB), khe cắm thẻ nhớ SD/MMC, có cổng kết nối Ethernet (1 WAN LAN), cổng giao tiếp USB cổng COM để truyền số liệu nối chuẩn RS232 Board có hỗ trợ cài hệ điều hành GNU/Linux giúp cho việc quản lý hoạt động board việc xuất nhập thông theo quy chuẩn cách đơn giản dễ 15 dàng Xây dựng driver Sau phần cứng đưa tín hiệu vào board mạch ta cần có chương trình để điều khiển trình thu nhận để thu giá trị đại lượng mong muốn Tuy nhiên hệ thống sử dụng hệ điều hành, nên trình phải thực thông qua module driver Hay nói cách khác ta viết module không gian nhân để điều khiển Driver đo nhiệt độ Xây dựng module với file với nội dung file sau: -File ds18b20_module.c: chữa hàm thực để cài đặt gỡ bỏ driver board.File ds18b20_dev: chữa hàm system call để ta truy nhập vào thiết bị từ khơng gian người sử dụng File ds18b20_ctrl: chữa hàm giao tiếp IC DS18B20 với board mạch để trực tiếp thực đo, đọc số liệu điều khiển sensor File wire_ctrl: chữa truyền, nhận số liệu, reset, search,… thực giao chuẩn 1-wire Sau biên dịch toàn module ta thu file ds18b20.ko File sử dụng để cài đặt module trình bày phần Hình 27 Bo mạch NGW100 Driver đo độ ẩm tương đối Xây dựng module với phần sau: - File hs1100_module.c: chữa hàm thực để cài đặt gỡ bỏ driver board File hs1100_dev: chữa hàm system call để truy nhập vào thiết bị từ không gian người sử dụng Tương tự module đo nhiệt độ, sau biên dịch toàn module đo độ ẩm ta thu file hs1100.ko để sử dụng cho việc cài đặt cho module Các module đo nồng độ CO2, tiếng ồn xây dựng tương tự Xây dựng Web server hệ thống Hệ thống xây dựng chủ yếu phục vụ cho việc đo đạc thơng tin xa Do u cầu hệ thống khả truyền hiển thị thông tin đơn 16 giản, tiện dụng cho người sử dụng Từ u cầu đó, chúng tơi xây dựng Web server hệ thống, cho phép người sử dụng truy cập vào hệ thống để lấy thông tin điều khiển từ nơi có internet thơng qua giao diện web html Web server cho hệ thống gồm có phần sau: - Phần hiển thị nội dung: nơi hiển thị thông tin nhiệt độ, độ ẩm lần đo gần file liệu cho phép người sử dụng download file số liệu - Phần thiết lập: cho phép người sử dụng thay đổi thông tin khoảng thời gian lần đo, xóa file số liệu sau nhận nhằm giải phóng nhớ lưu trữ để hoạt động lâu Tuy nhiên, người sử dụng buộc phải đăng nhập để thiết lập hệ thống Từ thực tế với yêu cầu Web server hệ thống, đề tài thiết kế xây dựng Web server cho hệ thống sử dụng kết hợp ngơn ngữ HTML làm giao diện Shell Script để thực tác vụ khác thay đổi chức năng, hiển thị thơng tin cập nhật (hình 28) Hình 28 Web server hệ thống SIM508 Mơ đun SIM508 hãng SIMCOM [13] thực chức biến thiết bị đo đạc thu thập liệu thành thiết bị đầu cuối, giúp cho chúng có khả kết nối thông qua hệ thống thông tin di động GPRS để ghi/đọc liệu vào web server Hình ảnh module Sim508 kết nối với sim card (hình 29, 30) Hình 29 Module SIM508 Hình 30 Kết nối SIM card chân Kiểm tra việc truyền nhận liệu qua GPRS SIM508 Sử dụng chương trình “Truyền RS232” để gửi lệnh thiết lập yêu cầu truyền gửi cho Module Sim508 sử dụng chương trình “UDP GPRS Sever” để nhận kiểm tra hoạt động gửi liệu Module có thực thành công hay không Thực 17 kiểm tra gửi 20 lần cho kết thành công Gói tin nhận sau thực gửi vòng đến giây Sau nhận được, sử dụng chức lưu trữ chương trình “UDP GPRS Sever” để lưu lại số liệu (hình 31) Hình 31 Kết kiểm tra hoạt động truyền nhận GPRS Sim900 Gửi liệu lên máy chủ liệu MySQL SQL (Structured Query Language - ngôn ngữ truy vấn mang tính cấu trúc) loại ngơn ngữ máy tính phổ biến để tạo, sửa, lấy liệu từ hệ quản trị sở liệu quan hệ Trong nội dung nghiên cứu đề tài, thiết kế để liệu đo lường gửi trực tiếp lên MySQL server nhờ ứng dụng PhP theo mơ hình sau: Initialize HTTP Application Host Data Acquisition PhP Application MySQL database Giải pháp để gửi liệu từ hệ đo lên MySQL server Configure mode Add data to query Terminate connection Wait until finish Các bước thực thơng qua GPRS module Hình 32 Cấu hình thuật tốn thực việc gửi liệu qua GPRS lên máy chủ MySQL Theo thiết kế trên, đề tài thiết kế tối ưu hệ thống mạch điện PCB cỡ nhỏ (hình 53), kích thước cỡ 4,7 cm x 3,4 cm Thiết bị kết nối thành công gửi liệu lên sở liệu MySQL (hình 33) Người sử dụng truy cập vào địa chỉ: http://innova.rndplus.net/index.php để quan sát, lấy liệu Giao diện trang web mơ tả hình 34 18 Hình 33 Thiết bị thu thập liệu thông số môi trường gửi lên máy chủ MySQL Hình 34 Giao diện trang web liệu đo đạc máy chủ MySQL Sau kết đo từ file liệu txt đo toàn thời gian 08 ngày: 22, 23,24, 25, 26, 28, 29, 30/01/2014 Hà nội Số liệu lưu MySQL server vẽ đồ thị sau: D C 100 33 90 30 80 Relative Humidity (%RH) 27 Temperature ( C) 24 21 18 15 12 70 60 50 40 30 20 10 0 1/22/2014 1/23/2014 1/24/2014 1/25/2014 1/26/2014 1/28/2014 1/29/2014 1/22/2014 1/30/2014 1/23/2014 1/24/2014 1/25/2014 1/26/2014 1/28/2014 1/29/2014 1/30/2014 Time (Month/Day/Year) Time (Month/Day/Year) Hình 35 Nhiệt độ môi trường đo 08 ngày 23,24, 25, 26, 28, 29, 30/01/2014 Hà Nội Hình 36 Độ ẩm tương đối môi trường đo 08 ngày 23,24, 25, 26, 28, 29, 30/01/2014 Hà Nội E F 150 2000 140 130 120 CO2 Concentration (ppm) Noise Level (dB) 110 100 90 80 70 60 50 40 30 1500 1000 500 20 10 0 1/22/2014 1/23/2014 1/24/2014 1/25/2014 1/26/2014 1/28/2014 1/29/2014 1/30/2014 1/22/2014 Time (Month/Day/Year) 1/23/2014 1/24/2014 1/25/2014 1/26/2014 1/28/2014 1/29/2014 1/30/2014 Time (Month/Day/Year) Hình 37 Độ ồn mơi trường đo 08 ngày 23,24, 25, 26, 28, 29, 30/01/2014 Hà Nội Hình 38 Nồng độ CO2 mơi trường đo 08 ngày 23,24, 25, 26, 28, 29, 30/01/2014 Hà Nội Hình 35 cho thấy nhiệt độ ngày tháng khoảng từ 25 0C đến 30 0C Thời tiết vào đầu xuân mát mẻ dễ chịu Độ ẩm tương đối ngày 19 khoảng từ 40 %RH đến 55 %RH, lúc khí hậu phần mùa khơ, chưa chuyển sang mùa mưa xuân Độ ồn khoảng 20 dB đến 80 dB, thăng giáng nhạy micro đo độ ồn, nhiều tiếng tạp âm từ bên ngồi Tuy nhiên, mức trung bình, độ ồn tương đối nhỏ, không gây ảnh hưởng nhiều cho sức khỏe sinh hoạt Nồng độ CO2 ổn định mức thấp, khoảng từ 350 ppm đến 450 ppm Nồng độ hồn tồn khơng gây tổn thương hay tổn hại cho sức khỏe Đánh giá kết đạt kết luận Với kết phần báo cáo trên, dựa theo Thuyết minh ban đầu, nhận thấy hoàn thành mục tiêu yêu cầu mặt sản phẩm đề ban đầu - Tính giá trị khoa học Đề tài xây đựng thành công hệ thu thập số liệu bốn thông số môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ CO2, tiếng ồn) từ xa với đường truyền GPRS, cho phép lưu trữ lại liệu máy chủ cục bộ, máy chủ MySQL Với tính cụ thể sau: - Có thể sử dụng nhiều loại cảm biến khác nhau, với dải đo, độ phân giải độ xác khác Nên tùy theo yêu cầu đầu đặt mà lựa chọn cảm biến thích hợp Tuy nhiên, với đối tượng đo thông số môi trường tất cảm biến trình bày dùng - Với việc sử dụng phương pháp truyền GPRS, ta thực thu thập thông số môi trường từ xa, nhờ khảo sát nơi khơng thể xây dựng phòng thí nghiệm, khơng có đường truyền internet mà cần phủ sóng di động - Một điểm đề tài xây dựng Linux nhúng, dễ dàng thêm gỡ bỏ gói phần mềm ứng dụng, đại lượng thông số cần đo, sử dụng mạng Ethernet không dây GPRS có sẵn, ưu điểm sản phẩm tính tiết kiệm lượng, linh hoạt (có thể sử dụng nhiều nơi, khơng u cầu có mạng Ethernet có dây) chi phí vận hành - Sử dụng nguồn chiều DC, tiêu thụ lượng, thiết bị khơng dây nên thích hợp cho nhu cầu đo đạc nơi xa phòng thí nghiệm va vùng khơng có người sinh sống Tuy nhiên thiết bị cần phát triển nghiên cứu để tập trung vào toán lượng tiêu thụ, thiết bị khơng dây, lại hoạt động liên tục thời gian dài nên việc tiêu thụ nhiều lượng tránh khỏi Do thiết bị cần cải tiến để tiết kiệm lượng tích hợp sử dụng pin mặt trời Hơn nữa, ngày đường truyền 3G phổ biến với tốc độ cao giá thành cạnh tranh Phát triển sử dụng đường truyền cho phép ta thực truyền lượng số liệu lớn 20 - Giá trị thực tiễn khả ứng dụng Trong năm gần đây, với biến đổi khí hậu mang tính đe dọa tồn cầu, nghiên cứu khảo sát khí hậu đề tài cần thiết Với đề tài này, nhóm tác giả hi vọng góp phần vào thực tiễn, công tác hỗ trợ cho việc khảo sát, cảnh báo, đưa đề xuất cho quan nghiên cứu, ban ngành xã hội tính cấp thiết việc bảo vệ mơi trường, bảo vệ Trái đất, hết bảo vệ sống tương lai người Trái đất Với hệ thống thu đề tài, với mức chi phí thấp, áp dụng để khảo sát khí hậu thơng số mơi trường miền xa khó lại khó tiếp cận Tóm tắt kết (tiếng Việt tiếng Anh) Thiết kế chế tạo thành công hệ đo 04 thông số môi trường: nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ CO2, tiếng ồn Dữ liệu lưu máy tính, thẻ nhớ, truyền lên web server thông qua môi trường GPRS Thông số chi tiết hệ thống sau: Đo nhiệt độ: Sử dụng 03 cảm biến + DS18B20: dải đo: -55 0C to 125 0C; độ xác: 0,5 0C + DHT11: dải đo: 0C to 50 0C; độ xác: 2.0 0C + SHT15: dải đo: -10 0C to 55 0C; độ xác: 0,5 0C Đo độ ẩm tương đối: sử dụng 03 cảm biến + HS1100: dải đo: - 100 %RH, độ xác: %RH + DHT11: dải đo : 20 - 90 %RH, độ xác: %RH + SHT15: dải đo : - 100 %RH, độ xác: %RH Đo nồng độ CO2: sử dụng cảm biến MG811 Dải đo: 350-10000 ppm CO2 Đo độ ồn: sử dụng microphone Dữ liệu lưu vào: + Thẻ nhớ SD + Máy tính cá nhân thơng qua giao tiếp UART có đưa lên mạng cục Dropbox + Truyền lên máy chủ từ xa Web server (MySQL server) thông qua GPRS Sumary in English The system measures 04 enviromental parameters: Temperature: using sensors + DS18B20: range of measurement: -55 0C to 125 0C; accuracy: 0,5 0C + DHT11: range of measurement: 0C to 50 0C; accuracy: 0C + SHT15: range of measurement: -10 0C to 55 0C; accuracy: 0,5 0C Relative humidity: using sensors + HS1100: range of measurement: - 100 %RH, accuracy: %RH 21 + DHT11: range of measurement: 20 - 90 %RH, accuracy: %RH + SHT15: range of measurement: - 100 %RH, accuracy: %RH CO2 concentration: using MG811 sensor range of measurement: 350-10000 ppm CO2 Noise level: using microphone The data of measurement can be stored in: + SD card + Personal computer using UART interface and data can be upload to Local server and Dropbox + Web server (MySQL data server) through GPRS TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] M Moghavvemi, K.E Ng, C.Y Soo, S.Y Tan, A reliable and economically feasible remote sensing system for temperature and relative humidity measurement, Sensors and Actuators A: Physical, Vol 117 (2), pp 181-185, 2005 Kamarul Ariffin Noordin, Chow Chee Onn and Mohamad Faizal Ismail, A Low-Cost Microcontroller-based Weather Monitoring System, Chiang Mai University Journal, Vol (1), pp 33-39, 2006 Pranita Bhosale, V.V.Dixit, “Agricon”-Weather Monitoring System and Irrigation Controller, IOSR Journal of Electronics and Communication Engineering (IOSRJECE), Vol 1(6), pp 5-11, 2012 Ivan Simeonov, Hristo Kilifarev, Raycho Ilarionov, Embedded system for short-term weather forecasting, International Conference on Computer Systems and Technologies,Vol 3(B), pp 241-246, 2006 Ján Čimo & Bernard Šiška, Design and realization of monitoring system for measuring air temperature and humidity, wind direction and speed, Journal of Environmental Engineering and Landscape Management, 14:3, 127-134, 2006 G.S Nhivekar, R.R.Mudholker, Data logger and remote monitoring system for multiple parameter measurement applications, e -Journal of Science & Technology (e-JST), Vol (6), pp 55-62, 2011 Supco Inc., DVTH data logger manual, Technical Specification, 2007 Dataq Instrument Inc., MT100 paperless chart recorder and data logger, Technical Specification, 2011 E+E Elektronik, HUMLOG20 Data logger for Humidity, Temperature, Air Pressure and CO2, Technical Specification, 2011 Datataker Corp., DT82EM Series Data Logger, Technical specification, 2011 STMicroelectronic, STM32F103x8 and STM32F103xB datasheet, Technical specification, 2013 Sensirion, Datasheet SHT1x (SHT10, SHT11, SHT15), Technical specification, 2011 SimCom, Sim900 Hardware design, Technical specification, 2009 Maxim Corp., DS18B20 programable resolution 1-wire digital thermometer datasheet Microchip Technology Inc (2008),1-Wire Communication with PICMicrocontroller 22 PHẦN III SẢN PHẨM, CÔNG BỐ VÀ KẾT QUẢ ĐÀO TẠO CỦA ĐỀ TÀI 3.1 Kết nghiên cứu TT Tên sản phẩm Hệ đo từ xa thông số môi trường, ứng dụng cho trạm quan trắc môi trường, cảnh báo ô nhiễm môi trường Yêu cầu khoa học hoặc/và tiêu kinh tế - kỹ thuật Đăng ký Thông số dự kiến hệ sau: o Nhiệt độ: Từ 0-50 oC, độ xác 0,5 0C o Độ ẩm tương đối: Khoảng đo từ 10 đến 100% với độ xác khoảng 1-2% o Nồng độ CO2: Khoảng đo từ 350 đến 2000ppm, độ xác khoảng 10ppm Tiếng ồn: Khoảng đo từ 30dB đến 160dB với độ xác khoảng 1-2dB Đạt Hệ đo kết nối với GPRS để gửi số liệu liệu lên web server, lưu liệu thẻ nhớ SD, đưa lên dropbox Đo nhiệt độ: Sử dụng 03 cảm biến + DS18B20: dải đo: -55 0C to 125 0C; độ xác: 0,5 0C + DHT11: dải đo: 0C to 50 C; độ xác: 2.0 0C + SHT15: dải đo: -10 0C to 55 C; độ xác: 0,5 0C Đo độ ẩm tương đối: sử dụng 03 cảm biến + HS1100: dải đo: - 100 %RH, độ xác: %RH + DHT11: dải đo: 20 - 90 %RH, độ xác: %RH + SHT15: dải đo: - 100 %RH, độ xác: %RH Đo nồng độ CO2: sử dụng cảm biến MG811 Dải đo: 350-10000 ppm CO2 Đo độ ồn: sử dụng microphone 3.2 Hình thức, cấp độ cơng bố kết Ghi địa cảm ơn tài trợ Sản phẩm TT ĐHQGHN quy định Cơng trình cơng bớ tạp chí khoa học quốc tế theo hệ thống ISI/Scopus Sách chuyên khảo xuất ký hợp đồng xuất Đăng ký sở hữu trí tuệ Tình trạng (Đã in/ chấp nhận in/ nộp đơn/ chấp nhận đơn hợp lệ/ cấp giấy xác nhận SHTT/ xác nhận sử dụng sản phẩm) 23 Đánh giá chung (Đạt, không đạt) Bài báo quốc tế không thuộc hệ thống ISI/Scopus Bài báo tạp chí khoa học ĐHQGHN, tạp chí khoa học chuyên ngành quốc gia báo cáo khoa học đăng kỷ yếu hội nghị quốc tế 5.1 Dam Trung Thong, Nguyen The Đã in Cảm ơn đề Ninh, Vu Ngoc Ha, Do Trung tài nhóm B Kien, Data Logger using GPRS wireless connection for meteological and enviromental applications, Journal of Mathematics - Physics, VNU Journal of Science, Vol 28, No 1S, 2012, p.160-165 5.2 Do Trung Kien, Dam Trung Đã in Cảm ơn đề Thong, Monitoring tài nhóm B Enviromental Parameters QG.12.02 through GPRS Network, Journal of Mathematics - Physics, VNU Journal of Science, Vol 30, No 1, 2014, p.50-56 5.3 Tran Vinh Thang, Do Trung Chấp nhận in Cảm ơn đề Kien, An industrial DAQs and tài nhóm B Internet based data logging and QG.12.02, remote monitoring system for đề tài TN13real-time multi-parameters 07 measurements, Journal of Mathematics - Physics, VNU Journal of Science, Vol 30, No 2, 2014 Báo cáo khoa học kiến nghị, tư vấn sách theo đặt hàng đơn vị sử dụng Kết dự kiến ứng dụng quan hoạch định sách sở ứng dụng KH&CN 3.3 Kết đào tạo Thời gian kinh phí TT Họ tên tham gia đề tài (số tháng/số tiền) Nghiên cứu sinh Trần Vĩnh 10 tháng / triệu Thắng Cơng trình cơng bố liên quan (Sản phẩm KHCN, luận án, luận văn) *Một phần luận án *Bài báo tạp chí khoa học: Tran Vinh Thang, Do Trung Kien, An industrial DAQs and Internet based data logging and remote monitoring system for real-time multi-parameters measurements, Journal of Mathematics - Physics, VNU Journal of Science, Vol 30, 24 Đã bảo vệ Chưa bảo vệ No 2, 2014, ISSN 0866-8612 Học viên cao học Vũ Ngọc Ha Trần Thị Minh Phương 06 tháng / 05 triệu đồng 06 tháng / 05 triệu đồng Sinh viên NVCL Vũ Văn Toàn 04 tháng / 02 triệu đồng Đỗ Quang Lộc 04 tháng / 02 triệu đồng Nguyễn Tuấn 04 tháng / 02 triệu đồng Anh Bài báo tạp chí khoa học: Đã bảo vệ Dam Trung Thong, Nguyen The Ninh, Vu Ngoc Ha, Do Trung Kien, Data Logger using GPRS wireless connection for meteological and enviromental applications, Journal of Mathematics - Physics, VNU Journal of Science, Vol 28, No 1S, 2012, p.160-165, ISSN 08668612 Luận văn: Vũ Ngọc Ha, Xây dựng hệ thống đo đạc, xử lý tín hiệu số thông số môi trường từ xa qua mạng Ethernet Linux nhúng, 201 Luận văn: Đã bảo vệ Trần Thị Minh Phương, Xây dựng hệ đo thơng số mơi trường đa tín hiệu, 2014 Khóa luận: Vu Van Toan, Developing automated energy saving equipment for lighting system, 2013 Khóa luận: Do Quang Loc, Phototransducer characteristics and application, 2014 Khóa luận: Nguyen Tuan Anh, Network sensor system using microcontroller, 2014 Đã bảo vệ Đã bảo vệ Đã bảo vệ PHẦN IV TỔNG HỢP KẾT QUẢ CÁC SẢN PHẨM KH&CN VÀ ĐÀO TẠO CỦA ĐỀ TÀI TT Sản phẩm Số lượng Số lượng đăng ký hoàn thành Bài báo cơng bớ tạp chí khoa học quốc tế theo hệ thống ISI/Scopus Sách chuyên khảo xuất ký hợp đồng xuất Đăng ký sở hữu trí tuệ 25 Bài báo quốc tế không thuộc hệ thống ISI/Scopus Số lượng báo tạp chí khoa học ĐHQGHN, tạp chí khoa học chuyên ngành quốc gia báo cáo khoa học đăng kỷ yếu hội nghị quốc tế Báo cáo khoa học kiến nghị, tư vấn sách theo đặt hàng đơn vị sử dụng Kết dự kiến ứng dụng quan hoạch định sách sở ứng dụng KH&CN Đào tạo/hỗ trợ đào tạo NCS Đào tạo thạc sĩ 02 03 PHẦN V TÌNH HÌNH SỬ DỤNG KINH PHÍ STT Nội dung chi A Chi phí trực tiếp Nhân cơng lao động khoa học - Trong đó, chi cho NCS học viên cao học: Nguyên, nhiên vật liệu Thiết bị, dụng cụ Đi lại, cơng tác phí Dịch vụ th ngồi Chi phí trực tiếp khác (thơng tin liên lạc) Chi phí gián tiếp Chi phí quản lý tổ chức chủ trì Chi phí điện, nước, sở vật chất Tổng số: B Kinh phí duyệt (triệu đồng) Kinh phí thực (triệu đồng) 110,0 26,0 110,0 26,0 53,2 53,2 2,4 2,4 7,2 7,2 180,0 7,2 7,2 180,0 Ghi PHẦN VI KIẾN NGHỊ (Về phát triển kết nghiên cứu đề tài/dự án; quản lý, tổ chức thực cấp) Đề nghị đề tài tiếp tục quan tâm phát triển để đưa vào thành sản phẩm ứng dụng thực tiễn 26 PHẦN VII PHỤ LỤC (minh chứng sản phẩm nêu Phần III) Hà Nội, ngày 26 tháng 01 năm 2015 TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KT HIỆU TRƯỞNG PHÓ HIỆU TRƯỞNG CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI/DỰ ÁN GS.TS Phan Tuấn Nghĩa TS Đỗ Trung Kiên 27 (Họ tên, chữ ký) PHỤ LỤC 28 ... Ha, Xây dựng hệ thống đo đạc, xử lý tín hiệu số thông số môi trường từ xa qua mạng Ethernet Linux nhúng, 201 Luận văn: Đã bảo vệ Trần Thị Minh Phương, Xây dựng hệ đo thơng số mơi trường đa tín hiệu, ... Vi điều khiển thu thập xử lý liệu Lưu trữ: máy chủ nội Lưu trữ: máy tính, thẻ nhớ Hình Sơ đồ khối hệ thống đo đạc, thu thập xử lí tín hiệu số thông số môi trường từ xa qua mạng Ethernet Phương... LỤC 28 PHẦN I THÔNG TIN CHUNG Tên đề tài/dự án: Xây dựng hệ thống đo đạc, thu thập xử lí tín hiệu số thông số môi trường từ xa qua mạng Ethernet QG.12.02 Mã số: Danh sách chủ nhiệm,