Nghiên cứu, xây dựng hệ thống giám sát vị trí và cảnh báo rung lắc của phao, phục vụ quan trắc môi trường biển

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ BÙI XUÂN THÀNH NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VỊ TRÍ VÀ CẢNH BÁO RUNG LẮC CỦA PHAO, PHỤC VỤ QUAN TRẮC MÔI TRƢỜNG BIỂN LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Hà Nội - 2019 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ BÙI XUÂN THÀNH NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VỊ TRÍ VÀ CẢNH BÁO RUNG LẮC CỦA PHAO, PHỤC VỤ QUAN TRẮC MƠI TRƢỜNG BIỂN Ngành: Cơng nghệ Điện tử Viễn thơng Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 8510302.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Xác nhận cán hướng dẫn TS NGUYỄN TIẾN ANH TS TRẦN THỊ THÚY QUỲNH Hà Nội - 2019 LỜI CẢM ƠN Trước hết, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Tiến Anh (HVKTQS) TS Trần Thị Thúy Quỳnh (ĐHCN), người tận tình hướng dẫn em suốt thời gian thực luận văn Em xin chân thành cảm ơn PGS TS Trần Đức Tân (Đại học Phenikaa), Th.S Lê Tiến Dung Th.S Ngô Thành Công (Trung tâm Vũ trụ - Viện Hàn Lâm Khoa học Việt Nam) giúp đỡ trình thực nghiệm Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới thầy cô giáo Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà nội trang bị cho em kiến thức vơ bổ ích suốt năm học vừa qua Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo, Khoa điện tử viễn thông Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà nội tạo điều kiện cho em trình học tập Luận văn thực với hỗ trợ phần đề tài cấp Bộ Quốc Phòng: “Nghiên cứu, phát triển tích hợp hệ thống phao thơng minh để quan trắc, giám sát phóng xạ biển”, thuộc Chương trình KHCN KC.AT Cuối em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, người ln động viên khuyến khích em suốt thời gian học tập thực đề tài Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Tác giả Bùi Xuân Thành LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn cơng trình nghiên cứu riêng tơi hướng dẫn khoa học TS Nguyễn Tiến Anh TS Trần Thị Thúy Quỳnh Các nội dung nghiên cứu, kết đề tài trung thực chưa cơng bố hình thức trước Những số liệu, cơng thức, hình ảnh, bảng biểu liệu khác phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá tác giả thu thập từ nguồn khác có ghi rõ phần tài liệu tham khảo Nếu phát có gian lận tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm nội dung luận văn Trường đại học Công Nghệ không liên quan đến vi phạm tác quyền, quyền gây q trình thực (nếu có) Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Tác giả Bùi Xuân Thành MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN MỞ ĐẦU CHƢƠNG I: TỔNG QUAN I.1 Vấn đề quan trắc, giám sát môi trường biển Việt Nam [1] I.2 Mục tiêu luận văn I.3 Tìm hiểu tổng quan hệ thống địnhvị toàn cầu GPS I.3.1 Giới thiệu tổng quan GPS[3][26] I.3.2 Các thành phần hệ thống GPS [5][25] I.3.3 Nguyên lý hoạt động hệ thống GPS [25][26] I.3.4 Ứng dụng hệ thống GPS I.4 Giải pháp luận văn CHƢƠNG II: HỆ THỐNG ĐỀ XUẤT 10 II.1 Mô hình tổng thể hệ thống phao thơng minh quan trắc môi trường biển 10 II.2 Sơ đồ khối nguyên tắc hoạt động chung hệ thống phao 12 II.2.1 Nguyên tắc hoạt động chung 12 II.2.2 Sơ đồ khối phao 13 II.3 Bộ thu GPS GSM [6] 14 II.3.1 Module EC25 14 II.4 Khối đo quán tính MPU-6050 [8][9] 17 II.5 PC box [4] 19 II.6 Hệ thống nguồn 20 CHƢƠNG III: KẾT QUẢ 21 III.1 Kết kết nối phần cứng 21 III.2 Phần mềm 24 III.2.1 Lưu đồ hoạt động hệ thống phao 24 III.2.2 Giao tiếp tập lệnh Module EC25 với PC 24 III.2.3 Giao tiếp module cảm biến MPU6050 29 III.2.4 Xử lý tín hiệu cảm biến MPU 6050 EC25 29 III.3 Kết chạy thử hệ thống 32 III.3.1 Định vị GPS đứng vị trí 32 III.3.2 Thử nghiệm hoạt động điều kiện bình thường có rung lắc vượt ngưỡng 34 III.3.3 Thử nghiệm truyền nhận SMS phao lệch vị trí 37 KẾT LUẬN 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO 41 DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT Tên viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu GSM Global System for Mobile Hệ thống thơng tin di động tồn cầu Communications IDE Integrated Development Mơi trường phát triển tích hợp Environment GNSS Global Navigation Satellite Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu System MEMS Micro-Electro-Mechanical Hệ thống vi điện tử Systems USB Universal Serial Bus Chuẩn kết nối đa dụng SMS Short Message Services Dịch vụ tin nhắn ngắn KCN Khu công nghiệp KH&CN Khoa học công nghệ TN&MT Tài nguyên môi trường UHF Ultra-high frequency Tần số siêu cao VHF Very high frequency Tần số cao GPRS General Packet Radio Dịch vụ vơ tuyến gói tổng hợp Service DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1: Bản đồ điểm quan trắc môi trường biển Hình 2: Vệ tinh GPS (nguồn www.academia.edu) Hình 3: Các trạm điều khiển GPS giới Hình 4: Nguyên lý hoạt động GPS Hình 5: Mơ hình hệ thống quan trắc giám sát mơi trường biển 10 Hình 6: Neo phao 11 Hình 7: Sơ đồ khối hệ thống phao thông minh 12 Hình 8: Sơ đồ khối hệ thống phao 13 Hình 9: Hình dáng phao sơ đồ thiết bị gắn bên 13 Hình 10 Module EC25 15 Hình 11: Sơ đồ chân EC25 16 Hình 12: Sơ đồ cấu tạo EC25 16 Hình 13: Sơ đồ MPU-6050 18 Hình 14: Module cảm biến rung lắc MPU 6050 19 Hình 15: Khối PC box 19 Hình 16: Kết nối phần cứng phao 21 Hình 17: Khối PC 22 Hình 18: Khối cảm biến rung lắc 22 Hình 19: Kết nối cảm biến rung lắc PC 23 Hình 20: Lưu đồ hoạt động hệ thống phao 24 Hình 21: Các vị trí đo rung lắc 32 Hình 22: Quỹ đạo di chuyển xác định GPS hiển thị googlemap 33 Hình 23: Gia tốc rung đo theo trục x 34 Hình 24: Gia tốc rung đo theo trục y 35 Hình 25: Gia tốc rung theo trục z 35 Hình 26 Kết thử nghiệm đo rung dùng MPU6050 35 Hình 27: Kết cảnh báo rung lắc phần mềm 36 Hình 28: Kết gửi SMS cảnh báo rung lắc 36 Hình 29: Vị trí mặc định phao phần mềm 37 Hình 30: Cảnh báo vị trí phao dịch chuyển 37 Hình 31: Cảnh báo SMS phao dịch chuyển khỏi vị trí 38 MỞ ĐẦU Các số liệu khí tượng hải dương học mơi trường biển quan trắc, giám sát thông qua hệ thống phao biển Với việc tích hợp cảm biến công nghệ truyền thông đại, hệ thống phao cho phép quan trắc, đo đạc thông số môi trường biển theo thời gian thực Tùy theo toán yêu cầu thực tiễn khu vực biển cần quan trắc mà cảm biến (nhiệt độ, độ pH, độ mặn, tham số ô nhiễm ) cơng nghệ truyền tín hiệu (dùng sóng di động GSM/GPS, sóng ngắn UHF/VHF vệ tinh) sử dụng phù hợp Tùy theo đặc điểm địa hình khu vực biển mà phao triển khai như: độ sâu, sức gió, tốc độ dịng chảy mà chọn lựa phương án thiết kế kỹ thuật neo giằng phao Từ hệ thống phao, số liệu quan trắc đóng gói, xử lý truyền trung tâm thu thập liệu đất liền Số liệu quản lý, lưu trữ bảo mật máy chủ, hiển thị thống kê theo thời gian thực thông qua phần mềm kỹ thuật xử lý chun dụng Tình trạng vị trí phao theo dõi giám sát liên tục thông qua định vị toàn cầu GPS giúp giảm thiểu rủi ro cố, phá hoại, lấy cắp … Từ phân tích nêu trên, đề tài “Nghiên cứu, xây dựng hệ thống giám sát vị trí cảnh báo rung lắc phao, phục vụ quan trắc môi trường biển” lựa chọn để thực luận văn Đây đề tài có tính khoa học, cơng nghệ thực tiễn cao Nội dung luận văn gồm phần sau: Chƣơng I: Tổng quan: Tìm hiểu tổng quan hệ thống quan trắc, giám sát môi trường biển nghiên cứu định vị GPS cảnh báo giám sát vị trí phao Chƣơng II: Hệ thống đề xuất ddd 000-179 (độ) mm.mmmm 00.0000-59.9999 (phút) E/W East Kinh độ Đông/West Kinh độ Tây Độ xác đường chân trời: 0.5-99.9 Độ cao từ anten đến mực nước biển (đơn vị: m), độ xác tới 1m Chế độ vị trí GNSS 2D 3D Góc so với hướng Bắc Định dạng: ddd.mm ddd 000-359 (độ) mm 00-59 (phút) Vận tốc so với mặt đất Định dạng: xxxx.x; đơn vị: Km/h Vận tốc so với mặt đất Định dạng: xxxx.x; đơn vị: knots Ngày UTC thời điểm xác định vị trí Định dạng: ddmmyy Số lượng vệ tinh, từ 00 đến 12 III.2.3 Giao tiếp module cảm biến MPU6050 Module cảm biến gia tốc vận tốc góc sử dụng cảm biến trung tâm MPU6050 kết hợp với vi điều khiển có tích hợp lọc Kalman Cảm biến gia tốc vận tốc góc sử dụng biến đổi USB to COM tích hợp cảm biến khối cảm biến sử dụng cổng USB 3.0 để kết nối III.2.4 Xử lý tín hiệu cảm biến MPU 6050 EC25 Cảm biến MPU 6050 sử dụng I2C đề giao tiếp với vi điều khiển Module EC25 tích hợp trực tiếp vào bo mạch chủ Marine PC kết 29 nối với Marine PC qua cổng COM ảo Quectel USB AT port - COM21: kết nối cho phép điều khiển nhận phản hồi từ EC25 qua tập lệnh AT Với cổng kết nối này, Marine PC điều khiển module GSM module GPS EC25 Đây cổng trao đổi liệu Marine PC EC25 Kết nối khối cảm biến gia tốc Kết nối khối cảm biến EC25 30 Đọc giá trị vận tốc góc từ cảm biến: Xử lý tín hiệu cảm biến gửi liệu cảnh báo qua SMS 31 III.3 Kết chạy thử hệ thống III.3.1 Định vị GPS đứng vị trí Các kết thực nghiệm cho thấy đứng im vị trí phao bị tác động rung lắc vị trí thu thông qua GPS không thay đổi Hình 21: Các vị trí đo rung lắc 32 Số liệu đo khoảng 10 phút quy đổi hệ tọa độ phẳng xy, khơng tính đến cao độ cho thấy độ lệch vị trí lớn theo trục x là: max_x = 4,27 m, theo trục y là: max_y = 3,91 m  Độ lệch khoảng cách lớn thực tế = √ √ - Định vị GPS vòng tròn: Thực di chuyển máy thu GPS theo cung đường cố định, có bán kính rơi vào khoảng 70 m, ta thấy sau lần di chuyển kết hiển thị gần cố định quỹ đạo di chuyển mơ tả Hình 21 Bởi ta sử dụng giá trị định vị GPS để xác định phao có cịn neo vị trí hay khơng Trong trường hợp có thay đổi tín hiệu GPS tín hiệu cảnh báo truyền trạm trung tâm tín hiểu ngắt hoạt động phao đưa để đảm bảo an ninh hệ thống Do giá trị sai số GPS đứng yên khảo sát 5,78 m, nên để xác định quãng đường di chuyển phao cần phải cộng với sai số Khoảng cách an tồn phao tính từ tâm quỹ đạo = R + 2×5,78 m Hình 22: Quỹ đạo di chuyển xác định GPS hiển thị googlemap 33 III.3.2 Thử nghiệm hoạt động điều kiện bình thƣờng có rung lắc vƣợt ngƣỡng Trong phần này, sử dụng cảm biến gia tốc trục để đánh giá mức độ rung phao có sóng, mức độ sóng phân thành cấp khác từ nhỏ tới lớn Với giá trị rung phao nhận biết có sóng lớn cần phải ngắt hoạt động phao để đảm bảo an toàn cho thiết bị điện tử bên Cảm biến MPU 6050 sử dụng cho mục đích này, giá trị gia tốc thu từ trục áp dụng mơ hình vector body acceleration để tính mức dao động phao (mức dao động cấp độ sóng) VeBDA = √ Các kết thử nghiệm thể Hình 26, giá trị khoảng thời gian đầu phao đứng im, phao khơng có rung lắc chịu tác động gia tốc trọng trường Hình 23: Gia tốc rung đo theo trục x 34 Hình 24: Gia tốc rung đo theo trục y Hình 25: Gia tốc rung theo trục z Hình 26 Kết thử nghiệm đo rung dùng MPU6050 35 Hình 27: Kết cảnh báo rung lắc phần mềm Hình 28: Kết gửi SMS cảnh báo rung lắc 36 III.3.3 Thử nghiệm truyền nhận SMS phao lệch vị trí Trong thử nghiệm vị trí mặc định phao cố định từ trước Vị trí hiển trị trực quan đồ Hình 29: Vị trí mặc định phao phần mềm Khi kết nối PC với antenna GPS hệ thống định vị xác vị phao tính khoảng cách bị di chuyển Hình 30: Cảnh báo vị trí phao dịch chuyển 37 Hình 31: Cảnh báo SMS phao dịch chuyển khỏi vị trí 38 KẾT LUẬN Luận văn nghiên cứu thực nghiệm cho việc giám sát hệ thống phao biển phục vụ quan trắc môi trường kết hợp cảm biến gia tốc định vị GPS Đề tài có có tính khoa học, cơng nghệ thực tiễn cao tốn định vị vị trí phao biển góp phần đảm bảo an tồn, giảm thiểu nguy trơi dạt hệ thống Luận văn xây dựng thành cơng hệ thống thử nghiệm điều kiện phịng thí nghiệm phần cứng phần mềm Về phần cứng: thiết kế tích hợp thành cơng mơ đun phần cứng thành hệ thống Phần PC box Marine PC thu thập liệu từ mô đun cảm biến, xử lý liệu từ cảm biến Mơ đun EC25 có nhiệm vụ thu tín hiệu GPS tín hiệu GSM phục vụ cho việc xác định vị trí phao gửi tín hiệu qua sóng GSM Module cảm biến MPU6050 dùng để cảm biến rung lắc phao Phần mềm hệ thống với chế xử lý đa luồng, đảm bảo cho hệ thống hoạt động Các kết phù hợp với thực tế thử nghiệm, mơ hình thử nghiệm áp dụng vào hệ thống phao thông minh để giám sát môi trường biển khuôn khổ đề tài cấp Bộ Quốc Phòng: “Nghiên cứu, phát triển tích hợp hệ thống phao thơng minh để quan trắc, giám sát phóng xạ biển”, thuộc Chương trình KHCN KC.AT 39 HƢỚNG PHÁT TRIỂN Nâng cao xác hệ thống định vị tồn cầu cách sử dụng Assisted-GPS: công nghệ hỗ trợ cho hệ thống GPS qua việc sử dụng trạm trung gian mặt đất Các trạm trung gian cột phát sóng nhà mạng khu vực Hệ thống A-GPS có máy chủ để tính tốn tín hiệu thơng số mà nhận đc Thiết bị sử dụng A-GPS phải kết nối với máy chủ để nhận tín hiệu (qua kết nối internet 3G, GPRS, wifi) A-GPS nhận tín hiệu từ vệ tinh trạm mặt đất Nhờ mà tín hiệu nhanh chóng ổn định Vì trạm mặt đất gần hơn, sóng khỏe vị trí xác 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO Trang web: http://tapchimoitruong.vn https://emas.tdtu.edu.vn https://vi.wikipedia.org/wiki https://www.marinepc.com/ http://www.academia.edu https://www.quectel.com Tài liệu: Freescale Semiconductor Inc (2013), “Tilt Sensing Using a Three-Axis Accelerometer”, Application Note AN3461 Rev 6, 03/2013 InverseSense Inc Specification (2011), Revision “MPU-6000 and MPU-6050 PS-MPU-6000A-00 3.1”, Product Rev 3.1, 10/24/2011 InverseSense Inc (2012), “MPU-6000 and MPU-6050 Register Map and Descriptions Revision 4.0”, RM-MPU-6000A-00 Rev 4.0, 03/09/2012 10 Tan, T D., Ha, L M., Long, N T., Thuy, N P., & Tue, H H (2007) Performance Improvement of MEMS-Based Sensor Applying in Inertial Navigation Systems Research-Development and Application on Electronics, Telecommunications and Information Technology, (2), pp 19-24 11 Phan Anh, “Lý thuyết kỹ thuật Anten” Nhà xuất khoa học kỹ thuật 12 Lê Quốc Hùng, “Các phương pháp thiết bị quan trắc môi trường nước” Viện Khoa học Cơng nghệ Việt Nam, 2006 41 13 Nguyễn Dỗn Phước, “Tối ưu hóa điều khiển điều khiển tối ưu”– Nhà xuất Bách Khoa Hà Nội 14 Julius O., Smith III (2007), “Introduction to digital filters with audio applications”, September 2007 Edition 15 Caruso M, "Applications of Magnetoresistive Sensors in Navigation Systems", SAE Technical Paper 1997, 970602 16 Duc-Tan, Tran, Paul Fortier, and Huu-Tue Huynh "Design, Simulation, and Performance Analysis of an INS/GPS System using Parallel Kalman Filters Structure." REV Journal on Electronics and Communications, Vol 1, No 2, April – June, 2011, ISSN 1859378X, pp 88-96 17 Tan, T D., Tue, H H., Long, N T., Thuy, N P., & Van Chuc, N (2006, November) Designing Kalman filters for integration of inertial navigation system and global positioning system In The 10th biennial Vietnam Conference on Radio & Electronics, REV-2006 Hanoi, November 2006, pp 226-230 18 Tan, Tran Duc, Nguyen Tien Anh, and Gian Guoc Anh "Low-cost Structural Health Monitoring Scheme Using MEMS-based Accelerometers." Intelligent Systems, Modelling and Simulation (ISMS), 2011 Second International Conference on IEEE, 2011, pp 217-220 19 Nguyễn Thúy Vân, “Kỹ thuật số”, nhà xuất Khoa học kỹ thuật 1994 20 Nguyễn Xuân Quỳnh, “Lý thuyết mạch logic kỹ thuật số”, nhà xuất Bưu điện 21 Richard F.Tinder, Prantice Hall “Digital engineering design” 22 Jan G Korvink, “MEMS and MOEMS Technology and Applications”, Dec 1, 2000 42 23 Gabriel M Rebeiz, “RF Mems: Theory, Design and Technology”, February 2003 24 Alfred Leick, Lev Rapoport, Dmitry Tatarnikov – “GPS Satellite Surveying”, 2015 25 Pratap Misra, “Global positioning system”, 2001 26 B Hofmann-Wellenhof, Herbert Lichtenegger, and James Collins, “Global Positioning System: Theory and Practice”, 1992 43 ... tổng quan hệ thống quan trắc, giám sát môi trường biển nghiên cứu định vị GPS cảnh báo giám sát vị trí phao Chƣơng II: Hệ thống đề xuất Trình bày tổng thệ hệ thống phao thơng minh để quan trắc môi. .. NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ BÙI XUÂN THÀNH NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VỊ TRÍ VÀ CẢNH BÁO RUNG LẮC CỦA PHAO, PHỤC VỤ QUAN TRẮC MƠI TRƢỜNG BIỂN Ngành: Cơng nghệ Điện tử Viễn thông Chuyên... pháp khắc phục CHƢƠNG II: HỆ THỐNG ĐỀ XUẤT II.1 Mơ hình tổng thể hệ thống phao thơng minh quan trắc mơi trƣờng biển Mơ hình tổng thể hệ thống phao thông minh quan trắc, giám sát môi trường biển minh