0

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO MƯA LŨ DỰA TRÊN NỀN TẢNG IOT ỨNG DỤNG CHO CÁC TỈNH MIỀN NÚI PHÍA BẮC

7 22 0
  • THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO MƯA LŨ DỰA TRÊN NỀN TẢNG IOT  ỨNG DỤNG CHO CÁC TỈNH MIỀN NÚI PHÍA BẮC

Tài liệu liên quan

Thông tin tài liệu

Ngày đăng: 14/01/2021, 14:22

Đầu tiên là thiết bị đo mức lũ sử dụng năng lượng mặt trời, cảm biến sẽ đo mực nước trên các dòng sông, suối sau đó sẽ truyền dữ liệu về máy chủ, đồng thời sẽ phát [r] (1)THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO MƯA LŨ DỰA TRÊN NỀN TẢNG IOT ỨNG DỤNG CHO CÁC TỈNH MIỀN NÚI PHÍA BẮC Hồng Văn Thực Trường Đại học Công nghệ thông tin Truyền thơng – ĐH Thái Ngun TĨM TẮT Bài báo trình bày kết nghiên cứu hệ thống có nhiệm vụ đo mưa, đo mực nước lũ cảnh báo chỗ tiêu chí đo vượt q ngưỡng an tồn hệ thống sơng, suối Mục đích cuối tạo hệ thống có giả rẻ nhiều so với hệ thống khác có chức thị trường, đảm bảo độ xác tin cậy Để đạt hai yếu tố trên, thiết kế hệ thống tác giả sử dụng thiết bị có giá thành rẻ: Arduino UNO, nguồn LM2596, Module sim 900A, cảm biến siêu âm SRF05, kỹ thuật truyền thông IoT Với tổng chi phí để hồn thiện hệ thống khoảng 5,5 triệu rẻ 1/5 so với hệ thống sử dụng như: hệ thống đo mưa lũ STPro Corp, hệ thống đo mưa lũ tự động WATEC , Do hệ thống phù hợp để lắp đặt cho tỉnh miền núi phía Bắc nhằm đảm bảo tính mạng tài sản cho người dân cịn gặp nhiều khó khăn nơi Từ giá trị cảm biến gửi lên Internet, liệu lưu trữ vào sở liệu để tiến hành phân tích cung cấp cho người sử dụng, mở nhiều ứng dụng cho ngành thủy văn Việt Nam Các từ khóa: Cơng nghệ vạn vật kết nối Internet; hệ thống đo mưa; giải pháp IoT đo nước lũ; ứng dụng cảnh báo mưa lũ; Dweet.io. Ngày nhận bài: 31/3/2020; Ngày hoàn thiện: 21/5/2020; Ngày đăng: 21/5/2020 DESIGNING RICE WARNING SYSTEM BASED ON IOT PLATFORM APPLICATION FOR NORTHERN MOUNTAINS Hoang Van Thuc TNU - University of Information and Communication Technology ABSTRACT The paper presents the results of research on the system that is responsible for measuring rainfall, measuring flood water levels and warning on the spot when the measurement criteria exceed the safety threshold on the river and stream systems The ultimate goal is to create a fake system that is much cheaper than other systems with the same functionality on the market, while ensuring accuracy and reliability In order to achieve these two factors, the author has used low-cost devices: Arduino UNO, LM2596 power, sim 900A module, SRF05 ultrasonic sensor, and IoT communication technology With the total cost to complete the system is about 5.5 million cheaper than 1/3 of the systems currently being used such as the rainwater measuring system STPro Corp, the automatic rainwater measuring system of WATEC… Therefore the system is suitable for installation in the northern mountainous provinces to ensure the lives and property for people who are still struggling here From the sensor values sent to the Internet, these data will be stored in a database for analysis and provided to users and open up many new applications for hydrology in Vietnam today Keywords: Internet of Things technology; rain measuring system; IoT solution for flood water measurement; flood warning application; Dweet.io. Received: 31/3/2020; Revised: 21/5/2020; Published: 21/5/2020 (2)1 Giới thiệu Bài báo giới thiệu hệ thống có tính ứng dụng cao việc giám sát cảnh báo mưa lũ Ngồi ra, hệ thống cịn ứng dụng dự báo thời tiết vùng đất nước Hệ thống bắt nguồn ý tưởng từ IoTs IoTs khái niệm cách mạng hố thiết bị từ bình thường sang "thơng minh" thơng qua việc ứng dụng tích hợp thêm cảm biến, công nghệ truyền liệu thiết bị Trong đó, việc thu thập liệu từ thiết bị, truyền liệu qua mạng thực tác vụ dựa việc trích xuất liệu thu thập ba chức các ứng dụng IoTs [1] Do đó, hội tụ cơng nghệ cho thu thập liệu, phân tích vận dụng, điều khiển tự động hố, hệ thống nhúng, truyền thơng, ổn định độ tin cậy, bảo mật tạo thành công nghệ IoTs IoTs tin tưởng kỳ vọng mang lại lợi ích lớn ứng dụng chuỗi cung ứng, vận tải, nông nghiệp, thủy văn ngành sản xuất, đặc biệt nước phát triển Việt Nam [1]-[4] 2 Mơ hình hệ thống Mơ hình hệ thống nghiên cứu mơ tả hình bao gồm thiết bị độc lập Đầu tiên thiết bị đo mức lũ sử dụng lượng mặt trời, cảm biến đo mực nước dịng sơng, suối sau truyền liệu máy chủ, đồng thời phát tín hiệu cảnh báo đến nhà chức trách thơng qua cơng nghệ IoTs vượt q ngưỡng an tồn Thiết bị thứ có nhiệm vụ đo lượng nước mưa theo thời gian thực, cảnh báo tức thời lượng nước vượt ngưỡng an tồn cịi cảnh báo vị trí mà thiết bị đặt, thường khu dân cư Hình Mơ hình khái niệm hệ thống Ngồi ra, hệ thống cịn có máy chủ liệu sử dụng IoT Dweet.io 2.1 Sơ đồ khối hệ đo mưa Trên hình thiết bị đo mưa có chế độ làm việc khác Hình Sơ đồ khối hệ đo mưa Chế độ có nguồn điện, thiết bị sử dụng trực tiếp lượng từ nguồn điện, lúc pin Litium 6000 mAh nạp Ngược lại, chế độ điện điều hay xảy điều kiện mưa lũ, thiết bị sử dụng điện tích lũy pin Lithium Cảm biến cung cấp liệu cho lượng nước có gầu đo mưa Sau vi điều khiển họ AVR có nhiệm vụ tính tốn lượng nước theo thời gian định xem có đưa cảnh báo hay không 2.2 Sơ đồ khối hệ đo mức lũ Thiết bị đo lũ bao gồm mơ-đun lượng mặt trời, pin có khả sạc được, cảm biến đo lượng nước, mô-đun truyền liệu GSM, vi điều khiển Hình Sơ đồ khối hệ đo lũ (3)trách thơng qua mơ-đun GSM sim900A Vì hệ đặt dịng sơng, suối nên thiết bị phải có khả sử dụng lượng mặt trời để chủ động nguồn điện 2.3 Mơ hình hoạt động truyền thơng IOT Mơ hình hoạt động truyền thơng IoT mơ tả hình thơng qua cảm biến gửi liệu phương thức truyền thơng có dây khơng dây lên Gateway, cịn q trình giao tiếp phía sau mơ hình hoạt động IoT dùng IP để kết nối vật thể với [5] Hình Mơ hình hoạt động truyền thơng IoT Hình Lưu đồ thuật toán hệ đo mưa Hệ thống cảm biến thu thập liệu từ bên ngồi mơi trường đưa lên Cloud hay máy chủ liệu qua nhiều đường kết nối khơng dây có dây qua Gateway khơng qua Gateway Sau liệu lưu trữ hệ thống, mà người dùng hồn tồn theo dõi, giám sát điều khiển Dữ liệu hiển thị thiết bị di động khắp nơi có mạng Internet [6] 3 Thiết kế hệ thống 3.1 Lưu đồ thuật tốn hệ đo mưa Trên hình lưu đồ thuật toán hệ đo mưa sử dụng cảm biến siêu âm Tùy thuộc vào độ dốc địa hình thống kê lượng mưa trung bình năm, ta đưa điều kiện cảnh báo lũ quét sạt lở đất cho địa phương định Nghiên cứu dựa việc quan trắc, thống kê lượng mưa khả xảy lũ nhiều năm Hà Giang, địa phương lựa chọn để đặt hệ thử nghiệm Lượng mưa tính tốn theo thời gian theo quy tắc: - Thời điểm mực nước mưa thấp gầu đo mưa , mực nước thực tế bình - Thời điểm mực nước dâng đến vạch đo , mực nước bình - Mực nước tích lũy: x = - (mm) - Cường độ mưa tính theo giờ: y = (mm/h) - Hàm đưa cảnh báo y = 131 phụ thuộc vào mực nước tích lũy bình chứa thời điểm khác - Nếu > 131 đưa cảnh báo, khơng tiếp tục quan trắc 3.2 Lưu đồ thuật toán hệ đo mức lũ Trên hình lưu đồ thuật tốn hệ đo mức lũ Để đo mực nước lũ, tác giả sử dụng module cảm biến siêu âm SRF05 đo khoảng cách Khi SRF05 phát xung ngắn (5 µs) từ chân Trig, cảm biến tạo xung HIGH chân Echo nhận sóng phản xạ từ chân Chiều rộng xung khoảng thời gian sóng siêu âm từ cảm biến gặp vật quay lại (4)đồng thời mực nước vượt ngưỡng nguy hiểm có tin nhắn để cảnh báo cho nhà chức trách, ngưỡng báo động có nhắn tin gọi điện Hình Lưu đồ thuật toán hệ đo mức lũ 3.3 Khối Vi xử lý Khối vi xử lý Arduino Uno có chức thu thập xử lý liệu từ cảm biển, đồng thời đưa liệu lên máy chủ liệu [7] Hình Hình ảnh vi xử lý Arduino UNO 3.4 Khối nguồn Mơ-đun LM2596 hình mạch DC-DC hạ áp 9-12 V sang V để cung cấp điện áp cho hệ thống trường hợp không điện cung cấp dịng điện đầu vào cho mơ-đun sạc/ xả pin lithium Để dự trữ điện vào pin Lithium cho ngày điện, ta cần modul có khả sạc điện cho Pin Lithium [7] Hình Module nguồn LM2596 3.5 Module sim 900A Ở hệ đo mức lũ, ta cần thiết bị kết nối với giới bên ngồi để truyền thơng tin, Mơ-đun sim900 lựa chọn phổ biến, tương đối dễ sử dụng đáp ứng đầy đủ yêu cầu mặt thiết kế Trên hình Mơ-đun sim900, hoạt động băng tần 900/1900 Hz cơng nghệ GSM Nó sử dụng nguồn điện áp V Sim900 hỗ trợ nhiều chuẩn kết nối RS232, giao tiếp với vi điều khiển, có Mic thoại Audio [7] Hình Module Sim900A 3.6 Module cảm biến siêu âm SRF05 Hình 10 hình ảnh thực tế mơ-đun cảm biến siêu âm SRF05 Nó có phận phát (Trig) thu (Echo) tín hiệu Hình ảnh trực quan trơng giống mắt mô-đun [7] 3.7 Gầu đo mưa (5)có chiều cao 35 cm đường kính 20 cm, mục đích chứa nước mưa Một gầu hứng nước làm từ inoc hình nón có chiều cao 10 cm đường kính đáy 20 cm nhằm thu mưa ngăn cản vật bẩn chui vào gầu đo mưa Hình 10 Module cảm biến siêu âm SRF05 Hình 11 Thơng số kỹ thuật gầu đo mưa Hình 12 Hình ảnh thực tế hộp cảm biến xử lý thiết bị mưa 3.8 Mơ hình hệ đo mức lũ Hệ đo lũ đặt bờ sông, suối nên cung cấp nguồn điện cách trực tiếp Năng lượng mặt trời giải pháp thay nguồn điện cách hợp lí Hình 14 hình ảnh tiêu hệ đo mức lũ sử dụng cảm biến siêu âm Nó bao gồm thành phần mạch Arduino, cảm biến siêu âm SRF05, mô-đun Sim900A Hình 13 Hình ảnh thực tế hệ đo mức lũ 4 Truyền thông Internet Khi thu thập liệu từ Arduino, cần trang web để theo dõi từ xa Cơng cụ hỗ trợ để lưu trữ liệu lâu dài hiển thị liệu cách trực quan cho người dùng Có số trang web cung cấp máy chủ miễn phí mà ta sử dụng như: Xilely, 2lemetry, exosite, carritots, grovestream, thingspeak, opennenergymonitor, dweet.io Ở tác giả sử dụng tảng dweet.io cho nghiên cứu [8] Hình 14 Truyền thông lên Internet Dweet.io trang web miễn phí phục vụ cho tảng IoT Việc sử dụng tảng giúp ta dễ dàng hiển thị liệu cách trực quan dạng biểu đồ khác [8] 5 Kết thực nghiệm (6)Hình 15 hình ảnh thử nghiệm thực tế hệ thống đo mưa Khi thử nghiệm điều kiện thực tế Hà Giang vòng tháng Cảm biến mức cho kết tương đối tốt Tuy nhiên, trình thử nghiệm, nước mưa có nhiều thành phần hóa học nên dẫn đến điện cực bị ăn mòn Như vậy, sau thời gian sử dụng định, cảm biến mức bị hư hại dẫn đến sai sót kết đo [9] Hình 15 Hình ảnh thực tế hệ đo mưa Sau khoảng thời gian định ta thay đầu đo để đảm bảo xác cảm biến mà có tính hợp lí chi phí (đầu đo có giá thành tương đối rẻ) Bảng Thử nghiệm hệ đo mưa sử dụng cảm biến siêu âm Từ bảng 1, ta thấy kết đo sử dụng cảm biến siêu âm cho độ phân giải tốt Cảm biến siêu âm đo đến mức chi tiết tối đa mm mức cảm biến mức cách 15 mm [9] 5.2 Kết thử nghiệm với hệ đo mức lũ Bảng Thử nghiệm với thiết bị đo mức lũ Hình 16 Kết hiển thị Dweet.io Hình 16 cho thấy giao diện trang web liệu mức nước sau gửi dạng biểu đồ đường Những liệu mức nước lưu trữ vào sở liệu để tiến hành phân tích cung cấp cho người sử dụng [10] 6 Kết luận (7)suối khác tỉnh Hà Giang tỉnh miền núi phía Bắc tương đối phù hợp với kết mơ Các sai số xảy từ nhiều nguyên nhân khác Bài báo mở rộng cơng nghệ truyền thơng IoT cịn mẻ với Nghiên cứu nâng cấp hệ thống theo hướng kết nối nút thiết bị với tạo thành hệ hoàn chỉnh, có khả kết nối với hệ thống dự báo thời tiết cảnh báo thiên tai khác hệ thống Live:wire đài truyền hình Việt Nam (hệ thống kết nối từ trạm đo tới trung tâm thời tiết VTV) Tuy nhiên, giao tiếp arduino với internet nên giá thành hệ thống tương đối rẻ so với sản phẩm có mặt thị trường Việt Nam như: hệ thống đo mưa lũ STPro Corp, hệ thống đo mưa lũ tự động WATEC Vì giá thành rẻ nên hệ thống phù hợp cho việc lắp đặt tỉnh miền núi phía Bắc nhiều tỉnh thành cịn khó khăn khác nước Chúng ta hồn tồn đo nhiều liệu khác điều khiển arduino linh hoạt để tạo nhiều sản phẩm quan trắc thời tiết hữu ích thực tế TÀI LIỆU THAM KHẢO/ REFERENCES [1] K Routh, and T Pal, Internet of Things: Smart Innovation and Usages UK: hersent & John Ltd, 2017 [2] D J Bonde, R S Sende, and K S Gaikwad, Machina Research, Internet Of Things (IoT), 2017, pp 90-95 [3] J Holler, V Tsiatsis, C Mulligan, S Karnouskos, S Avesand, and D Boyle, From Machine-to-Machine to the Internet of Things: Introduction to a New Age of Intelligence Amsterdam, The Netherlands: Elsevier, 2016, pp.75-81 [4] Chen, J Wan, and F Li, Internet Of Things communications, Architectures, standards and applications UK: John Wiley & Sons Ltd, 2017 [5] T R Roland, C Jephraim, F G Herbert, and M D Byron, “Design of flood detection system with automatic branch circuit cut-off capabilities and SMS-based waring transmitter,” M.A thesis, Mapúa Institute of Technology, September 2013 [6] D Boswarthik, O Elloumi, and O Hersent, IoT Communications: A Systems Approach UK: John Wiley & Sons Ltd, 2016 [7] S Monk, Programming Arduino Next Steps: Going Further with Sketches New York: McGrawHill, 2013, pp 85-91 [8] A D Ziegler, T W Giambelluca, L T Tran, T T Vana, M A NONS, J Fox, J Pinthong, J F Maxwell, and S Eveet, Hydrographic survey in the northern mountains of Vietnam on the generation of soil runoff immediately Wiley Publishing, 2004 [9] M D Do, and N A Tran, Survey on rain measurement survery in Ha Giang Science and technology publishing house Ha Noi, 2017, pp 75-81
- Xem thêm -

Xem thêm: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO MƯA LŨ DỰA TRÊN NỀN TẢNG IOT ỨNG DỤNG CHO CÁC TỈNH MIỀN NÚI PHÍA BẮC, THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO MƯA LŨ DỰA TRÊN NỀN TẢNG IOT ỨNG DỤNG CHO CÁC TỈNH MIỀN NÚI PHÍA BẮC

Hình ảnh liên quan

Mô hình hệ thống nghiên cứu được mô tả trên bao gồm 2 thiết bị độc lập. Đầu tiên là  thiết  bị  đo  mức  lũ  sử  dụng  năng  lượng  mặt  trời, cảm biến sẽ đo mực nước trên các dòng  sông,  suối  sau  đó  sẽ  truyền  dữ  liệu  về  máy  chủ, đồng thời sẽ ph - THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO MƯA LŨ DỰA TRÊN NỀN TẢNG IOT  ỨNG DỤNG CHO CÁC TỈNH MIỀN NÚI PHÍA BẮC

h.

ình hệ thống nghiên cứu được mô tả trên bao gồm 2 thiết bị độc lập. Đầu tiên là thiết bị đo mức lũ sử dụng năng lượng mặt trời, cảm biến sẽ đo mực nước trên các dòng sông, suối sau đó sẽ truyền dữ liệu về máy chủ, đồng thời sẽ ph Xem tại trang 2 của tài liệu.
2.3. Mô hình hoạt động truyền thông IOT - THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO MƯA LŨ DỰA TRÊN NỀN TẢNG IOT  ỨNG DỤNG CHO CÁC TỈNH MIỀN NÚI PHÍA BẮC

2.3..

Mô hình hoạt động truyền thông IOT Xem tại trang 3 của tài liệu.
Hình 10 là hình ảnh trên thực tế của mô đun cảm  biến  siêu  âm  SRF05.  Nó  có  2  bộ  phận  phát  (Trig)  và  thu  (Echo)  tín  hiệu - THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO MƯA LŨ DỰA TRÊN NỀN TẢNG IOT  ỨNG DỤNG CHO CÁC TỈNH MIỀN NÚI PHÍA BẮC

Hình 10.

là hình ảnh trên thực tế của mô đun cảm biến siêu âm SRF05. Nó có 2 bộ phận phát (Trig) và thu (Echo) tín hiệu Xem tại trang 4 của tài liệu.
hình ảnh tiêu bản của hệ đo mức lũ sử dụng cảm  biến  siêu  âm.  Nó  bao  gồm  các  thành  phần  chính  là  mạch  Arduino,  cảm  biến  siêu  - THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO MƯA LŨ DỰA TRÊN NỀN TẢNG IOT  ỨNG DỤNG CHO CÁC TỈNH MIỀN NÚI PHÍA BẮC

h.

ình ảnh tiêu bản của hệ đo mức lũ sử dụng cảm biến siêu âm. Nó bao gồm các thành phần chính là mạch Arduino, cảm biến siêu Xem tại trang 5 của tài liệu.
3.8. Mô hình hệ đo mức lũ - THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO MƯA LŨ DỰA TRÊN NỀN TẢNG IOT  ỨNG DỤNG CHO CÁC TỈNH MIỀN NÚI PHÍA BẮC

3.8..

Mô hình hệ đo mức lũ Xem tại trang 5 của tài liệu.
Hình 15 là hình ảnh thử nghiệm thực tế của hệ thống đo mưa. Khi thử nghiệm ở điều kiện  thực tế ở Hà Giang trong vòng 6 tháng - THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO MƯA LŨ DỰA TRÊN NỀN TẢNG IOT  ỨNG DỤNG CHO CÁC TỈNH MIỀN NÚI PHÍA BẮC

Hình 15.

là hình ảnh thử nghiệm thực tế của hệ thống đo mưa. Khi thử nghiệm ở điều kiện thực tế ở Hà Giang trong vòng 6 tháng Xem tại trang 6 của tài liệu.

Từ khóa liên quan