II.5. PC box [4]
Đây chính là máy tính dùng để kết nối với các khối cảm biến, giao tiếp với các cảm biến qua các tập lệnh, xử lý và thu thập dữ liệu từ các cảm biến, hệ thống định vị của phao, giao tiếp với trạm trung tâm và điều khiển phao khi cần thiết.
Máy tính chuyên dụng được thiết kế để hoạt động trên môi trường biển, có khả năng hoạt động trong dải nhiệt độ, độ ẩm cao, có khả năng chịu rung, sốc theo tiêu chuẩn IEC60068-2-27/64.
Hình trên mô tả mặt sau của Marine PC. Marine PC cung cấp rất nhiều ngoại vi có thể sử dụng trong các hệ thống thu thập dữ liệu:
4 USB 3.0 (2 cổng ở mặt trước và 2 cổng ở mặt sau).
1 cổng RS485 tại COM1.
8 cổng RS232 từ COM3-COM10.
3 cổng LAN RJ45.
1 cổng DP cho màn hình.
2 cổng SMA 4G cho anten thu 4G/GSM.
1 cổng SMA GPS cho anten thu GPS.
1 đầu vào DC-in cho phép điện áp từ 12-26VDC.
II.6. Hệ thống nguồn
Đây là hệ thống cung cấp nguồn điện cho các hệ thống gắn trên phao. Do đây là môi trường ở biển nên vấn đề về việc chống mặn cũng được đặt ra. Ngoài ra, do hệ thống hoạt động liên tục nên giải pháp đề xuất là dùng pin năng lượng mặt trời.
CHƢƠNG III: KẾT QUẢ
III.1. Kết quả kết nối phần cứng
Trong khuôn khổ đề tài, hệ thống phao sử dụng 2 nhóm cảm biến là module thu GPS và cảm biến gia tốc và vận tốc góc. Cả hai cảm biến này đều sử dụng cổng COM ảo thay vì các cổng COM vật lý như đã đề cập ở trên. Trong đó cảm biến gia tốc và vận tốc góc sử dụng một bộ biến đổi USB to COM tích hợp trong cảm biến, do đó, cảm biến này sẽ sử dụng cổng USB 3.0 để kết nối. Máy thu GPS còn lại thuộc module EC25 được tích hợp trực tiếp vào bo mạch chủ của Marine PC, do đó cũng nối với Marine PC bằng một cổng COM ảo.
Hình 17: Khối PC
III.2. Phần mềm
III.2.1. Lƣu đồ hoạt động của hệ thống phao
Lưu đồ hoạt động hệ thống M á y t ín h C ảm b iế n G P S C ảm b iế n ru n g lắ c Process Vượt ngưỡng Dừng hệ thống End Yes Vượt ngưỡng No Hệ thống đang bật Yes Bật lại các hệ thống No Gửi tin SMS cảnh báo Tín hiệu cảm biến Tín hiệu cảm biến No Yes Start
Hình 20: Lưu đồ hoạt động của hệ thống phao
III.2.2. Giao tiếp và tập lệnh Module EC25 với PC Giao tiếp của Module EC25 và PC Giao tiếp của Module EC25 và PC
EC25 được tích hợp trực tiếp vào bo mạch chủ của Marine PC và kết nối với Marine PC qua 3 cổng COM ảo:
Quectel USB AT port - COM21: kết nối cho phép điều khiển và nhận phản hồi từ EC25 qua tập lệnh AT. Với cổng kết nối này, Marine PC có thể điều khiển cả module GSM và module GPS của EC25. Đây là cổng trao đổi dữ liệu chính giữa Marine PC và EC25.
Quectel USB NMEA port - COM20: kết nối cho phép Marine PC nhận bản tin GPS NMEA định kì từ EC25. Tốc độ nhận bản tin và định dạng kiểu bản tin NMEA có thể được cấu hình bằng tập lệnh AT qua cổng COM 21.
Quectel USB DM port - COM19: cổng debug và thay đổi firmware. Thường chỉ sử dụng trong một số trường hợp đặc biệt.
Tập lệnh AT của module GPS
AT+QGPSCFG=“outport”[,<outport>] Cấu hình cổng ra cho bản tin NMEA
Lệnh điều khiển
AT+QGPSCFG=“outport”[,<outpo rt>]
Phản hồi
Khi có hai tham số:
OK
Khi tham số thứ 2 không có , cấu hình hiện tại sẽ được trả về:
+QGPSCFG: “outport”,<outport> OK
Nếu có lỗi xảy ra:
+CME ERROR: <errcode> Tham số
<outport> Cấu hình cổng đầu ra cho bản tin NMEA, giá trị cấu hình được lưu tự động vào NVRAM.
“none” dừng xuất bản tin NMEA “usbnmea” sử dụng cổng USB NMEA
“uartdebug” sử dụng cổng UART debug
AT+QGPSCFG=“gpsnmeatype”[,<gpsnmeatype>] Cấu hình kiểu bản tin NMEA của GPS
Lệnh điều khiển
AT+QGPSCFG=“gpsnmeatype”[, <gps
nmeatype>]
Phản hồi
Khi có hai tham số:
OK
Khi tham số thứ 2 không có , cấu hình hiện tại sẽ được trả về:
+QGPSCFG:
“gpsnmeatype”,<gpsnmeat ype>
OK
Nếu có lỗi xảy ra:
+CME ERROR: <errcode> Tham số
<gpsnmeatype> Các kiểu bản tin NMEA được quy định bởi ORed, giá trị cấu hình được tự động lưu vào NVRAM. Giá trị mặc định là 31 nghĩa là cả 5 kiểu bản tin đều được đẩy ra. 0 Vô hiệu 1 GGA 2 RMC 4 GSV 8 GSA 16 VTG
AT+QGPSCFG=“gnssconfig”[,<gnssconfig>] Cấu hình chùm vệ tinh GNSS Lệnh điều khiển AT+QGPSCFG=“gnssconfig ”[,<gnssc onfig>] Phản hồi
Khi có hai tham số:
OK
Khi tham số thứ 2 không có , cấu hình hiện tại sẽ được trả về:
+QGPSCFG: “gnssconfig”,<gnssconfig> OK
Nếu có lỗi xảy ra:
+CME ERROR: <errcode> Tham số
<gnssconfig> Các chùm GNSS được hỗ trợ. GPS luôn luôn bật.
0 GLONASS off/BeiDou off/Galileo off 1 GLONASS on/BeiDou on/Galileo on 2 GLONASS on/BeiDou on/Galileo off 3 GLONASS on/BeiDou off/Galileo on 4 GLONASS on/BeiDou off/Galileo off 5 GLONASS off/BeiDou on/Galileo on 6 GLONASS off/BeiDou off/Galileo on
AT+QGPSLOC Lấy thông tin vị trí Lệnh kiểm tra AT+QGPSLOC=? Phản hồi +QGPSLOC: <UTC>,<latitude>,<longitude>,<hdo p>,<altitude>,<fix>,<cog>,<spkm>,< spkn>,<date>,<nsat> OK Lệnh điều khiển AT+QGPSLOC=<mode> Phản hồi +QGPSLOC: <UTC>,<latitude>,<longitude>,<hdo p>,<altitude>,<fix>,<cog>,<spkm>,< spkn>,<date>,<nsat> OK
Nếu có lỗi xảy ra:
+CME ERROR: <errcode> Tham số <mode> Định dạng kinh độ, vĩ độ 0: <vĩ độ>,<kinh độ> định dạng: ddmm.mmmm N/S,dddmm.mmmm E/W 1: <vĩ độ>,<kinh độ> định dạng: ddmm.mmmmmm N/S,dddmm.mmmmmm E/W 2: <vĩ độ>,<kinh độ> dịnh dạng: (-)dd.ddddd,(-)ddd.ddddd
<UTC> Giờ UTC
Định dạng: hhmmss.sss
<latitude> Vĩ độ
Định dạng: ddmm.mmmm N/S . dd 00-89 (độ)
mm.mmmm 00.0000-59.9999 (phút) N/S North Vĩ độ Bắc/South Vĩ độ Nam
<longitude> Kinh độ
ddd 000-179 (độ)
mm.mmmm 00.0000-59.9999 (phút)
E/W East Kinh độ Đông/West Kinh độ Tây
<hdop> Độ chính xác đường chân trời: 0.5-99.9
<altitude> Độ cao từ anten đến mực nước biển (đơn vị: m), độ chính xác tới 1m.
<fix> Chế độ vị trí GNSS
2 2D
3 3D
<cog> Góc so với hướng Bắc Định dạng: ddd.mm. ddd 000-359 (độ) mm 00-59 (phút) <spkm> Vận tốc so với mặt đất Định dạng: xxxx.x; đơn vị: Km/h. <spkn> Vận tốc so với mặt đất. Định dạng: xxxx.x; đơn vị: knots.
<date> Ngày UTC tại thời điểm xác định vị trí Định dạng: ddmmyy.
<nsat> Số lượng vệ tinh, từ 00 đến 12.
III.2.3. Giao tiếp của module cảm biến MPU6050
Module cảm biến gia tốc và vận tốc góc sử dụng cảm biến trung tâm là MPU6050 được kết hợp với một vi điều khiển có tích hợp bộ lọc Kalman. Cảm biến gia tốc và vận tốc góc sử dụng một bộ biến đổi USB to COM tích hợp trong cảm biến và khối cảm biến này sẽ sử dụng cổng USB 3.0 để kết nối.
III.2.4. Xử lý tín hiệu cảm biến MPU 6050 và EC25
Cảm biến MPU 6050 sử dụng I2C đề giao tiếp với bộ vi điều khiển. Module EC25 được tích hợp trực tiếp vào bo mạch chủ của Marine PC và kết
nối với Marine PC qua cổng COM ảo Quectel USB AT port - COM21: kết nối cho phép điều khiển và nhận phản hồi từ EC25 qua tập lệnh AT. Với cổng kết nối này, Marine PC có thể điều khiển cả module GSM và module GPS của EC25. Đây là cổng trao đổi dữ liệu chính giữa Marine PC và EC25.
Kết nối khối cảm biến gia tốc
Đọc các giá trị vận tốc góc từ cảm biến:
III.3. Kết quả chạy thử hệ thống
III.3.1. Định vị GPS khi đứng tại 1 vị trí
Các kết quả thực nghiệm cho thấy khi đứng im tại một vị trí và phao chỉ bị tác động bởi rung lắc thì vị trí thu được thông qua GPS hầu như không thay đổi.
Số liệu đo trong khoảng 10 phút được quy đổi về hệ tọa độ phẳng xy, không tính đến cao độ cho thấy độ lệch vị trí lớn nhất theo trục x là: max_x = 4,27 m, theo trục y là: max_y = 3,91 m.
Độ lệch về khoảng cách lớn nhất thực tế = √
√
- Định vị GPS khi đi vòng tròn:
Thực hiện di chuyển máy thu GPS theo cung đường cố định, có bán kính rơi vào khoảng 70 m, ta có thể thấy sau 3 lần di chuyển thì kết quả hiển thị gần như là cố định trên quỹ đạo di chuyển như mô tả trong Hình 21. Bởi vậy ta có thể sử dụng giá trị định vị của GPS để xác định phao có còn đang neo đúng vị trí hay không. Trong trường hợp có sự thay đổi của tín hiệu GPS thì tín hiệu cảnh báo được truyền về trạm trung tâm hoặc tín hiểu ngắt hoạt động của phao được đưa ra để đảm bảo an ninh hệ thống.
Do giá trị sai số của GPS khi đứng yên đã được khảo sát là 5,78 m, nên để xác định được quãng đường di chuyển của phao thì cần phải cộng với sai số này. Khoảng cách an toàn của phao tính từ tâm quỹ đạo = R + 2×5,78 m
III.3.2. Thử nghiệm hoạt động trong điều kiện bình thƣờng và khi có rung lắc vƣợt ngƣỡng
Trong phần này, chúng ta sử dụng cảm biến gia tốc 3 trục để đánh giá về mức độ rung của phao khi có sóng, các mức độ của sóng sẽ được phân thành các cấp khác nhau từ nhỏ tới lớn. Với giá trị rung này thì phao có thể nhận biết được khi nào có sóng lớn thì cần phải ngắt hoạt động của phao để đảm bảo an toàn cho các thiết bị điện tử bên trong.
Cảm biến MPU 6050 được sử dụng cho mục đích này, các giá trị gia tốc thu được từ mỗi trục sẽ được áp dụng mô hình vector body acceleration để tính mức dao động của phao (mức dao động này cũng sẽ là các cấp độ của sóng).
VeBDA = √
Các kết quả thử nghiệm được thể hiện trong Hình 26, giá trị ở khoảng thời gian đầu là phao đứng im, phao không có rung lắc sẽ chỉ chịu tác động bởi gia tốc trọng trường.
Hình 24: Gia tốc rung đo theo trục y
Hình 25: Gia tốc rung theo trục z
Hình 27: Kết quả cảnh báo rung lắc trên phần mềm
III.3.3. Thử nghiệm truyền và nhận SMS khi phao lệch vị trí
Trong thử nghiệm này vị trí mặc định của phao được cố định từ trước. Vị trí sẽ được hiển trị trực quan trên bản đồ.
Hình 29: Vị trí mặc định của phao trên phần mềm
Khi kết nối PC với antenna GPS hệ thống định vị chính xác vị của phao và tính khoảng cách đã bị di chuyển
KẾT LUẬN
Luận văn đã nghiên cứu thực nghiệm cho việc giám sát hệ thống phao biển phục vụ quan trắc môi trường kết hợp cảm biến gia tốc và định vị GPS. Đề tài có có tính khoa học, công nghệ và thực tiễn cao trong bài toán định vị vị trí phao biển góp phần đảm bảo an toàn, giảm thiểu nguy cơ trôi dạt hệ thống.
Luận văn này đã xây dựng thành công hệ thống thử nghiệm trong điều kiện phòng thí nghiệm cả về phần cứng và phần mềm. Về phần cứng: thiết kế và tích hợp thành công các mô đun phần cứng thành một hệ thống. Phần PC box là Marine PC thu thập dữ liệu từ các mô đun cảm biến, xử lý các dữ liệu từ các cảm biến. Mô đun EC25 có nhiệm vụ thu tín hiệu GPS và tín hiệu GSM phục vụ cho việc xác định vị trí của phao và gửi tín hiệu qua sóng GSM. Module cảm biến MPU6050 dùng để cảm biến sự rung lắc của phao. Phần mềm của hệ thống với cơ chế xử lý đa luồng, đảm bảo cho hệ thống hoạt động. Các kết quả là phù hợp với thực tế thử nghiệm, mô hình thử nghiệm này sẽ được áp dụng vào hệ thống phao thông minh để giám sát môi trường biển trong khuôn khổ của đề tài cấp Bộ Quốc Phòng: “Nghiên cứu, phát triển và tích hợp hệ thống phao thông minh để quan trắc, giám sát phóng xạ trên biển”, thuộc Chương trình KHCN KC.AT.
HƢỚNG PHÁT TRIỂN
Nâng cao sự chính xác của hệ thống định vị toàn cầu bằng cách sử dụng Assisted-GPS: công nghệ hỗ trợ cho hệ thống GPS qua việc sử dụng các trạm trung gian trên mặt đất. Các trạm trung gian này chính là các cột phát sóng của nhà mạng trong khu vực. Hệ thống A-GPS có 1 máy chủ để tính toán các tín hiệu và thông số mà nó nhận đc. Thiết bị sử dụng A-GPS sẽ phải kết nối với máy chủ để nhận tín hiệu này (qua kết nối internet 3G, GPRS, wifi). A-GPS nhận tín hiệu từ 3 vệ tinh và 1 trạm mặt đất. Nhờ đó mà tín hiệu sẽ nhanh chóng và ổn định hơn. Vì trạm mặt đất ở gần hơn, sóng khỏe hơn và vị trí chính xác hơn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO Trang web: 1.http://tapchimoitruong.vn 2.https://emas.tdtu.edu.vn 3.https://vi.wikipedia.org/wiki 4.https://www.marinepc.com/ 5.http://www.academia.edu 6.https://www.quectel.com Tài liệu:
7.Freescale Semiconductor Inc. (2013), “Tilt Sensing Using a Three-Axis Accelerometer”, Application Note AN3461 Rev. 6, 03/2013.
8. InverseSense Inc. (2011), “MPU-6000 and MPU-6050 Product Specification Revision 3.1”, PS-MPU-6000A-00 Rev 3.1, 10/24/2011.
9. 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 và kỹ thuật Anten” Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật 12. Lê Quốc Hùng, “Các phương pháp và thiết bị quan trắc môi trường
13. Nguyễn Doãn Phước, “Tối ưu hóa trong điều khiển và điều khiển tối ưu”– Nhà xuất bản 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 1859- 378X, 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 bản Khoa học và kỹ thuật 1994. 20. Nguyễn Xuân Quỳnh, “Lý thuyết mạch logic và kỹ thuật số”, nhà xuất
bản Bưu điện.
21. Richard F.Tinder, Prantice Hall “Digital engineering design”
22. Jan G. Korvink, “MEMS and MOEMS Technology and Applications”, Dec 1, 2000.
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.