Tài liệu NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÔ ĐUN ĐO NHIỆT, ĐỘ ẨM, ÁP SUẤT VÀ LƯỢNG MƯA TỰ ĐỘNG VỚI SỐ LIỆU TRUYỀN VỀ THEO MẠNG ETHERNET ĐƯỢC HIỂN THỊ LÊN WEB SERVER VÀ MÀN HÌNH LCD

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÔ ĐUN ĐO NHIỆT, ĐỘ ẨM, ÁP SUẤT VÀ LƯỢNG MƯA TỰ ĐỘNG VỚI SỐ LIỆU TRUYỀN VỀ THEO MẠNG ETHERNET ĐƯỢC HIỂN THỊ LÊN WEB SERVER VÀ MÀN HÌNH LCD ThS. Vũ Văn Sáng - Đài Khí tượng cao không Đứng trước yêu cầu của sự nghiệp công nghiệp hóa và hiện đại hóa ở nước ta, việc áp dụng những tiến bộ khoa học kỹ thuật vào trong sản xuất và đời sống đang là một yêu cầu tất yếu. Với ngành KTTV thì nhu cầu cung cấp số liệu thời gian thực cho dự báo, cảnh báo những hiện tượng thời tiết nguy hiểm và ứng dụng việc thu thập dữ liệu đó vào nghiên cứu khoa học thì ngày càng cấp bách, đặc biệt đứng trước những diễn biến phức tạp của biến đổi khí hậu làm cho các hiện tượng thời tiết cũng trở lên phức tạp hơn. Việc đáp ứng nhanh, tin cậy số liệu các yếu tố như lượng mưa, áp suất, nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió... khi có hiện tượng thời tiết nguy hiểm, từ một địa hình không gian đủ rộng với những chi phí ở mức hợp lý là một thách thức lớn hiện nay của ngành KTTV. Trong báo cáo này tác giả trình bày một số kết quả nghiên cứu bước đầu của việc xây dựng một mô đun đo nhiệt độ, độ ẩm, áp suất và lượng mưa tích hợp mở rộng cả đo gió và lưu số liệu vào thẻ nhớ SD. Trong bài báo sẽ đi sâu nghiên cứu giao tiếp truyền tin giữa Datalogger và mạch Ethernet đảm bảo làm sao các số liệu có thể truyền và hiển thị lên Wer server, màn hình LCD. 1. Đặt vấn đề Ngày nay, công nghệ vi xử lý đã có những bước phát triển mạnh mẽ trở thành công cụ không thể thay thế trong thiết kế hệ thống đặc biệt trong thiết kế hệ thống nhúng có tính chất tự động. Hệ thống điều khiển nhúng ở đây tác giả sử dụng vi xử lý có mức độ tích hợp cao và hoạt động với độ chính xác hoàn hảo do các giải pháp điều khiển, cũng như các thuật toán điều khiển được xây dựng tối ưu áp dụng cho bài toán cụ thể. Với khuôn khổ trong nghiên cứu này tác giả đã thực hiện sử dụng vi điều khiển dsPIC để đo nhiệt độ, độ ẩm, áp suất và hiển thị lượng mưa, lưu thẻ nhớ SD, tích hợp thêm đo gió các số liệu truyền về thời gian thực theo công nghệ ethernet hiển thị lên web và màn hình LCD. Trong mô đun này tác giả cũng có tích hợp thêm truyền trực tiếp số liệu lên máy tính PC theo cổng RS232, RS 422 nhưng sẽ không được trình bày cụ thể trong báo cáo này. Việc đo các yếu tố khí tượng thủy văn (KTTV) như: lượng mưa, nhiệt độ, độ ẩm, áp suất không khí, gió,.. để đảm bảo cho cung cấp số liệu điều tra cơ bản, đóng vai trò quan trọng trong nghiệp vụ quan trắc của ngành KTTV. Bên cạnh đó thiết bị mô đun có thể được ứng dụng trong các đô thị cảnh báo úng ngấp của thành phố. Với các số liệu thời tiết này là cơ sở quan trọng đối với công tác dự báo KTTV, nghiên cứu khoa học, quy hoạch và phát triển sản xuất của hầu hết các ngành kinh tế quốc dân, cũng như an ninh quốc phòng. Nhu cầu sử dụng số liệu KTTV ngày càng cao cả về số lượng và chất lượng. Nhưng hiện nay, công việc điều tra cơ bản chủ yếu vẫn dựa trên các thiết bị đo đạc thủ công, do đó việc cung cấp số liệu số hóa, đặc biệt số liệu thời gian thực cho các mô hình dự báo, cảnh báo thiên tai còn gặp nhiều khó khăn. Ở các nước phát triển, để khắc phục các nhược điểm trên, các trạm đo tự động đã và đang được sử dụng rộng rãi. Hiện nay các trạm đo đạc tự động nhập ngoại ngoài thể hiện được tốt những ưu thế về công nghệ nhưng bên cạnh đó không tránh khỏi những tồn tại khó khắc phục: Các trạm đo đạc tự động nhập ngoại là sản phẩm có kỹ thuật cao với nhiều mức công nghệ khác nhau, do nhiều hãng sản xuất, cho nên việc đảm bảo duy trì lâu dài bằng nội lực gặp nhiều khó khăn;  Việc hiện đại hóa các sản phẩm nhập ngoại, như tăng thêm các yếu tố đo, mở rộng cấu hình, tăng cường khả năng truyền số liệu, sẽ gặp nhiều trở ngại;  Giá thành thiết bị nhập ngoại còn khá cao. Thời gian qua, nhờ sự quan tâm và tạo điều kiện cho các cán bộ tự chủ động sáng tạo, nghiên cứu khoa học của lãnh đạo Đài KTCK cũng như của phòng TT và DL KTCK tác giả đã chủ động tự nghiên cứu thiết kế và lập trình mô đun đo các yếu tố khí tượng và thử nghiệm số liệu được truyền về theo mạng ethernet, cũng nhằm mục đích để khi hoàn thiện toàn bộ về công nghệ thì có thể đưa vào áp dụng trước tiên là thử nghiệm theo dõi số liệu truyền về theo thời gian thực. Hiện nay, việc cung cấp số liệu KTTV thời gian thực cho nghiệp vụ dự báo KTTV cũng như nghiên cứu khoa học, đặc biệt cho dự báo, cảnh báo các hiện tượng thời tiết nguy hiểm như bão lụt, tố lốc, lũ quét, tại các địa phương cũng như là các đô thị hay xảy ra ngập úng vì mưa lớn như hiện nay là vấn đề cấp bách và cần phải sớm được đáp ứng. 2. Các bước nghiên cứu và thiết kế thực tế Để đáp ứng được những yêu cầu của thực tiễn để bước đầu xây dựng một trạm đo tự động và cung cấp số liệu thời gian thực cho nghiệp vụ KTTV khi nghiên cứu phải đặt ra yêu cầu thiết bị nhằm đáp ứng được hai vấn đề: Có thể triển khai xây dựng một hệ thông các trạm đo tự động các yếu tố KTTV và lựa cho được công nghệ giải pháp phù hợp truyền số liệu về các trung tâm điều khiển (ví dụ như mô hình áp dụng ở thành phố đô thị thì ngoài truyền tin trực tiếp thì có thể truyền bằng công nghệ ethernet và vùng có điều kiện ở vùng sâu hơn thì có thể truyền bằng SMS, RF...) 2.1. Các bước nghiên cứu ứng dụng Quá trình nghiên cứu xây dựng hệ thống cần thiết phải tiến hành các bước sau: Ý tưởng thiết kế và phân tích yêu cầu: Là giai đoạn đầu tiên nhưng nó cũng là giai đoạn rất quan trọng, để nhằm đưa ra các nhiệm vụ cũng như ý tưởng chi tiết cho các giai đoạn sau triển khai. Trong giai đoạn này cần xác định các yếu tố cần đo, sai số trong giới hạn cho phép và mọi yếu tố sau đều phải theo quy phạm mà hệ thống cần phải đáp ứng. Kết hợp một số thiết bị đã được nghiên cứu liên quan trước đó có thể dùng để phân tích đánh giá song mới lựa chọn công nghệ phù hợp. Thiết kế nguyên lý: Là giai đoạn có tính quyết định trong toàn bộ quá trình xây dựng hệ thống, nó liên quan đến yếu tố chính xác về mặt kĩ thuật cũng như là tính thẩm mỹ của mạch nguyên lý cho mô đun. Việc lựa chọn thiết bị và công nghệ: Nhằm đảm bảo các thông số kỹ thuật: sai số, độ ổn định, độ bền, chi phí đầu tư. Thuật toán điều khiển và chương trình firmwave: Là phần quan trọng và là phần hồn của hệ thống. Nó quyết định đến sự ổn định, tính mở của hệ thống, các yếu tố ý tưởng ban đầu muốn thể hiện được thực hiện bằng những thuật toán chương trình. Chú ý: Đây chỉ là những thuật toán chính của chương trình, trong những khối có thể khi thực hiện chức năng riêng còn có nhiều chương trình con khác. Bắt đầu Khởi tạo modul:OSC, ADC, UART,Timer,SPI, I2C. Hiển thị màn hình LCD. - Đo thời gian thực Đo nhiệt độ+ độ ẩm Đo áp suất Đo lưu lượng mưa Xử lý và đánh giá kết quả Y - Lưu kết quả vào biến trung gian. - Cập nhật kết quả và hiển thị màn hình LCD. N Nhập dữ liệu từ mạch đo gió gửi sang. Xử lý và đánh giá kết quả Y - Lưu kết quả vào biến trung gian. - Cập nhật kết quả và hiển thị màn hình LCD. N Gửi dữ liệu sang mạch đo gió Lưu toàn bộ dữ liệu vào thẻ SD Hình 1: Lưu đồ thuật toán chính mạch Datalogger Bắt đầu Khởi tạo modul:Timer, ADC, UART, Captrure,SPI. Đo tốc độ gió. Xử lý và đánh giá kết quả Y Lưu kết quả vào biến trung gian. Y Lưu kết quả vào biến trung gian. N Đo hướng gió Xử lý và đánh giá kết quả N Truyền và nhận dữ liệu từ mạch chính Đẩy dữ liệu lên Ethernet Hình 2: Lưu đồ thuật toán chính mạch đo gió Hiệu chỉnh sai số và kiểm tra thiết bị: Đây là bước quyết định độ chính xác cuối cùng sau khi các yếu tố đã được đo đạc, có thể hiệu chỉnh bằng phần cứng thiết bị hoặc bằng những thuật toán mới tối ưu hơn để nạp lại cho thiết bị. Vận hành: Cần phải theo dõi chặt chẽ để phát hiện lỗi và tính tối ưu của thiết bị, để nhằm hoàn thiện hệ thống. Toàn bộ những bước nghiên cứu như trên có sự liên quan chặt chẽ và bổ trợ cho nhau, trong mỗi giai đoạn và mỗi bước cần xem xét rút kinh nghiệm để hoàn thiện tối ưu. 2.2. Đặc điểm và nguyên lý đo các yếu tố KTTV Công nghệ hiện nay thì chủ yếu các thiết đo là linh kiện bán dẫn và đã được số hóa. Có thể khái quát mô hình thiết bị đo hiện đại Đối tượng đo Cảm biến Khuếch đại tín hiệu Số hóa (ADC) - Hiển thị -PC - Bộ truyền tin Hình 3: Sơ đồ khối mô tả thiết bị đo hiện nay MCU thống Dựa trên cấu tạo của thiết bị đo hiện nay, thì cũng có thể hình dung được thiết bị chia làm 2 phần: Các bộ cảm biến và bộ hiển thị và xử lý số liệu (Datalogger). Các bộ MCU cảm biến dùng cho đo đạc các yếu tố KTTV rất đa dạng, khác nhau về nguyên lý, cấu tạo, độ chính xác, môi trường làm việc cũng như giá thành. Hiện này thì gần như rất nhiều các thiết bị đo trong nước vẫn chưa đáp ứng được công nghệ cũng như kĩ thuật nên chủ yếu các bộ cảm biến sử dụng hiện nay vẫn là nhập ngoại. Lựa chọn cảm biến cũng rất quan trọng vì ngoài việc đảm bảo các tiêu chí kĩ thuật thì còn đáp ứng cả về giá và hiệu quả kinh tế. Bộ Datalogger là bộ xử lý trung tâm của thiết bị đo một bộ phận có thể nói là quan trọng nhất và điều khiển trung tâm của mọi hoạt động trong toàn bộ hệ thống như giao tiếp với các đầu đo, với mô đun truyền tin. Khi nắm chắc được tổng thể về kĩ thuật bộ Datalogger là khâu quyết định cho việc mở rộng hay chế tạo, nâng cấp về sau. 3. Công nghệ truyền tin bằng Ethernet Hiện nay công nghệ truyền tin giữa các trạm đo về trung tâm điều khiển rất đa dạng, nhưng có thể phân làm hai dạng chính là truyền có dây dẫn và truyền không dây. Trong bài viết này tác giả chỉ trình bày phương pháp truyền tin qua mạng Ethernet có dây. Các công nghệ truyền tin có dây (hữu tuyến) đã phát triển khá lâu bằng việc sử dụng các Modem DialUp, ADSL, hay theo chuẩn các mạng LAN, WAN. Với các trạm đo ở các vùng có địa hình phức tạp, việc lắp đặt và truyền thông tin KTTV qua mạng hữu tuyến còn rất nhiều trở ngại, đặc biệt khi có thời tiết nguy hiểm nhưng nó lại rất ổn định khi mà trong những trạm được đặt tại vùng trung tâm và khu vực có cáp Ethernet, như vậy có thể hiểu được rằng việc lựa chọn phương pháp truyền tin mỗi hình thức truyền có một ưu nhược điểm khác nhau, điều quan trọng là trong từng ứng dụng cụ thể mà các nhà phát triển dự án có thể lựa chọn cho phù hợp. 3.1. Mô đun Ethernet ENC 28J60 và chuẩn giao tiếp SPI Thông thường để kết nối thiết bị điều khiển với mạng Ethernet có hai cách, một là sử dụng các vi điều khiển tích hợp sẵn phần giao tiếp với Ethernet, phổ biến là các dòng Pic hoặc dsPic của Microchip. Sử dụng phương thức này có ưu điểm viết mã code đơn giản, kích thước bo mạch nhỏ gọn. Ngoài ra còn có các cách khác là sử dụng chip giao tiếp Ethernet ENC28J60, với cách sử dụng này bo mạch sẽ có kích thước lớn hơn, thường tách thành hai mô đun độc lập được kết nối qua card hỗ trợ giao tiếp chuẩn SPI (Serial Pheripheral Interface) Trong mô đun ghép nối Ethernet, người thực hiện đã chọn cách sử dụng chip ENC28J60. 3.1.1 Vi Mạch Ethernet ENC28J60 ENC28J60 là vi điều khiển hỗ trợ kết nối Ethernet ở lớp vật lý tương tự trong mô hình OSI cho bất kỳ vi điều khiển nào. ENC28J60 được thiết kế và chế tạo bởi Microchip. Phần cứng của ENC28J60 được tích hợp trong cả hai lớp kết nối dữ liệu và lớp vật lý. Hỗ trợ giao tiếp SPI với tốc độ tối đa đạt 20MHz. Điện áp hoạt động của ENC28J60 từ 3.1V đến 3.6V. Hỗ trợ công nghệ 10BASE-T. Hỗ trợ truyền song công và bán song công, đồng thời nhằm tránh xung đột trên kênh truyền. 3.1.2 Sơ đồ ghép nối vi điều khiển với ENC28J60 Hình 4 - Sơ đồ ghép nối vi điều khiển với ENC28J60 Trong đó: - SCK- Serial Clock – Xung đồng bộ cho đường nối tiếp SI Serial Output – Tín hiệu nối tiếp vào (ghi) SO Serial Output – Tín hiệu nối tiếp ra (đọc) Hình 5- Bo mạch SPI Ethernet Module Nguyên lý cơ bản: - - Vi điều khiển ENC28J60 được điều khiển hoàn toàn thông qua giao tiếp với vi điều khiển dsPic. Vi điều khiển dsPic đóng vai trò là Master trong giao tiếp SPI với ENC28J60 Tương tự như kết nối mạng trên PC, dsPIC đóng vai trò là PC còn ENC28J60 đóng vai trò như card mạng. Nhận dữ liệu: Tín hiệu yêu cầu từ mạng truyền qua cổng RJ45 vào ENC28J60. ENC28J60 được thiết kế để giải mã tín hiệu và chuyển tín hiệu đó thành dữ liệu và lưu và bộ đệm thu. Thông qua giao tiếp SPI, dsPic liên tục kiểm tra bộ đệm của ENC28J60. Nếu phát hiện có dữ liệu nó sẽ đọc dữ liệu và xử lí Truyền dữ liệu: Thông qua giao tiếp SPI, dsPIC sẽ gửi dữ liệu vào bộ đệm phát của ENC28J60. ENC28J60 sẽ mã hóa dữ liệu và truyền ra đường RJ45 đến địa chỉ mong muốn. 3.1.4 Chuẩn truyền thông SPI SPI (Serial Peripheral Inteface) là một chuẩn truyền thông nối tiếp tốc độ cao do hãng Motorola đề xuất. Đây là kiểu truyền thông Master-Slave, trong đó có một chip Master điều phối quá trình truyền thông và các chip Slaves được điều khiển bởi Master vì thế truyền thông chỉ xảy ra giữa Master và Slave. SPI là một cách truyền song công (full duplex) nghĩa là tại cùng một thời điểm quá trình truyền và nhận có thể xảy ra đồng thời. SPI đôi khi được gọi là chuẩn truyền thông “ 4 dây” vì có 4 đường giao tiếp trong chuẩn này đó là SCK (Serial Clock), MISO (Master Input Slave Output), MOSI (Master Output Slave Input) và SS (Slave Select) SCK: Xung giữ nhịp cho giao tiếp SPI, vì SPI là chuẩn truyền đồng bộ nên cần 1 đường giữ nhịp, mỗi nhịp trên chân SCK báo 1 bit dữ liệu đến hoặc đi. Đây là điểm khác biệt với truyền thông không đồng bộ mà chúng ta đã biết trong chuẩn UART. Sự tồn tại của chân SCK giúp quá trình truyền ít bị lỗi và vì thế tốc độ truyền của SPI có thể đạt rất cao. Xung nhịp chỉ được tạo ra bởi chip Master. MISO-Master Input/Slave Output: Nếu là chip Master thì đây là đường Input còn nếu là chip Slave thì MISO lại là Output. MISO của Master và các Slaves được nối trực tiếp với nhau. MOSI-Master Output/Slave Input: Nếu là chip Master thì đây là đường Output còn nếu là chip Slave thì MOSI là Input. MOSI của Master và các Slaves được nối trực tiếp với nhau. SS-Slave Select: SS là đường chọn Slave cần giao tiếp, trên các chip Slave đường SS sẽ ở mức cao khi không làm việc. Nếu chip Master kéo đường SS của một Slave nào đó xuống mức thấp thì việc giao tiếp sẽ xảy ra. 4. Kết quả đạt được Báo cáo này chỉ trình bày một số kết quả chính và sơ bộ về mặt nguyên lý và thiết kế. 4.1. Các khối chức năng của Datalogger Hệ thống đo đạc các yếu tố KTTV: Các đầu cảm biến và bộ hiển thị - xử lý số liệu (Datalogger). Công việc thiết kế hệ thống đo bao gồm: lựa chọn hợp lý các bộ cảm biến và thiết kế hệ thống xử lý Datalogger. Toàn bộ thiết kệ trong mô đun đều được tác giả sử dụng linh kiện bán dẫn loại chân dán tiêu tốn ít năng lượng, các linh kiện đảm bảo kỹ thuật về hoạt động ổn định và tin cậy, chính vì vậy để đáp ứng được các tính năng trên Datalogger cần phải dựa trên bộ vi xử lý mạnh. Các khối chức năng chủ yếu được thể hiện như Hình 6. Các tín hiệu đo được từ các bộ cảm biến (sensors) đều là những kết quả thô chưa ổn định...được đưa vào Hệ vi xử lý tại đây thì hệ vi xử lý đã được nạp chương trình thuật toán để xử lý như là thuật toán Median Fillter để xử lý kết quả và so sánh kết quả đó với giới hạn phạm vi của cảm biến tương ứng để xác thực lại kết quả đo được là đúng hay sai, có thỏa mãn hay không và cũng tại đây tín hiệu được số hóa và sẽ hiển thị trên màn hình LCD, đồng thời khi tới chu kỳ số liệu sẽ được lưu trữ tại bộ nhớ chống mất điện EPROM. Ở đây có đồng hồ thời gian Real Time Clock (RTC) đảm bảo việc đồng bộ cho mọi hoạt động của Datalogger theo thời gian chuẩn. Với bất cứ lý do nào đó mà thiết bị tạm ngừng hoạt động, đồng hồ với pin riêng vẫn đảm bảo cấp thời gian đúng khi thiết bị hoạt động trở lại. Trong mạch giao tiếp này tác giả có để một cổng giao tiếp theo chuẩn RS232C và RS422 với máy tính cá nhân đảm bảo số liệu có thể truyền tối đa 1,5km. Nhưng với bài báo này như đã nêu ở trên thì trong bài này tác giả chỉ đi sâu nghiên cứu về mảng truyền tin bằng công nghệ Ethernet (Số liệu được truyền qua mô đun SPI Ethernet có cổng RJ45 và cũng được nạp thuật toán sẵn giữa mạch chủ giao tiếp với mạch ethernet để truyền lên websever. Nguồn nuôi cho mạch đo có thể được sử dụng từ nguồn 12V DC. Hoặc sử dụng nguồn điện năng lượng mặt trời có điện áp từ 12V DC đến 35V DC (Nguồn điện một chiều) Cảm biến áp suất ADC Thời gian thực RTC LCD 4x20 I2C I/O Tốc độ gió data MCU Cảm biến nhiệt độ+độ ẩm I/O MCU Hệ vi xử lý MCU MCU MCU UART MCU SPI MCU I/O MC U MCU SPI UART M C U data M C Thẻ nhớ U SD MCU Captrure Đo gió -T0c - H0 -PM -mưa C U Ethernet (RJ45) M CU MCU MCU Hệ vi xử lý M CU ADC Hướng gió M C MCU MCU M U C Hình 6: Sơ đồ khối chức năng hệ thống U MCU MCU MCU 4.2. Một số hình ảnh về bo mạch thiết kế và giao diện web truyền số liệu. 4.2.1. Bo mạch thiết kế thực tế Nối vào thiết bị đo mưa chao lật Hình 7- Hình ảnh về bo mạch thực tế 4.2.2. Giao diện web truyền số liệu (Demo) Hình 8 - Giao diện websever truyền số liệu (Demo) 5. Kết luận Để đạt được những kết quả khả quan mang tính ứng dụng cao thì cần phải tiếp tục nghiên cứu và triển khai thử nghiệm nghiệp vụ để cho các sản phẩm nghiên cứu và thiết kế được đảm bảo về mặt thẩm mĩ cũng như kĩ thuật. Trước diễn biến phức tạp của thời tiết, nhu cầu dự báo hạn ngắn ngày càng nhiều, đặc biệt khi áp dụng các mô hình số trị cho các vùng nhỏ và các địa phương. Việc dự báo, cảnh báo các hiện tượng thời tiết nguy hiểm như bão lụt, tố lốc, lũ quét, lũ ống, cho các vùng mà không gian - thời gian cụ thể, rất cần thiết có sự tham gia của các số liệu thời gian thực từ các trạm đo. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. TS. Hồ Khánh Lâm, Giáo trình kỹ thuật vi xử lý. NXB: Thông tin và truyền thông. [2]. Ngô Diên Tập, 2000, Nhà xuất bản Khoa Học Kỹ Thuật, Lập trình C cho vi điều khiển. [3]. TS.Nguyễn Viết Hân. Nghiên cứu xây dựng và thử nghiệm hệ thống trạm khí tượng tự động. Báo cáo tổng kết đề tài khoa học công nghệ . Hà Nội: ViệnKHKTTV&MT, 2009. [4]. Web, microchip.com.