Tài liệu Trạm thông tin thời tiết tự động (có code)

  • Số trang: 77 |
  • Loại file: DOC |
  • Lượt xem: 14 |
  • Lượt tải: 0
luanlao

Tham gia: 20/02/2016

Mô tả:

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRẠM THÔNG TIN THỜI TIẾT TỰ ĐỘNG MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VI DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VIII DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT IX CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TRẠM THÔNG TIN THỜI TIẾT TỰ ĐỘNG 1 1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1 1.2 PHẠM VI THỰC HIỆN CỦA ĐỀ TÀI 1 1.3 KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG RỘNG RÃI CỦA AWS 2 1.4 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2 1.4.1 Giao thức TCP/IP 2 1.4.2 Truyền thông nối tiếp UART 3 CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TRẠM 2.1 CẤU TRÚC HỆ THỐNG AWS 2.2 PHẦN CỨNG CẢM BIẾN 7 2.2.1 Nhiệt độ, độ ẩm 2.2.2 Lượng mưa 8 2.2.3 Đo vận tốc gió 12 2.2.4 Đo hướng gió 14 2.2.5 Cường độ sáng 16 2.2.6 Áp suất khí quyển 17 2.2.7 Truyền thông 18 2.2.8 Bộ vi xử lý trung tâm 18 2.2.9 Khối nguồn20 5 5 7 CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ PHẦN MỀM QUẢN LÝ TRẠM 23 3.1 TỦ TRUNG TÂM 23 3.1.1 Quy trình hoạt động 3.1.2 Sơ đồ khối 24 23 3.1.3 Sơ đồ đấu dây của tủ trung tâm 3.1.4 Lưu đồ giải thuật 26 3.2 PHẦN MỀM QUẢN LÝ TRẠM 31 3.2.1 Giao diện phần mềm GUI 31 3.2.2 Sơ đồ giải thuật 3.3 26 38 DỰ BÁO THỜI TIẾT 42 3.3.1 Vai trò dự báo thời tiết42 3.3.2 Nguyên lý dự báo thời tiết 44 3.3.3 Phân tích số liệu thời tiết dựa trên quan trắc 46 3.3.4 Ứng dụng mạng Nơ-ron trong dự báo thời tiết CHƯƠNG 4. THI CÔNG MÔ HÌNH TRẠM 52 4.1 MÔ HÌNH TRẠM 52 4.2 KẾT LUẬN 54 4.2.1 Hạn chế 54 4.2.2 Triển vọng đề tài 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 PHỤ LỤC A 2 47 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1-1 Cấu trúc một chuỗi thông tin truyền đi.....................................................4 Hình 2-1 Mô hình hoạt động tổng quan hệ thống thu nhận thông tin thời tiết.........5 Hình 2-2 Sơ đồ khối hệ thống trạm..........................................................................6 Hình 2-3 Cảm biến DHT21......................................................................................7 Hình 2-4 Đo mực nước bằng siêu âm.......................................................................8 Hình 2-5 Đo lượng nước bằng cảm biến lưu lượng.................................................9 Hình 2-6 Cấu tạo máng mưa nhỏ giọt....................................................................10 Hình 2-7 Cảm biến lưỡi gà.....................................................................................10 Hình 2-8 Cảm biến mưa.........................................................................................11 Hình 2-9 Cảm biến đo tốc độ gió SF-01.................................................................12 Hình 2-10 Mặt cắt trục cảm biến tốc độ gió...........................................................13 Hình 2-11 Cảm biến hiệu ứng trường Hall............................................................14 Hình 2-12 Encoder.................................................................................................14 Hình 2-13 Cánh gió điều hướng.............................................................................15 Hình 2-14 Xung vuông 2 kênh phân biệt chiều quay..............................................15 Hình 2-15 Cảm biến cường độ sáng BH1750.........................................................16 Hình 2-16 So áp sử dụng opam LM393..................................................................17 Hình 2-17 Cảm biến áp suất khí quyển BMP180...................................................17 Hình 2-18 ESP8266................................................................................................18 Hình 2-19 Arduino Mega 2560 board trung tâm....................................................19 Hình 2-20 Arduino UNO board phụ.......................................................................19 Hình 2-21 Bộ chuyển nguồn...................................................................................21 Hình 2-22 Mạch nguồn 5V-3A...............................................................................22 Hình 3-1 Quy trình xử lý của Aduino trung tâm.....................................................23 Hình 3-2 Sơ đồ khối hướng đi tín hiệu...................................................................24 Hình 3-3 Chuỗi thông tin sau tính toán từ Arduino................................................25 Hình 3-4 Tính toán lượng mưa trên Arduino.........................................................26 Hình 3-5 Sơ đồ phân loại đóng khuôn dữ liệu........................................................28 Hình 3-6 Sơ đồ quá trình truyền gói tin từ trạm lên máy chủ.................................29 Hình 3-7 Địa chỉ IP công khai...............................................................................31 Hình 3-8 Giao diện chính phần mềm.....................................................................31 Hình 3-9 Cụm gió...................................................................................................33 Hình 3-10 Cụm nhiệt độ.........................................................................................33 Hình 3-11 Cụm độ ẩm, áp suất khí quyển..............................................................34 Hình 3-12 Cụm lượng mưa.....................................................................................34 Hình 3-13 Cụm ánh sáng.......................................................................................35 Hình 3-14 Cụm áp suất khí quyển..........................................................................35 Hình 3-15 Cụm độ cao theo mực nước biển...........................................................35 Hình 3-16 Cụm cài đặt...........................................................................................35 Hình 3-17 Cụm thống kê........................................................................................37 Hình 3-18 Phần giới thiệu......................................................................................37 Hình 3-19 Quy trình hoạt động của phần mềm máy chủ........................................38 Hình 3-20 Quy trình nhận gói tin...........................................................................38 Hình 3-21 Tách và khôi phục dữ liệu ban đầu.......................................................39 Hình 3-22 Mô hình mạng nơ-ron...........................................................................49 Hình 3-23 Cấu trúc mạng nơ-ron...........................................................................49 Hình 3-24 Hàm chuyển đổi...................................................................................50 Hình 3-25 Giải thuật dự báo..................................................................................51 Hình 4-1 Mô hình tổng quan hệ thống...................................................................52 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1. Bảng giá trị điện áp và dòng điện các thành phần trong hệ thống.............20 Bảng 2. Bảng tính hướng gió...................................................................................40 Bảng 3. Bảng quy định cấp gió ở Việt Nam.............................................................41 Bảng 4 Bảng Độ ẩm, nhiệt độ thích hợp với con người...........................................44 Bảng 5. Bảng phân tích dự báo thời tiết..................................................................47 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AWS Automatic Weather Station UART Universal Asynchronous Receiver – Transmitter TCP/IP Transmission Control Protocol / Internet Protocol I2C Inter Integrated Circuit COM communication ANN Artificial Neural Networks AWS Automatic Weather Station TX Transmitter RX Receiver LSB least significant bit MSB most significant bit DC direct current EEPROM Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 1/56 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TRẠM THÔNG TIN THỜI TIẾT TỰ ĐỘNG 1.1 Lý do chọn đề tài Mỗi ngày, hàng trăm ngàn trung tâm dự báo thời tiết trên toàn thế giới đang làm nhiệm vụ thu thập dữ liệu sự biến đổi thời tiết, sự di chuyển các khối khí áp từ đó phân tích đưa ra cảnh báo để người dân tìm cách ứng phó, thích nghi với thời tiết hợp lý. Từ lâu, bản tin thời tiết hàng ngày đã quá quen thuộc với mỗi người, như một phần không thể thiếu trong đời sống thường nhật. Trung bình mỗi năm Việt Nam hứng chịu từ 10-15 cơn bão (VD: trong năm 2017 Việt nam đón nhận 16 cơn bão ) . Dù đã được cảnh báo từ sớm tuy nhiên chỉ khi bão càng quét qua thì lúc đó người ta mới thấy được mức độ tàn phá gây ra của nó, những hậu quả vô cùng nặng lên người dân đặc biệt biệt là nông dân và ngư dân khi mà hoạt động sản xuất phụ thuộc rất nhiều vào biến đổi thời tiết, khí hậu. Hệ thống dự báo thời tiết ở Việt Nam còn yếu kém. Số lượng trạm quan trắc ít, công nghệ dự báo còn thấp. Thấu hiểu sự khó khăn của người dân mỗi mùa mưa, bão nhằm hạn chế tối đa tác hại của thời tiết thì công tác dự báo phải đặc lên hàng đầu và xứng đáng nhận sự đầu tư công nghệ, hiện đại hóa trạm dự báo thời tiết còn rất “thủ công” ở Việt Nam. TRẠM THÔNG TIN THỜI TIẾT TỰ ĐỘNG ra đời vì lý do ấy. 1.2 Phạm vi thực hiện của đề tài Trạm thông tin thời tiết tự động (tên tiếng Anh Automatic Weather Station gọi tắt AWS) là một trạm thu thập dữ liệu về các điều kiện thời tiết gửi về trung tâm dự báo thông qua internet từ đó trung tâm phân tích số liệu và đưa dự báo thời thời tiết. Các điều kiện thời tiết trạm có thể thu thập:  Nhiệt độ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 2/56  Độ ẩm  Lượng mưa  Tốc độ và hướng gió  Cường độ sáng.  Áp suất khí quyển AWS hoạt động xuyên suốt 24/24, liên tục cập nhật dữ liệu về trung tâm. Dựa vào số liệu thu thập được từ trạm máy chủ trung tâm phân tích số liệu thống kê và đưa kết quả dự báo thời tiết trong vài giờ tiếp theo. 1.3 Khả năng ứng dụng rộng rãi của AWS Chi phí sản xuất thấp nên việc nhân rộng trạm AWS tăng mật độ trạm quan trắc thời tiết hiện nay khá dễ dàng, đặc biệt ở khu vực vùng cao khó khăn về điều kiện kính tế. Trạm có thể đặt ở khu dân cư với mục đích dự báo thời tiết hoặc quy mô hộ gia đình, nông trại với nhu cầu chỉ cần đo đạc một số yếu tố thời tiết cơ bản. AWS có thể chạy độc lập mà không cần nguồn điện áp dân dụng và khả năng kết nối từ xa thông qua kết nối internet nên thích hợp lắp đặt ở khu vực vùng sâu vùng xa, miền núi, hải đảo hay trên thuyền… Hướng phát triển tiếp theo AWS có thể thu thập dữ liệu lưu trữ ngoại tuyến và khả năng kết nối với mạng lưới hệ thống dự báo thời tiết toàn cầu. 1.4 Cơ sở lý thuyết 1.4.1 Giao thức TCP/IP Giao thức kiểm soát truyền tải (Transmission Control Protocol - TCP) và Giao thức Internet (Internet Protocol - IP). TCP/IP ban đầu được Vint Cerf và Bob Kahn xây dựng theo hợp đồng tại Bộ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 3/56 Quốc phòng Mỹ. TCP/IP là một chuẩn phổ biến mà các mạng nội bộ và diện rộng có thể giao tiếp, cho phép các máy tính kết nối với nhau và cho các ứng dụng để gửi dữ liệu đi và về. Có 4 lớp trừu tượng khác nhau trong TCP/IP, và mỗi lớp có một bộ giao thức riêng. Các lớp này gồm:  Lớp kết nối (link layer) - Đây là lớp thấp nhất trong ngăn TCP/IP và là một nhóm phương thức vận hành trên một kết nối của máy chủ, thường được biết đến là Ethernet.  Lớp Internet (IP) - Đây là lớp kết nối các mạng nội bộ với nhau.  Lớp truyền tải (transport layer) (TCP) - Đây là lớp điều khiển giao tiếp máy chủ tới máy chủ.  Lớp ứng dụng (application layer) - Lớp ứng dụng là một tập hợp các giao thức cụ thể giao tiếp dữ liệu trên một lớp quá trình tới quá trình. 1.4.2 Truyền thông nối tiếp UART UART là viết tắt của Universal Asynchronous Receiver – Transmitter. UART được tích hợp trên hầu hết vi điều khiển và PC/laptop với tên gọi cổng COM, tốc độ truyền nhận trong khoảng từ 9600 - 200000 baud. Để đồng bộ tốc độ truyền thì mỗi vi điều khiển sẽ tạo xung clock của nó theo tốc độ baudrate quy định khi lập trình. Cách thức truyền dữ liệu bằng UART  Để bắt đầu cho việc truyền dữ liệu bằng UART, một START bit được gửi đi, sau đó là các bit dữ liệu và kết thúc quá trình truyền là STOP bit. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 4/56 Hình 1-1 Cấu trúc một chuỗi thông tin truyền đi  Khi ở trạng thái chờ mức điện thế ở mức 1 (high). Khi bắt đầu truyền START bit sẻ chuyển từ 1 xuống 0 để báo hiệu cho bộ nhận là quá trình truyền dữ liệu sắp xảy ra. Sau START bit là đến các bit dữ liệu D0-D7 Cuối cùng là STOP bit là 1 báo cho thiết bị rằng các bit đã được gửi xong. Thiết bị nhận sẽ tiến hành kiểm tra khung truyền nhằm đảm báo tính đúng đắn của dữ liệu. Các thông số cơ bản trong truyền nhận UART:  Baundrate (tốc độ baund ): Khoảng thời gian dành cho 1 bit được truyền. Phải được cài đặt giống nhau ở gửi và nhận.  Frame (khung truyền ): Khung truyền quy định về số bit trong mỗi lần truyền.  Start bit : là bit đầu tiên được truyền trong 1 Frame. Báo hiệu cho thiết bị nhận có một gói dữ liệu sắp đc truyền đến. Bit bắt buộc.  Data : dữ liệu cần truyền. Bit có trọng số nhỏ nhất LSB được truyền trước sau đó đến bit MSB.  Parity bit : kiểm tra dữ liệu truyền có đúng không.  Stop bit : là 1 hoặc các bit báo cho thiết bị rằng các bit đã được gửi xong. Thiết bị nhận sẽ tiến hành kiểm tra khung truyền nhằm đảm bảo tính đúng đắn của dữ liệu. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 5/56 CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TRẠM 2.1 Cấu trúc hệ thống AWS Hình 2-2 Mô hình hoạt động tổng quan hệ thống thu nhận thông tin thời tiết Trạm thông tin thời tiết AWS trong quá trình hoạt động, trạm thu thập các yếu tố thời tiết, thông tin được gửi về máy chủ thông qua 2 phương thức sau:  Thông qua Serial Port Communication: Gọi tắt cổng COM của trạm với máy tính. Trên phần mềm quản lý được lập trình bằng GUI của phần mềm Matlab sẽ truy xuất dữ liệu của trạm thu thập được hoặc cấu hình lại trạm thông qua Arduino IDE.  Thông qua internet: Dữ liệu liên tục được cập nhật gửi về máy chủ có cài phần mềm quản lý trạm. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 6/56 NHIỆT ĐỘ, KHỐI ĐỘ ẨM NGUỒN HƯỚNG GIÓ ÁP SUẤT TRUNG KHÍ TÂM XỬ LÝ LƯỢNG TRUYỀN CƯỜNG ĐỘ MƯA THÔNG SÁNG TỐC ĐỘ GIÓ Hình 2-3 Sơ đồ khối hệ thống trạm Chiều tín hiệu cảm biến Kết nối RX Kết nối TX Cấu trúc AWS gồm 4 phần cơ bản:  Thu thập dữ liệu từ cảm biến o Cảm biến nhiệt độ / độ ẩm DHT21 o Cảm biến cường độ sáng BH1750 o Tốc độ gió dựa trên cảm biến trường Hall o Lượng mưa dựa trên cảm biến lưỡi gà. o Hướng gió dựa trên Encoder 2 kênh A, B o Cảm biến áp suất khí quyển BMP180 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 7/56  Bộ xử lý trung tâm o Board ARDUINO Mega 2560 o Board ARDUINO Uno R3  Truyền thông o NodeMCU Wifi ESP8266 o Module SIM800A  Nguồn o Bộ chuyển nguồn dùng MOSFET IRF9640 o Mạch nguồn chính LM2576 (DC 5V-3A) o Tấm pin năng lượng mặt trời ( thay thế bằng Acquy 12V-2A) 2.2 Phần cứng cảm biến 2.2.1 Nhiệt độ, độ ẩm Nhiệt độ và độ ẩm được thu thập qua cảm biến DHT21. Arduino trung tâm đọc tín hiệu tương tự rồi chuyển đổi thành số. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 8/56 Hình 2-4 Cảm biến DHT21 Thông số cảm biến:         Nguồn cung cấp: 3.3 - 5.5V Tín hiệu ra: tín hiệu số Giá trị đo: Độ ẩm: 0-100%RH giá trị đo : Nhiệt độ: -40 ~ 80 độ C Sai số đo: Độ ẩm: ±2%RH Sai số đo: Nhiệt độ: ±0.5 độ C Độ phân giải: Độ ẩm: 0.1%RH Độ phân giải: Nhiệt độ: 0.1 độ C 2.2.2 Lượng mưa Phương pháp đo lượng mưa thủ công: Nếu lấy một dụng cụ nào đó, có hình trụ, đặt ở ngoài trời để đo lượng mưa thì chiều dày của lớp nước mưa đo được trong dụng cụ đo đó chính là lượng mưa. Dụng cụ đo lượng mưa được gọi là vũ lượng kế.Vậy để tự động đo lượng mưa trong vũ lượng kế ta đi đo thể tích của nước mưa thu được có trong vật chứa. Các cách xác định thể tích nước trong vật chứa: Dùng cảm biến siêu âm với phao nổi. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 9/56 Hình 2-5 Đo mực nước bằng siêu âm  Thành phần: o Cảm biến siêu âm đặt trên miệng bồn chứa nước mưa. o Phao nằm trên bề mặt nước và dâng lên hạ xuống theo mực nước.  Nguyên lý: o Cảm biến siêu âm phát ra siêu âm gặp phao phản xạ lại và thu về từ đầu bên kia cảm biến dựa vào thời gian có thể tính toán được khoảng cách từ cảm biến đến phao.  Khuyết điểm: o Sai số cảm biến lớn 0.3-0.7cm o Nước trong bình chứa không tự xả ra khi đầy nên yêu cầu thiết kế bộ van xả tự động. Tuy nhiên van xả chỉ áp dụng được khi áp lực nước lớn. Dùng cảm biến lưu lượng nước ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 10/56 Hình 2-6 Đo lượng nước bằng cảm biến lưu lượng  Thành phần: máng tròn hứng mưa, ống dẫn và cảm biến lưu lượng nước.  Nguyên lý: o Khi nước mưa rớt xuống máng thì đi qua ống của cảm biến lưu lượng từ đó xác định lưu lượng và thể tích nước mưa thu được.  Khuyết điểm: o Đối với lượng mưa nhỏ không đủ lượng nước để cánh quạt cảm biến xoay nên không thể xác định chính xác nước mưa thu thập được. Phương pháp nhỏ giọt áp dụng trong vũ lượng kế tự ghi: Hình 2-7 Cấu tạo máng mưa nhỏ giọt Thể tích nước hứng tối đa trên máng: ½ x1x3x1.5mm xấp xỉ 2ml  Cấu tạo một một máng mưa nhỏ giọt gồm có: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 11/56 o Nam châm tròn được gắn trên đỉnh máng. o Máng nước bập bênh được cố định bởi trục ngang như hình 2-6. o Hai rãnh thoát nước khi máng nước đầy sẽ thoát ra từ đây o Hai nút vặn để độ chỉnh độ ngã của máng theo mức nước mưa hứng được. o Phía trên cùng là quặn hứng nước và ống nhỏ giọt o Cuối cùng phần cảm biến lưỡi gà đặt cánh nam châm một khoảng 3-4cm. Hình 2-8 Cảm biến lưỡi gà  Thông số cảm biến: o Điện áp: 5VDC o Dòng tiêu thụ: 50mA o Tín hiệu: Digital  Nguyên lý: o Cảm biến là sẽ có tín hiệu khi đưa lại gần nam châm và trở về trạng thái chờ khi không có từ trường nam châm. o Khi trời mưa, nước rơi vào quặn tròn sau đó qua ống nhỏ giọt. Nước mưa nhỏ giọt từ từ về một bên máng mưa. Nam châm được gắn trên đầu giữa máng ngã về phía cảm biến lưỡi gà, cảm biến có tín hiệu và tính một lần đếm trong Arduino. Nước chứa trong máng từ từ chảy ra lỗ thoát. o Nước mưa tiếp tục đổ về qua ống dẫn nhưng ở phần bên kia máng mưa, khi đủ lượng nước máng ngã về bên kia làm cho nữa máng bên ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 12/56 này xa lưỡi gà, cảm biến trở về trạng thái chờ kết thúc một chu trình đếm.  Ưu điểm: o Độ chính xác cao vì lượng nước mưa nhỏ cũng đủ để máng mưa bập bênh. o Ngoài ra để chắc chắn là trời đã mưa ở đây dùm thêm một cảm biến xác định nước mưa. Hình 2-9 Cảm biến mưa Cảm biến mưa  Thông số cảm biến: o Điện áp: 5VDC o Dòng điện: 0.1A o Tín hiệu: dạng số, dạng tương tự.  Cảm biến gồm 2 phần: board mạch chính và máng hứng nước. Khi nước mưa rớt xuống bề mặt máng mưa càng nhiều thì giá trị tín hiệu điện ngõ ra càng cao.  Chức năng cảm biến mưa đây là phần phụ trong phần đo đạc lượng mưa mục đích cảm biến là xác định chắc chắn có mưa hay không vì cảm biến cường độ sáng chỉ đo được mức sáng.  Ngoài ra cảm biến mưa còn giúp xác định hiện tượng mưa cám hoặc mưa phùn, mưa nhỏ. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 13/56 2.2.3 Đo vận tốc gió Cảm biến được sản xuất phân phối ở Trung Quốc nên thiếu tài liệu và phần mềm hỗ trợ. Vì lý do đó tác giả chỉ sử dụng phần vỏ, loại bỏ đi tất cả mạch điện tử bên trong và thay thế bằng cảm biến trường Hall. Hình 2-10 Cảm biến đo tốc độ gió SF-01
- Xem thêm -