Tài liệu Xây dựng hệ thống đo đạc, thu thập và xử lý tín hiệu số các thông số môi trường từ xa qua mạng ethernet.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI BÁO CÁO TỔNG KẾT KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU CẤP ĐẠI HỌC QUỐC GIA Tên đề tài: Xây dựng hệ thống đo đạc, thu thập và xử lí tín hiệu số các thông số môi trường từ xa qua mạng Ethernet Mã số đề tài: QG.12.02 Chủ nhiệm đề tài: TS. Đỗ Trung Kiên Hà Nội, tháng 09 năm 2014 MỤC LỤC PHẦN I. THÔNG TIN CHUNG .................................................................................... 2 PHẦN II. NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ................................................. 3 1. Đặt vấn đề............................................................................................................... 3 2. Mục tiêu ................................................................................................................. 3 3. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................ 4 4. Tổng kết kết quả nghiên cứu .................................................................................. 4 5. Đánh giá về các kết quả đã đạt và kết luận .......................................................... 20 6. Tóm tắt kết quả ..................................................................................................... 21 PHẦN III. SẢN PHẨM, CÔNG BỐ VÀ KẾT QUẢ ĐÀO TẠO CỦA ĐỀ TÀI ....... 23 PHẦN IV. TỔNG HỢP KẾT QUẢ CÁC SẢN PHẨM KH&CN và ĐÀO TẠO CỦA ĐỀ TÀI ............................................................................................................................ 25 PHẦN V. TÌNH HÌNH SỬ DỤNG KINH PHÍ ............................................................ 26 PHẦN VI. KIẾN NGHỊ ................................................................................................. 26 PHẦN VII. PHỤ LỤC .................................................................................................... 28 1 PHẦN I. THÔNG TIN CHUNG 1. Tên đề tài/dự án: Xây dựng hệ thống đo đạc, thu thập và xử lí tín hiệu số các thông số môi trường từ xa qua mạng Ethernet QG.12.02 2. Mã số: 3. Danh sách chủ nhiệm, thành viên tham gia thực hiện đề tài/dự án Đơn vị công tác Chức danh thực hiện đề tài/dự án 1 TS. Đỗ Trung Kiên Khoa Vật lý Chủ trì 2 NCS. Trần Vĩnh Thắng Khoa Vật lý Ủy viên 3 NCS. Lê Quang Thảo Khoa Vật lý Ủy viên 4 TS. Nguyễn Ngọc Đỉnh Khoa Vật lý Ủy viên 5 CN. Đàm Trung Thông Đã tốt nghiệp Ủy viên 6 CN. Nguyễn Thế Ninh Đã tốt nghiệp Ủy viên TT Chức danh, học vị, họ và tên 4. Tổ chức chủ trì: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội 5. Thời gian thực hiện: 5.1 Theo hợp đồng: từ tháng 10 năm 2012 đến tháng 10 năm 2014 5.2 Gia hạn (nếu có): Không 5.3 Thực hiện thực tế: từ tháng 10 năm 2012 đến tháng 10 năm 2014 6. Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu: Điều chỉnh sản phẩm: “Hệ đo từ xa các thông số môi trường, ứng dụng cho các trạm quan trắc môi trường, các cảnh báo ô nhiễm môi trường” Thành : “Hệ đo từ xa các thông số môi trường định hướng ứng dụng cho các trạm quan trắc môi trường và cảnh báo ô nhiễm môi trường” Nguyên nhân: Việc ứng dụng cho các trạm quan trắc môi trường đòi hỏi thời gian, kinh phí triển khai và sự cho phép của các đơn vị chức năng liên quan nên trong phạm vi đề tài chưa thực hiện được. Ý kiến của Cơ quan quản lý: Đồng ý cho phép (Có Phiếu đề nghị thay đổi trong quá trình thực hiện đề tài KHCN của ĐHQGHN đã được phê duyệt kèm theo) 7. Tổng kinh phí được phê duyệt của đề tài, dự án: 180 triệu đồng. 2 PHẦN II. TỔNG QUAN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Đặt vấn đề Việc đo lường và thu thập các thông số môi trường luôn là một vấn đề được các nhà khoa học quan tâm, đặc biệt với các biến đổi môi trường theo chiều hướng tiêu cực trong những năm gần đây. Thông tin các thông số này được phân tích xử lý và đưa ra các khuyến cáo, cảnh báo về chất lượng cuộc sống hay các thảm họa tự nhiên. Điều này tưởng chừng đơn giản, nhưng khi nhìn nhận việc thu thập thông tin trong thời gian dài, tại nhiều địa điểm khác nhau, tại những vùng miền không tiện giao thông, sinh hoạt, thì đây lại là vấn đề rất khó khăn về thời gian, chi phí cho các nhà khoa học. Trong các kỹ thuật đo lường, các hệ thống thu thập và xử lý dữ liệu tự động rất phổ biến. Việc sử dụng các hệ này sẽ tiết kiệm được nhiều về chi phí và thời gian [1-6]. Số liệu được thu thập và về cơ bản sẽ được hiện thị theo thời gian thực trên màn hình chỉ thị LCD [7,8]. Một số hệ khác phát triển hơn, có thể lưu trữ dữ liệu trong bộ nhớ trong hoặc xuất ra bộ nhớ ngoài. Các hệ này sẽ cho phép thu thập được số liệu trong thời gian dài hơn [9,10]. Tuy nhiên, vì các thông số môi trường phải được ghi nhận ở các địa điểm khác nhau, liên tục, thời gian thực nên nếu đơn thuần chỉ lưu trong bộ nhớ thì không thể giải quyết được triệt để vấn đề. Với sự phát triển không ngừng của kỹ thuật truyền tin di động, mạng dữ liệu bao phủ khắp toàn cầu, bài báo này trình bày về việc thực hiện ý tưởng là đưa các số liệu thu thập từ các thông số môi trường của các hệ trên, truyền dẫn không dây qua dịch vụ GPRS và đưa vào lưu trữ trong mạng quản trị cơ sở dữ liệu mở MySQL. Người dùng có thể lấy được số liệu từ bất cứ đâu mà không nhất thiết phải đến tận nơi đặt hệ thống. 2. Mục tiêu - Để khảo sát các thông số của môi trường, đề tài đã lựa chọn bốn thông số tiêu biểu mà nếu có biến động, những thông số này sẽ là các cảnh báo chính những nguy cơ hiểm họa có thể xảy ra. Đó là: nhiệt độ môi trường, độ ẩm tương đối, tiếng ồn, và nồng độ CO2. Bốn thông số này sẽ được đo bởi các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, tiếng ồn và CO2. - Xây dựng Web Server thuận tiện cho việc đo đạc và thu thập thông tin từ xa, không cần phải có mặt tại hiện trường, đồng thời có thể lấy được, quản lý được các luồng thông tin tại nhiều trạm khác nhau, đặc biệt có thể lấy dữ liệu tại những nơi không có mạng Ethernet có dây. Mô hình của hệ thống được mô tả trên hình 1. Khối thu thập và xử lý tín hiệu sử dụng vi điều khiển. Chỉ mới một vi mạch vi điều khiển, tín hiệu đưa vào được có thể được thu thập, xử lý dữ liệu, và có thể đưa ra các tín hiệu phản hồi để điều khiển, cảnh báo. Vì rằng dữ liệu các thông số môi trường được lấy vào liên tục, nên lượng dữ liệu gần như là liên tục (real-time) nên sau khi xử lý thông tin xong, các dữ liệu luôn được lưu trữ để có thể sử dụng cho mục đích khảo sát, theo dõi sau này. Đề tài này sẽ thực hiện cả 3 phương án: lưu trữ trên máy tính và thẻ nhớ để có thể dễ dàng đưa vào các máy tính cá 3 nhân để xử lý dữ liệu; lưu trữ trên máy chủ nội bộ (local server) để các máy tính trong hệ thống có thể truy cập lấy dữ liệu; và đặc biệt, theo hướng chính, điểm mới của đề tài là việc truyền tín hiệu lên mạng di động không dây GPRS. Dữ liệu được lưu vào máy chủ của dịch vụ internet. Người sử dụng, chỉ cần có quyền truy cập là có thể truy cập vào máy chủ này từ bất cứ nơi nào có mà máy tính có internet để lấy dữ liệu. Đây là một ý nghĩa quan trọng của đề tài: thu thập, xử lý dữ liệu các thông số môi trường từ xa. Máy chủ trên mạng Ethernet Cảm biến nhiệt độ Mạng di động Cảm biến độ ẩm Cảm biến tiếng ồn Cảm biến CO2 Phát trên GPRS Vi điều khiển thu thập và xử lý dữ liệu Lưu trữ: máy chủ nội bộ Lưu trữ: máy tính, thẻ nhớ Hình 1. Sơ đồ khối hệ thống đo đạc, thu thập và xử lí tín hiệu số các thông số môi trường từ xa qua mạng Ethernet 3. Phương pháp nghiên cứu 3.1 Phương pháp tiếp cận Tìm hiểu và vận hành một số sản phẩm có trên thị trường, tìm hiểu các tài liệu kĩ thuật tương ứng để từ đó xây dựng ra các tiêu chí chuẩn cho hệ thống sẽ xây dựng, sao cho đáp ứng được các yêu cầu cần thiết tương ứng như số đại lượng đo, dải đo, độ chính xác, điều kiện và môi trường vận hành. 3.2 Phương pháp nghiên cứu - Thiết kế toàn bộ hệ thống; Phân tích hệ thống, chia nhỏ thành từng module - Nghiên cứu, thiết kế chế tạo và kiểm tra hoạt động từng module - Ghép lại hoàn chỉnh hệ thống; Kiểm tra hoạt động và vận hành hệ thống - Đo đạc, đánh giá các kết quả thu nhận được. 4. Tổng kết kết quả nghiên cứu 4.1 Các đối tượng đo lường và các thiết kế tương ứng ĐO NHIỆT ĐỘ Nhiệt độ môi trường là đại lượng quan trọng, ảnh hưởng lớn tới mọi sinh vật cũng như con người, trang thiết bị vật tư. Do đó đo nhiệt độ môi trường là công việc rất quan trọng để đánh giá các thông số của môi trường. Yêu cầu là đo nhiệt độ của môi trường, trong điều kiện ở nước ta thì nhiệt độ nằm trong khoảng từ 0oC đến 50oC. Để đo nhiệt độ, đề tài sử dụng 03 cảm biến nhiệt độ: - IC DS18B20 [14] của MAXIM: khả năng phân giải nhiệt độ từ -55oC đến 125oC với độ phân giải từ 9 đến 12 bit, độ chính xác 0.5oC. Là IC đo nhiệt độ giao tiếp số, mỗi giá trị của nhiệt độ tương ứng với một con số nhị phân trong một độ phân giải xác định. 4 - IC DHT11: Tín hiệu đầu ra là tín hiệu số. Cảm biến này bao gồm 1 thành phần đo đạc nhạy ẩm và một thành phần đo lường nhiệt độ NTC, và khi được kết nối với một vi điều khiển 8-bit hiệu năng cao thì sẽ cung cấp được một chất lượng khá tốt, phản ứng nhanh, khả năng ổn định chống nhiễu và giá thành rẻ. - IC SHT15 của hãng Sensirion [12]: có thể đo đồng thời hai thông số của môi trường là nhiệt độ và độ ẩm. Tín hiệu lối ra dạng số, có thể đọc và ghi vào vi điều khiển. Dải nhiệt độ đo từ -10oC đến 55oC, dải độ ẩm từ 0 % RH - 100 % RH. Độ chính xác của nhiệt độ và độ ẩm tương ứng là ± 0.5 °C và ± 2.0 %RH. Cả ba loại cảm biến này đều có các thông số và cấu hình giao tiếp phù hợp với mục đích của hệ đo thông số môi trường của đề tài. Cảm biến DS18B20 Cảm biến nhiệt độ DS18B20 sử dụng giao tiếp “1-dây” (1-wire). Đầu đo nhiệt độ số DS18B20 đưa ra số liệu để biểu thị nhiệt độ đo được dưới dạng mã nhị phân 9 đến 12 bit. Chỉ cần hai đường dẫn gồm một đường cho tín hiệu và một đường làm dây đất là đủ để kết nối vi điều khiển đến điểm đo. Nguồn nuôi cho các thao tác ghi/đọc/chuyển đổi có thể được cấp riêng hoặc được trích từ đường tín hiệu. Hình ảnh DS18B20 như trên hình 2. Hình 2. Hình ảnh thực của cảm biến nhiệt độ DS18B20 Giao tiếp chuẩn 1-dây là giao tiếp với hệ thống giao bus dữ liệu chỉ có 1 dây đường truyền được thiết kế bởi hãng bán dẫn Dallas Semiconductor Corp. Chuẩn 1-dây dựa trên chuẩn giao tiếp I2C, cho phép truyền dữ liệu ở tốc độ thấp với khoảng cách lớn, và có khả năng tự cấp nguồn ngay trên đường tín hiệu. Cho phép kết nối nhiều thiết bị trên cùng một đường bus. Mỗi thiết bị được đặc trưng bởi mã code riêng. Do tính tiện lợi, nhỏ gọn, dễ lắp đặt, kinh tế nên chuẩn giao tiếp 1-dây thường được dùng cho các hệ thu thập số liệu như các đầu đo nhiệt độ, độ ẩm…(hình 3) Hình 3. Mạch giao tiếp của DS18B20 với vi điều khiển Khảo sát căn chỉnh và chuẩn hóa hệ đo nhiệt độ dùng DS18B20: Việc khảo sát hệ đo nhiệt độ được thực hiện bằng cách cho cảm biến nhiệt độ đo nhiệt độ của nước cân bằng nhiệt với một nhiệt kế lấy làm chuẩn (ở đây là nhiệt kế Ebro 5 TTX 100 của Đức). Quá trình khảo sát lấy số liệu chia thành hai giai đoạn. Giai đoạn 1, đo nhiệt độ của 1 cốc nước đá đang tan, để đá tan hết rồi, nhiệt độ của cốc nước tăng dần về nhiệt độ môi trường (22.4 0C) và ghi số liệu. Giai đoạn 2, đo nhiệt độ của cốc nước nóng, để nước nóng nguội dần về nhiệt độ môi trường (22.4 0C) và ghi số liệu. (hình 4) Hình 4. Khảo sát đánh giá hệ đo nhiệt độ dùng DS18B20 với nhiệt kế TTX 100 Ebro Độ lệch chuẩn: 0.168. Bản thân thiết bị đọc chuẩn có sai số 0.5 0C. Do đó sai số đo nhiệt độ của hệ thống là: 0.67 0C Cảm biến DHT11 Hình ảnh DHT11 được đưa ra trên hình 5, sơ đồ hoạt động ghép với vi điều khiển (hình 6). Hình 5. Hình ảnh của cảm biến DHT11 Hình 6 Ghép nối DHT11 với vi điều khiển Đặc tính kỹ thuật của DHT11: - Khoảng đo: 20-90 %RH, 0-50 oC - Sai số độ ẩm: ±5 %RH - Sai số nhiệt độ: ± 2 oC - Độ phân giải: 1 %RH, 1 oC Thông tin đo đạc từ cảm biến DHT11 trong 5 byte dữ liệu: Byte 1: Giá trị phần nguyên của độ ẩm (RH%); Byte 2: Giá trị phần thập phân của độ ẩm(RH%); Byte 3: Giá trị phân nguyên của nhiệt độ (TC); Byte 4: Giá trị phần thập phân của nhiệt độ (TC); Byte 5: Kiểm tra tổng. 6 Cảm biến SHT15 Cảm biến SHT15 được mô tả trong hình 7. Sơ đồ giao tiếp với vi điều khiển trên hình 8. Hình 7. Hình ảnh của cảm biến SHT15 Hình 8 Ghép nối với vi điều khiển Đặc tính kỹ thuật của SHT15: - Khoảng đo: 0 - 100% RH, -40 - 123,8 oC; Sai số độ ẩm: ±5 %RH - Sai số nhiệt độ: ±2 oC; Độ phân giải: 0,05 %RH, 0,01 oC ĐO ĐỘ ẨM Để đo độ ẩm tương đối của môi trường có thể sử dụng cảm biến với điện dung hoặc điện trở thay đổi phụ thuộc vào độ ẩm không khí. Đề tài lựa chọn các cảm biến sau: - Cảm biến loại điện dung HS1100 được sản xuất bởi Humirel. - Cảm biến DHT11 - Cảm biến SHT15 Cảm biến đo độ ẩm HS1100 Độ ẩm tương đối là đại lượng đặc trưng cho lượng hơi nước trong không khí, được xác định bằng tỷ số giữa áp suất hỗn hợp khí và hơi nước hiện tại với áp suất hơi nước bão hòa cũng có nghĩa là tỷ số giữa khối lượng nước trong một thể tích so với khối lượng nước trên cùng thể tích đó khi hơi nước bão hòa. Đơn vị của độ ẩm tương đối là %. Khác với độ ẩm tuyệt đối, độ ẩm tương đối đánh giá được khả năng còn có thể nhận thêm độ ẩm, hoặc bốc hơi, khả năng đạt đến ngưng tụ hơi nước. Độ ẩm tương đối của môi trường ảnh hưởng tới khả năng bốc hơi hoặc bị làm ẩm của vật, sinh vật đặt trong môi trường đó. Do đó việc đo độ ẩm tương đối là rất quan trọng để đánh giá môi trường, bảo quản vật tư, trang thiết bị, ảnh hướng lớn tới con người cũng như sự phát triển của sinh vật. Cảm biến đo độ ẩm tương đối Hình ảnh cảm biến HS1100 trên hình 9. Mạch điện nguyên lý trên hình 10. 7 Hình 9. Cảm biến độ ẩm tương đối HS1100 Hình 10. Sơ đồ nguyên lý đo độ ẩm sử dụng HS1101 Đặc tính kỹ thuật của HS1100: - Khoảng đo: 0 - 100 %RH; Sai số độ ẩm: ±2 %RH Cảm biến này đã được nhà sản xuất đưa ra hàm phụ thuộc của giá trị điện dung vào độ ẩm tương đối của không khí. C(pF) = C0 (1,25x10-7 RH3 – 1,36x10-5 RH2 + 2,19x10-3 RH + 9,0x10-1) Trong đó: C là điện dung của cảm biến ở độ ẩm hiện tại; RH % là độ ẩm không khí hiện tại; C0 là điện dung của ứng với độ ẩm tương đối là 55%. Biểu đồ phụ thuộc điện dung vào độ ẩm tương đối của cảm biến cho bởi nhà sản xuất chỉ ra trên hình 11. Từ biểu đồ ta thấy sự phụ thuộc điện dung của cảm biến vào độ ẩm tương đối từ 0% tới 100% là gần tuyến tính. Và trong thực nghiệm ta có thể coi là tuyến tính. Hình 11. Biều đồ sự phụ thuộc điện dung của cảm biến vào độ ẩm tương đối Để đo được độ ẩm tương đối RH trong công thức trên thì cần biết được C. Tuy nhiên điện dung C là đại lượng điện khó đo trực tiếp, do đó ta sử dụng mạch điện dao động có tần số phụ thuộc vào điện dung C này. Mạch điện có chức năng này ta sử dụng IC LM555 mắc theo chế độ phát đa hài ổn định (hình 10). 8 Khi đó ta có sự phụ thuộc của tần số lối ra vào giá trị độ ẩm như sau: F 1 C  R4  2 R2  ln  2  Trong đó: F là tần số lối ra, C là điện dung của cảm biến ứng với độ ẩm tương ứng Từ công thức trên ta có đồ thị sự phụ thuộc của độ ẩm vào tần số (hình 11). Từ đồ thị ta thấy dạng đồ thị gần là một đường thẳng, độ ẩm là một hàm gần tuyến tính theo tần số. Trong hệ thống nhúng ta có thể đếm được tần số của xung do mạch phát ra. Và do đó ta có thể tính được giá trị độ ẩm tương đối tương ứng (Hình 12). Độ ẩm tương đối RH% của môi trường (không khí) Biến tử HS1100 Điện dung của cảm biến theo độ ẩm C=k*RH+Co IC LM555 Xung dao động có tần số (chu kỳ) phụ thuộc vào độ ẩm tương đối Đếm tần Thu thập xử lý và đánh giá số liệu... nơi nhận Xử lý , Lưu trữ truyền số liệu, (hiển thị) xử lý Đếm tần số (đo chu kỳ) ,Tính được độ ẩm tương đối %RH Hình 12. Sơ đồ khối miêu tả hoạt động của hệ đo độ ẩm tương đối Thực hiện với R2 = 470 kΩ, R4 = 68 kΩ từ datasheet của nhà sản xuất ta có: f  1 12 7 ln(2)182.3 (1.25 RH  1.36 RH  2.193 RH  0.90)(68000  2*470000) 3 5 2 Kết quả thực nghiệm về sự phụ thuộc của tần số và độ ẩm được chỉ ra trên hình 13. Đánh giá cảm biến độ ẩm tương đối HS1100: HS1100 là cảm biến độ ẩm khá nhỏ gọn hoạt động trên cơ sở biến đổi điện dung theo độ ẩm tương đối. Nó có giá thấp và khá phổ biến trên thị trường và có độ nhạy, độ chính xác khá cao, đáp ứng được các công việc đo độ ẩm tương đối của môi trường thông thường (phòng, kho). Tuy nhiên do phải đo gián tiếp điện dung qua việc đếm tần số của mạch dao động nên việc chuẩn hóa, và đánh giá phẩm chất của hệ còn gặp nhiều khó khăn. Độ chính xác bị ảnh hưởng bởi phẩm chất của mạch dao động, chưa có bù nhiệt, và chưa có cơ cấu chống ngưng tụ hơi nước quá bão hòa trên cảm biến (có thể làm sai, hỏng cảm biến). 9 Hình 13. Biểu đồ sự phụ thuộc của tần số của mạch dao động theo độ ẩm không khí Hình 14. Khảo sát chuẩn hóa, đánh giá hệ đo độ ẩm Khảo sát căn chỉnh và chuẩn hóa hệ đo độ ẩm (SPĐT1) Việc khảo sát được tiến hành như sau: Đưa thiết bị đo chuẩn và cảm biến vào cùng một hộp kín. Thiết bị đo chuẩn cho phép theo dõi được sự thay đổi của nhiệt độ và độ ẩm trong hộp kín khi ta tiến hành thí nghiệm. Tiếp theo, thay đổi chậm độ ẩm tương đối của hộp kín để hộp kín có độ ẩm tương đối đồng đều, ghi lại độ ẩm từ thiết bị đo chuẩn và độ ẩm đo được từ hệ thống. Qua việc tiến hành khảo sát thu được kết quả như trên hình 14. Độ lệch chuẩn: 1.53 . Bản thân thiết bị đọc chuẩn có sai số 1%. Do đó sai số đo độ ẩm của hệ thống là: 2.53 % RH Cảm biến đo độ ẩm DHT11 và cảm biến đo độ ẩm SHT15 Hai cảm biến này đã được trình bày trong phần đo nhiệt độ ở trên. Sự khác biệt của các cảm biến là dải đo nhiệt độ, độ ẩm, độ chính xác, độ phân giải. Nên tùy theo yêu cầu của các ứng dụng sẽ sử dụng loại cảm biến nào. Tuy nhiên, trong phạm vi của bài toán khảo sát các thông số môi trường thì cả hai loại DHT11 và SHT15 đều sử dụng được. ĐO NỒNG ĐỘ KHÍ CO2 Cảm biến đo nồng độ khí là biến tử cho phép các định thông tin về môi trường khí, dựa trên lớp nhạy khí và phần chuyển tín hiệu điện. Việc phát hiện khí được dựa trên sự thay đổi môi trường khí dẫn đến thay đổi tính chất lớp nhạy khí và được chuyển thành tín hiệu điện. Để đo nồng độ khí CO2 đề tài sử dụng cảm biến khí gas CO2 MG811 (Hình 15). Mạch điện nguyên lý trên hình 16. 10 Hình 15. Hình ảnh của cảm biến khí gas MG811 Hình 16. Mạch khuếch đại tín hiệu cảm biến MG811 Nguyên lý hoạt động Sensor MG811 sử dụng nguyên lý điện phân rắn, nó được tạo thành từ các lớp màng mỏng của: Air, Au|NASICON||Carbonate|Au, air, CO2. Khi mà sensor tiếp xúc với CO2, phản ứng tại điện cực sau sẽ xảy ra: Tại Cathode: 2Li+ + CO2 + 1/2O2 + 2e- = Li2CO3 Tại Anode: 2Na+ + 1/2O2 + 2e- =Na2O Phản ứng tổng cộng: Li2CO3 + 2Na+ = Na2O + 2Li+ + CO2 Suất điện động được tạo ra từ phản ứng trên, theo như phương trình Nerst: EMF = Ec – (R.T)/(2F)ln (P(CO2)) Trong đó: P(CO2) - CO2 : Áp suất khí; Ec - Hằng số thể tích; R - Hằng số thể tích khí; T - Nhiệt độ tuyệt đối; F - Hằng số Faraday Khi thế nung nóng được đặt vào cho tới khi nhiệt độ bề mặt đủ lớn, sensor sẽ tạo thành một khối thống nhất, 2 mặt của nó sẽ tạo ra một tín hiệu điện thế mà dựa theo phương trình Nerst, trở kháng của khuếch đại nên rơi vào từ 100-1000 GΩ. Đầu ra tương tự của sensor là điện thế từ 30-50 mV ứng với 350-10000 ppm CO2 Tín hiệu điện thế được khuếch đại để lên mức 0-5 V và đưa vào vi điều khiển (hình 16). Phần số liệu đo nồng độ CO2 được trình bày tích hợp ở phần sau về các dữ liệu thu nhận được và ghi vào máy chủ cục bộ thông qua giao tiếp UART. Phần chuẩn hóa khối đo nồng độ CO2 trong đề tài này chưa được thực hiện vì chưa có được thiết bị chuẩn phù hợp. CẢM BIẾN ÂM THANH Cảm biến âm thanh được sử dụng để đo biên độ của dao động trong không khí có dải tần số từ 20 Hz - 20 kHz. Tương tự như màng nhĩ người, cảm biến âm thanh có một màng được gắn trực tiếp với tụ điện, khi tần số hoặc cường độ âm thanh thay đổi hoặc khi có dao động âm thanh trong không khí đến đập vào màng, tổng trở của cảm biến âm thanh sẽ thay đổi và từ đây ta có thể dùng một điện trở khác để đưa ra tín hiệu điện thế phụ thuộc tần số và cường độ âm thanh. Cảm biến âm thanh sử dụng trong đề tài là một micro điện dung với tín hiệu ra phụ thuộc theo áp suất không khí đập vào màng của micro (Hình 17). Ở bộ cảm biến âm thanh này đề tài sử dụng mạch khuếch đại thuật toán LM386 là một bộ khuếch đại 11 chuyên cho âm thanh(hình 18). Hình 17. Hình ảnh của micro trong cảm biến đo âm thanh Hình 18. Mạch cảm biến đo âm thanh ghép nối với khuếch đại thuật toán LM386 Tín hiệu đi từ micro vào LM 386 được khuếch đại thế, trong mạch thực tế của độ khuếch đại rơi vào khoảng xấp xỉ 20 lần. Tin hiệu không bị méo và biến dạng quá nhiều (LM 386 là một bộ khuếch đại chuyên dụng cho âm thanh). Vi điều khiển sẽ ADC điện thế để đưa ra kết quả tương ứng. Dữ liệu này sau đó được hiển thị trên màn hình hoặc truyền qua UART lên server. Phần số liệu đo độ ồn được trình bày tích ở phần sau về các dữ liệu thu nhận được và ghi vào máy chủ cục bộ thông qua giao tiếp UART. Phần chuẩn hóa khối đo độ ồn được kiểm tra bằng phần mềm Goldwave kiểm tra mức độ âm thu nhận vào trong máy tính thông qua micro. 4.2 Lưu trư, truyền dữ liệu LƯU TRỮ, TRUYỀN DỮ LIỆU LÊN MÁY CHỦ CỤC BỘ THÔNG QUA ĐƯỜNG TRUYỀN HỮU TUYẾN UART Giao tiếp UART và phần mềm hỗ trợ Herquese Phần này sử dụng giao tiếp truyền nhận không đồng bộ (UART) để chuyển dữ liệu giữa vi điều khiển và máy tính. Giao tiếp UART thường được sử dụng trong một số chuẩn giao tiếp như EIA, RS-232, RS-422 or RS-485. Và có thể cấu hình được định dạng dữ liệu và tốc độ truyền. Để nhận dữ liệu từ vi điều khiển và lưu chúng vào một file text nhất định, đề tài sử dụng phần mềm Herquese – phần mềm miễn phí để thực hiện nhiệm vụ trên (hình 19). Xử lý số liệu và đưa lên Lan Server: Dữ liệu truyền từ vi điều khiển vào máy tính được lưu trữ trên máy tính và có thể được đưa trực tiếp lên Server mạng cục bộ. Sử dụng ngôn ngữ HTML và PHP để hiển thị xây dựng giao diện, kiểm tra quyền truy cập và đưa ra được lượng dữ liệu tương ứng ở trên nhiều trình duyệt như Mozila Firefox, Chrome, Opera... Để truy cập vào hệ dữ liệu, cài đặt 2 quyền truy cập khác nhau: quyền người quản trị hoặc quyền khách. Với quyền người quản trị, tất cả dữ liệu sẽ được thể hiện nhưng với quyền khách, chỉ có 5 dữ liệu cuối cùng được hiển thị (hình 20). 12 Hình 20. Mô hình đặt quyền truy cập dữ liệu Hình 19. Giao diện phần mềm Herquese. Xây dựng thuật toán cho hệ đo: Lưu đồ thuật toán chương trình đọc số liệu và hiển thị lên LCD (hình 21), chương trình đọc số liệu và truyền qua UART mà không hiển thị LCD (hình 22) Hình 21. Lưu đồ thuật toán đọc số liệu và hiện thị LCD Hình 22. Lưu đồ thuật toán đọc và truyền số liệu không hiện thị LCD Kết quả xây dựng hệ đo Trên cơ sở đối tượng và phương pháp nghiên cứu trên, tiến hành ghép nối và xây dựng mạch đo thực tế, mạch vận hành (hình 23). Hình 23. Mạch điện và các chức năng lựa chọn của hệ thống thu thập số liệu và giao tiếp UART Kết quả số liệu thu thập từ hệ đo Hệ được đặt và thực hiện đo đạc các thông số môi trường trong điều kiện thông 13 thường tại phòng thí nghiệm Bộ môn Vật lý Vô tuyến; các số liệu đo được so sánh đồng thời với các thiết đo chuyên dụng. Sau khi thiết lập các cài đặt để kết nối hệ thống với máy tính, các số liệu được truyền và lưu dưới dạng file text (.txt). Các số liệu được hệ thống ghi nhận và lưu dưới dạng .txt như sau trong máy tính và trên giao diện phần mềm Herquese (hình 24): Hình 24. Hình ảnh file số liệu ghi nhận từ hệ và lưu trên máy tính Kết quả thu thập số liệu cho thấy, nhiệt độ môi trường: 28 0C, độ ẩm không khí: 59 %RH, cường độ âm: từ 48 đến 52 dB; nồng độ khí CO2 trong không khí: Từ 424 đến 456 ppm. Thực hiện khảo sát hệ đo ở các khoảng thời gian đo khác nhau và thời điểm lấy mẫu khác nhau trong ngày, cho thấy: Hệ có tính ổn định cao, các thông số như nhiệt độ và độ ẩm ít biến đổi do trong điều kiện đo ít có biến động về nhiệt độ và độ ẩm, các thông số cường độ âm và nồng độ khí CO2 biến đổi khá nhanh theo biến đổi của môi trường và tần suất lấy mẫu. Kết quả số liệu thu thập được so sánh đồng thời với các kết quả đo từ thiết bị đo chuyên dụng đặt cùng vị trí đo và đều cho kết quả khá tương đồng với sai số nhỏ. Kết quả đưa số liệu lên Lan Server Từ các số liệu thu thập được, đề tài tiến hành đưa trực tiếp lên Server mạng cục bộ để những máy tính khác khi ở cùng mạng cục bộ có thể truy cập vào dữ liệu này để đọc, ghi và thay đổi nội dung. Giao diện của hệ thống quản lý số liệu môi trường qua Lan Server (hình 25). Để truy cập vào hệ dữ liệu này, đề tài cài đặt quyền quản trị và quyền khách (Hình 26). 14 Hình 25. Giao diện của hệ thống quản lý số liệu môi trường qua Lan Server Hình 26. Hình ảnh kết quả đo được truy cập từ máy tính trong cùng mạng cục bộ LƯU TRỮ, TRUYỀN DỮ LIỆU LÊN MÁY CHỦ MẠNG INTERNET THÔNG QUA KẾT NỐI KHÔNG DÂY GPRS QUA MÔI TRƯỜNG ETHERNET Hệ thống GPRS GPRS (General Packet Radio Service) là một công nghệ mới đầy triển vọng được Viện Tiêu chuẩn Viễn thông châu Âu tiêu chuẩn hoá vào năm 1993, được phát triển trên nền tảng công nghệ thông tin di động toàn cầu (GSM) sử dụng đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA). Công nghệ GPRS hay còn biết đến với mạng di động thế hệ 2.5G. GPRS cho phép sử dụng các máy điện thoại di động thông thường để truy nhập Internet, làm việc với thư điện tử, các server Web thông thường . Bộ thu thập số liệu sử dụng hệ Linux nhúng Trên thực tế, những ứng dụng của hệ điện tử nhúng sử dụng hệ điều hành Linux rất phát triển trong lĩnh vực công nghệ thông tin, điển hình là các thiết bị số PDA (Personal Digital Assistant), điện thoại di động và các thiết bị giải trí đa phương tiện. Đề tài đã nghiên cứu ứng dụng hệ thống linux nhúng trong việc xây dựng một hệ thống thu thập số liệu mới dựa trên nền hệ điều hành GNU/Linux với hai kênh đo thử nghiệm cho nhiệt độ và độ ẩm, nhưng có khả năng mở rộng số kênh đo cho nhiều đại lượng khác nhau. Board mạch NGW100 Board mạch NGW100 (hình 27) là một trong những kit phát triển được sản xuất bởi công ty Atmel. Board được thiết kế với bộ xử lý trung tâm là ARM 32 bit AP7000, có hỗ trợ bộ nhớ FLASH ngoài (8 MB song song, và 8MB nối tiếp), RAM ngoài (32 MB), khe cắm thẻ nhớ SD/MMC, có 2 cổng kết nối Ethernet (1 WAN và 1 LAN), 1 cổng giao tiếp USB và 1 cổng COM để truyền số liệu nối tiếp theo chuẩn RS232. Board có hỗ trợ cài hệ điều hành GNU/Linux giúp cho việc quản lý các hoạt động của board cũng như việc xuất nhập các thông theo quy chuẩn một cách đơn giản và dễ 15 dàng. Xây dựng driver Sau khi phần cứng đưa các tín hiệu vào trong board mạch ta cần có những chương trình để điều khiển quá trình thu nhận để thu giá trị của các đại lượng mong muốn. Tuy nhiên do hệ thống sử dụng hệ điều hành, nên các quá trình này phải được thực hiện thông qua các module driver. Hay nói cách khác là ta sẽ viết các module trong không gian nhân để điều khiển. Driver đo nhiệt độ Xây dựng module với 4 file chính với các nội dung chính trong các file như sau: -File ds18b20_module.c: chữa các hàm thực hiện để cài đặt và gỡ bỏ driver trên board.File ds18b20_dev: chữa các hàm system call để ta có thể truy nhập vào thiết bị từ không gian người sử dụng. File ds18b20_ctrl: chữa các hàm giao tiếp giữa IC DS18B20 với board mạch để trực tiếp thực hiện đo, đọc số liệu và điều khiển sensor. File wire_ctrl: chữa các truyền, nhận số liệu, reset, search,… thực hiện giao tiếp theo chuẩn 1-wire. Sau khi biên dịch toàn bộ module ta sẽ thu được file ds18b20.ko. File này sẽ được sử dụng để cài đặt module như đã trình bày ở phần trên. Hình 27. Bo mạch NGW100 Driver đo độ ẩm tương đối Xây dựng module với các phần chính sau: - File hs1100_module.c: chữa các hàm thực hiện để cài đặt và gỡ bỏ driver trên board. File hs1100_dev: chữa các hàm system call để truy nhập vào thiết bị từ không gian người sử dụng. Tương tự như đối với module đo nhiệt độ, sau khi biên dịch toàn bộ module đo độ ẩm ta thu được file hs1100.ko để sử dụng cho việc cài đặt cho module. Các module đo nồng độ CO2, tiếng ồn cũng được xây dựng tương tự. Xây dựng Web server trên hệ thống Hệ thống được xây dựng chủ yếu phục vụ cho việc đo đạc các thông tin ở xa. Do đó một trong những yêu cầu đối với hệ thống là khả năng truyền và hiển thị thông tin đơn 16 giản, tiện dụng cho người sử dụng. Từ yêu cầu đó, chúng tôi đã xây dựng Web server trên hệ thống, cho phép người sử dụng có thể truy cập vào hệ thống để lấy thông tin và điều khiển từ bất cứ nơi nào có internet thông qua giao diện web html. Web server cho hệ thống gồm có 2 phần chính như sau: - Phần hiển thị nội dung: là nơi hiển thị các thông tin về nhiệt độ, độ ẩm trong lần đo gần nhất và file dữ liệu cho phép người sử dụng download file số liệu về. - Phần thiết lập: cho phép người sử dụng thay đổi thông tin về khoảng thời gian giữa các lần đo, hoặc xóa file số liệu sau khi đã nhận về nhằm giải phóng bộ nhớ lưu trữ để có thể hoạt động được lâu hơn. Tuy nhiên, người sử dụng buộc phải đăng nhập để có thể thiết lập hệ thống. Từ thực tế với những yêu cầu đối với Web server của hệ thống, đề tài đã thiết kế xây dựng Web server cho hệ thống sử dụng kết hợp ngôn ngữ HTML làm giao diện chính và Shell Script để thực hiện các tác vụ khác như thay đổi chức năng, hiển thị các thông tin cập nhật (hình 28). Hình 28. Web server của hệ thống SIM508 Mô đun SIM508 của hãng SIMCOM [13] thực hiện chức năng biến các thiết bị đo đạc thu thập dữ liệu thành những thiết bị đầu cuối, giúp cho chúng có khả năng kết nối thông qua hệ thống thông tin di động GPRS để có thể ghi/đọc dữ liệu vào các web server. Hình ảnh module Sim508 và kết nối với sim card (hình 29, 30) Hình 29. Module SIM508 Hình 30. Kết nối SIM card 6 chân Kiểm tra việc truyền và nhận dữ liệu qua GPRS và SIM508 Sử dụng chương trình “Truyền RS232” để gửi lệnh thiết lập và yêu cầu truyền gửi cho Module Sim508 và sử dụng chương trình “UDP GPRS Sever” để nhận và kiểm tra hoạt động gửi dữ liệu của Module có thực hiện thành công hay không. Thực hiện 17 kiểm tra gửi 20 lần đều cho kết quả thành công. Gói tin được nhận sau khi thực hiện gửi trong vòng 1 đến 2 giây. Sau khi đã nhận được, sử dụng chức năng lưu trữ của chương trình “UDP GPRS Sever” để lưu lại các số liệu. (hình 31). Hình 31. Kết quả kiểm tra hoạt động truyền nhận GPRS của Sim900 Gửi dữ liệu lên máy chủ dữ liệu MySQL SQL (Structured Query Language - ngôn ngữ truy vấn mang tính cấu trúc) là một loại ngôn ngữ máy tính phổ biến để tạo, sửa, và lấy dữ liệu từ một hệ quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ. Trong nội dung nghiên cứu của đề tài, chúng tôi sẽ thiết kế để dữ liệu đo lường sẽ được gửi trực tiếp lên MySQL server nhờ ứng dụng PhP theo mô hình sau: Initialize HTTP Application Host Data Acquisition PhP Application MySQL database Giải pháp để gửi dữ liệu từ hệ đo lên MySQL server Configure mode Add data to query Terminate connection Wait until finish Các bước thực hiện thông qua GPRS module Hình 32. Cấu hình và thuật toán thực hiện việc gửi dữ liệu qua GPRS lên máy chủ MySQL Theo thiết kế trên, đề tài đã thiết kế tối ưu hệ thống trên một mạch điện PCB cỡ nhỏ (hình 53), kích thước cỡ 4,7 cm x 3,4 cm. Thiết bị đã kết nối thành công và gửi được dữ liệu lên cơ sở dữ liệu của MySQL (hình 33). Người sử dụng có thể truy cập vào địa chỉ: http://innova.rndplus.net/index.php để quan sát, lấy dữ liệu. Giao diện của trang web này được mô tả trong hình 34. 18 Hình 33. Thiết bị thu thập dữ liệu các thông số môi trường và gửi lên máy chủ MySQL Hình 34. Giao diện trang web và dữ liệu đo đạc trên máy chủ MySQL Sau đây là kết quả đo từ file dữ liệu .txt đo trong toàn bộ thời gian 08 ngày: 22, 23,24, 25, 26, 28, 29, 30/01/2014 tại Hà nội. Số liệu được lưu trên MySQL server và vẽ trên các đồ thị sau:. D C 100 33 90 30 80 Relative Humidity (%RH) 27 0 Temperature ( C) 24 21 18 15 12 9 6 70 60 50 40 30 20 10 3 0 0 1/22/2014 1/23/2014 1/24/2014 1/25/2014 1/26/2014 1/28/2014 1/29/2014 1/22/2014 1/30/2014 1/23/2014 1/24/2014 1/25/2014 1/26/2014 1/28/2014 1/29/2014 1/30/2014 Time (Month/Day/Year) Time (Month/Day/Year) Hình 35. Nhiệt độ môi trường đo trong 08 ngày 23,24, 25, 26, 28, 29, 30/01/2014 tại Hà Nội Hình 36. Độ ẩm tương đối môi trường đo trong 08 ngày 23,24, 25, 26, 28, 29, 30/01/2014 tại Hà Nội E F 150 2000 140 130 120 CO2 Concentration (ppm) Noise Level (dB) 110 100 90 80 70 60 50 40 30 1500 1000 500 20 10 0 0 1/22/2014 1/23/2014 1/24/2014 1/25/2014 1/26/2014 1/28/2014 1/29/2014 1/30/2014 1/22/2014 Time (Month/Day/Year) 1/23/2014 1/24/2014 1/25/2014 1/26/2014 1/28/2014 1/29/2014 1/30/2014 Time (Month/Day/Year) Hình 37. Độ ồn môi trường đo trong 08 ngày 23,24, 25, 26, 28, 29, 30/01/2014 tại Hà Nội Hình 38. Nồng độ CO2 môi trường đo trong 08 ngày 23,24, 25, 26, 28, 29, 30/01/2014 tại Hà Nội Hình 35 cho thấy nhiệt độ trong những ngày tháng 1 khoảng từ 25 0C đến dưới 30 0C. Thời tiết vào đầu xuân mát mẻ dễ chịu. Độ ẩm tương đối trong những ngày này 19