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