Xây dựng hệ đo thông số môi trường đa tín hiệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Trần Thị Minh Phƣơng

XÂY DỰNG HỆ ĐO THÔNG SỐ MÔI TRƢỜNG ĐA TÍN HIỆU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội, tháng 12 năm 2014


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Trần Thị Minh Phƣơng

XÂY DỰNG HỆ ĐO THÔNG SỐ MÔI TRƢỜNG ĐA TÍN HIỆU

Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến và điện tử
Mã số: 60.44.01.05

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. ĐỖ TRUNG KIÊN

Hà Nội - Năm 2014

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc và lòng biết ơn trân thành
tới TS. Đỗ Trung Kiên, thầy đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện giúp đỡ em hoàn
thành luận văn này.
Em xin gửi lời cảm ơn trân thànhđến các thầy cô trong khoa Vật lý, bộ môn
Vật lý vô tuyến và điện tử trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc Gia Hà
Nội, các thầy cô đã giúp đỡ và chỉ bảo cho em trong suốt thời gian học tập tại
Trường. Em cũng xin cảm ơn sự hỗ trợ của đề tài nhóm B - Đại học Quốc gia Hà nội
QG.12.02.
Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn trân thành tới gia đình, bạn bè đã luôn động
viên, giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập cũng như hoàn thành luận văn.
Do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên chắc chắn luận văn còn nhiều thiếu
sót. Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy cô và các bạn.
Một lần nữa, em xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, tháng 12 năm 2014
Học viên: Trần Thị Minh Phương


MỤC LỤC

MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN..................................................................................... 3
1.1. Hệ thiết bị đo lường .......................................................................................... 3
1.2. Bộ thu thập số liệu (Data logger) .................... Error! Bookmark not defined.
1.2.1. Giới thiệu .................................................. Error! Bookmark not defined.
1.2.2. Một số đặc điểm số liệu và hệ thu thập số liệu.Error!
defined.

Bookmark

not

1.2.3. Một số bộ thu thập số liệu hiện nay ......... Error! Bookmark not defined.
1.3. Thu thập số liệu thông qua webserver ............ Error! Bookmark not defined.
CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............. Error!
Bookmark not defined.
2.1. Các đại lượng đo và lựa chọn cảm biến ................. Error! Bookmark not defined.
2.1.1. Đo độ ẩm. ..................................................... Error! Bookmark not defined.
a) Giới thiệu: ....................................................... Error! Bookmark not defined.
b) Lựa chọn cảm biến: ........................................ Error! Bookmark not defined.
2.1.2.

Cảm biến nhiệt độ DS18B20.................... Error! Bookmark not defined.

a) Giới thiệu: .................................................... Error! Bookmark not defined.
b) Lựa chọn cảm biến: ..................................... Error! Bookmark not defined.
2.1.3.

Đo nồng độ khí CO2 ................................. Error! Bookmark not defined.

a) Giới thiệu: .................................................... Error! Bookmark not defined.
b) Lựa chọn cảm biến ...................................... Error! Bookmark not defined.
2.1.4.

Cảm biến âm thanh ................................... Error! Bookmark not defined.

a) Giới thiệu: .................................................... Error! Bookmark not defined.
b) Lựa chọn cảm biến: ..................................... Error! Bookmark not defined.

2.2.

Vi điều khiển: .............................................. Error! Bookmark not defined.

a) Giới thiệu về vi điều khiển .......................... Error! Bookmark not defined.
b) Giới thiệu về vi điều khiển PIC ................... Error! Bookmark not defined.
c) Về vi điều khiển PIC 16F887A ................... Error! Bookmark not defined.


2.3.

Các thành phần khác trong mạch: ............... Error! Bookmark not defined.

2.3.1.

Bộ nguồn ............................................... Error! Bookmark not defined.

2.3.2.

IC thời gian thực RTC DS1307 ............ Error! Bookmark not defined.

2.4.

Truyền, nhận dữ liệu đo ............................... Error! Bookmark not defined.

2.5.

Xử lý số liệu và đưa lên Lan Server: ........... Error! Bookmark not defined.

2.6. Xây dựng hệ đo thông số môi trường đa tín hiệuError!

defined.

Bookmark

not

2.6.1.

Mạch mô phỏng của hệ đo: ................... Error! Bookmark not defined.

2.6.2.

Xây dựng thuật toán cho hệ đo: ............ Error! Bookmark not defined.

CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .............. Error! Bookmark not defined.
3.1 Kết quả xây dựng hệ đo ................................... Error! Bookmark not defined.
3.2. Kết quả số liệu thu thập từ hệ đo. ................... Error! Bookmark not defined.
3.3. Kết quả đưa số liệu lên Lan Server. ................ Error! Bookmark not defined.
3.4. Các khả năng ứng dụng trong thực tiễn .......... Error! Bookmark not defined.
3.5. Tiềm năng, mở rộng và nâng cấp hệ thông .... Error! Bookmark not defined.
KẾT LUẬN .................................................................. Error! Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 4
Phụ lục ......................................................................................................................... 5


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình vẽ

Trang

Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ đo lường tự động.

3

Hình 1.2: Sơ đồ khối bộ thu thập số liệu

4

Hình 1..3: Bộ thu thập số liệu DVTH và MT100

6

Hình 2.1: Sự phụ thuộc của điện dung vào độ ẩm tương đối của DHT11

11

Hình 2.2: Hình ảnh của cảm biến DHT11

11

Hình 2.3: Hình ảnh của cảm biến DHT11 trong mạch mô phỏng

11

Hình 2.4: Hình ảnh kết nối MCU và DHT11

13

Hình 2.5: MCU gửi tín hiệu Start và tín hiệu trả lời của DHT11

13

Hình 2.6: Quá trình gửi bits “0”

13

Hình 2.7: Quá trình gửi bits “1”

14

Hình 2.8: Quá trình gửi bit STOP

14

Hình 2.9: Hình ảnh cảm biến DS18B20 trong mạch mô phỏng

15

Hình 2.10: Hình ảnh thực tế của cảm biến DS18B20

15

Hình 2.10: Hình ảnh của cảm biến khí gas MG811

16

Hình 2.11: Cấu tạo của cảm biến MG811

17

Hình 2.12: Sự phuh thuộc của cường độ dòng ra và nồng độ CO2 – trong
điều kiện môi trường bình thương (nhiệt độ 28oC; độ ẩm 65%)

17

Hình 2.13: Hình ảnh cảm biến MG811 trong mạch mô phỏng

18

Hình 2.14: Hình ảnh của micro trong cảm biến đo âm thanh

19

Hình 2.15: Hình ảnh cảm biến đo âm thanh ghép nối với khuếch đại thuật
toán LM386

20

Hình 2.16: Hình ảnh của vi điều khiển PIC 16F877A

22


Hình vẽ

Trang

Hình 2.17: Hình ảnh của DS1307 trong mạch mô phỏng

23

Hình 2.18: Sơ đồ khối của DS1307

24

Hình 2.19: Giản đồ thời gian của giao tiếp UART

26

Hình 2.20: Giao diện của phần mềm Herquese.

27

Hình 2.21: Mô hình đặt quyền truy cập dữ liệu

29

Hình 2.22: Sơ đồ khối của hệ đo

30

Hình 3.1: Hình ảnh hệ thống thu thập số

32

Hình 3.2: Hình ảnh chọn chế độ hiển thị số liệu lên LCD và truyền
UART

32

Hình 3.3: Hình ảnh truyền dữ liệu đo theo UART vào máy tính.

33

Hình 3.4. Hình ảnh file số liệu ghi nhận từ hệ và lưu trên máy tính

33

Hình 3.5: Số liệu hiển thị qua phần mềm Herquese
Hình 3.6: Giao diện của hệ thống quản lý số liệu môi trường qua Lan
Server
Hình 3.7: Hình ảnh kết quả đo được truy cập từ máy tính trung cùng
mạng cục bộ

34
35

35


MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài.
Trong những năm gần đây với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ linh
kiện điện tử và công nghệ thông tin(CNTT) đã đưa tự động hóa vào từng ngõ ngách
của cuộc sống, tạo ra những thay đổi to lớn trong lao động, sản xuất. Ứng dụng của
vi điều khiển, vi xử lý cho phép con người có thể tạo ra những hệ thống hoạt động
chính xác, tính ổn định cao, có khả năng làm việc một cách tự động và thông minh
hơn, phục vụ cho từng mục đích cụ thể.
Với yêu cầu trong thực tế là tại các phòng thí nghiệm, bênh viện, nhà kính

trồng cây, …. cần kiểm soát tự động các thông số của môi trường (nhiệt độ, độ ẩm,
điểm sương, tiếng ồn, nồng độ khí, …) để có thể điều chỉnh cho phù hợp thì việc
nghiên cứu, xây dựng hệ đo các thông số môi trường đa tín hiệu là rất quan trọng và
cần thiết.
Với yêu cầu hệ cần thu thập các thông số môi trường một cách tự động,từ xa
với khả năng xử lý, lưu trữ dữ liệu môi trường 24/24 và có thể giám sát qua môi
trường Internet thì đã được thương mại hóa, tuy nhiên giá thành của các hệ này còn
khá cao. Chính vì vậy, việc nghiên cứu và làm chủ được kỹ thuật cho hệ đo các
thông số môi trường đa tín hiệulà điều cần thiết, phát huy được nội lực trong nước,
định hướng sản xuất ra những sản phẩm tự động hóa chất lượng cao, giá cả cạnh
tranh.
Với mục đích đó, nội dung luận văn tập trung trình bày việc nghiên cứu và
triển khai xây dựng một hệ đo các thông số môi trường đa tín hiệu trên cơ sở sử
dụng các cảm biến đầu ra số ghép nối với một vi điều khiển và kết nối với máy tính
làm Server.
2. Phƣơng pháp nghiên cứu.
Để có thể xây dựng hệ đo thông số môi trường đa tín hiệu, em đã tiến hành
khảo sát, phân tích các đặc điểm liên quan đến thông số kỹ thuật của các cảm biến

1


ứng với từng thông số môi trường cần khao sát, các đặc trưng của vi điều khiển, các
chuẩn kết nối; ngoài ra để có thể khảo sát, đánh giá phương án thiết kế hệ đó em sử
dụng các phần mềm mô phỏng, tính toán thiết kế mạch trước khi thực hiện lắp đặt.
Trong luận văn này, các thông số môi trường được xác định và tập trung
nghiên cứu bao gồm: nhiệt độ, độ ẩm, tiếng ồn và nồng độ khí CO2. Việc khảo sát số
liệu và kiểm chứng kết quả thu được được thực hiện và so sánh với các hình thức đo
đạt truyền thống.
3. Cấu trúc luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục, luận văn được chia
làm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan.
Chương 2: Đối tượng và phương pháp nghiên cứu.
Chương 3:Kết quả thực nghiệm
Các kết quả chính của luận văn được chứa đựng trong chương 2 và chương 3.Kết
quả luận văn đã thu được biểu đồ nhiệt độ, độ ẩm, tiếng ồn và nồng độ CO2 theo thời
gian.

2


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Hệ thiết bị đo lƣờng
Việc đo đạc, thu thập xử lý thông tin nói chung chia làm ba phần chính là đo,
thu thập truyền và xử lý. Trong đó quá trình đo thực chất là việc định lượng các đại
lượng vật lý thành các con số và đơn vị bằng cách thực hiện phép đo bằng dụng cụ
đo. Dụng cụ đo thông qua phép đo mà chuyển các đại lượng vật lý cần đo của đối
tượng cần đo thành các đại lượng khác có thông tin định lượng của đại lượng đó tức
là có thể hiển thị được hoặc đọc được một cách định lượng. Thường ngày nay, để
thuận lợi cho việc lưu trữ, truyền thông, xử lý thì các đại lượng cần đo đều chuyển
về cái đại lượng điện mang thông tin định lượng của đại lượng cần đo như hiệu điện
thế hoặc dòng điện. Đại lượng điện này thuận lợi cho việc truyền, lưu trữ, xử lý
bằng các thiết bị điện, mạch điện tích hợp, với công nghệ điện toán mà nhân loại đã
đạt được rất nhiều thành tựu. Việc thu thập gồm truyền và lưu trữ ngày nay thường
được thực hiện trên cơ sở điện toán. Việc xử lý thông tin được thực hiện tự động
hoàn toàn hoặc tự động một phần thông qua hệ thống điện toán, thường thực hiệu
bằng ít nhất một bộ vi xử lý và một chương trình hoạt động trên vi xử lý đó. Người
thực hiện công việc liên quan hệ thống này là xây dựng hệ thống gồm phần cứng và
phần mềm, vận hành hệ thống, sử dụng và đánh giá các kết quả đo. Một hệ thống đo

đạc và điều khiển tự động có các chức năng đo đạc các đại lượng, thông số của đối
tượng, truyền thông, lưu trữ, xử lý, phân tích đánh giá và còn có thể đưa ra các tín
hiệu điều khiển phản hồi tự động.
Sơ đồ khối của một hệ đo lường tự động như trên Error! Reference source
not found.1:

3


Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ đo lường tự động.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1] Phan Minh Tân, Nguyễn Xuân Hoàng, Bùi Thị Thanh Quyên; Nghiên cứu thiết
kế và chế tạo thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm và điểm sương THDP-1 sử dụng công
nghệ PSOC.
[2] Trần Quang Vinh, Phạm Mạnh Thắng, Phùng Mạnh Dương; Mạng thông tin
điều khiển trong hệ thống tự động hóa tòa nhà; Tạp chí khoa học khoa học tự
nhiên và công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội, Số 26 (2010) trang 129-140.
[3] Vũ Ngọc Ha, Luận văn thạc sỹ “Xây dựng hệ thống đo đạc, thu thập và xử lý
tín hiệu số các thông số môi trường từ xa qua mạng Ethernet trên nền Linux
nhúng”, bộ môn Vật lý Vô tuyến, khoa Vật lý, Trường đại học Khoa học tự
nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội – 2013.
Tiếng Anh
[4] Coopmans, C; YangQuan Chen; A general-purpose low-cost compact spatialtemporal data logger and its applications, AUTOTESTCON, 2008, IEEE
Conferences 2008 , Page(s): 64 - 68
[5] Edstrom, U.; Skonevik, J.; Backlund, T.; Karlsson, J.S.; A flexible measurement
system

for

physiological

signals

in

mobile

health

care,

Engineering in Medicine and Biology Society, 2005. IEEE-EMBS 2005. 27th
Annual International Conference 2005 , Page(s): 2161 - 2162
[6] Hayes, J.; Crowley, K.; Diamond, D.; Simultaneous Web-based real-time
temperature

monitoring

using

multiple

wireless

sensor

networks,

Sensors, 2005 IEEE Conferences, 2005

[7]

Hernández camacho , laura e. Muñoz hernández; Virtual distributed
supervision and control for an automated greenhousejorge.

4


[8] H. Mirinefad, Sh sadati;Design and simulation of rutomated system for
greenhouse using Labview; American-Eurasian J.agric&environ. Sci, 3(2):
279-284, 2008.
[9] Hsueh-Chun Lin; Yiao-Chiang Kan; Yao-Ming Hong; The Comprehensive
Gateway Model for Diverse Environmental Monitoring Upon Wireless Sensor
Network, Sensors Journal, IEEEVolume: 11, Issue: 5, 2011, Page(s): 1293 –
1303.
[10] Ipsuwan, Y., Chow Mo-Yuen. Control Methodologies in networked control
system, 2003, Control Engineering Practice
[11]

Prabhudesai, R.G.; Joseph, A.; Agarwadekar, Y.; Mehra, P.; Kumar, K.V.;

Luis, R.;

Integrated Coastal Observation Network (ICON) for real-time

monitoring of sea-level, sea-state, and surface-meteorological data, OCEANS
2010, IEEE 2010 , Page(s): 1 - 9
[12]

Ku, K.K.K.; Bradbeer, R.; Hodgson, P.; Lam, K.; Lam Yeung; A low-cost,

three-dimensional and real-time marine environment monitoring system, Data
buoy with connection to the internet, OCEANS 2008 - MTS/IEEE Kobe
Techno-Ocean 2008 , Page(s): 1 – 5.
[13] Shi-feng yang and daudi s. Simbeye ollege of electronic information and
automation, tianjin university of science and technology; computerized
greenhouse environmental Monitoring and control system based on
Labwindows/cvi; journal of computers, vol. 8, no. 2, february 2013.
[14]

Segars, S., “The ARM9 Family – High Performance Microprocessors for

Embedded Applications,” Proceedings of the International Conference on
Computer Design: VLSI in Computers and Processors, pp. 230 - 235, 5th
October, 1998.

5