(Luận văn thạc sĩ) 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

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

Vũ Ngọc Ha

XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐO ĐẠC, THU THẬP VÀ XỬ LÝ TÍN
HIỆU SỐ CÁC THƠNG SỐ MƠI TRƢỜNG TỪ XA QUA
MẠNGETHERNET TRÊN NỀN LINUX NHÚNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2013

1


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

Vũ Ngọc Ha

XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐO ĐẠC, THU THẬP VÀ XỬ LÝ TÍN
HIỆU
SỐ CÁC THƠNG SỐ MƠI TRƢỜNG TỪ XA QUA MẠNG
ETHERNET TRÊN NỀN LINUX NHÚNG
Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến và điện tử
Mã số: 60 44 03

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. ĐỖ TRUNG KIÊN

Hà Nội - 2013

2


Mục lục
MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 9
CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN ............................................................................ 11
1.1 Hệ thiết bị đo lƣờng ................................................................................. 11
1.2 Bộ thu thập số liệu ................................................................................... 12
1.2.1 Giới thiệu bộ thu thập số liệu ............................................................. 12
1.2.2 Một số đặc điểm của hệ thu thập số liệu............................................. 14
1.2.3 Một số bộ thu thập số liệu hiện nay.................................................... 14
1.3 Hệ thống nhúng và Linux......................................................................... 16
1.3.1 Thế nào là một hệ thống nhúng .......................................................... 16
1.3.2 Hệ điều hành Linux ........................................................................... 17
1.3.3 Các hiểu biết cơ sở phần cứng ........................................................... 18
1.3.4 Bộ vi xử lý độc lập ............................................................................ 19
1.3.5 Bộ vi xử lý tích hợp ........................................................................... 19
1.3.6 Board mạch NGW100 ....................................................................... 20
1.3.7 Giao thức và truyền tin qua mạng ...................................................... 23
CHƢƠNG 2 : ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................. 26
2.1 Các đại lƣợng đo ...................................................................................... 26
2.2 Nhiệt độ và cảm biến đo nhiệt độ ............................................................. 26
2.2.1 Nhiệt độ............................................................................................. 26
2.2.2 Cảm biến đo nhiệt độ DS18B20......................................................... 27
2.2.3 Giao tiếp chuẩn 1-dây ........................................................................ 28

2.2.4 Truyền và xử lý tín hiệu số bằng chuẩn 1-dây cho cảm biến nhiệt độ
DS18B20.................................................................................................... 30
2.3 Độ ẩm tƣơng đối và cảm biến đo nhiệt độ tƣơng đối ................................ 36
2.3.1 Độ ẩm tƣơng đối ................................................................................ 36
2.3.2 Cảm biến đo độ ẩm tƣơng đối ............................................................ 36

4


2.4 Xây dựng phần cứng thiết bị ................................................................... 42
2.4.1 Ghép nối phần cứng mở rộng............................................................. 42
2.5 Tìm hiểu cơ sở cài đặt và thiết kế phần mềm............................................ 42
2.5.1 Nhân Linux........................................................................................ 43
2.5.2 Cấu trúc Linux: .................................................................................. 44
2.5.3 Chuẩn bị và biên dịch nhân Linux ..................................................... 45
2.5.4 Xây dựng hệ thu thập số liệu ............................................................. 48
2.5.6 Xây dựng trình điều khiển ................................................................. 48
2.5.7 Xây dựng phần mềm quản lý đo và lƣu số liệu trên thẻ nhớ ............... 51
2.5.8 Truyền số liệu và điều khiển từ xa qua mạng ..................................... 51
CHƢƠNG 3 : KẾT QUẢ KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ THIẾT BỊ .................. 53
3.1 Khảo sát giao tiếp 1-dây với cảm biến đo nhiệt độ DS18b20 ................... 53
3.2 Khảo sát hệ mạch đo độ ẩm ..................................................................... 56
3.3 Chuẩn hóa hệ mạch đo độ ẩm .................................................................. 58
3.4 Khảo sát căn chỉnh và chuẩn hóa hệ đo .................................................... 58
3.5 Kết quả đo nhiệt độ và độ ẩm môi trƣờng ................................................ 62
3.6 Thu thập số liệu và điều khiển từ xa qua mạng. ....................................... 63
3.7 Khả năng ứng dụng thực tiễn ................................................................... 67
3.8 Tiềm năng, mở rộng, nâng cấp hệ thống .................................................. 68
KẾT LUẬN ................................................................................................... 69
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 71

5


Danh mục hình vẽ

Hình 1.1 Sơ đồ khối của một hệ thống đo tự động............................................. 12
Hình 1.2 Sơ đồ khối bộ thu thập số liệu ............................................................ 13
Hình 1.3 Bộ thu thập số liệu DVTH và MT100 ................................................. 15
Hình 1.4 Ảnh thực tế board mạch NGW100...................................................... 20
Hình 1.5 Các thành phần trên board mạch NGW100 ......................................... 22
Hình 1.6 Sơ đồ khối board mạch NGW100 ....................................................... 22
Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý đo nhiệt độ sử dụng DS18B20 .................................. 28
Hình 2.2 Ảnh thực của cảm biến nhiệt độ DS18B20 ......................................... 28
Hình 2.3 mô tả hệ thống truyền dẫn vật lý Bus 1-dây ........................................ 30
Hình 2.4 giản đồ xung của quá trình kết nối, gửi lệnh gọi thiết bị bằng Rom Code
của bộ điều khiển giao tiếp 1-dây. ..................................................................... 35
Hình 2.5 Sơ đồ khối miêu tả hoạt động của hệ thiết bị sử dụng giao tiếp 1-dây . 35
Hình 2.6 cảm biến độ ẩm tƣơng đối HS1100 ..................................................... 37
Hình 2.7 Biều đồ sự phụ thuộc điện dung của biến tử vào độ ẩm tƣơng đối ...... 38
Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý đo độ ẩm sử dụng HS1100 và LM555 ...................... 39
Hình 2.9 Sơ đồ khối miêu tả hoạt động của hệ đo độ ẩm tƣơng đối ................... 40
Hình 2.10 Biều đồ sự phụ thuộc của tần số của mạch dao động theo độ ẩm khơng
khí .................................................................................................................... 41
Hình 2.11 Kiến trúc của hệ điều hành GNU/Linux ............................................ 44
Hình 2.12 Giao diện thực tế terminal của hệ điều hành Linux trên thiết bị hiển
thị qua màn hình máy tính ................................................................................. 47
Hình 2.13 Sơ đồ thuật toán đo nhiệt độ sử dụng IC DS18B20 ........................... 49
Hình 2.14 Sơ đồ thuật tốn đo độ ẩm sử dụng HS1100 và IC LM555 ............... 50
Hình 2.15 Sơ đồ thuật toán phần mềm quản lý đo và lƣu trữ ............................. 51

Hình 3.1 Giản đồ giao động ký tín hiệu giao tiếp 1-dây của cảm biến DS18B20.
......................................................................................................................... 53
Hình 3.2 Giản đồ dao động ký các xung của một quá trình nhận lệnh và truyền
dữ liệu của cảm biến DS18B20. ........................................................................ 54

6


Hình 3.3 giản đồ xung của giai đoạn 1 của quá trình nhận lệnh và truyền dữ liệu
của cảm biến DS18B20. .................................................................................... 54
Hình 3.4 giản đồ xung của giai đoạn 2 của quá trình nhận lệnh và truyền dữ liệu
của cảm biến DS18B20. .................................................................................... 55
Hình 3.5 giản đồ xung của giai đoạn 3- nhận dữ liệu từ cảm biến, của quá trình
nhận lệnh và truyền dữ liệu của cảm biến DS18B20. ........................................ 56
Hình 3.6 Đồ thị so sánh tần số của hệ mạch đo độ ẩm từ kết quả tính toán và đo
thực tế khi thay đổi độ ẩm tƣơng đối ................................................................. 57
Hình 3.7 Đồ thị khảo sát đánh giá hệ đo nhiệt độ .............................................. 61
Hình 3.8 Đồ thị khảo sát đánh giá hệ đo độ ẩm ................................................. 62
Hình 3.9 Hệ thống thu thập số liệu trên nền linux nhúng ................................... 63
Hình 3.10 Web server của hệ thống .................................................................. 64
Hình 3.11 Giao diện tải các thông tin đo đạc đƣợc ............................................ 64
Hình 3.12 Giao diện đăng nhập hệ thống .......................................................... 65
Hình 3.13Giao diện thay đổi các thiết lập.......................................................... 65
Hình 3.14 File số liệu mẫu ................................................................................ 66
Hình 3.15 Đồ thị sự biến đổi theo thời gian của nhiệt độ tại phòng thí nghiệm .. 67
Hình 3.16 Đồ thị sự biến đổi theo thời gian của độ ẩm tƣơng đối tại phòng thí
nghiệm .............................................................................................................. 67

7

Danh mục bảng biểu
Bảng 3.1 Số liệu đo từ việc khảo sát tần số theo độ ẩm để chuẩn hóa hệ mạch đo
độ ẩm .................................................................................................................. 56
Bảng 3.2 Số liệu khảo sát việc đo nhiệt độ của hệ thống ..................................... 60
Bảng 3.3 Số liệu khảo sát việc đo độ ẩm của hệ thống ........................................ 62

8


MỞ ĐẦU

Việc đo đạc các đại lƣợng vật lý, thu thập các thông số, xử lý số liệu
thông tin là hết sức quan trọng trong khoa học và đời sống. Với hầu hết các thí
nghiệm vật lý, hóa học, sinh học, môi trƣờng, các thống kê và điều tra ... đều cần
đo đạc thu thập và xử lý các số liệu. Trong sản xuất công nghiệp cũng cần việc
đo đạc các thông số để đảm bảo chất lƣợng và quản lý sản xuất. Các vấn đề
thƣờng phải làm là đo các đại lƣợng, thông số cần thiết bằng các thiết bị đo thích
hợp, ghi chép, truyền số liệu, xử lý số liệu, đáng giá nhận xét và có thể đƣa ra các
quyết định. Trƣớc khi công nghệ thông tin, điện tử, tự động hóa phát triển, các
vấn đề này thƣờng phải đƣợc xử lý hồn tồn thủ cơng, mất rất nhiều thời gian,
sức lực mà hiệu quả không cao. Ngày nay, khi công nghệ thông minh phát triển,
cho phép tạo ra các hệ thống đo đạc xử lý hoàn toàn tự động. Hệ thống tự động
cho phép đo đạc thu thập xử lý, sao lƣu, truyền số liệu, đánh giá số liệu với hiệu
quả cao, liên tục, chính xác.... Ngày nay thì những hệ thống đo tự động nhƣ thế
khơng thể thiếu đƣợc trong các lĩnh vực khoa học kỹ thuật và cuộc sống. Trong
khoa học, chúng đo đạc và xử lý các số liệu khổng lồ của khoa học thực nghiệm
mà nếu phải sử dụng sức ngƣời thì khơng thể thực hiện đƣợc. Trong kỹ thuật thì
những hệ thống đo đạc xử lý tự động cho phép một nền sản xuất cơng nghiệp
quản lý, đánh giá sản phẩm hồn toàn tự động, cho các sản phẩm năng xuất cao

và chất lƣợng tốt, đồng đều... Bên cạnh đó cơng nghệ truyền thông Internet ra đời
và đạt đƣợc những phát triển vƣợt bậc to lớn, đƣa nhân loại sang kỷ nguyên mới
của cơng nghệ thơng tin...Vì tính thiết thực, quan trọng của vấn đề đo đạc, thu
thập xử lý tín hiệu, để bắt kịp sự phát triển của khoa học công nghệ, luận văn này
xin trình bầy về vấn đề xây dựng một hệ thống đo đạc, thu thập và xử lý các
thơng số hồn tồn tự động và có thể truyền và điều khiển từ xa qua mạng. Cụ
thể hơn luận văn trình bày về xây dựng hệ thống đo đạc thu thập và xử lý các
thông số môi trƣờng, thu thập số liệu môi trƣờng nhƣ nhiệt độ, độ ẩm… và ghi

9


lại các số liệu đó. Các số liệu này phục vụ cho rất nhiều việc nhƣ dự báo thời tiết,
phân tích mơi trƣờng, bảo vệ thực phẩm, vật tƣ, máy móc… u cầu của hệ
thống này là hoạt động hồn toàn tự động trên nền hệ điều hành Linux nhúng, do
đƣợc các thông số về môi trƣờng nhƣ nhiệt độ và độ ẩm, có thể truyền số liệu
hay điều khiển từ xa qua mạng.
Luận văn đƣợc trình bày thành 3 chƣơng. Chƣơng 1 Tìm hiểu và trình bày
tổng quan về hệ thiết bị đo lƣờng, bộ thu thập số liệu, hệ thống nhúng và hệ điều
hành Linux. Các hiểu biết về cơ sở phần cứng, các giao thức và truyền tin qua
mạng. Chƣơng 2 Trình bày và thực hiện xây dựng hệ thống. Tìm hiểu các đại
lƣợng đo, cảm biến đo, các đặc trƣng của cảm biến và hệ đo, truyền và xử lý tín
hiệu số giao thức truyền tin 1-dây, xây dựng phần cứng và phần mềm, khảo sát
thực nghiệm và chuẩn hóa hệ thống đo. Chƣơng 3 Trình bày một số kết quả vận
hành của hệ thống. Kết quả sau khi thực hiện đề tài luận văn này là đã tìm hiều
và đƣa ra các cơ sở và thực hiện xây dựng thành công đƣợc hệ thống thu thập số
liệu các thông số môi trƣờng trên nền linux nhúng có khả năng truyền số liệu và
điều khiển qua mạng. Bƣớc đầu vận hành chạy thử nghiệm đạt kết quả.
Tuy nhiên do thời gian thực hiện còn hạn chế, có nhiều khó khăn về trang
thiết bị thiết bị, tài liệu. Do đó luận văn này cịn nhiều thiếu sót cần bổ xung và

chỉnh xửa mong các q thầy cơ và bạn đọc đóng góp và chỉ bảo thêm.

Hà Nội, ngày…tháng 01 năm 2013

Vũ Ngọc Ha

10


CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN

1.1 Hệ thiết bị đo lƣờng
Việc đo đạc, thu thập xử lý thơng tin nói chung chia làm ba phần chính là đo,
thu thập truyền và xử lý. Việc đo thực chất là việc định lƣợng các đại lƣợng 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 lƣợng vật lý cần đo của đối
tƣợng cần đo thành các đại lƣợng khác có thơng tin định lƣợng của đại lƣợng đó
tức là thể hiển thị đƣợc hoặc đọc đƣợc một cách định lƣợng. Thƣờng ngày nay,
để thuận lợi cho việc lƣu trữ, truyền thơng, xử lý thì các đại lƣợng cần đo đều
chuyển về cái đại lƣợng điện mang thông tin định lƣợng của đại lƣợng cần đo
nhƣ hiệu điện thế hoặc dòng điện. Đại lƣợng điện này thuận lợi cho việc truyền,
lƣu trữ, xử lý bằng các thiết bị điện, mạch điện tích hợp, với cơng nghệ điện toán
mà nhân loại đã đạt đƣợc rất nhiều thành tựu. Việc thu thập gồm thuyền và lƣu
trữ ngày nay thƣờng đƣợc thực hiện trên cơ sở điện toán. Việc xử lý thơng tin
đƣợc thực hiện tự động hồn tồn hoặc tự động một phần thơng qua hệ thống
điện tốn, thƣờng thực hiệu bằng ít nhất một bộ vi xử lý và một chƣơng trình
hoạt động trên vi xử lý đó. Việc của ngƣời thực hiện cơng 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 lƣợng, thông số của đối tƣợng, truyền

thông, lƣu trữ, xử lý, phân tích đánh giá và cịn có thể đƣa ra các tín hiệu điều
khiển phản hồi (feedback) hoàn toàn tự động.
Sơ đồ khối của một hệ thống đo tự động:

11


Đối tƣợng cần đo
Phản hồi

Cảm biến

Giao tiếp

Xử lý
Lƣu trữ

Hình 1.1 Sơ đồ khối của một hệ thống đo tự động

Tuy nhiên trong luận văn này chỉ đề cập đến bộ thu thập số liệu là hệ thống
đo khơng có phần phản hồi (feedback). Nhiệm vụ của bộ thu thập số liệu là đo
đạc và lƣu trữ, truyền thông số liệu. Và cụ thể hơn và việc thu thập, đo đạc các
thông số của môi trƣờng.
1.2 Bộ thu thập số liệu
1.2.1 Giới thiệu bộ thu thập số liệu
Bộ thu thập số liệu (Data logger) là thiết bị điện tử có khả năng đo đạc tự
động và lƣu trữ các số liệu đo đƣợc theo thời gian. Do có khả năng tự động đo và
lƣu trữ số liệu liên tục 24/24 giờ trong ngày nên thiết bị này thƣờng đƣợc sử
dụng để hỗ trợ đo các đại lƣợng vật lý mà yêu cầu phải đo ở xa phịng thí nghiệm
và thực hiện đo nhiều lần liên tiếp trong một khoảng thời gian dài. Trên thực tế,

những đại lƣợng vật lý thƣờng đƣợc đo là những thông tin liên quan đến các
thông số của môi trƣờng nghiên cứu nhƣ nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, tốc độ gió,
hƣớng gió, theo các tọa độ GPS,… Nhờ vào thiết bị này mà các nhà nghiên cứu
có thể dễ dàng có đƣợc những thơng tin chi tiết về sự biến đổi của các đại lƣợng
nghiên cứu cũng nhƣ những thay đổi của môi trƣờng.
Sơ đồ khối của một bộ thu thập số liệu:

12


Hình 1.2 Sơ đồ khối bộ thu thập số liệu

Trong đó:
- Sensor hay cịn gọi là các cảm biến, đƣợc sử dụng để thực hiện quá trình
chuyển đổi các đại lƣợng vật lý khơng điện thành tín hiệu điện phục vụ cho việc
đo đạc các tín hiệu tự động bằng các thiết bị điện tử.
- Khối lƣu trữ thƣờng là EEPROM, FLASH, thẻ nhớ, ổ cứng di động, …
dùng để lƣu trữ các số liệu đo đạc đƣợc, dung lƣợng của các bộ nhớ này thƣờng
khá lớn so với những bộ nhớ nội của chip vi xử lý, vi điều khiển.
- Khối xử lý trực tiếp thực hiện việc đo đạc các tín hiệu điện từ sensor và
đƣa các số liệu đo đƣợc, xử lý tạm thời để đƣa thông tin đo đƣợc vào trong bộ
phận lƣu trữ để lƣu lại hoặc truyền đi xa.
- Ngoài ra khối xử lý cịn cung cấp thêm một chuẩn giao tiếp để có thể
đƣa thơng tin ra ngồi cho ngƣời sử dụng. Khối xử lý có thể là một hệ vi điều
khiển hoặc máy tính cá nhân kết hợp với một số IC chuyên dụng khác.

13


1.2.2 Một số đặc điểm của hệ thu thập số liệu.

Các hệ thống thu thập số liệu thƣờng đƣợc đặt ở những nơi quan sát xa
phịng thí nghiệm, do vậy nó phải có khả năng hoạt động độc lập và lƣu trữ số
liệu, có giao thức để truyền số liệu vào máy tính. Ngồi ra, thiết bị phải có khả
năng hoạt động liên tục lâu dài nên cần sử dụng nguồn DC và tiêu thụ ít năng
lƣợng.
Hệ thống đƣợc đặt ở xa nên khó có thể có ngƣời thƣờng xuyên theo dõi
sửa chữa đƣợc nên hệ thống phải có độ bền cao, chạy ổn định, tránh đƣợc các lỗi
thông thƣờng có thể xảy ra làm ảnh hƣởng tới việc đo đạc và lƣu trữ số liệu.
Các kết quả nghiên cứu không thể chỉ dựa trên số liệu đo đạc của một đại
lƣợng mà còn phải dựa trên các yếu tố mơi trƣờng khác nữa nên hệ thống phải có
khả năng đo đồng thời nhiều đại lƣợng khác nhau.
Các đại lƣợng đo thƣờng là các đại lƣợng biến đổi chậm theo thời gian.
Bởi nếu khơng nhƣ vậy thì số lƣợng thơng tin đo đƣợc sẽ là một khối lƣợng
khổng lồ. Đối với hệ thống thì tần số lấy mẫu là 1 Hz (tƣơng ứng tần số tín hiệu
nhỏ hơn 0,5Hz - Theo định lý Nyquist) thì khối lƣợng thơng tin cần lƣu trữ trong
1 ngày đã là rất lớn.
Một số loại data logger hỗ trợ thêm khả năng xử lý thông tin trƣớc khi lƣu
trữ. Nhờ vậy làm cho số liệu gọn hơn tiết kiệm dung lƣợng lƣu trữ, đồng thời
giảm bớt các cơng đoạn trong q trình xử lý các số liệu thu thập đƣợc. Ngoài ra,
một số hệ thống thơng minh cịn cho phép ngƣời sử dụng thay đổi cấu hình thiết
bị từ xa (thêm bớt các đại lƣợng đo, xóa các số liệu cũ,…) cho phù hợp với mục
đích của ngƣời sử dụng cũng nhƣ để tiết kiệm bộ nhớ.
1.2.3 Một số bộ thu thập số liệu hiện nay
Hiện nay, rất nhiều hãng sản xuất thiết bị điện tử và thiết bị khoa học đều
nghiên cứu và cho ra đời các bộ thu thập số liệu phục vụ nhiều mục đích khác
nhau, nhất là trong cơng nghiệp. Điển hình là các bộ Data Logger của các hãng

14

nổi tiếng nhƣ của Advantech, National Instruments, bộ DVTH[31] của Supco, bộ
MT100 [10] của DataQ, ICP DAS [42], Measurement Computing [43]…những
hệ này thƣờng dùng để thu thập số liệu về nhiệt độ, độ ẩm và những tham số
khác của môi trƣờng (Hình 1.3), thơng tin đƣợc lƣu trữ vào thẻ nhớ hoặc truyền
vào máy tính thơng qua các kết nối USB, Ethernet, Wireless (RF, Blue tooth),
GPRS…

Hình 1.3 Bộ thu thập số liệu DVTH và MT100
Ví dụ với bộ MT100, thiết bị này có một số ƣu điểm nổi bật nhƣ sau:
- Có màn hình màu 5,7 inch hiển thị trực tiếp số liệu dƣới dạng đồ thị.
- Có 10 kênh đo analog (để đo điện thế, cặp nhiệt điện, độ ẩm,…).
- Lƣu trữ số liệu trên thẻ nhớ.
- Có thể truy xuất số liệu qua mạng LAN.
- Có 4 rơle báo động
- Có thể mở rộng, thiết lập thơng qua các nút bấm trên thiết bị.
Tuy nhiên thiết bị này vẫn còn một vài hạn chế sau:
- 10 kênh đo đều là dạng analog nên phải chuyển các đại lƣợng cần đo về
dạng điện thế.

15


- Chỉ có thể lấy dữ liệu thơng qua thẻ nhớ hoặc mạng LAN.
- Thiết bị chỉ sử dụng đƣợc nguồn điện AC với cơng suất là 38VA do đó
khơng thể thực hiện đo khi gặp sự cố mất điện hoặc khơng thể đo ở các nơi xa
khơng có nguồn điện AC.
Các nhà nghiên cứu cũng khơng đứng ngồi những cơng việc nhằm mục
đích làm ra những bộ thu thập số liệu có tính năng tiên tiến theo mục đích sử
dụng cũng nhƣ ứng dụng thành quả của công nghệ vi điện tử. Cụ thể, Thakur, S.
và Conrad, J.M [35] dùng hệ nhúng trên nền ARM9 làm bộ thu thập dữ liệu cho

thiết bị dƣới nƣớc, nhóm Hsueh-Chun Lin [14] thực hiện dùng mạng khơng dây,
nhóm Prabhudesai, R.G. [32] nghiên cứu thiết bị thu thập dữ liệu hải dƣơng khí
tƣợng, nhóm của Ku, K.K.K [15] với các thiết bị thu thập dữ liệu dùng trong hải
quân, hay bộ thu thập số liệu phục vụ nhiều mục đích sử dụng, các hệ thu thập dữ
liệu phục vụ sức khỏe con ngƣời [32, 33], …Những hệ thống này nhìn chung đều
đƣợc phát triển với một mục đích ứng dụng cụ thể và đặc thù trên nền tảng
những hệ điện tử nhúng hoạt động thơng minh, có ít nhiều sử dụng đến hệ điều
hành nhúng nhƣ Windows CE, GNU/Linux.
1.3 Hệ thống nhúng và Linux
1.3.1 Thế nào là một hệ thống nhúng
Hệ thống nhúng (Embeded system) đƣợc sử dụng để chỉ những hệ vi mạch với
rất nhiều hình dạng và kích thƣớc khác nhau từ những hệ thống giữ liệu máy chủ
máy trạm tới các máy nghe nhạc hay chiếc điện thoại, hay ngay cả chiếc máy
tính cá nhân cũng có thể đƣợc gọi là hệ thống nhúng tuy nhiên ta ít sử dụng với
nghĩa này. Thông thƣờng “hệ thống nhúng” để chỉ những hệ có các đặc trƣng
sau:
-

Sử dụng ít nhất một bộ xử lý điện toán, nhƣ một bộ vi điều khiển, DSP,
FPGA...

16


-

Sử dụng cho một ứng dụng hoặc một chức năng cụ thể. Thƣờng các chứ
năng mà con ngƣời cần tự động hóa bằng máy móc.

-

Có thể chứa giao diện hoặc tƣơng tác ngƣời dùng, hoặc hoạt động hoàn
toàn tự động.

-

Thƣờng có dữ liệu hạn chế, bộ nhớ nhỏ. Các chƣơng trình đặc trƣng, ít có
chuẩn thống nhất.

-

Thƣờng hƣớng tới những ứng dụng để thay thế cho lao động của con
ngƣời mà cần có sự xử lý, tính tốn, kiểm sốt, lƣu trữ thông tin...

Một hệ thống đo đạc thu thập xử lý số liệu tự động là một hệ thống nhúng.
Nó gồm phần cứng gồm tồn bộ các linh kiện điện tử cấu thành để đảm bảo vận
hành những chƣơng trình, cơng việc mà ngƣời chế tạo thiết kế. Những chƣơng
trình này là phần mềm. Thơng thƣờng phần mềm có thể đƣợc nhà thiết kế viết
riêng cho thiết bị, đặc trƣng riêng và khơng có chuẩn thống nhất khơng sử dụng
hệ điều hành, việc này làm cho thiết bị khó nâng cấp mở rộng tính năng bảo
dƣỡng chuyển giao, khơng có sự thống nhất và chuẩn hóa. Tuy nhiên trong luận
văn này đề cập đến bộ thu thập số liệu dựa trên phần mềm phát triển trên nền hệ
điều hành mã nguồn mở Linux. Hệ điều hành nguồn mở có rất nhiều ƣu điểm,
đang dần phổ biến và phát triển. Việc sử dụng hệ điều hành làm cho thiết bị dễ
dàng nâng cấp, mở rộng tính năng, có sự thống nhất và chuẩn hóa, dễ dàng
chuyển giao thiết bị.
1.3.2 Hệ điều hành Linux
Linux là tên gọi của một hệ điều hành máy tính và cũng là tên hạt nhân
của hệ điều hành. Nó có lẽ là một ví dụ tiêu biểu nhất của phần mềm tự do và của
việc phát triển mã nguồn mở.

Phiên bản Linux đầu tiên do Linus Torvalds viết vào năm 1991, lúc ơng
cịn là một sinh viên của Đại học Helsinki tại Phần Lan. Ông làm việc một cách

17


hăng say trong vòng 3 năm liên tục và cho ra đời phiên bản Linux 1.0 vào năm
1994. Bộ phận chủ yếu này đƣợc phát triển và tung ra trên thị trƣờng dƣới bản
quyền GNU General Public License. Do đó mà bất cứ ai cũng có thể tải và xem
và xử dụng cũng nhƣ phát triển mã nguồn của Linux.
Khởi đầu, Linux đƣợc phát triển cho dòng vi xử lý 386, hiện tại hệ điều
hành này hỗ trợ một số lƣợng lớn các kiến trúc vi xử lý, và đƣợc sử dụng trong
nhiều ứng dụng khác nhau từ máy tính cá nhân cho tới các siêu máy tính hay là
các thiết bị nhúng nhƣ là các máy điện thoại di động.
Ban đầu, Linux đƣợc phát triển và sử dụng bởi những ngƣời say mê. Tuy
nhiên, hiện nay Linux đã có đƣợc sự hỗ trợ bởi các công ty lớn nhƣ IBM và
Hewlett-Packard, đồng thời nó cũng bắt kịp đƣợc các phiên bản Unix độc quyền
và thậm chí là một thách thức đối với sự thống trị của Microsoft Windows trong
một số lĩnh vực. Sở dĩ Linux đạt đƣợc những thành cơng một cách nhanh chóng
là nhờ vào các đặc tính nổi bật so với các hệ thống khác: chi phí phần cứng thấp,
tốc độ cao (khi so sánh với các phiên bản Unix độc quyền) và khả năng bảo mật
tốt, độ tin cậy cao (khi so sánh với Windows) cũng nhƣ là các đặc điểm về giá
thành so với cá hệ điều hành thƣơng mại thì Linux hồn tồn miễn phí, và cho
phép ngƣời dùng tự do tìm hiểu, tự do phát triển, và hồn tồn khơng bị phụ
thuộc vào nhà cung cấp. Một đặc tính nổi trội của nó là đƣợc phát triển bởi một
mơ hình phát triển phần mềm nguồn mở hiệu quả với một cộng đồng sử dụng
đơng đảo, có trình độ cao, và dễ dàng chia sẻ, chuyển giao kiến thức, mã nguồn,
kinh nghiệm... Chính vì những lý do trên mà luận văn này sử dụng Linux làm hệ
điều hành của hệ thiết bị.
1.3.3 Các hiểu biết cơ sở phần cứng

Phần cứng là toàn bộ cơ sở vật chất thiết bị linh kiện đảm bảo cho toàn bộ
sự hoạt động của hệ thống. Với hệ thống nhúng, phần quan trọng nhất là các bộ

18


vi mạch cho phép điều khiển, đảm nhiệm các chứng năng nhƣ xử lý, chuyển hóa,
cảm biến hoạt động theo các nguyên tắc nhất định. Trong đó phần trung tâm của
phần cứng là bộ vi xử lý.
1.3.4 Bộ vi xử lý độc lập
Một bộ vi xử lý độc lập gồm có đơn vị xử lý số học và lơgic (ALU), các
thanh ghi, các khối lôgic và các mạch giao tiếp. Chức năng của CPU là tiến hành
các thao tác tính tốn xử lý, đƣa ra các tín hiệu địa chỉ, dữ liệu và điều khiển
nhằm thực hiện một nhiệm vụ nào đó do ngƣời lập trình đƣa ra thơng qua các
lệnh (Instructions). Để đảm bảo cho bộ vi xử lý hoạt động thì cịn có bộ nhớ, các
cổng giao tiếp và bộ định thời. Bộ vi xử lý độc lập cần đƣợc gắn trên một bộ
mạch chủ để cung cấp điện, kết nối và điều khiển bộ nhớ, các thiết bị ngoại vi
...Hiện nay có rất nhiều loại bộ vi xử lý đƣợc nguyên cứu và sản xuất trên nhiều
hệ kiến trúc khác nhau, cho những đặc trƣng và phù hợp với các ứng dụng khác
nhau, nhƣ ARM có đặc trƣng tiếc kiệm điện đang đƣợc sử dụng phổ biến cho
điện thoại di động.
1.3.5 Bộ vi xử lý tích hợp
Với một bộ vi xử lý độc lập, ngƣời xử dụng phải gắn nó trên những bo mạch
phù hợp để nó hoạt động. Tuy nhiên với những kiến trúc khác nhau, các nhà sản
xuất thƣờng tích hợp sẵn các bộ vi điều khiển trên những bộ kit mạch phát triễn
sẵn dƣới dạng mẫu hoặc hƣớng đối tƣợng cụ thể. Những bộ mạch này thƣờng có
sẵn các thành phần chính và một số thành phần mở rộng cho phù hợp mục đích
của ngƣời sử dụng và chúng thƣờng đƣợc xây dựng sẵn để cài đặt firmware, hệ
điều hành, các ứng dụng mở rộng phù hợp. Hiện nay nhân hệ điều hành Linux
(nhân Linux) đƣợc hỗ trợ trên 20 kiến trúc phần cứng khác nhau. Trong luận văn

này tập trung vào tìm hiểu các bộ mạch vi xử lý tích hợp hỗ trợ việc cài đặt hệ
điều hành Linux. Cụ thể là bộ mạch tích hợp vi xử lý NGW100 với kiến trúc
AVR 32 bit.

19


1.3.6 Board mạch NGW100
Board mạch NGW100 là một trong những kit phát triển đƣợc sản xuất bởi
công ty Atmel. Board đƣợc thiết kế với bộ xử lý trung tâm là ARM 32 bit
AP7000, có hỗ trợ bộ nhớ FLASH ngồi (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. Ngoài ra hầu hết các chân IN/OUT và các chân chức
năng chƣa sử dụng đến đều đƣợc đƣa ra ngồi cho phép ngƣời sử dụng có thể kết
nối với các thiết bị ngoại vi khác.

Hình 1.4 Ảnh thực tế board mạch NGW100

Ta có thể thấy board mạch này hoàn toàn phù hợp với yêu cầu của đề tài
do các đặc điểm sau:

20


- Đây là board phát triển phổ biến với giá thành rẻ nên có thể sử dụng làm
các sản phẩm thƣơng mại.
- Trên board có hỗ trợ nhiều chuẩn giao tiếp nhƣ USB, Internet, RS232,
SPI,... giúp cho hệ thống có nhiều lựa chọn trong việc xuất thông tin cho ngƣời
sử dụng.

- Board có hỗ trợ thêm bộ nhớ ngồi FLASH và thẻ nhớ nên có thể cài đặt
hệ điều hành và lƣu trữ dữ liệu một cách dễ dàng phù hợp với yêu cầu ghi lại số
liệu của hệ thống.
- Board sử dụng vi xử lý AVR AP7000 có tốc độ xử lý cao (clock hệ
thống lên tới 140 MHz) có khả năng điều khiển, kiểm sốt tốt hệ thống.
- Board hỗ trợ cả giao tiếp internet thông qua WAN và LAN do đó khi
xây dựng Web server khơng địi hỏi phải mua thêm các modem để kết nối mạng.
- Board có hỗ trợ cài hệ điều hành GNU/Linux giúp cho việc quản lý các
hoạt động của board cũng nhƣ việc xuất nhập các thông theo quy chuẩn một cách
đơn giản và dễ dàng hơn.
- Board có chế độ hoạt động độc lập (stand alone) giúp cho việc lập trình,
kiểm tra điều khiển module In/Out đƣợc dễ dàng hơn.
- Board sử dụng nguồn điện DC 9-15 V với mức điện áp tiêu thụ ở chế độ
thƣờng khoảng 110mA ở 12V tƣơng ứng với cơng suất khoảng 1.32W đến
1.68W nên có thể thích hợp với việc hoạt động ở xa sử dụng các nguồn năng
lƣợng dự phòng nhƣ accu, pin, pin mặt trời,…
Cấu trúc và các thông số của bộ mạch NGW100:

21


Hình 1.5 Các thành phần trên board mạch NGW100

Hình 1.6 Sơ đồ khối board mạch NGW100

22


1.3.7 Giao thức và truyền tin qua mạng
Để các máy máy tính có thể liên lạc với nhau qua mạng, chúng phải sử dụng

cùng 1 ngơn ngữ hay cịn gọi là 1 giao thức (Protocol). Giao thức là 1 hệ luật và
chuẩn cho phép các máy tính trong mạng liên lạc với nhau.
Có nhiều giao thức mạng nhƣ IPX , NetBios-NetBeui, TCP/IP, CSMA/CD
tuy nhiên trong luận văn này chỉ quan tâm tới giao thức phổ biến nhất hiện nay
TCP/IP sử dụng trong mạng Internet .
TCP/IP (Transfer Control Protocol/Internet Protocol
Để cho các máy tính trao đổi dữ liệu với nhau TCP/IP sử dụng mơ hình
truyền thơng 4 tầng hay cịn gọi là Mơ Hình DoD (Mơ hình của Bộ Quốc Phịng
Mỹ). Các tầng trong mơ hình này là (Theo thứ tự từ trên xuống):
+ Tầng Ứng Dụng (Application Layer)
+ Tầng Giao Vận (Transport Layer)
+ Tầng Liên Mạng (Internet Layer)
+ Tầng Giao Diện Mạng (Network Interface Layer)
- Mỗi giao thức của Họ TCP/IP đều thuộc 1 trong các tầng này.
1.Tầng Giao Diện Mạng (Network Interface Layer):
- Tầng Giao Diện Mạng có trách nhiệm đƣa dữ liệu tới và nhận dữ liệu từ
phƣơng tiện truyền dẫn. Tầng này gồm các thiết bị phần cứng vật lí chẳng hạn
nhƣ Card Mạng và Cáp Mạng.
- 1 Card Mạng chẳng hạn card Ethernet chứa 1 số HEX vd:(00-18-37-03-C0-F4)
đƣợc gọi là Địa Chỉ MAC (Media Access Control) hay Địa Chỉ Truy Nhập
Phƣơng Tiện. MAC đóng vai trị quan trọng trong việc gán địa chỉ và truyền dữ
liệu.
- 1 số giao thức tiêu biểu thuộc tầng này gồm :

23


+ ATM (Asynchronous Transfer Mode)
+ Ethernet
+ Token Ring

+ FDDI (Fiber Distributed Data Interface)
+ Frame Relay
2.Tầng Liên Mạng (Internet Layer):
- Nằm bên trên tầng giao diện mạng. Tầng này có chức năng gán địa chỉ, đóng
gói và định tuyến (Route) dữ liệu. 4 giao thức quan trọng nhất trong tầng này
gồm:
+ IP (Internet Protocol): Có chức năng gán địa chỉ cho dữ liệu trƣớc khi truyền
và định tuyến chúng tới đích.
+ ARP (Address Resolution Protocol): Có chức năng biên dịch địa chỉ IP của
máy đích thành địa chỉ MAC.
+ ICMP (Internet Control Message Protocol): Có chức năng thơng báo lỗi trong
trƣờng hợp truyền dữ liệu bị hỏng.
+ IGMP (Internet Group Management Protocol): Có chức năng điều khiển truyền
đa hƣớng (Multicast) .
3.Tầng Giao Vận (Transport Layer):
- Có trách nhiệm thiết lập phiên truyền thơng giữa các máy tính và quy định cách
truyền dữ liệu. 2 giao thức chính trong tầng này gồm:
+ UDP (User Datagram Protocol): Cịn gọi là Giao Thức Gói Ngƣời Dùng. UDP
cung cấp các kênh truyền thông phi kết nối nên nó khơng đảm bảo truyền dữ liệu
1 cách tin cậy. Các ứng dụng dùng UDP thƣờng chỉ truyền những gói có kích
thƣớc nhỏ, độ tin cậy dữ liệu phụ thuộc vào từng ứng dụng

24


+ TCP (Transmission Control Protocol): Ngƣợc lại với UDP, TCP cung cấp các
kênh truyền thông hƣớng kết nối và đảm bảo truyền dữ liệu 1 cách tin cậy. TCP
thƣờng truyền các gói tin có kích thƣớc lớn và u cầu phía nhận xác nhận về các
gói tin đã nhận.
4.Tầng Ứng Dụng (Application Layer):

- Gồm nhiều giao thức cung cấp cho các ứng dụng ngƣời dùng. Đƣợc sử dụng để
định dạng và trao đổi thông tin ngƣời dùng. 1 số giao thức thông dụng trong tầng
này là:
+ DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol): Giao Thức Cấu Hình Trạm
Động
+ DNS (Domain Name System): Hệ Thống Tên Miền
+ SNMP (Simple Network Management Protocol): Giao Thức Quản Lý Mạng
Đơn Giản
+ FTP (File Transfer Protocol): Giao Thức Truyền Tập Tin
+ TFTP (Trivial File Transfer Protocol): Giao Thức Truyền Tập Tin Bình
Thƣờng
+ SMTP (Simple Mail Transfer Protocol): Giao Thức Truyền Thƣ Đơn Giản
+ TELNET: Giao thức cho phép truy cập máy tính từ xa
Vậy một hệ thống có giao thức TCP/IP cho phép thực hiện tất cả các ứng
dụng quan trọng nhƣ truyền nhận, trao đổi dữ liệu, file, mail, điều khiển điều
hƣớng, web sever… Board mạch NGW100 cùng với hệ điều hành Linux có đầy
đủ phần cứng và phần mềm hỗ trợ giao thức này.

25


CHƢƠNG 2 : ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Các đại lƣợng đo
Mơi trƣờng có rất nhiều thơng số để đánh giá, tuy nhiên nhiệt độ và độ ẩm
là hai đại lƣợng có ảnh hƣởng và vai trị lớn. Trong luận văn này trình bày
phƣơng pháp nghiên cứu đo đạc các thông số nhiệt độ và độ ẩm của môi trƣờng
làm cơ sở cho việc đo đạc thu thập các thông số khác nếu cần mở rộng các thông
số đo.
Nhiệt độ và độ ẩm tƣơng đối là hai trong số các đại lƣợng đặc trƣng cho

mơi trƣờng có nhu cầu đƣợc theo dõi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Hai đại
lƣợng này có sự thay đổi thƣờng xuyên trong ngày, tuy nhiên tốc độ biến đổi khá
là chậm nên có thể sử dụng đƣợc các hệ thống thu thập số liệu đƣợc.
2.2 Nhiệt độ và cảm biến đo nhiệt độ
2.2.1 Nhiệt độ
Nhiệt độ theo cách hiểu đơn giản nhất là đại lƣợng mơ tả tính chất vật lý
đặc trƣng cho sự nóng, lạnh của vật, mơi trƣờng. Nhiệt độ môi trƣờng là đại
lƣợng quan trọng, ảnh hƣởng lớn tới mọi sinh vật cũng nhƣ con ngƣời, trang thiết
bị vật tƣ. Do đó đo nhiệt độ mơi trƣờng là cơng việc rất quan trọng để đánh giá
các thông số của mơi trƣờng. Để có thể đo đƣợc nhiệt độ thơng qua các hệ điện
tử, ta có thể sử dụng nhiều loại cảm biến khác nhau nhƣ dùng cặp nhiệt điện,
điện trở kim loại, đƣờng đặc trƣng Volt-Ampere của diode,… hoặc sử dụng các
IC chuyên dụng nhƣ LM75, DS18B20,… Mỗi phƣơng pháp đo trên có những ƣu
điểm riêng và phù hợp với những khoảng nhiệt độ riêng và độ chính xác nhất
định. Đối với hệ thống cần xây dựng này, thì yêu cầu ở đây là đo nhiệt độ của
môi trƣờng, trong điều kiện ở nƣớc ta thì nhiệt độ nằm trong khoảng từ 0oC đến
50oC.

26