Tài liệu Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống đo giám sát nhiệt ẩm cho các kho docx

Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ
thống đo giám sát nhiệt ẩm cho các
kho nông lâm sản có môi trường khắc
nghiệt
Phạm Minh Tuấn, Phạm Thượng Cát, Trần Đức Minh
Viện Công nghệ Thông Tin, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam
e-mail: , ,

.
Tóm tắt:
Báo cáo trình bày hệ thống đo giám
sát nhiệt độ và độ ẩm cho các kho
nông lâm sản chịu được môi trường
khắc nghiệt đã được thiết kế và chế
tạo tại Viện Công nghệ Thông tin.
Hệ thống bao gồm 48 đầu đo nhiệt
ẩm được kết nối th
ành mạng với
chương tr
ình giao diện có chức năng thu thập, kiểm tra xử lý, hiển thị, thiết
lập báo cáo, thống kê, lưu trữ và in ấn chạy trên máy PC. Các đầu đo nhiệt
ẩm v
à hệ thống phần mềm nhúng cũng như phần mềm giao diện được hoàn
thi
ện, nâng cấp để có thể chịu được môi trường nóng ẩm và phun hóa chất
bảo quản định kỳ của các kho nông lâm sản trên toàn quốc. Hệ thống đã
được triển khai lắp đặt tại Tổng kho Từ Liêm Hà Nội thuộc Cục Dự trữ quốc
gia.
Đặt vấn đề
Nước ta là một nước nông nghiệp xuất khẩu nhiều sản phẩm nông nghiệp
nổi tiếng như gạo, cà phê, hạt tiêu, chè và trái cây (vải, nhãn, dứa, thanh

long v.v…). Do công tác bảo quản sau thu hoạch còn nhiều bất cập nên
t
ỷ lệ hao hụt khá lớn. Nhu cầu kiểm soát nhiệt ẩm của các kho nông lâm
sản ngày càng trở nên cần thiết nhất là đối với mặt hàng có tính an ninh
lương thực như thóc và gạo. Đáp ứng yêu cầu của Cục Dự trữ quốc gia,
từ 4 năm nay Phòng công nghệ Tự động hóa - Viện Công nghệ Thông tin
đ
ã phát triển và đưa vào ứng dụng một số hệ thống đo kiểm tra xa nhiệt
ẩm của một số kho thóc ở các tỉnh phía Bắc. Các
hệ thống này đã đáp ứng được các yêu cầu từng giai đoạn của Cục. Tuy
nhiên, trong quá trình vận hành nảy sinh một số vấn đề thực tế cần hiệu
chỉnh và hoàn thiện hệ thống cho phù hợp với điều kiện khắc nghiệt của
môi trường kho nông lâm sản v
à chế độ phun hóa chất bảo quản của các
loại sản phẩm. Báo cáo này trình bày các kết quả nghiên cứu phát triển
đạt được sau khi ho
àn thiện hệ thống đo xa nhiệt ẩm cho các kho nông
lâm sản này.
2. Mô tả hệ thống
Hệ thống đo nhiệt độ và độ ẩm cho kho tàng bao gồm 48 đầu đo nhiệt ẩm
được bố trí tr
ong lòng kho nông lâm sản và được kết nối mạng theo
chuẩn RS485 đưa về máy tính. Các đầu đo được thiết kế nhỏ gọn và kín
để có khả năng chịu được môi trường nóng ẩm nhiệt đới và các hóa chất
thường được dùng để bảo quản nông lâm sản. Các đầu đo được bố trí
phân bố rải rác trong lòng kho để theo dõi được nhiệt độ và độ ẩm các
nông lâm sản. Nguồn điện cấp cho các đầu đo là nguồn 12VDC cách ly
để đảm bảo an to
àn khi vận hành. Phần mềm máy tính sẽ định kỳ kiểm
tra từng đầu đo, đọc nhiệt độ và độ ẩm của đầu đo, tính toán và hiển thị

trên màn hình cũng như là lưu trữ trong cơ sở dữ liệu.
Các thiết bị trong hệ thống bao gồm các đầu đo nhiệt ẩm, thiết bị kết nối
mạng RS285, Bộ nguồn DC, máy vi tính và phần mềm được mô tả chi tiết
như sau:
2.1 Đầu đo nhiệt độ và độ ẩm thông minh THS-1.1
Đầu đo nhiệt ẩm thông minh THS-1.1 được hoàn thiện từ đầu đo nhiệt độ,
độ ẩm THT
-1 được sử dụng trong các hệ thống đo xa nhiệt ẩm của các kho
thóc của các chi cục dự trữ quốc gia Hải Phòng và Bắc Giang. Nguyên lý
ho
ạt động của của đầu đo nhiệt ẩm mới THS-1.1 về cơ bản giống như đầu đo
THT-1 nhưng được nâng cấp cả về cấu trúc phần cứng và phần mềm nhúng.
Phần cứng đã được hoàn thiện về cấu trúc mạch điện, cấu hình chip chuyên
d
ụng được phát triển từ công nghệ tạo chip thông minh PSoC, tiêu tốn ít
năng lượng, h
ình dáng và kích cõ nhỏ gọn phù hợp cho đa dạng ứng dụng
trong các kho nông lâm sản có môi trường nóng ẩm và hóa chất khắc nghiệt.
Về phần mềm nhúng được nâng cấp với các thuật toán xử lý mới chống
nhiễu, tăng độ ổn định cũng như thủ tục truyền tin đảm bảo số liệu đo tin
cậy, chính xác và nhanh chóng. Sản phẩm đầu đo nhiệt ẩm thông minh THS-
1.1 có các đặc trưng chính sau
Ký hiệu: THS1.1
Gi
ải đo nhiệt độ: 0 – 70 oC
Độ chính xác nhiệt: oC
Gi
ải đo độ ẩm: 0 – 100%
Độ chính xác độ ẩm:
Điện cấp: 10 – 15 VDC

Dòng tiêu th
ụ: 10 mA (max)
K
ết nối mạng RS485: Dị bộ, bán song công
Số điểm trên RS485: 255 (max)
T
ốc độ truyền RS485: 1200 – 57600 bps
Kích thước: 80 mm x 32 mm x 32 mm
2.2. Bộ chuyển đổi RS485/RS232 cách ly
Khác với các hệ đo nhiệt ẩm trước đây thường sử dụng các bộ chuyển đổi
cách ly RS485/RS232 nhập ngoại vừa tốn kém vừa khó trong việc bảo hành,
chúng tôi đã phát triển bộ chuyển đổi cách ly RS485/RS232 của mình. Chất
lượng của sản phẩm n
ày không thua kém các sản phẩm nhập ngoại mà còn
có ưu điểm về giá thành rẻ hơn, tiêu tốn ít năng lượng hơn và dễ dàng bảo
hành dài hạn cho các khách hàng. Các chi tiết về chỉ tiêu kỹ thuật được mô
tả như sau:
Ký hi
ệu: iCon-485
K
ết nối mạng RS485: Dị bộ, bán song công
Số điểm trên RS485: 255 (max)
T
ốc độ truyền RS485: 400 – 115200 bps
Điều khiển hướng truyền: tự động
Cách ly RS485/RS232: 1000 Vrms
Điện cấp: 10 – 15 VDC
Dòng tiêu th
ụ: 55 mA (max)
Kích thước: 93 mm x 58 mm x 27 mm

Nhi
ệt độ làm việc: 0 – 45 oC
Độ ẩm làm việc: 5 – 90%
2.3. Thiết bị nguồn DC
Đặc điểm của bộ nguồn DC cho các ứng dụng ở môi trường khắc nghiệt của
các kho nông lâm sản là phải có độ bền cao, chịu được dao động điện lưới
lớn, chạy 24/24 ổn định và có chế độ tự bảo vệ quá tải, chập mạch và dễ
dàng sử dụng. Chúng tôi đã phối hợp với công ty hàng đầu của Việt Nam về
chế tạo các thiết bị nguồn Việt Linh AST để chế tạo thiết bị nguồn chuyên
d
ụng này cho các hệ thống đo nhiệt ẩm. Thiết bị nguồn được chế tạo có các
chỉ tiêu kỹ thuật sau:
Điện cấp v
ào: 190 – 245 VAC
T
ần số: 45 – 55 Hz
Điện áp đầu ra: 12 – 14,5 VDC
Dòng c
ấp ra: 15A (max)
T
ự động bảo vệ: chập mạch, quá tải, quá nhiệt
Kích thước:
167 mm x 100 mm x 325 mm
2.4. Hệ thống phần mềm
Chương trình kiểm soát nhiệt độ-độ ẩm là hệ thống phần mềm phục vụ công
tác kiểm soát nhiệt độ-độ ẩm sử dụng các đầu đo sử dụng cảm biến đặt tại
các điểm cần th
eo dõi của người sử dụng. Chương trình do Phòng Công
ngh
ệ phần mềm trong quản lý phối hợp với Phòng Công nghệ Tự động hóa

nâng cấp từ Phần mềm THDP-SW để tăng cường chức năng lưu trữ, tìm
ki
ếm và truy cập cơ sở dữ liệu các giá trị nhiệt ẩm đo được. Chương trình
dùng để phục vụ cho nhóm người sử dụng được giao nhiệm vụ giám sát
nhiệt ẩm của kho tàng.
Khi kích ho
ạt cửa sổ chương trình hiện ra thông báo đang thực hiện lấy dữ
liệu từ các đầu đo mà có kết nối với hệ thống.
Sau một khoảng thời gian ngắn, chương trình chính sẽ mở ra, cung cấp các
chức năng để theo dõi dữ liệu thu thập được từ các đầu đo.
Chương tr
ình có các chức năng cơ bản sau:
2.4.1 Quản trị dữ liệu
Chức năng Quản trị dữ liệu có nhiệm vụ hiển thị dữ liệu nhận được từ lần đo
gần nhất. Thông tin thời gian thực hiện đo luôn được hiển thị ở tiêu đề cửa
sổ.
Xem dữ liệu
Chức năng Xem dữ liệu hiển thị thông tin
đo được mới nhất m
à hệ thống nhận được
từ các đầu đo mà nó quản lý. Dữ liệu nhận
được từ mỗi đầu đo sẽ được hiển thị trong
tab này trong một cửa sổ nhỏ. Tại cửa sổ
này, người sử dụng có thể nhấn nút
lấy dữ
liệu để nhận dữ liệu mới nhất từ đầu đo đó.
Ví dụ, màn hình sau cho kết quả nhận dữ
liệu từ đầu đo:
Việc tổ chức như vậy giúp người sử dụng có thể thực hiện xem dữ liệu ở đầu
đo bất kỳ, tại bất kỳ thời điểm n

ào và trợ giúp tích cực hơn cho người được
giao nhiệm vụ kiểm soát, theo dõi. Trạng thái của các đầu đo cũng được cập
nhật ngay để người sử dụng biết đầu đo nào hoạt động, đầu đo nào không
ho
ạt động trên màn hình. Các đầu đo hoạt động có màu đỏ, nền xanh. Các
đầu đo không hoạt động có
màu đen,
nền xanh nhạt.
Tra cứu
Chức năng Tra cứu cung cấp
các tiện ích giúp người sử
dụng tra cứu lại các dữ liệu
đ
ã nhận được từ các đầu đo.
Để thực hiện tra cứu, người
sử dụng tích chuột chọn các
đầu đo cần tra cứu, xác định
điều kiện theo ng
ày hoặc theo
tháng để lấy dữ liệu. Các nút
lệnh Tra cứu tương ứng cho
mục tiêu tra cứu dữ liệu theo
khoảng thời gian hay theo tháng. Nhấn Tra cứu để xem dữ liệu của các đầu
đo đ
ã chọn. Kết quả hiển thị dưới dạng bảng như sau:
Nếu muốn chọn tất cả đầu đọc, người sử dụng có thể tích vào Chọn tất cả,
chương tr
ình sẽ tự động chọn tất cả các đầu đo. Sau đó, người sử dụng xác
định các điều kiện lọc như đ
ã nêu ở trên Trong phần Tra cứu, hệ thống

cũng cung cấp chức năng Báo cáo cho phép người sử dụng kết xuất bảng kết
quả này ra Excel. Người sử dụng có thể chọn lựa báo cáo theo ngày hay theo
tháng. H
ệ thống tự động xác định điều kiện ở các mục tương ứng để lấy dữ
liệu làm báo cáo. Khi chạy, hệ thống sẽ kích hoạt Excel và điền dữ liệu vào
file đó cho người sử dụng có thể chế biến tiếp (nếu cần). Ví dụ ở bảng dưới
2.4.4 Biểu đồ
Chức năng Biểu đồ cho phép người
sử dụng theo dõi dữ liệu đo được
dưới dạng biểu đồ. Tương tự như
thực hiện tra cứu, người sử dụng
tích chuột chọn các đầu đo cần tra
cứu, xác định điều kiện theo ngày
ho
ặc theo tháng để lấy dữ liệu. Các
nút lệnh Xem biểu đồ tương ứng
cho mục tiêu tra cứu dữ liệu theo
khoảng thời gian hay theo tháng.
Nhấn Xem biểu đồ để xem dữ liệu
của các đầu đo đã chọn. Kết quả hiển thị dưới dạng biểu đồ như sau:
Tại đây, người sử dụng cũng có thể lựa chọn xem biểu đồ biến thiên của
nhiệt độ, độ ẩm hay điểm sương. Hay thay đổi dạng biểu đồ ở danh sách
chọn Dạng biểu đồ trên màn hình. Chương trình sẽ tự động cập nhật dạng
biểu đồ với dữ liệu hiện tại.
2.4.5 Danh mục đầu đo
Chức năng này cung cấp để
trợ giúp người sử dụng có thể
quản lý và cập nhật các thông
tin liên quan đến đầu đo. Có
hai dạng hiển thị: Dạng

FORM và dạng GRID như
trên màn hình. Tại đây người
sử dụng có thể cập nhật thông
tin Vị trí của đầu đo và thuộc
tính của đầu đo có sử dụng để
điều khiển công tắc hay không. Thanh côn
g cụ phía trên giúp người sử dụng
làm việc với chức năng này:
Ch
ức năng Chuyển chế độ truy vấn, Thực hiện truy vấn và Hủy bỏ chế độ
truy vấn được thực hiện theo như tên gọi. Khi nhấn Chuyển chế độ truy vấn
thì chương trình sẽ hiển thị 2 nút lệnh Thực hiện truy vấn và Hủy bỏ truy
vấn. Khi ở chế độ truy vấn, người sử dụng có thể nhập các giá trị cần tìm
kiếm vào các trường trên màn hình hiện tại, nhấn Thực hiện truy vấn để tìm,
H
ủy bỏ truy vấn để quay lại màn hình trước đó. Để hủy toàn bộ kết quả truy
vấn và quay lại với toàn bộ dữ liệu, nhấn Chuyển chế độ truy vấn, không
nhập điều kiện gì và nhấn
Thực hiện truy vấn.
2.4.6 Hệ thống
Chức năng Hệ thống giúp
người sử
dụng theo dõi các
thông s
ố hệ thống được cài
đặt. Thiết đặt tần suất thực
hiện lấy dữ liệu từ các đầu
đo. Màn h
ình giao diện như
sau:

T
ại màn hình này, người sử
dụng có thể thay đổi tần suất
lấy dữ liệu từ đầu đo bằng
cách thay đổi giá trị trường Tần suất
lấy dữ liệu. Giá trị này được tính theo
phút. Sau khi thay đổi, người sử dụng nhấn Cập nhật để lưu lại thay đổi n
ày.
M
ặc định, khi chương trình khởi động đặt giá trị 5 phút cập nhật một lần.
Khi hoạt động, dữ liệu này có thể thay đổi. Tuy nhiên, không nên đặt dưới 1
phút đối với hệ thống quản lý 50 đầu đọc trở l
ên. Theo tần suất đã đặt, hệ
thống tự động bật chế độ lấy dữ liệu.
3. Lắp đặt và hoạt động tại hiện trường
Hệ thống đo nhiệt độ độ ẩm được
triển khai lắp đặt tại Tổng kho Từ
Liêm thuộc Chi cục Dự trữ Quốc
gia Hà Nội. Tại đây, các thiết bị
đầu đo được trang bị tại kho K8 v
à
chôn trong thóc để theo dõi nhiệt
độ và độ ẩm của thóc. Dữ liệu sẽ
được truyề
n qua mạng RS485 để
đưa về máy tính có c
ài phần mềm
đo nhiệt độ và độ ẩm và được đặt
tại phòng Kỹ thuật trong khu văn
phòng cách kho 200 mét. Các đầu

đo được phân bố đều trong kho v
à
được chôn ở 3 cao độ khác nhau để đảm bảo có thể thu được giá trị nhiệt ẩm
tương đối của toàn bộ khối thóc. Thông qua chương trình giám sát nhiệt độ
và độ ẩm, người quản lý kho có thể li
ên tục theo dõi nhiệt độ và độ ẩm của
thóc hoặc có thể tra cứu lại các giá trị đo trong quá khứ mà không phải ra
khỏi phòng. Dựa trên các kết quả đo, người quản lý kho có thể đưa ra các
quyết định cần thiết cho quy trình bảo quản thóc như bật quạt, hút ẩm, hay
đảo thóc, … để luôn luôn giữ thóc ở mức độ bảo quản với chất lượng tốt
nhất.
Các đầu đo và máy tính được nối với nhau qua một dây cáp. Nguồn điện cấp
cho các đầu đo cũng sẽ được đưa qua sợi cáp n
ày. Vì thế, dây cáp sẽ cần có
4 sợi bên trong: 2 sợi cho việc cấp nguồn và 2 sợi khác cho việc truyền
RS485.
3.1 Lựa chọn dây cáp
Thông thường, khu kho thóc và khu văn phòng đặt cách xa nhau. Do đó,
điện áp cấp sẽ bị suy giảm khi truyền tải trên các đường dây cáp dài, tùy
theo kho
ảng cách khu vực kho thóc và khu văn phòng, ta cần lựa chọn loại
cáp có kích thước các sợi b
ên trong cho phù hợp. Với khoảng cách dưới 200
mét, sử dụng loại dây mạng Cat.5 là phù hợp về kỹ thuật và kinh tế nhất.
Đây là loại dây cáp m
à bên trong có 4 cặp sợi được đánh dấu bằng các màu:
cam, tr
ắng/cam, nâu, trắng/nâu, xanh lục, trắng/lục, xanh lam, trắng/lam.
Mỗi cặp sợi sẽ được chập lại và dùng như 1 sợi. Từ trục cáp chính này nối
tới các đầu đo, do khoảng cách thường ngắn, chúng ta có thể sử dụng loại

cáp điện thoại 4 sợi có bọc lớp vỏ nhựa chịu được môi trường axit.
3.2 Lắp đặt đầu đo trong kho thóc
48 đầu đo được phân bố đều trong lòng kho thóc để có thể giám sát nhiệt độ
của toàn kho. 48 đầu đo được chia thành 16 cụm mỗi cụm gồm 3 đầu đo
chôn ở 3 cao độ 1m, 2m và 3m cách mặt thóc. Các cụm được bố trí đều
trong kho theo 8 hàng x 2 cột để có thể phủ được toàn bộ diện tích 18 x 6
m2.
M
ỗi đầu đo được đút bên trong một ống nhựa PVC và kéo dài từ điểm cần
đo đến tr
ên mặt thóc. Dây nối từ đầu đo tới đường cáp chính được bọc trong
ống gien mềm v
à cũng được chạy bên trong ống PVC để bảo vệ chống va
đập, chuột bọ và môi trường axit.
3.3 Sơ đồ kết nối hệ thống
Sơ đồ kết nối hệ thống được
mô tả như hình sau:
3.4 Địa chỉ trên mạng
RS485
Mỗi đầu đo được đặt một địa
chỉ riêng biệt trên mạng
RS485 từ 01 cho đến 48. Địa
chỉ được đánh liên tục theo
giá trị tăng dần của số thứ tự
cụm đầu đo. Với mỗi cụm
đầu đo, đầu đo chôn sâu nhất
sẽ được đánh địa chỉ nhỏ
nhất, còn đầu đo chôn gần
mặt thóc nhất sẽ được đánh
địa chỉ lớn nhất.

3.5 Hoạt động của hệ thống
Hệ thống đã được đưa đi
kiểm chuẩn tại Cục Tiêu chuẩn đo lường chất lượng Bộ Quốc phòng đạt các
chỉ tiêu kỹ thuật như mô tả ở trên trước khi lắp đặt đưa vào hoạt động trong
tháng 5 năm 2009 ở Tổng kho Từ li
êm. Hệ thống hoạt động ổn định từ đó
đến nay. Các số liệu được cập nhật và lưu trữ the
o yêu cầu của kho. Thời
gian thu thập cả 48 điểm đo nhiệt ẩm trong vòng 1 phút.
4. Kết luận
Hệ thống đo giám sát nhiệt độ và độ ẩm cho các kho nông lâm sản chịu được
môi trường khắc nghiệt đ
ã được nâng cấp, hoàn thiện, được lắp đặt và đưa
vào hoạt động trong các kho thóc của Tổng kho Từ liêm cho các kết quả
đáng tin cậy. Hệ thống hoạt động ổn định, thời gian thu thập số liệu các điểm
đo nhanh. Các kết quả thu được đảm bảo có thể triển khai đại tr
à cho các
kho nông lâm s
ản trên toàn quốc và các ứng dụng đo kiểm soát nhiệt ẩm môi
trường từ xa của các ng
ành kinh tế và an ninh quốc phòng. Hiện tại chúng
tôi đã phát triển hệ đo kiểm soát nhiệt ẩm qua mạng Internet cho các phòng
server và các t
ổng đài trong lĩnh vực bưu chính viễn thông. Các kết quả kiểm
soát nhiệt ẩm của các phòng server, tổng đài được lưu trữ và báo động qua
mạng Internet, gửi tin nhắn vào các mạng di động. Như vậy, việc kiểm soát
nhiệt ẩm được thực hiện mọi lúc mọi nơi trên toàn cầu qua mạng Internet và
m
ạng điện thoại di động. Ngoài ra, chúng tôi đang phát triển các đầu đo
nhiệt ẩm kết nối không dây cho các ứng dụng trong tương lai.