Tải bản đầy đủ
Chương 2: Thiết kế hệ thống

Chương 2: Thiết kế hệ thống

Tải bản đầy đủ

-

Các đèn trạng thái phải thể hiện được mức nước theo thời gian thực.

2.1 Thiết kế tổng quan
Hình 2.1 miêu tả thiết kế về mặt khái niệm của hệ. Nó bao gồm 2 thiết bị độc lập.
Đầu tiên là thiết bị đo mức lũ, nó sử dụng năng lượng mặt trời, cảm biến sẽ đo mực
nước trên các dòng sông, suối sau đó sẽ truyền dữ liệu về trang chủ, đồng thời sẽ phát
tín hiệu cảnh báo đến nhà chức trách thông quan công nghệ GSM khi nó vượt quá
ngưỡng an toàn. Thiết bị thứ 2 có nhiệm vụ đo lượng nước mưa theo thời gian thực, nó
sẽ cảnh tức thời khi lượng nước vượt quá ngưỡng an toàn bằng còi cảnh báo ngay tại
vị trí mà thiết bị được đặt thường là trong khu dân cư.

Hình 2.1: Mô hình khái niệm hệ thống
Ở thiết bị đo mưa, nó bao gồm các thành phần như cảm biến, khối nguồn và pin, vi
điều khiển, còi cảnh báo…Hình 2.2 sẽ mô tả sơ đồ khối của hệ.

12

Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ đo mưa
Thiết bị đo mưa sẽ có 2 chế độ làm việc khác nhau. Chế độ 1 khi có nguồn điện, thiết
bị sẽ sử dụng trực tiếp năng lượng từ nguồn điện, và lúc này pin Litium 6000 mAh
được sạc. Ngược lại ở chế độ 2 khi mất điện điều rất hay sảy ra trong điều kiện mưa lũ,
thiết bị sẽ sử dụng điện năng được tích lũy trong pin Lithium. Cảm biến sẽ cung cấp
dữ liệu cho về lượng nước hiện có trong gầu đo mưa. Sau đó vi điều khiển họ AVR có
nhiệm vụ tính toán lượng nước theo thời gian và quyết định xem có đưa ra cảnh báo
hay không.
Thiết bị đo lũ bao gồm 1 mô-đun năng lượng mặt trời, pin có khả năng sạc được, cảm
biến đo lượng nước, mô-đun truyền dữ liệu GSM, vi điều khiển… Dữ liệu từ cảm biến
sau khi được xử lí sẽ được truyền về trang chủ và gửi đến nhà chức trách thông qua
mô-đun GSM sim900A. Vì hệ được đặt ở trên các dòng sông, suối nên thiết bị phải có
khả năng sử dụng năng lượng mặt trời để có thế chủ động nguồn điện. Hình 2.3 sẽ mô
tả các khối của thiết bị:

Hình 2.3: Sơ đồ khối hệ đo lũ
2.2 Thiết kế phần cứng
Ở phần này sẽ trình bày các cấu kiện con của cả 2 thiết bị.
2.2.1 Mạch Arduino
Vi điều khiển là bộ não của thiết bị.Vi điều khiển là một chip máy tính thu nhỏ,
cho phép các hệ thống điện tử thực hiện tính toán các phép logic thức tạp. Có rất nhiều
các loại vi điều khiển tích hợp số khác nhau như họ AVR, PIC, 8051… Arduino Uno
là một mạch vi điều kiển dựa trên chip ATmega328P. Nó có 14 chân vào ra kỹ thuật
số, sử dụng thạch anh 16 Mhz, kết nối USB. Nó chứa tất cả các hỗ trợ cần thiết cho vi
điều khiển; kết nối một cách đơn giản với máy tính thông qua giao tiếp USB. Năng
lượng cung cấp cho vi mạch này có thể là thông qua cổng kết nối USB, bộ chuyển đổi
13

điện áp AC-DC hoặc từ nguồn pin [4]. Ưu điển của vi mạch này là có một nền tảng
phần cứng và phần mềm ổn định, có IDE thân thiện và dễ dàng thao tác cho người sử
dụng. Khác với các vi mạch vi điều khiển khác là không cần thêm mạch nạp, việc nạp
chương trình thông qua trình biên dịch IDE và kết nối USB sẵn có. Giá thành rẻ giúp
giảm giá thành sản phẩm và tăng quy mô sản xuất.
Tất cả các vi điều khiển Arduino hoạt động ở điện áp 5V và 3,3V. Hình 2.4 sẽ mô tả
cơ bản các đặc điểm cơ bản về bo mạch Arduino Uno [7], và bảng 2.1 là các thông số
kĩ thuật của Arduino Uno R3.

Hình 2.4: Mạch Arduino UNO cơ bản
Bảng 2.1: Thông số kĩ thuật của Arduino Uno
Chi tiết về Arduino Uno
Vi điều khiển

ATmega 328P

Kích cỡ

6.85x 5.84 cm

Điện áp hoạt động

3.3 – 5 V

Điện áp lối vào

6 – 20 V

Số chân Analog

6

Số chân I/O Digital

14

Cường độ dòng điện 40mA
1 chiều
Xung

nhịp

hoạt 16MHz
14

động

2.2.2 Mô – đun nguồn và quản lí sạc / sả điện
Mô-đun LM2596 (hình 2.5) là mô-đun chỉnh lưu dòng điện 9-12 V sang 5 V để
cung cấp điện áp cho hệ thống trong trường hợp không mất điện và cung cấp dòng
điện đầu vào cho mô-đun sạc/ sả pin lithium.
Để dự trữ điện năng vào 2 pin Lithium cho những ngày mất điện, ta cần cần 1
modul có khả năng sạc điện cho Pin Lithium. Mô-đun TP4056 (hình 2.6) là mô-đun
điều tiết điện cho pin. Nó có nhiệm vụ sạc/ sả một cách hợp lí, ngắt khi pin đầy và sạc
trở lại khi hết pin.

Hình 2.5: Mô-đun nguồn LM2596
Hình 2.6: Mô-đun sạc/TP4056
2.2.3 Còi cảnh báo
Còi báo động giúp cảnh báo khi hệ thống tính toán và phát hiện ra nguy cơ xảy ra lũ
hoặc trượt lở đất. Hình 2.7 là hình ảnh thực tế của còi cảnh báo. Nó hoạt động ở tần số
cao, với công suất lớn gây khó chịu cho người sử dụng (và sẽ gây chú ý của người
dân). Vì thế, còi này rất thích hợp để cảnh báo trong khu dân cư. Còi hoạt động ở điện
áp 3.7V đến 12V.

Hình 2.7: Còi cảnh báo
2.2.4 Pin Lithium
Pin Lithium gồm 2 pin Lithium 3.7V – 3000mAh được nối song song với nhau để
có nguồn 3.7V – 6000mAh. Một trong những lý do quan trọng của việc sử dụng nguồn
dự phòng là cung cấp điện áp cho toàn hệ thống trong trường hợp mất điện. Tại khu
15

vực đồi núi thường mất điện mỗi khi có mưa lớn. Tuy nhiên, hệ thông cần luôn hoạt
động để kịp thời cảnh báo khi có hiện tượng trượt lở đất xảy ra. Vì thế nguồn dự
phòng là giải pháp rất cần thiết cho hệ thống này.
2.2.5 Mô-đun sim 900A
Ở hệ đo mức lũ, ta cần 1 thiết bị có thể kết nối với thể giới bên ngoài để truyền
thông tin, Mô-đun sim900 được lựa chọn vì sự phổ biến, tương đối dễ sử dụng và đáp
ứng được đầy đủ yêu cầu về mặt thiết kế.
Mô-đun sim900 hoạt động ở băng tần 900/1900 Hz trên công nghệ GSM. Nó sử
dụng nguồn điện áp 9 V. Sim900 hộ trợ nhiều chuẩn kết nối như RS232, giao tiếp với
vi điều khiển, có Mic thoại và Audio. Hình 2.8 là phiên bản thực tế của Mô-đun
sim900A do công ty Minh Hà sản xuất.

Hình 2.8: Mô-đun sim900A
2.2.6 Pin năng lượng mặt trời
Một đặc điểm quan trọng của hệ đo mức lũ là nó được đặt ở trên bờ các dòng sông,
suối. Như vậy thì nguồn điện cung cấp cho thiết bị là 1 bài toán phải được đặt ra. Pin
năng lượng mặt trời là 1 giải pháp thay thế tương đối rẻ và hiệu quả. Việc tính toán
những ngày có nắng, khả năng sạc đầy pin là điều vô cùng quan trọng để đánh giá
được khả năng hoạt động của hệ thống.
Hình 2.9 là 1 bảng thu năng lượng mặt trời với công suất trung bình, giá rẻ, phù hợp
với hệ thống.

16

Hình 2.9: Bản năng lượng mặt trời
2.2.7 Cảm biến
Đối với bất kì một hệ đo lường điện tử nào cảm biến luôn là một trong số những
thành phần quan trọng nhất. Các kết quả đo có chính xác hay không đều phụ thuộc vào
cảm biến. Về mặt kĩ thuật báo cáo này sẽ trình bày 2 phương pháp khác nhau để đo
được mực nước, đó là sử dụng cảm biến mức và cảm biến siêu âm. Đây là 2 phương
pháp đã được thử nghiệm thực tế trong quá trình thực hiện báo cáo. Dựa vào kết quả
thực tế, cuối cùng sẽ đưa ra được ưu và nhược điểm của từng phương pháp.
a. Cảm biến mức
Cảm biến mức được chế tạo dựa trên nguyên lí cơ bản đó là sự dẫn điện của nước.
Hầu hết các loại nước đều chứa các loại ion có khả năng vận chuyển điện tử. Hình
2.10 sẽ miêu tả cơ chế hoạt động của cảm biến mức. Cảm biến sẽ bao gồm rất nhiều
điện cực khác nhau, mỗi điện cực tương ứng với một mực nước trong gầu đo mưa. Khi
điện cực ngập trong nước sẽ tạo thành mạch thông, tín hiệu được khuếch đại và truyền
về vi xử lí.

17

Hình 2.10: Nguyên lí của cảm biến mức

Hình 2.11: Cảm biến mức
- Bởi vì tín hiệu điện áp khi mạch thông là tương đối nhỏ. Ta cần khuếch đại nó lên
trước khi đưa và vi điều khiển để xử lí. Vi mạch LM358 có tác dụng như vậy.

Hình 2.12: Vi mạch LM358
-Cảm biến mức có rất nhiều các điện cực khác nhau, đôi khi số lượng lên đến vài chục
mức. Tuy nhiên số lượng chân của vi điều khiển là có hạn. Vi mạch 74HC165 sẽ có
nhiệm vụ chuyển các bits song song của cảm biến mức trở thành 1 chuỗi các bits nối
tiếp để xử lí. Nó giúp tiết kiệm số đường dây nối với vi điều khiển, đồng thời khả năng
xử lí được cải thiện hơn. Hình 2.13 là hình ảnh sơ đồ các pin của 74HC165 [8].
18

Hình 2.13: Sơ đồ chức năng của 74HC165
Như vậy để tổng kết lại cảm biến mức là 1 thiết bị có thể đo được nhiều mức nước
khác nhau. Tín hiệu từ các điện cực sẽ được đưa qua 1 bộ so sánh và khuếch đại điện
áp. Nếu điện cực thông, vi điều khiển sẽ quyết định là mức 1 hoặc ngược lại. Cuối
cùng chúng được đưa qua bộ chuyển đổi song song sang nối tiếp. Việc này sẽ tiết kiệm
đáng kể số lượng chân vi điều khiển cần phải sử dụng. Hình 2.14 miêu tả lại quá trình
hoạt động của cảm biến mức ứng với trường hợp của hệ đo mưa.

Hình 2.14: Hệ đo mưa sử dụmng cảm biến mức
b. Cảm biến siêu âm
Sóng siêu âm là một loại sóng cao tần mà con người không thể nghe thấy được. Tuy
nhiên, ta có thể thấy được sự hiện diện của sóng siêu âm ở khắp mọi nơi trong tự
nhiên. Các loại động vật như dơi, cá heo …dùng sóng siêu âm để liên hệ với nhau, để
săn mồi hay định vị không gian [9].
Dựa vào quan sát từ tự nhiên, việc sử dụng sóng siêu âm để định vị hoặc tìm ra vị trí
của vật thể hồm 3 bước đơn giản:
-

Vật chủ phát ra sóng siêu âm
19

-

Sóng này va chạm với môi trường xung quanh và bị phản xạ lại.
Dựa vào thời gian phát thu , khoảng cách giữa vật chủ và môi trường xung
quanh được tính ra

Cảm biên siêu âm SRF05 cũng dựa trên nguyên tắc trên, thiết bị gồm 2 loa – thu và
phát – cùng với 5 chân để kết nối chân với cảm biến với Arduino. Theo tài liệu từ nhà
sản xuất tầm hoạt động của cảm biến siêu âm là từ 2cm – 5m.
Cảm biến siêu âm SRF05:
Cảm biến siêu âm SRF05 được sử dụng rất phổ biến để xác định khoảng cánh vì giá
rẻ và độ chính xác cao. Cảm biến xử dụng sóng siêu âm có thể đo khoảng các từ 2 cm
đến 5m với độ chính xác gần như chỉ phụ thuộc vào cách lập trình. Bảng 2.2 là miêu tả
về chức năng của các chân cảm biến siêu âm SRF05.

Bảng 2.2: Các chân của cảm biên siêu âm
Chân
Chức năng
Vcc

Nguồn 5 V

Trig

Chân lối ra Digital

Echo

Chân
lối
Digital

Out

Cài đặt

GND

Đất

vào

Hình 2.15 là hình ảnh trên thực tể của mô-đun cảm biến siêu âm SRF05. Nó có 2 bộ
phận phát (Trig) và thu (Echo) tín hiệu. Hình ảnh trực quan trông giống như 2 cái mắt
của mô-đun.

20

Hình 2.15 : Mô-đun cảm biến siêu âm SRF05
Để đo được khoảng cách SRF05 sẽ phát ra 1 xung rất ngắn (5 µs) từ chân Trig. Sau
đó cảm biến sẽ tạo ra 1 xung HIGH ở chân Echo cho đến tận khi nhận được sóng phản
xạ từ chân này. Chiều rộng của xung sẽ là khoảng thời gian sóng siêu âm từ cảm biến
gặp vật và quay lại [10]. Hình 2.16 miêu tả dòng thời gian của cảm biến siêu âm
SRF05.

Hình 2.16: Dòng thời gian cảm biến siêu âm
Công thức tính khoảng cách:
Trong không gian sóng siêu âm di chuyển với tốc độ là 340 m/s, tương đương với
29.412 µs/cm.
Gọi T là thời gian tín hiệu phát đến lúc chân Echo nhận được. D là khoảng cách
giũa vật cản và cảm biến siêu âm. Phương trình 1 tính ra được khoảng cách:

21

D = (cm)

(1)

2.3 Phần mềm
2.3.1 Arduino IDE
Thiết bị sẽ được lập trình trên môi trường Arduino IDE do nhà sản xuất vi điều
khiển cung cấp. Dựa trên ngôn ngữ lập trình C, Arduino IDE đưa đến cho người sử
dụng 1 môi trường thân thiện, rất dễ dùng. Nó hỗ trợ nhiều thư viện khác nhau như về
Robot, Ethernet, Wifi, GSM…[11]
Arduino được hỗ trợ bở 1 cộng đổng đông đảo với rất nhiều các dự án khác nhau.
Nó 1 nguồn tài liệu tham khảo vô cùng phong phú và hữu ích đối với những người sử
dụng. Việc tối ưu hóa các hàm thực thi vừa là điểm mạnh và điểm yếu của Arduino
IDE. Các hàm được tích hợp sắn sẽ đương đối dễ sự dụng, nhưng đôi khi người sử
dụng sẽ không hiểu được bản chất của vấn đề dẫn đến sử dụng chúng không đúng ý
nghĩa vốn có. Hình 2.17 là 1 cửa sổ hiển thị của Arduino IDE.

Hình 2.17: Arduino IDE
2.3.2 Thuật toán của hệ đo mưa
a. Cách xác định ngưỡng cảnh báo
Mỗi một khu vực khác nhau lại có địa hình và lượng mưa khác nhau. Tùy thuộc vào
độ dốc của địa hình và thống kê lượng mưa trung bình trong năm, ta có thể đưa ra
được một điều kiện cảnh báo lũ quét và sạt lở đất cho từng địa phương nhất định. Đồ
22