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 THÔNG SỐ MÔI TRƢỜNG TỪ XA QUA
MẠNGETHERNET TRÊN NỀN LINUX NHÚNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2013
2 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
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
5
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
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 không
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 toán 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
7
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
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
không 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 không thể thực hiện đƣợc. Trong kỹ thuật thì
những hệ thống đo đạc xử lý tự động cho phép một nền sản xuất công nghiệp
quản lý, đánh giá sản phẩm hoàn toàn tự động, cho các sản phẩm năng xuất cao
và chất lƣợng tốt, đồng đều Bên cạnh đó công nghệ truyền thông Internet ra đời
và đạt đƣợc những phát triển vƣợt bậc to lớn, đƣa nhân loại sang kỷ nguyên mới
của công nghệ thông 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
thông số hoàn toàn 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
10
lại các số liệu đó. Các số liệu này phục vụ cho rất nhiều việc nhƣ dự báo thời tiết,
phân tích môi trƣờng, bảo vệ thực phẩm, vật tƣ, máy móc… Yêu cầu của hệ
thống này là hoạt động hoàn 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
hoạt động trên vi xử lý đó. Việc của ngƣời 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 lƣợng, thông số của đối tƣợng, truyền
thông, lƣu trữ, xử lý, phân tích đánh giá và còn 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:
12 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 không 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 phòng 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 thông 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:
Đối tƣợng cần đo
Xử lý
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 môi 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 không nhƣ vậy thì số lƣợng thông 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 thông 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 công đoạn trong quá trình xử lý các số liệu thu thập đƣợc. Ngoài ra,
một số hệ thống thông minh còn 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 công nghiệp. Điển hình là các bộ Data Logger của các hãng
15
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), thông tin đƣợc lƣu trữ vào thẻ nhớ hoặc truyền
vào máy tính thông qua các kết nối USB, Ethernet, Wireless (RF, Blue tooth),
GPRS…
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
17
- 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 toán, kiểm soát, 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 toàn bộ các linh kiện điện tử cấu thành để đảm bảo vận
hành những chƣơng trình, công việc mà ngƣời chế tạo thiết kế. Những chƣơng
trình này là phần mềm. Thông thƣờng phần mềm có thể đƣợc nhà thiết kế viết
riêng cho thiết bị, đặc trƣng riêng và không có chuẩn thống nhất không sử dụng
hệ điều hành, việc này làm cho thiết bị khó nâng cấp mở rộng tính năng bảo
dƣỡng chuyển giao, không 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
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
19
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 lôgic (ALU), các
thanh ghi, các khối lôgic và các mạch giao tiếp. Chức năng của CPU là tiến hành
các thao tác tính toán 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 thông qua các
lệnh (Instructions). Để đảm bảo cho bộ vi xử lý hoạt động thì còn 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
- 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 soát tốt hệ thống.
- Board hỗ trợ cả giao tiếp internet thông qua WAN và LAN do đó khi
xây dựng Web server không đòi 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 công 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:
22 Hình 1.5 Các thành phần trên board mạch NGW100
Hình 1.6 Sơ đồ khối board mạch NGW100
23
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 ngôn ngữ hay còn 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 mô hình
máy đích thành địa chỉ MAC.
+ ICMP (Internet Control Message Protocol): Có chức năng thông 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 thông giữa các máy tính và quy định cách
truyền dữ liệu. 2 giao thức chính trong tầng này gồm:
+ UDP (User Datagram Protocol): Còn gọi là Giao Thức Gói Ngƣời Dùng. UDP
cung cấp các kênh truyền thông phi kết nối nên nó không 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
25
+ 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 yêu 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
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 0
o
C đến
50
o
C.
Copyright: Tài liệu đại học ©