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 hoàn toàn thủ công, 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 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 9 Bảo mật 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 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 còn nhiều thiếu sót cần bổ xung và chỉnh xửa mong các quí thầy cô và bạn đọc đóng góp và chỉ bảo thêm.
Hà Nội, ngày…tháng 01 năm 2013 Vũ Ngọc Ha 10 Bảo mật 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. 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 thông 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 thông, 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 công 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 thông tin đƣợc thực hiện tự động hoàn toàn hoặc tự động một phần thông qua hệ thống điện toán, 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 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: 11 Bảo mật 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 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.2 Bộ thu thập số liệu 1.1 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: 12 Bảo mật Hình 1.2 Sơ đồ khối bộ thu thập số liệu Trong đó: - Sensor hay còn gọi là các cảm biến, đƣợc sử dụng để thực hiện quá trình chuyển đổi các đại lƣợng vật lý không 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 còn cung cấp thêm một chuẩn giao tiếp để có thể đƣa thông tin ra ngoài 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.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 phòng 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.
Ngoài 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 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.