Đặt vấn đề Hiện tƣợng nóng lên của Trái Đất đang là một vấn đề đầy thử thách cho toàn thế giới, hệ quả kéo theo là làm cho môi trƣờng nƣớc bị ô nhiễm, lũ lụt xảy ra thƣờng xuyên. đó đang là mối lo ngại cho ngƣời dân, lẫn cả cơ quan chức năng và nhà khoa học. Ô nhiễm nƣớc là vấn đề quan trọng hàng đầu, đã và đang gây ra hậu quả nặng nề trên các tỉnh Việt Nam, đặc biệt các tỉnh chuyên về nông ngiệp, nuôi trồng thủy sản, nên cần có những thiết bị theo dõi thông số môi trƣờng nƣớc để đƣa ra các quyết định về việc nuôi trồng hoặc tƣới tiêu. Hệ thống giám sát dữ liệu môi trƣờng nƣớc có các chức năng nhƣ thu thập nhiệt độ nƣớc, mực nƣớc, độ pH, để ngƣời dùng có thể theo dõi liên tục môi trƣờng nƣớc, có thể áp dụng vào nuôi trồng thủy sản.
Hệ thống hƣớng đến môi trƣờng nƣớc ngọt đƣa ra cảnh báo kịp thời thông qua tin nhắn và thông qua mạng, ngƣời dùng sẽ tra cứu thông số môi trƣờng thông qua mạng để kịp thời xử lý. Thông số sẽ đƣợc lƣu trữ lại để ngƣời dùng tham khảo và có biện pháp theo dõi lâu dài nhằm đƣa ra phƣơng án xử lý thích hợp. Tính cấp thiết của đề tài Theo báo cáo của Bộ NN&PTNT mùa khô năm 2015-2016, tổng lƣợng mƣa trên lƣu vực thiếu hụt 20-50% trung bình nhiều năm. Mực nƣớc thƣợng nguồn sông Mê Kông tiếp tục xuống nhanh và thấp nhất trong vòng 90 năm qua.
Do thiếu nƣớc ngọt, mặn xuất hiện sớm hơn 2 tháng so với cùng kỳ đã xâm nhập sâu vào vùng ĐBSCL. Hiện, trên các hệ thống sông chính ở miền Tây, mặn xâm nhập sâu từ 40- 93 km, tăng 10-15 km so với các năm trƣớc. Tỉnh Vĩnh Long nằm rất xa biển nhƣng lần đầu đã bị nƣớc mặn tấn công. Còn Hậu Giang hơn 40 ha lúa bị thiệt hại nặng.
Theo Phó chủ tịch tỉnh Kiên Giang, Mai Anh Nhịn thì hiện tại các sông lớn đã bị mặn xâm nhập sâu từ 3 đến 4km. Hiện 1 do an tỉnh này có đến 34.000ha lúa bị thiệt hại và chƣa dừng lại, đời sống sản xuất của ngƣời dân bị ảnh hƣởng nghiêm trọng. Ở Cà Mau diện tích lúa bị thiệt hại trên 18.000ha, chiếm 56% diện tích trồng lúa trên đất nuôi tôm. Chính vì sự ứng dụng rộng rãi và khả năng phát triển trong tƣơng lai , việc phân tích khả năng hoạt động của kỹ thuật nâng cao hiệu suất là rất cần thiết.
Qua đó, có thể giúp nhóm thực hiện đề tài hiể u hơn về nhƣ̃ng kiế n thƣ́c mới cũng nhƣ áp dụng các kiến thức đã học vào thƣ̣c tế. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI Thiết kế và thi công mô hình quan trắc nƣớc, đồng thời gửi các thông số qua mạng Internet và mạng di động để nâng cao khả năng giám sát và kịp thời xử lý. Có thể cài đặt giới hạn đo từ Internet và báo động qua mạng di động khi dữ liệu đo vƣợt ngƣỡng. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tƣợng nghiên cứu: về phần mềm đó là thu đƣợc dữ liệu, gửi dữ liệu đo đƣợc qua mạng Internet và mạng di động, cách thức lập trình Arduino và nhúng chƣơng trình vào Kit Raspberry Pi.
Còn về phần cứng là các cảm biến, các module,… và Kit Raspberry Pi. Phạm vi nghiên cứu trong khuôn khổ mô hình nhỏ có công suất thấp và có thể phát triển lên các mô hình lớn hơn. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Tìm hiểu lý thuyết về quan trắc nƣớc, hoạt động của các cảm biến, truyền dữ liệu đến Kit Raspberry Pi. Cách đƣa dữ liệu vào cơ sở dữ liệu dùng ngôn ngữ Python và SQL, hiển thị dữ liệu bằng ngôn ngữ PHP.
Thiết kế và xây dựng mô hình quan trắc nƣớc. BỐ CỤC ĐỒ ÁN Chƣơng 1: Tổng quan Giới thiệu sơ lƣợc về tình hình nghiên cứu hiện nay cũng nhƣ tính cấp thiết của đề tài. Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết 2 do an Nêu các lý thuyết cần thiết để sử dụng trong đề tài. Chƣơng 3: Thiết kế và xây dựng hệ thống Trình bày sơ đồ hệ thống và giải thích hoạt động của hệ thống.
Đƣa ra các phƣơng pháp lựa chọn phần cứng và xác định lựa chọn phù hợp với yêu cầu của đề tài. Tính toán đƣa ra giải thuật, thuật toán phần mềm. Chƣơng 4: Kết quả thực hiện Trình bày kết quả đã thực hiện về phần cứng và phần mềm, đƣa ra nhận xét. Chƣơng 5: Kết luận và phạm vi ứng dụng Nêu các ƣu điểm và nhƣợc điểm của đề tài, hƣớng khắc phục và phạm vi sử dụng trong thực tế 3 do an CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.
Sơ lƣợc về Arduino Arduino thực sự đã gây sóng gió trên thị trường người dùng DIY trên toàn thế giới trong vài năm gần đây, gần giống với những gì Apple đã làm được trên thị trường thiết bị di động, số lượng người dùng cực lớn và đa dạng với trình độ trải rộng từ bậc phổ thông lên đến đại học đã làm cho ngay cả những người tạo ra chúng phải ngạc nhiên về mức độ phổ biến.1: Những thành viên khởi xướng Arduino Arduino là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn. Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit. Được giới thiệu vào năm 2005, Những nhà thiết kế của Arduino cố gắng mang đến một phương thức dễ dàng, không tốn kém cho những người yêu thích, sinh viên và giới chuyên nghiệp để tạo ra những thiết bị có khả năng tương tác với môi trường thông qua các cảm biến và các cơ cấu chấp hành. Những ví dụ phổ biến cho những người yêu thích mới bắt đầu bao gồm các robot đơn giản, điều khiển nhiệt độ và phát hiện chuyển động.
Đi cùng với nó là một môi trường phát triển tích 4 do an hợp (IDE) chạy trên các máy tính cá nhân thông thường và cho phép người dùng viết các chương trình cho Aduino bằng ngôn ngữ C hoặc C++. Với Arduino bạn có thể ứng dụng vào những mạch đơn giản như mạch cảm biến ánh sáng bật tắt đèn, mạch điều khiển động cơ,… hoặc cao hơn nữa bạn có thể làm những sản phẩm như: máy in 3D, Robot, khinh khí cầu, máy bay không người lái… Một hệ thống Arduino có thể cung cấp rất nhiều sự tương tác với môi trường xung quanh với: Hệ thống cảm biến đa dạng về chủng loại (đo đạc nhiệt độ, độ ẩm, gia tốc, vận tốc, cường độ ánh sáng, màu sắc vật thể, lưu lượng nước, phát hiện chuyển động, phát hiện kim loại, khí độc,…),… Các thiết bị hiển thị (màn hình LCD, đèn LED,…). Các module chức năng (shield) hỗ trợ kêt nối có dây với các thiết bị khác hoặc các kết nối không dây thông dụng (3G, GPRS, Wifi, Bluetooth, 315/433Mhz, 2.4Ghz,…), … Định vị GPS, nhắn tin SMS,… Một số kit Arduino phổ biến hiện nay như : Mega 2560 R3, Uno R3, Due, Leonardo, Nano… Tùy theo nhu cầu sử dụng mà người dùng lựa chọn loại kit phù hợp. 5 do an Hình 2.2:Một số Kit Arduino phổ biến hiện nay 2.Tổng quan về Kit Arduino Mega 2560 R3 Arduino Mega 2560 R3 là phiên bản nâng cấp của Arduino Mega 1280, dễ dàng sử dụng, được hỗ trợ với muôn vàng ứng dụng mở và được chia sẻ rộng rãi, Arduino Mega 2560 R3cùng với các loại Kit Arduino khác trở nên phổ biến trên thị trường người dùng DIY.3: Ảnh thực tế của Arduinno Mega 2560 R3 Với việc sử dụng dòng vi xử lí Atmega2560 cho phéplập trình các ứng dụng điều khiển phức tạp do được trang bị cấu hình mạnh với các loại bộ nhớ ROM, RAM và Flash, các ngõ vào ra digital I/O trong đó có nhiều ngõ có khả năng xuất 6 do an tín hiệu PWM, các ngõ đọc tín hiệu analog và các chuẩn giao tiếp đa dạng như UART, SPI, TWI (I2C).Thông số kĩ thuật của Arduino Mega 2560 R3 Vi điều khiển : ATmega 2560.
Điện áp hoạt động : 5V. Số chân Digital: 54 (15 chân PWM). Số chân Analog: 16. Giao tiếp UART: 4 bộ UART.
Giao tiếp SPI: 1 bộ (chân 50 đến chân 53). Giao tiếp I2C: 1 bộ. Ngắt ngoài : 6 chân. Bộ nhớFlash : 256 KB, 8KB sử dụng cho Bootloader.
Xung clock: 16MHz. Cấu trúc của Arduino Mega 2560 R3 7 do an Hình 2.4: Sơ đồ cấu trúc chân của Arduino Mega 2560 R3 Cấu tạo chân Arduino Mega 2560 R3 có: 54 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu. Chúng chỉ có 2 mức diện áp là 0V và 5V với dòng vào ra tối đatrên mỗi chân là 40mẠ, ở mỗi chân đều có điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển Atmega2560. 4 cặp chân Serial: dùng để gửi (TX) và nhận (RX) dữ liệu TTL Serial.
Arduino Mega có thể giao tiếp với thiết bị khác thông qua 2 chân này. Nói một cách đơn giản, ta có thể điều chỉnh được điện áp ra ở 8 do an chân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những chân khác. Chân giao tiếp SPI: 50 (MISO), 51 (SCK), 52 (MISO), 53 (SS). Ngoài các chức năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác.
Arduino Mega 2560 R3 có 16 chân analog (A0 → A15) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0 → 210 -1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V. Với chân AREF trên board, tacó thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog. Tức là nếu cấp điện áp 2.5V vào chân này thì ta có thể dùng các chân Analog để đo điện áp trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải là 10bit. Đặc biệt, có 2 chân 20 (SDA) và 21 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác.
Chân 5V cấp điện áp 5V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA. Chân 3V cấp điện áp 3V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA.
GND : chân nối cực âm của nguồn điện. RESET : khi nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân Reset được nối với GND thông qua 1 điên trở 10k. IOREF : dùng để đo điện áp hoạt động của vi điều khiển. Vin (voltage input) : dùng để cấp nguồn ngoài cho board.
Bộ nhớ của Arduino Mega 2560 R3 gồm: 256 KB bộ nhớ Flash: Đây là nơi lưu trữ những đoạn lệnh lập trình.