Luận văn Nghiên cứu, xây dựng hệ thống giám sát vị trí và cảnh báo rung lắc của phao, phục vụ quan trắc môi trường biển

ốc rung đo theo trục y .............................................................. 35 Hình 25: Gia tốc rung theo trục z .................................................................... 35 Hình 26 Kết quả thử nghiệm đo rung dùng MPU6050 .................................. 35 Hình 27: Kết quả cảnh báo rung lắc trên phần mềm....................................... 36 Hình 28: Kết quả gửi SMS cảnh báo rung lắc ................................................ 36 Hình 29: Vị trí mặc định của phao trên phần mềm ......................................... 37 Hình 30: Cảnh báo vị trí khi phao dịch chuyển .............................................. 37 Hình 31: Cảnh báo SMS khi phao dịch chuyển khỏi vị trí ............................. 38 1 MỞ ĐẦU Các số liệu khí tượng và hải dương học của môi trường biển có thể được quan trắc, giám sát thông qua các hệ thống phao biển. Với việc tích hợp các cảm biến và công nghệ truyền thông hiện đại, hiện nay các hệ thống phao cho phép quan trắc, đo đạc các thông số môi trường biển theo thời gian thực. Tùy theo bài toán và yêu cầu thực tiễn của khu vực biển cần quan trắc mà các cảm biến (nhiệt độ, độ pH, độ mặn, các tham số về ô nhiễm ...) cũng như công nghệ truyền tín hiệu (dùng sóng di động GSM/GPS, sóng ngắn UHF/VHF hoặc vệ tinh) được sử dụng phù hợp. Tùy theo đặc điểm địa hình khu vực biển mà phao được triển khai như: độ sâu, sức gió, tốc độ dòng chảy ... mà chọn lựa phương án thiết kế kỹ thuật neo giằng phao. Từ các hệ thống phao, các số liệu quan trắc được đóng gói, xử lý và truyền về các trung tâm thu thập dữ liệu trên đất liền. Số liệu được quản lý, lưu trữ bảo mật trên máy chủ, hiển thị thống kê theo thời gian thực thông qua các phần mềm và các kỹ thuật xử lý chuyên dụng. Tình trạng và vị trí của phao được theo dõi giám sát liên tục thông qua định vị toàn cầu GPS giúp giảm thiểu các rủi ro do các sự cố, phá hoại, lấy cắp Từ những phân tích nêu trên, đề tài “Nghiên cứu, xây dựng hệ thống giám sát vị trí và cảnh báo rung lắc của phao, phục vụ quan trắc môi trường biển” được lựa chọn để thực hiện trong luận văn này. Đây là đề tài có tính khoa học, công nghệ và thực tiễn cao. Nội dung của luận văn gồm 5 phần chính như sau: Chƣơng I: Tổng quan: Tìm hiểu tổng quan về các hệ thống quan trắc, giám sát môi trường biển và nghiên cứu định vị GPS cảnh báo giám sát vị trí của phao. Chƣơng II: Hệ thống đề xuất 2 Trình bày tổng thệ về hệ thống phao thông minh để quan trắc môi trường biển và nội dung lựa chọn thực hiện trong phạm vi luận văn. Chƣơng III: Kết quả Trình bày các kết quả thu được từ mô hình thực tế thí nghiệm. Kết luận: Đưa ra kết luận và kết quả của hệ thống, chỉ ra ưu nhược điểm của hệ thống. Hƣớng phát triển: Nêu các giải pháp đề khắc phục một số nhược điểm của hệ thống hiện tại đồng thời đưa ra hướng phát triển cho hệ thống. 3 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN I.1. Vấn đề quan trắc, giám sát môi trƣờng biển ở Việt Nam [1] Việt Nam là đất nước có bờ biển dài trải dọc từ Bắc vào Nam. Chính vì thế vấn đề quan trắc môi trường biển có vai trò hết sức quan trọng nhằm đưa ra các cảnh báo sớm về ô nhiễm môi trường để đưa ra các giải pháp ứng phó cho phù hợp. Đặc biệt, nước ta có rất nhiều các nhà máy, xí nghiệp, khu công nghiệp đang được xây dựng và hoạt động dọc ven biển nên vấn đề môi trường biển càng phải được quan tâm, đặc biệt là khu vực miền Trung nơi có nhiều nhà máy xả thải ra biển. Sau sự cố Fomorsa về môi trường biển tại khu vực miền Trung, theo báo cáo các tỉnh Quảng Bình, Quảng Trị, Thừa Thiên - Huế và Hà Tĩnh đã tiến hành quan trắc chất lượng nước biển ven bờ tại 24 bãi tắm. Ngoài ra các địa phương còn thực hiện quan trắc tại 19 bãi tắm với tần suất từ 1- 4 lần/ngày và gửi báo cáo kết quả quan trắc về Tổng cục Môi trường. Các kết quả đã được công bố hàng ngày trên Cổng thông tin điện tử Bộ TN&MT (www.monre.gov.vn). Cũng trong thời gian đó Trung tâm Quan trắc Môi trường thuộc Tổng cục Môi trường đã phối hợp với các Trung tâm Quan trắc Môi trường của các Sở địa phương thực hiện quan trắc tại 50 điểm ven bờ dọc vùng biển 8 tỉnh/thành phố miền Trung với tần suất khá dày đặc như minh họa trong Hình 1. Để đánh giá chính xác về môi trường biển, các địa phương còn thực hiện quan trắc môi trường gần bờ trong phạm vi 15 km do 3 đơn vị thuộc Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam (Viện TN&MT Biển; Viện Cơ học; Viện Hải dương học Nha Trang) thực hiện với 27 điểm quan trắc, tần suất 2 lần/tuần. Các chương trình quan trắc xa bờ do Trung tâm Điều tra Tài nguyên Môi trường Biển; Trung tâm Hải văn (Tổng cục Biển và Hải đảo Việt Nam); 4 Trung tâm Quan trắc và Phân tích Môi trường biển (Bộ Tư lệnh Hải quân, Bộ Quốc phòng); Trung tâm Quan trắc Môi trường Biển (Viện Nghiên cứu Hải sản, Bộ NN&PTNT) thực hiện với tần suất 2 lần/tuần (nguồn tapchimoitruong.vn). Nhìn vào thực tế về việc quan trắc môi trường biển tại Việt Nam, chúng ta thấy rằng việc lấy các thông số quan trắc vẫn còn khá rời rạc và phụ thuộc vào nhiều vào sức lực con người. Hình 1: Bản đồ các điểm quan trắc môi trường biển (nguồn tapchimoitruong.vn) Để đánh giá chính xác chất lượng môi trường biển cần phải thực hiện việc lấy mẫu thường xuyên và liên tục. Tuy nhiên, việc lấy mẫu tại một khu vực biển là việc làm hết sức phức tạp và tốn kém. Hoạt động quan trắc liên tục dài ngày trên biển hết sức tốn kém về chi phí cho các phương tiện di chuyển và hao tổn về nguồn lực con người và đặc biệt nguy hiểm trong điều kiện thời tiết không thuận lợi. 5 Giám sát môi trường biển liên tục và từ xa là mục tiêu của nhiều quốc gia nhằm dự báo chính xác về tình trạng ô nhiễm, phát hiện sớm các mối rủi ro, nguy hại môi trường, cũng như đánh giá lâu dài về các quá trình liên quan đến biến đổi khí hậu. Những phương pháp lấy mẫu định kỳ hay sử dụng các trạm khí tượng sẵn có là không đủ thông tin liên tục và không bao phủ hết được các khu vực biển. Gần đây, ứng dụng những phát triển về khoa học công nghệ cho phép chế tạo những thiết bị thu thập dữ liệu tích hợp trên các phao biển cho phép thu thập dữ liệu một cách liên tục theo thời gian thực thông qua việc truyền nhận dữ liệu với các trạm điều khiển trung tâm trên đất liền hoặc các tàu tuần tra trên biển sử dụng các kỹ thuật truyền thông hiện đại như sóng di động GSM, sóng ngắn UHF/VHF hoặc sóng vệ tinh. I.2. Mục tiêu của luận văn. Bài toán xây dựng hệ thống phao biển tích hợp các cảm biến để quan trắc môi trường liên tục theo thời gian thực nhằm tiết kiệm chi phí, giảm thiểu công sức của con người là bài toán lớn trong tổng thể của đề tài cấp Bộ Quốc phòng. Trong phạm vi thực hiện của luận văn này, tác giả tập trung vào khía cạnh đảm bảo hoạt động an toàn, tin cậy của hệ thống phao kết hợp sử dụng cảm biến gia tốc và định vị GPS. Dữ liệu thu thập từ 2 cảm biến này sẽ được dùng để đánh giá vị trí hoạt động của phao neo, đưa ra cảnh báo trong trường hợp phao neo bị đứt, trôi hoặc bị lai dắt một cách cố ý. Thực nghiệm về sự thay đổi vị trí khi sử dụng kết hợp cả thông tin vị trí từ GPS và cảm biến gia tốc được tiến hành cả về phần cứng và phần mềm. I.3. Tìm hiểu tổng quan về hệ thống địnhvị toàn cầu GPS I.3.1. Giới thiệu tổng quan về GPS[3][26]  Hệ thống định vị toàn cầu GPS là hệ thống xác định vị trí của một vật thể trên trái đất dựa trên vị trí tương đối của nó so với các vệ tinh nhân tạo của Mỹ. 6  Vệ tinh GPS đầu tiên được phóng vào năm 1978. Hệ thống hoàn chỉnh đầy đủ 24 vệ tinh được hoàn thành vào năm 1994.  Thời gian hoạt động của mỗi vệ tinh tối đa là 10 năm.  Khối lượng mỗi vệ tinh khoảng 1500 kg và dài khoảng 5m với các tấm năng lượng Mặt Trời mở rộng có diện tích khoảng 7 m².  Công suất phát bằng hoặc dưới 50 W. I.3.2. Các thành phần hệ thống GPS [5][25] I.3.2.1 Mảng không gian Mảng không gian của hệ thống GPS là các vệ tinh GPS. Các chức năng chính của các vệ tinh bao gồm:  Thu nhận và lưu trữ dữ liệu được truyền từ mảng điều khiển.  Cung cấp thời gian chính xác bằng các chuẩn tần số nguyên tử đặt trên vệ tinh.  Truyền thông tin và tín hiệu đến người sử dụng. Hình 2: Vệ tinh GPS (nguồn www.academia.edu) 7 I.3.2.2. Mảng điều khiển Để hệ thống GPS có thể hoạt động cần các trạm điều khiển trên mặt đất. Hiện tại có 5 trạm điều khiển trên mặt đất được đặt tại: Hawaii, Colorado Springs, Ascension Is., Diego Garcia và Kwajalein. Chức năng của chúng như sau:  Tất cả 5 đều là trạm giám sát, theo dõi vệ tinh và truyền dữ liệu đến trạm điều khiển chính.  Trạm đặt tại Colorado Springs là trạm điều khiển chính (MSC). Tại đó dữ liệu theo dõi được xử lý nhằm tính toạ độ và số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh.  Ba trạm tại Ascension, Diego Garcia và Kwajalein là các trạm nạp dữ liệu lên vệ tinh. Dữ liệu bao gồm các bản lịch và thông tin số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh trong thông báo hàng hải. (nguồn www.academia.edu) Hình 3: Các trạm điều khiển GPS trên thế giới (nguồn www.academia.edu) I.3.2.3. Mảng người sử dụng Mảng người sử dụng bao gồm các thiết bị máy thu gồm: - Phần cứng (theo dõi tín hiệu và trị đo khoảng cách). - Phần mềm (các thuật toán, giao diện người sử dụng). - Các quá trình điều hành. 8 I.3.3. Nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS [25][26] Các vệ tinh GPS bay vòng quanh Trái Đất theo một quỹ đạo chính xác đã được định trước và phát tín hiệu xuống Trái Đất. Các máy thu GPS nhận thông tin này và bằng các thuật toán, phép tính lượng giác để định vị vị trí của người dùng. Để tính khoảng cách giữa máy thu và vệ tinh GPS, máy thu so sánh thời gian tín hiệu được phát đi từ vệ tinh với thời gian nhận được chúng. Máy thu tính toán dựa vào khoảng thời gian tính từ khi vệ tinh phát tín hiệu đến lúc nó nhận được, sai lệch về khoảng thời gian cho biết khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh. Khi máy thu nhận được tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh thì hoàn toàn có thể xác định được vị trí của máy thu là giao điểm của 3 khối cầu có tâm là các vệ tinh và bán kính là khoảng cách từ máy thu tới các vệ tinh đó như mô tả trong Hình 4. Khi nhận được tín hiệu của càng nhiều vệ tinh thì độ chính xác sẽ càng tăng lên, ít nhất 4 vệ tinh thì máy thu có thể tính được vị trí ba chiều kinh độ, vĩ độ và độ cao của máy thu. Hình 4: Nguyên lý hoạt động của GPS (nguồn 9 I.3.4. Ứng dụng hệ thống GPS Mục đích sử dụng ban đầu của hệ thống GPS chỉ giới hạn trong lĩnh vực quân sự nhưng ngày nay được mở rộng cho hầu hết các lĩnh vực. Dựa vào tính năng chính xác của GPS để thiết lập các bản đồ, khảo sát các công trình, tuyến kênh, tuyến đường, xác định vị trí chính xác của các trụ điện, đường dây tải điện, quản lí các tuyến xe, dẫn đường (Navigation), quản lí thú hoang dã bằng cách gắn lên chúng những con chip đã tích hợp gps, các ứng dụng trong du lịch, thám hiểm I.4. Giải pháp của luận văn Từ những ứng dụng của hệ thống GPS như đã nêu ở trên, nội dung của luận văn tập trung vào vấn đề định vị vị trí và tình trạng của hệ thống phao biển nhằm ngăn chặn và giảm thiểu các rủ ro do các sự cố, phá hoại, lấy cắp cũng như đảm bảo việc lấy số liệu quan trắc môi trường đúng vị trí. Công nghệ MEMs ngày nay cho phép chế tạo được các cảm biến có độ chính xác rất cao và kích thước nhỏ. Điều này cho phép giám sát được độ rung lắc của phao thông qua các cảm biến này. Trong khuôn khổ của luận văn sử dụng cảm biến MPU-6050, là cảm biến tích hợp một cảm biến gia tốc 3 trục và một con quay hồi chuyển 3 trục để giám sát độ rung lắc. Các thông số về vị trí và độ rung lắc của phao sẽ được đóng gói gửi về trạm bờ để xử lý, trong trường hợp độ rung lắc và vị trí của phao vượt qua ngưỡng cảnh báo do sóng gió của biển gây ra thì thông tin sẽ được gửi SMS tới người quản lý để kịp thời đưa ra các biện pháp khắc phục. 10 CHƢƠNG II: HỆ THỐNG ĐỀ XUẤT II.1. Mô hình tổng thể hệ thống phao thông minh quan trắc môi trƣờng biển Mô hình tổng thể hệ thống phao thông minh quan trắc, giám sát môi trường biển được minh họa trong Hình 5 gồm 3 thành phần chính: Phao biển, các tàu tuần tra tích hợp cảm biến và trạm bờ. Hình 5: Mô hình hệ thống quan trắc giám sát môi trường biển Phao biển: Là thành phần chính trong hệ thống trên đó tích hợp 01 PC onboard; hệ thống liên lạc sử dụng sóng ngắn U/VHF, sóng di động GSM hoặc thông tin vệ tinh; hệ thống nguồn nuôi (các ắc quy và panel năng lượng mặt trời); hệ thống các cảm biến (phóng xạ, nhiệt độ, hướng và tốc độ dòng chảy, gia tốc). Phao được thiết kế chế tạo đạt theo tiêu chuẩn IP 68 để các thành phần thiết bị điện tử đặt bên trong hoạt động được ổn định và tuổi thọ cao nhất. Các phao được neo giữ tại một vị trí bằng các mỏ neo nối với dây cáp. Để hạn chế tình trạng đứt cáp do dây bị kéo căng liên tục và phao ít bị ngập dưới nước khi có sóng đẩy phao đi, dây cáp được tính toán đủ dài theo 11 mức thủy triều tại khu vực triển khai. Vị trí của phao trên mặt biển sẽ giới hạn trong một mặt phẳng tròn như mô tả trên Hình 6. Hình 6: Neo phao Tàu tuần tra tích hợp các cảm biến: Hệ thống quan trắc trên tàu tuần tra tương tự như trên phao neo. Tuy nhiên chỉ các cảm biến được tích hợp cùng với phao để đưa xuống biển, hệ thống truyền thông và điện tử được gắn trên tàu. Các tàu tuần tra có thể hoạt động độc lập như các trạm thu thập dữ liệu hoặc đóng vai trò kết nối giữa các phao để lấy số liệu và thực hiện sự điều khiển cần thiết. Trạm bờ: Là các hệ thống trên bờ đóng vai trò trung gian truyền nhận giữa các phao - tàu tuần tra với trung tâm chỉ huy. Các trạm bờ được tích hợp các hệ thống điện tử và truyền thông tương tự như trên phao có vai trò thu nhận, xử lý số liệu truyền về trung tâm chỉ huy và truyền các lệnh điều khiển tới các phao. 12 II.2. Sơ đồ khối và nguyên tắc hoạt động chung của hệ thống phao Hình 7: Sơ đồ khối hệ thống phao thông minh II.2.1. Nguyên tắc hoạt động chung Hình 7 minh họa sơ đồ khối hệ thống phao thông minh tích hợp các cảm biến quan trắc môi trường biển và các thiết bị truyền thông. Các thông tin về vị trí của phao được xác định thông qua hệ thống định vị toàn cầu GPS nhằm đảm bảo việc quan trắc môi trường đúng vị trí, giảm thiểu các rủi ro về sự cố, đánh cắp Tình trạng rung lắc của phao được giám sát thông qua các cảm biến gia tốc. Khi sự rung lắc cũng như dịch chuyển của phao vượt ngưỡng cho phép thì thông tin cảnh báo sẽ được gửi về trạm bờ và gửi SMS tới người quản lý. Tại trạm bờ, các thông tin thu nhận từ hệ thống phao được lưu trữ, xử lý bằng các phần mềm chuyên dụng. Các cơ quan quản lý có được thông tin quan trắc môi trường tự động, liên tục theo thời gian thực do hệ thống quan trắc đặt trên phao gửi về, từ đó đưa ra các cảnh báo về diễn biến bất thường của môi trường biển cũng như đưa ra các giải pháp khắc phục kịp thời. Kết hợp thông tin GPS và các cảm biến gia tốc, thông tin về sự dịch chuyển và rung lắc quá ngưỡng của phao sẽ được gửi tới người quản lý bằng những tín hiệu cảnh báo nhằm đưa ra các giải pháp ứng phó kịp thời. 13 II.2.2. Sơ đồ khối của phao Hình 8: Sơ đồ khối hệ thống phao Hình 9: Hình dáng phao và sơ đồ thiết bị được gắn bên trong 14 Sơ đồ khối của hệ thống phao được minh họa trên Hình 8 bao gồm: - Khối thu phát GPS và GSM: Đây là khối có nhiệm vụ xác định vị trí của phao thông qua hệ thống định vị toàn cầu GPS và gửi dữ liệu vào trạm bờ qua sóng GSM. - Khối đo các rung lắc của phao: Đây là khối có nhiệm vụ đo độ rung lắc của phao dưới tác động của sóng, gió biển. - Khối PC box: Xử lý các tín hiệu từ các cảm biến và gửi thông tin về trạm bờ thông qua sóng GSM. - Khối nguồn: Có nhiệm vụ cung cấp nguồn điện cho các hệ thống trên phao. II.3. Bộ thu GPS và GSM [6] II.3.1 Module EC25 Module EC25 trong sơ đồ hệ thống bao gồm một module thu GPS và một bộ GSM module. Module này có nhiệm vụ chính là xác định vị trí của phao một cách chính xác, hiệu quả. Các kết quả sau khi xử lý sẽ được module này gửi kết quả thông qua sóng 3G, 4G, GSM vào tới trạm bờ. Module EC25 gồm rất nhiều biến thể: EC25-E, EC25-EU, EC25-EC, EC25-A, EC25-V, EC25-AF, EC25-AU, EC25-AUT, EC25-AUTL và EC25-J. Điều này làm cho nó tương thích ngược với các mạng EDGE và GSM/GPRS hiện có, đảm bảo rằng nó có thể được kết nối ngay cả ở những vùng xa xôi không có vùng phủ sóng 4G hoặc 3G. EC25 hỗ trợ công nghệ vị trí Qualcomm® IZat ™ Gen8C Lite hỗ trợ định vị qua nhiều hệ thống định vị toàn cầu khác nhau như GPS, GLONASS, BeiDou, Galileo và QZSS. GNSS tích hợp rất đơn giản hóa thiết kế sản phẩm, và cung cấp vị trí nhanh hơn, chính xác hơn và đáng tin cậy hơn. 15 Hình 10 Module EC25 Module này được tích hợp trực tiếp vào bo mạch chủ của Marine PC và kết nối với Marine PC qua 3 cổng COM ảo: Quectel USB AT port - COM21: kết nối cho phép điều khiển và nhận phản hồi từ EC25 qua tập lệnh AT. Với cổng kết nối này, Marine PC có thể điều khiển cả module GSM và module GPS của EC25. Đây là cổng trao đổi dữ liệu chính giữa Marine PC và EC25. Quectel USB NMEA port - COM20: kết nối cho phép Marine PC nhận bản tin GPS NMEA định kì từ EC25. Tốc độ nhận bản tin và định dạng kiểu bản tin NMEA có thể được cấu hình bằng tập lệnh AT qua cổng COM 21. Quectel USB DM port - COM19: cổng debug và thay đổi firmware. Thường chỉ sử dụng trong một số trường hợp đặc biệt. 16 Hình 11: Sơ đồ chân EC25 Hình 12: Sơ đồ cấu tạo EC25 17 II.4. Khối đo quán tính MPU-6050 [8][9] Cảm biến MPU 6050 là một thiết bị theo dõi chuyển động từ công ty Invensense. Cảm biến này tích hợp một cảm biến gia tốc 3 trục tự do và một con quay hồi chuyển 3 trục trên cùng một đế silicon cùng với bộ xử lý tín hiệu số chuyển động với khả năng xử lý thuật toán phức tạp. MPU 6050 là một cảm biến MEMs tích hợp 1 gyroscope để đo vận tốc góc và 1 cảm biến gia tốc. Các tính năng chi tiết được mô tả sau đây: Với cảm biến gyroscope:  Cảm biến vận tốc góc ba trục X-, Y- và Z- đầu ra số với dải đo lập trình được là ±250°/sec, ±500°/sec, ±1000°/sec, và ±2000°/sec.  Có khả năng đồng bộ nhờ nguồn dao động ngoài để sử dụng trong các ứng dụng thu thập hình ảnh, video hay GPS.  Tích hợp 16-bit ADC, giúp thực hiện quá trình lấy mẫu đồng thời  Tăng cường khả năng ổn định với thay đổi nhiệt độ cũng như giảm độ tự trôi giúp giảm thiếu số lần hiệu chuẩn của người dùng.  Dòng hoạt động 3.6mA  Dòng nghỉ: 5µA Với cảm biến gia tốc:  Cảm biến gia tốc ba trục đầu ra số với dải đo lập trình được ±2g, ±4g, ±8g and ±16g.  Tích hợp ADC 16-bit cho phép lấy mẫu đồng thời mà không cần thêm các bộ ghép kênh.  Dòng hoạt động: 500µA.  Dòng tại chế độ tiết kiệm: 10µA tại 1.25Hz, 20µA tại 5Hz, 60µA tại 20Hz, 110µA tại 40Hz.  Xác định được hướng và tư thế.  Xác định được rung động rất nhỏ như có vật thể gõ nhẹ vào cảm biến. 18 Thông số kỹ thuật:  Điện áp sử dụng: 3-5V  Giao tiếp: I2C Hình 13: Sơ đồ MPU-6050 Mô tả chân của MPU 6050 và quy ước hệ trục tọa độ được mô tả ở hình trên. Giao thức mà cảm biến MPU 6050 sử dụng là I2C do đó trên sơ đồ kể trên, MPU 6050 sẽ sử dụng các chân sau: - SDA: chân truyền dữ liệu của giao thức I2C (được đấu nối với dương nguồn VCC bằng 1 điện trở 10k). - SCL: chân xung đồng bộ của giao thức I2C (được nối với dương nguồn VCC bằng 1 điện trở 10k). - GND: chân nguồn âm. - VCC: chân nguồn dương. 19 Hình 14: Module cảm biến rung lắc MPU 6050 II.5. PC box [4] Đây chính là máy tính dùng để kết nối với các khối cảm biến, giao tiếp với các cảm biến qua các tập lệnh, xử lý và thu thập dữ liệu từ các cảm biến, hệ thống định vị của phao, giao tiếp với trạm trung tâm và điều khiển phao khi cần thiết. Hình 15: Khối PC box 20 Máy tính chuyên dụng được thiết kế để hoạt động trên môi trường biển, có khả năng hoạt động trong dải nhiệt độ, độ ẩm cao, có khả năng chịu rung, sốc theo tiêu chuẩn IEC60068-2-27/64. Hình trên mô tả mặt sau của Marine PC. Marine PC cung cấp rất nhiều ngoại vi có thể sử dụng trong các hệ thống thu thập dữ liệu:  4 USB 3.0 (2 cổng ở mặt trước và 2 cổng ở mặt sau).  1 cổng RS485 tại COM1.  8 cổng RS232 từ COM3-COM10.  3 cổng LAN RJ45.  1 cổng DP cho màn hình.  2 cổng SMA 4G cho anten thu 4G/GSM.  1 cổng SMA GPS cho anten thu GPS.  1 đầu vào DC-in cho phép điện áp từ 12-26VDC. II.6. Hệ thống nguồn Đây là hệ thống cung cấp nguồn điện cho các hệ thống gắn trên phao. Do đây là môi trường ở biển nên vấn đề về việc chống mặn cũng được đặt ra. Ngoài ra, do hệ thống hoạt động liên tục nên giải pháp đề xuất là dùng pin năng lượng mặt trời. 21 CHƢƠNG III: KẾT QUẢ III.1. Kết quả kết nối phần cứng Trong khuôn khổ đề tài, hệ thống phao sử dụng 2 nhóm cảm biến là module thu GPS và cảm biến gia tốc và vận tốc góc. Cả hai cảm biến này đều sử dụng cổng COM ảo thay vì các cổng COM vật lý như đã đề cập ở trên. Trong đó cảm biến gia tốc và vận tốc góc sử dụng một bộ biến đổi USB to COM tích hợp trong cảm biến, do đó, cảm biến này sẽ sử dụng cổng USB 3.0 để kết nối. Máy thu GPS còn lại thuộc module EC25 được tích hợp trực tiếp vào bo mạch chủ của Marine PC, do đó cũng nối với Marine PC bằng một cổng COM ảo. Hình 16: Kết nối phần cứng phao 22 Hình 17: Khối PC Hình 18: Khối cảm biến rung lắc 23 Hình 19: Kết nối giữa cảm biến rung lắc và PC 24 III.2. Phần mềm III.2.1. Lƣu đồ hoạt động của hệ thống phao Lưu đồ hoạt động hệ thống M á y t ín h C ả m b iế n G P S C ả m b iế n r u n g l ắc Process Vượt ngưỡng Dừng hệ thống End Yes Vượt ngưỡng No Hệ thống đang bật Yes Bật lại các hệ thống No Gửi tin SMS cảnh báo Tín hiệu cảm biến Tín hiệu cảm biến No Yes Start Hình 20: Lưu đồ hoạt động của hệ thống phao III.2.2. Giao tiếp và tập lệnh Module EC25 với PC Giao tiếp của Module EC25 và PC EC25 được tích hợp trực tiếp vào bo mạch chủ của Marine PC và kết nối với Marine PC qua 3 cổng COM ảo: Quectel USB AT port - COM21: kết nối cho phép điều khiển và nhận phản hồi từ EC25 qua tập lệnh AT. Với cổng kết nối này, Marine PC có thể điều khiển cả module GSM và module GPS của EC25. Đây là cổng trao đổi dữ liệu chính giữa Marine PC và EC25. Quectel USB NMEA port - COM20: kết nối cho phép Marine PC nhận bản tin GPS NMEA định kì từ EC25. Tốc độ nhận bản tin và định dạng kiểu bản tin NMEA có thể được cấu hình bằng tập lệnh AT qua cổng COM 21. 25 Quectel USB DM port - COM19: cổng debug và thay đổi firmware. Thường chỉ sử dụng trong một số trường hợp đặc biệt. Tập lệnh AT của module GPS AT+QGPSCFG=“outport”[,] Cấu hình cổng ra cho bản tin NMEA Lệnh điều khiển AT+QGPSCFG=“outport”[,<outpo rt>] Phản hồi Khi có hai tham số: OK Khi tham số thứ 2 không có , cấu hình hiện tại sẽ được trả về: +QGPSCFG: “outport”, OK Nếu có lỗi xảy ra: +CME ERROR: Tham số Cấu hình cổng đầu ra cho bản tin NMEA, giá trị cấu hình được lưu tự động vào NVRAM. “none” dừng xuất bản tin NMEA “usbnmea” sử dụng cổng USB NMEA “uartdebug” sử dụng cổng UART debug 26 AT+QGPSCFG=“gpsnmeatype”[,] Cấu hình kiểu bản tin NMEA của GPS Lệnh điều khiển AT+QGPSCFG=“gpsnmeatype”[, <gps nmeatype>] Phản hồi Khi có hai tham số: OK Khi tham số thứ 2 không có , cấu hình hiện tại sẽ được trả về: +QGPSCFG: “gpsnmeatype”,<gpsnmeat ype> OK Nếu có lỗi xảy ra: +CME ERROR: Tham số Các kiểu bản tin NMEA được quy định bởi ORed, giá trị cấu hình được tự động lưu vào NVRAM. Giá trị mặc định là 31 nghĩa là cả 5 kiểu bản tin đều được đẩy ra. 0 Vô hiệu 1 GGA 2 RMC 4 GSV 8 GSA 16 VTG 27 AT+QGPSCFG=“gnssconfig”[,] Cấu hình chùm vệ tinh GNSS Lệnh điều khiển AT+QGPSCFG=“gnssconfig ”[,<gnssc onfig>] Phản hồi Khi có hai tham số: OK Khi tham số thứ 2 không có , cấu hình hiện tại sẽ được trả về: +QGPSCFG: “gnssconfig”, OK Nếu có lỗi xảy ra: +CME ERROR: Tham số Các chùm GNSS được hỗ trợ. GPS luôn luôn bật. 0 GLONASS off/BeiDou off/Galileo off 1 GLONASS on/BeiDou on/Galileo on 2 GLONASS on/BeiDou on/Galileo off 3 GLONASS on/BeiDou off/Galileo on 4 GLONASS on/BeiDou off/Galileo off 5 GLONASS off/BeiDou on/Galileo on 6 GLONASS off/BeiDou off/Galileo on 28 AT+QGPSLOC Lấy thông tin vị trí Lệnh kiểm tra AT+QGPSLOC=? Phản hồi +QGPSLOC: ,,,<hdo p>,,,,,< spkn>,, OK Lệnh điều khiển AT+QGPSLOC= Phản hồi +QGPSLOC: ,,,<hdo p>,,,,,< spkn>,, OK Nếu có lỗi xảy ra: +CME ERROR: Tham số Định dạng kinh độ, vĩ độ 0: , định dạng: ddmm.mmmm N/S,dddmm.mmmm E/W 1: , định dạng: ddmm.mmmmmm N/S,dddmm.mmmmmm E/W 2: , dịnh dạng: (-)dd.ddddd,(-)ddd.ddddd Giờ UTC Định dạng: hhmmss.sss Vĩ độ Định dạng: ddmm.mmmm N/S . dd 00-89 (độ) mm.mmmm 00.0000-59.9999 (phút) N/S North Vĩ độ Bắc/South Vĩ độ Nam Kinh độ Định dạng: dddm