Thiết kế hệ thống IoT cho UAV lập bản đồ phân bố chất lượng nước trên hồ thủy lợi

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:3

Thêm vào BST

Báo xấu

9
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Thiết kế hệ thống IoT cho UAV lập bản đồ phân bố chất lượng nước trên hồ thủy lợi trình bày thiết kế hệ thống IoT giám sát chất lượng nước gắn trên UAV để thực hiện lập bản đồ phân bố chất lượng nước. Hệ thống IoT được thiết kế linh hoạt với hai kênh truyền dữ liệu qua SIM 4G và WIFI.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Thiết kế hệ thống IoT cho UAV lập bản đồ phân bố chất lượng nước trên hồ thủy lợi

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2022. ISBN: 978-604-82-7001-8 THIẾT KẾ HỆ THỐNG IoT CHO UAV LẬP BẢN ĐỒ PHÂN BỐ CHẤT LƯỢNG NƯỚC TRÊN HỒ THỦY LỢI Đặng Minh Hải1, Phạm Đức Đại1, Nguyễn Đăng Khoa2, Lê Thị Thu Hiền1 1 Trường Đại học Thủy lợi, email: hai_ctn@tlu.edu.vn; 2 VNU-international School 1. GIỚI THIỆU nhiệt độ (T), độ pH, lượng ô xy hoà tan (DO), độ đục, độ dẫn điện (EC) và Chlorophyll (Chl) Hồ là thuỷ vực được giới hạn bằng bờ, có được truyền về máy chủ để thiết lập bản đồ thể khép kín hoặc không khép kín. Khác với phân bố chất lượng nước theo không gian và nguồn nước sông, yếu tố dòng chảy trong hồ thời gian. Nhờ đó, các thông số chất lượng thể hiện không rõ rệt nên sự phát tán và đồng nước chủ yếu được giám sát theo không gian nhất vật chất bị hạn chế. Chế độ thuỷ văn và và thời gian, ô nhiễm nước (nếu có) sẽ được chất lượng nước của hồ tự nhiên và hồ nhân phát hiện và xử lý kịp thời. Để hoàn thiện tạo khác nhau, phụ thuộc vào sự khai thác sử công nghệ phù hợp với điều kiện ứng dụng tại dụng nước và đặc điểm sinh thái của hồ đó[1]. Việt Nam, công nghệ phát hiện sớm ô nhiễm Diện tích hồ tổng cộng (bao gồm hồ nước ngọt, chất lượng nước nêu ở trên cần được tiếp tục hồ nước lợ và hồ nước mặn) khoảng 2.058.700 nghiên cứu. km2 và lượng nước tổng cộng là 176.400 km3, chiếm 52% lượng tích trữ nước ngọt. 2. CÔNG NGHỆ UAV GIÁM SÁT CHẤT Nguồn cấp nước mặt ở Việt Nam có nguy LƯỢNG NƯỚC cơ cao bị ô nhiễm gây ra bởi các tác động của tự nhiên hoặc/ và con người. Hiện nay, quản lý Phương tiện tự hành dưới nước (AUVs) và rủi ro ô nhiễm của các nguồn cấp nước được phương tiện tự hành trên mặt nước (ASVs) thực hiện chủ yếu thông qua việc định kỳ lấy đã được sử dụng để giám sát chất lượng nước mẫu nước. Hạn chế của cách làm này là sự cố trong những năm gần đây. Khó khăn chủ yếu ô nhiễm chỉ được phát hiện khi ô nhiễm đã khi sử dụng AUVs để giám sát chất lượng phát triển ra một phạm vi rộng và khó khăn để nước là việc định vị chính xác phương tiện xác định nguồn gây ô nhiễm. Điển hình là sự do hệ thống GPS hoặc là không thực đầy đủ cố ô nhiễm hồ cấp nước nước thô của nhà máy chức năng hoặc phải trang bị thêm thiết bị có nước sông Đà năm 2019 đã phải dừng cấp chi phí cao và phức tạp. nước cho 2 triệu dân thủ đô trong thời gian 10 ngày; việc khắc phục sự cố trên vô cùng khó khăn và tốn kém. Để khắc phục được hạn chế trên, việc đánh giá an toàn nguồn cấp nước và nghiên cứu công nghệ, thiết bị kiểm soát nguồn cấp nước an toàn là hết sức cần thiết. Các máy bay không người lái (Unmanned Arerial Vehicle-UAV) có gắn các thiết bị đo đã trực tiếp đo các thông số chất lượng nước tại các điểm quan trắc trên hồ cấp nước hình 1. Dữ liệu đo trực tiếp tại các điểm quan trắc gồm Hình 1. Minh hoạ quỹ đạo đo của UAV 262
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2022. ISBN: 978-604-82-7001-8 Khác với các công nghệ trên, máy bay Lớp 1: Cảm biến chất lượng nước; Lớp 2: không người lái (UAV) cũng có thể được phát Truyền thông IoT gửi dữ liệu lên Web server triển để giám sát chất lượng nước [2]. UAV đã hoặc cloud sử dụng 4G /hoặc WiFi. Trong được sử dụng phổ biến để ứng dụng kỹ thuật thiết kế, hệ thống IoT-WQMS sử dụng hai viễn thám trong trồng trọt, chăn nuôi, giám kênh giao tiếp thông qua WI-FI hoặc 4G. chất lượng không khí, quy hoạch đô thị, vận chuyển máu cho cấp cứu… Ưu điểm nổi bật Lớp 4: User interface module (GWM) của UAV là khả năng vận chuyển bằng điều khiển từ xa tới các vị trí khó tiếp cận và thực hiện hiệu quả các nhiệm vụ với việc tiết kiệm chi phí và thời gian. Chẳng hạn, ảnh không ảnh Lớp 3: Web server: data storage/ process được chụp từ xa bởi UAV có thể giúp cho việc trực quan hoá các nhiễu loạn trong nguồn nước và cung cấp các dữ liệu giám sát chất lượng nước thay đổi theo không gian. Lớp 2: IoT communication (4G or WIFI) Phần mềm tính toán, dự báo chất lượng nước; cảnh báo; truy xuất nguồn ô nhiễm Lớp 1: Sensor layer module (SLM) Trạm điều khiển Web hiển thị chất trung tâm lượng nước Hình 3. Các lớp trong thiết kế hệ thống IoT giám sát chất lượng nước Lớp 3: Web sever: dữ liệu thu thập từ các UAV; IoT- cảm biến được lưu trữ sử dụng trên Web WQMS; Camera server sử dụng giao thức HTTP hoặc MQTT Hình 2. Hệ thống trạm điều khiển UAV, để giao tiếp với lớp 2. Web server được phát phân tích dự báo triển (sử dụng nền tảng .Net, PHP, kết hợp cơ sở dữ liệu) và cài đặt trên một hosting server Để giám sát chất lượng nước và cảnh báo chạy hệ điều hành Windows. Lớp 4: Lớp ứng sớm ô nhiễm, hệ thống UAV được trang bị dụng; ở đó dữ liệu được hiển thị (ví dụ: các cảm biến đo, hệ thống thu thập và truyền Thingspeak, web custom development), dữ liệu; camera. Dữ liệu được truyền về web người dùng có thể điều khiển thiết bị từ lớp server, phục vụ cho việc tính toán nội suy, dự này. Giao thức HTTP được sử dụng để thực báo, và từ đó lập được bản đồ phân bố chất hiện giao tiếp giữa lớp này với lớp 3. lượng nước. Camera chụp hình ảnh có thể phát hiện bất thường nguồn nước, giúp cảnh 4. THIẾT KẾ VÀ THỰC NGHIỆM báo sớm ô nhiễm và truy xuất được nguồn ô nhiễm. Trong bài báo này, hệ thống thu thập Sơ đồ khối mạch phần cứng bộ thu thập dữ dữ liệu được thiết kế gắn trên UAV nhằm liệu được cho ở Hình 4. Phần cứng thực hiện mục đích thu thập dữ liệu tại các điểm đo. bao gồm các module nguồn, module vào ra số; module SIM 4G; các module đọc dữ liệu 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG IoT THU THẬP từ các cảm biến. Cụ thể, để đọc dữ liệu từ các DỮ LIỆU TRÊN UAV cảm biến, bộ chuyển đổi ADC (MCP3208) Hệ thống IoT được thiết kế dựa trên 4 lớp được sử dụng cho các cảm biến có đầu ra là như trên Hình 3. tín hiệu dạng điện 0-10V, giao tiếp truyền 263
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2022. ISBN: 978-604-82-7001-8 thông Modbus sử dụng IC MAX 485 cho Bộ thu thập dữ liệu được gắn trên UAV. phép đọc dữ liệu từ nhiều cảm biến trên cùng UAV chuyển động theo quỹ đạo định trước, một bus dữ liệu. khi đến điểm lấy mẫu, UAV sẽ ra lệnh đo; dữ liệu tự động được gửi về trung tâm (Web server, database) và hiển thị trên ứng dụng Web. Chương trình viết cho ESP 32 được viết trên phần mềm Arduino IDE. Hình 4. Sơ đồ khối mạch phần cứng bộ thu thập dữ liệu Module SIM 4G cho phép truyền dữ liệu và nhận lệnh điều khiển. Hình 7. Hiển thị kết qua đo trên ứng dụng Web Lập trình ESP32 để đọc dữ liệu trực tiếp từ các cảm biến, kết hợp với sóng 3G, 4G, dữ liệu này sẽ được đẩy về server để lưu trữ hoặc sử dụng cho các ứng dụng khác như web, mobile app... Đồng thời, chúng còn được xử lý tại các trạm UAV thời gian thực để tính toán đưa ra những cảnh bảo sớm chất lượng nước ở các hồ thủy lợi. Bên cạnh vấn đề về cảm biến, UAV còn được gắn thêm camera để xử lý tín hiệu Hình 5. Mạch phần cứng bộ thu thập dữ liệu hình ảnh, lưu trữ. Camera sẽ được kết nối với một máy tính nhúng, trên đó được tích hợp Bộ xử lý trung tâm ESP 32 thực hiện xử lý internet thông qua modem 3G/4G. Với phương và tính toán dữ liệu; kết nối WIFI và đẩy dữ thức này ảnh có thể truyền về server để lưu trữ. liệu lên Webserver. Với thiết kế nhỏ gọn, Đồng thời, ảnh có thể được xử lý thời gian trên nhẹ. Hệ thống phần cứng phục vụ cho đo máy tính nhúng này. lường, truyền nhận thông tin cho mô hình IoT hoàn toàn có thể tích hợp, gắn trên một 5. KẾT LUẬN UAV được thể hiện trên Hình 6. Bài báo trình bày thiết kế hệ thống IoT giám sát chất lượng nước gắn trên UAV để thực hiện lập bản đồ phân bố chất lượng nước. Hệ thống IoT được thiết kế linh hoạt với hai kênh truyền dữ liệu qua SIM 4G và WIFI. Dữ liệu được hiển thị trên ứng dụng WEB, là cơ sở dữ liệu phục vụ tính toán, cảnh báo sớm chất lượng nước ở các Hồ thủy lợi. 5. TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình 6. UAV gắn bộ đo, thu thập dữ liệu [1] T. Đ. Hạ, Hồ chứa nước - Quản lý kỹ thuật chất lượng nước cấp nước an toàn cho đô thị và khu dân cư. Hà Nội: Nhà xuất bản Xây dựng, 2019. 264