<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<b>THIẾT KẾ THIẾT BỊ GIÁM SÁT MỰC NƯỚC ỨNG DỤNG HỆ ĐIỀU HÀNH THỜI GIAN THỰC RTOS </b>

DESIGN OF WATER LEVEL MONITORING DEVICE APPLYING REAL-TIME OPERATING SYSTEM RTOS

<i><b>SVTH: Đinh Văn Quang, Lê Huy Khang, Nguyễn Nhật Minh </b></i>

<i>Lớp 20DT1, 20DT2, 20DTCLC1 Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng; Email: 106200032@ sv1.dut.udn.vn, 106200055@ sv1.dut.udn.vn, , </i>

<i><b>GVHD: TS. Đào Duy Tuấn </b></i>

<i>Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng; Email: </i>

<b><small>Tóm tắt - Trong những năm gần đây, vấn đề “biến đổi khí </small></b>

<small>hậu” được cả thể giới chú trọng quan tâm và Việt Nam là một trong những quốc gia chịu tác động nặng nề hậu quả của nó. Biểu hiện rõ nét nhất là thiên tai lũ lụt sạc lở tại miền Trung. Các thiên tai lũ lụt xuất hiện với tần suất ngày càng cao đã gây ra nhiều thiệt hại về người và tài sản cho người dân. Do đó, đề tài “Thiết bị giám sát mực nước ứng dụng hệ điều hành thời gian thực RTOS” đóng vai trị quan trọng và có ý nghĩa lớn trong việc dự báo thời tiết và giám sát, ứng phó với biển đổi khí hậu và giảm thiểu thiệt hại do thiên tai lũ lụt gây ra. Hệ thống sẽ cung cấp thơng tin chính xác về tình hình thời tiết, phần trăm mực nước chứa trong bể nước hoặc hồ chứa nước trong trường hợp khơng có mưa, trường hợp có mưa hệ thống sẽ đo được mực nước dâng và đưa ra cảnh báo khi vượt ngưỡng hiển thị lên màn hình LCD, gửi email về người dùng. Đồng thời các thông số nhiệt độ, độ ẩm, áp suất khơng khí, phần trăm nước chứa trong bể nước hoặc hồ chứa nước và mực nước dâng thay đổi được cập nhật lên Cloud (ThingSpeak IoT) và ThingView ứng dụng điện thoại để người dùng có thể cập nhật tình hình thời tiết và giám sát mực nước, từ đó đánh giá tình hình thời tiết, lượng mưa và cung cấp chính xác về nguy cơ xảy ra lũ lụt. Hệ thống này có ưu điểm là nhỏ gọn, linh hoạt, trực quan và chi phí thấp so với các hệ thống tương tự, giúp cho việc sử dụng và quản lý hệ thống trở nên dễ dàng hơn. </small>

<b><small>Từ khóa- Dự báo thời tiết; giám sát mực nước; thiên tai lũ </small></b>

<small>lụt; thời gian thực; nhỏ gọn và linh hoạt; chi phí thấp. </small>

<b>Abstract - In recent years, the issue of "climate change" has </b>

received worldwide attention and Vietnam is one of the countries severely affected by its consequences. The most obvious manifestation is the natural disaster of floods and landslides in the Central region. Flood natural disasters appear with increasing frequency, causing much human and property damage. Therefore, the topic "Water level monitoring device applying real-time operating system RTOS" plays a significant role in weather forecasting and monitoring, and responding to climate change and climate change. minimize damage caused by natural disasters and floods. The system will provide accurate information about the weather situation, and the percentage of water level stored in the water tank or reservoir in case there is no rain, in case of rain the system will measure the water level rise and give warnings. Alert when exceeding the display threshold on the LCD screen, and email the user. At the same time, the parameters of temperature, humidity, air pressure, percentage of water contained in the water tank or reservoir, and water level changes are updated to the Cloud (ThingSpeak IoT) and ThingView phone application for users. Users can update weather conditions and monitor water levels, thereby assessing weather conditions, and rainfall and providing accurate information about the risk of flooding. This system has the advantages of being compact, flexible, intuitive, and low-cost compared to similar systems, making it easier to use and manage.

<b><small>Keywords – Weather forecast; water level monitoring; natural </small></b>

<small>disasters and floods; real-time; compact and flexible, low cost.</small>

<b>1. Đặt vấn đề </b>

Biến đổi khí hậu ở Việt Nam nằm trong số các nước bị ảnh hưởng nặng nề nhất bởi biến đổi khí hậu tồn cầu. Một số lượng lớn các nghiên cứu cho thấy Việt Nam đang trải qua biến đổi khí hậu và sẽ bị ảnh hưởng tiêu cực nghiêm trọng trong những thập kỷ tới. Những tác động tiêu cực này bao gồm mực nước biển dâng, xâm nhập mặn và các vấn đề thủy văn khác như lũ lụt, diễn biến cửa sông, bối lắng cũng như tần suất gia tăng của các thiên tai đều sẽ gây ra những ảnh hưởng tiêu cực đến sự phát triển và kinh tế của đất nước bao gồm nông nghiệp, nuôi trồng thủy sản, cơ sở hạ tầng đường bộ, v.v.

Biểu hiện rõ nét nhất là thiên tai lũ lụt, sạt lở đất tại miền Trung năm 2020 vừa qua. Do đó, cần có 1 thiết bị dự báo thời tiết và giám sát mực nước để cập nhật tình hình thời tiết, lượng mưa và cung cấp chính xác về nguy cơ xảy ra lũ lụt, có thể hoạt động trong thời gian dài, tiết kiệm năng lượng và hoạt động trong thời tiết mưa để cảnh báo kịp thời đến người dân.

<b>2. Kết quả nghiên cứu và khảo sát </b>

Chi tiết về kết quả nghiên cứu hệ thống bao gồm 2 giản đồ Usecase và activity cũng như chức năng của từng khối của hệ thống, chức năng dự báo thời tiết thời gian thực sử dụng thuật toán Zambretti và chức năng giám sát mực nước, cảnh báo mực nước khi dâng nhanh.

<i><b>2.1. Kiến trúc chức năng và vận hành hệ thống </b></i>

<i><b>Hình 2.1 Sơ đồ khối tổng quan của hệ thống </b></i>

<b>• Giãn đồ Usecase </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

<i><b>Hình 2.2 Giản đồ Usecase của hệ thống </b></i>

Mô tả hệ thống hoạt động:

- Chức năng dự báo thời tiết: Đọc giá trị nhiệt độ, độ ẩm, áp suất khơng khí, chiều cao áp suất so với mực nước biển và thời gian hiện tại sau đó sử dụng thuật tốn Zambretti để tính tốn và đưa ra dự báo thời tiết tại thời điểm hiện tại lên LCD, sau đó cập nhật giá trị đo được lên Thingspeak IoT và ứng dụng ThingView điện thoại người dùng.

- Chức năng giám sát mực nước: Nếu trời khơng mưa ,thì cảm biến siêu âm đọc giá trị khoảng cách để xác định mực nước của bể nước hiện tại và cập nhật giá trị lên Cloud (Thingspeak IoT) và ThingView ứng dụng điện thoại người dùng. Nếu trời mưa, thì cảm biến mưa xác định được thời điểm mưa, bắt đầu cảm biến siêu âm đo lại khoảng cách khi trời bắt đầu mưa, tính tốn xác định được khoảng cách mực nước dâng trong mưa, nếu như mực nước dâng cao trong khoảng thời gian quy định thì hiển thị cảnh báo lên màn hình LCD và gửi email cảnh báo về cho người dùng. Cuối cùng cập nhật giá trị mực nước dâng mỗi lần mưa lên Thingspeak IoT và ứng dụng ThingView.

<b>• Giãn đồ Activity </b>

<i><b>Hình 2.3 Giản đồ activity của hệ thống </b></i>

Mô tả hệ thống hoạt động: Khi hệ thống khởi động, vi

điều khiển sẽ kiểm tra đã kết nối mạng Wifi hay chưa. - Chức năng dự báo thời tiết: Nếu đã kết nối Wifi thành cơng thì hệ thống đọc giá trị nhiệt độ, độ ẩm, áp suất khơng khí, chiều cao áp suất so với mực nước biển và thời gian hiện tại sau đó sử dụng thuật tốn Zambretti để tính tốn và đưa ra dự báo thời tiết tại thời điểm hiện tại lên LCD. Đồng thời, các thông số thu thập được từ môi trường được cập nhật lên ThingSpeak IoT và ứng dụng ThingView điện thoại.

- Chức năng giám sát mực nước: Nếu đã kết nối Wifi thành công thì hệ thống đọc cảm biến mưa sau đó kiểm tra trời mưa hay khơng mưa. Trường hợp khơng mưa, thì cảm biến siêu âm đọc giá trị khoảng cách để xác định mực nước của bể nước hiện tại và cập nhật giá trị lên Thingspeak IoT và ứng dụng điện thoại. Trường hợp mưa bắt đầu cảm biến siêu âm đo lại khoảng cách khi trời bắt đầu mưa, tính tốn xác định được khoảng cách mực nước dâng trong mưa, nếu như mực nước dâng cao trong khoảng thời gian quy định thì hiển thị cảnh báo lên LCD và gửi email cảnh báo về cho người dùng. Cuối cùng cập nhật giá trị mực nước dâng mỗi lần mưa lên ThingSpeak IoT và ứng dụng ThingView điện thoại.

<b>2.2. Chức năng dự báo thời tiết sử dụng thuật toán Zambretti </b>

Thuật toán Zambretti là một phương pháp được sử dụng trong dự báo thời tiết dựa trên một công cụ được Negretti và Zambra phát triển vào giữa những năm 1800, đầu ra của thuật toán là 1 dự báo trong 32 dự báo của thuật tốn. Thuật tốn có thể dự báo theo các mùa trong năm như: Mùa xuân, hạ, thu, đơng, đặc biệt mùa hạ và mùa đơng có chênh lệch về áp suất lớn nên thuật tốn có thể điều chỉnh cho phù hợp với thực tế. Dự báo được xác định dựa trên ba tham số là: Giá trị áp suất tại mực nước biển, áp suất giảm, tăng và ổn định, áp suất đáp ứng yêu cầu phạm vi. + Áp suất tại mực nước biển: Áp suất khí quyển bị ảnh hưởng bởi độ cao áp suất so với mực nước biển và nhiệt độ. Do đó, tất cả các giá trị áp suất được báo cáo phải được chuyển đổi sang áp suất ở mực nước biển bằng công thức sau:

<i><b>Bảng 1. Các yêu cầu đối với từng loại xu hướng áp suất </b></i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

1033 mbar

Không giảm hoặc tăng 1,6 mbar trong 3 giờ Áp suất tăng Giữa 947 mbar và

1030 mbar

Tăng 1,6 mbar trong 3 giờ + Thuật toán Zambretti: Để xác định dự báo giá trị Z, sử dụng bảng tính tốn và tra cứu phù hợp dựa trên xu hướng. Có một bảng tính tốn và tra cứu riêng biệt cho các xu hướng áp suất giảm, tăng và ổn định.

Cơng thức tính toán và tra cứu khi áp suất giảm Z = 127 – 0,12. P0

8 Rain at Times, Becoming Very Unsettled

<i><b>Bảng 2. Tra cứu dự báo khi áp suất giảm </b></i>

Cơng thức tính tốn và tra cứu khi áp suất ổn định Z = 144 – 0,13.P0

18 Very Unsettled, Rain

<i><b>Bảng 3. Tra cứu dự báo khi áp suất ổn định </b></i>

Cơng thức tính tốn và tra cứu khi áp suất tăng Z = 185 – 0,16.P0

23 Fairly Fine, Improving

24 Fairly Fine, Possibly Showers Early

25 Showery Early, Improving

<i><b>Bảng 4. Tra cứu dự báo khi áp suất tăng </b></i>

Dự báo thực hiện điều chỉnh các phép đo nùa đông hoặc mùa hè. Mùa đông thường dẫn đến giá trị Z thấp hơn 1 đơn vị so với áp suất vào mùa hè. Tương tự, vào mùa hè giá trị Z cao hơn 1 đơn vị so với áp suất vào mùa đông. Việc sửa đổi giá trị Z tương ứng tương đối đơn giản, hệ thống đã có thu thập thời gian hiện tại (ngày, tháng, năm) từ đó thuật tốn có thể xử lý và cập nhật theo từng mùa cho ra kết quả dự báo đúng với thực tế. Về độ chính xác dự báo qua thử nghiệm đúng 85% so với thực tế.

<b>2.3 Chức năng giám sát mực nước và cảnh báo khi mực nước khi dâng nhanh </b>

Việc giám sát mực nước dựa trên 1 cảm biến siêu âm với việc đo khoảng cách mực nước trong bể để xác định mực nước còn lại cũng như dựa vào đó để xác định mực nước dâng lên khi trời mưa.

Ở đây khi xác định mực nước dâng lên thì ta sẽ xác định bằng việc tính số mm so với diện tích. Tức 1 lít/𝑚<small>2</small> thơng số dựa trên cách tính của đài khí tượng thủy văn.

Về việc mực nước dâng lên thì đầu tiên xác định được lượng nước mưa thông qua việc lấy khoảng cách bắt đầu mưa so với thời điểm đang mưa để xác định được mực

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

nước dâng lên , xác định được là mưa trong mức nào , dự kiến thì sẽ lụt úng hay không.

Mưa nhỏ, lượng mưa không

hoặc < 6.0mm/24 giờ

dưới 8.0mm/12giờ hoặc 15.0mm/24 giờ

8.0-25.0mm/12giờ hoặc khoảng 16.0- 50.0mm/24giờ

25.0-50.0mm/12giờ hoặc 100.0mm/24giờ

giờ hoặc trên 100.0mm/24 giờ

<i><b> Bảng 5. Các trường hợp mưa thông thường </b></i>

<b> Bảng 5 đưa ra các trường hợp thông thường của mưa để </b>

thầy được lượng mưa ở các trường hợp mưa là khác nhau mà mắt thường chỉ có thể quan sát mật độ hạt mưa chứ không phải lượng mưa nên không thể phán đốn được có thể lụt úng hay khơng.

Sau đây là các cấp độ mưa lũ để có thể áp dụng :

<i><b>Hình 2.3.1 Các cấp độ mưa lũ </b></i>

Các cấp độ mưa lũ được quy định tại văn bản chính phủ (hoilhpn.org.vn) từ những cấp độ này ta có thể dựa vào để có thể có những mức dự báo.

Vì để dự báo lụt úng nên cần được cảnh báo sớm nếu như lượng mưa tăng lên bất thường trong 1 khoảng thời gian vừa và nhỏ , ví dụ : 30p – 1 tiếng sau khi mưa từ đó cảnh báo sớm việc có sảy ra lụt úng hay không.

Về việc cảnh báo hệ thống đang sử dụng việc cảnh báo hiện lên LCD và gửi email trực tiếp về người dùng nếu như mà lượng mực nước dâng lên vượt ngưỡng.

<i><b>Hình 2.3.2 Cảnh báo email </b></i>

Về độ chính xác : Hiện tại hệ thống chưa được kiểm thử vì vậy độ chính xác chưa được kiểm thực, hiện tại mới chỉ phát triển được việc xác định lượng nước dâng lên bao nhiêu khi mưa và dựa vào 1 số bài báo về lụt úng để xác định khoảng mực nước dâng lên cao để đưa ra cảnh báo.

<b>2.4. Chức năng trên ứng dụng Thingspeak IoT và ThingView </b>

Thu thập dữ liệu từ môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, ấp suất, phần trăm mực nước hiện tại chứa trong bể nước và mực nước dâng được cập nhật lên Thingspeak IoT và ThingView ứng dụng điện thoại, từ đó người dùng có thể phân tích và so sánh để biết kịp thời trường hợp bất thường xảy ra.

Ứng dụng Thingspeak IoT là 1 cloud IoT mà người dùng có thể thiết lập kết nối với ESP32 gửi dữ liệu lên lưu trữ cũng như hiển thị lên dashboard 1 cách trực quan. Nhiều chức năng như hiển thị giá trị cảm biến, hiển thị biểu đồ giá trị trong thời gian hoạt động; chia sẻ kênh cho người dùng khác,....còn được sử dụng trên Smartphone thông qua ứng dụng Thingview mà không cần vào trang web xem trên dashboard .

<b>2.5. Kết quả quả thực hiện 2.5.1 Thiết kế phần cứng </b>

<i><b>Hình 2.5 Sơ đồ đi dây của hệ thống </b></i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

<i><b>Hình 2.6 Sơ đồ kết nối mơ phỏng trên Proteus </b></i>

<i><b>Hình 2.7 Thiết kế mạch PCB 2.5.2 Kết quả dữ liệu trên icloud Thingspeak IoT </b></i>

<i><b>Hình 2.8 Dữ liệu cập nhật lên Thingspeak IoT </b></i>

<i><b>Hình 2.9 Gửi cảnh báo khi mực nước dâng cao qua email 2.5.3 Sản phẩm Demo </b></i>

<i><b>Hình 2.10 Thiết bị dự báo thời tiết và đo mực nước dâng </b></i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

<i><b>Hình 2.11 Thiết bị dự báo thời tiết và cảnh báo mực nước </b></i>

<i>dâng cao </i>

<b>3. Kết luận </b>

Hiển thị lên LCD thời gian, dự báo thời tiết. Tại thời điểm không mưa, hiển thị lên LCD mực nước còn lại trong bể nước. Tại thời điểm mưa, hiển thị lên LCD mực nước dâng lên, cảnh báo nếu như vượt ngưỡng và gửi email về người dùng.

Hiển thị các giá trị của nhiệt độ độ ẩm, áp suất, mực nước bể và mực nước dâng trong mưa lên ThingSpeak IoT và ThingView ứng dụng điện thoại.

<b>Tài liệu tham khảo </b>

[1] GitHub - forcasting: A SAS ESP example that demonstrates the use of several ESP windows and their functions

sassoftware/iot-zambretti-weather-[2] C++ Programming Language - GeeksforGeeks

[3] Python Tutorial | Learn Python Programming (geeksforgeeks.org)

[4] DHT22 temperature-humidity sensor + extras : ID 385 : $9.95 : Adafruit Industries, Unique & fun DIY electronics and kits

[5] DS1307 Datasheet and Product Info | Analog Devices

[6] Lorem ipsum | Dolor sit amet (adafruit.com)

[7] Complete Guide for Ultrasonic Sensor HC-SR04 with Arduino | Random Nerd Tutorials

[8] Thời gian và đặc điểm các mùa trong năm: Xuân, Hạ, Thu, Đông tại Việt Nam (invert.vn)

[9]Thơng tin khí tượng thủy văn (

[10]Các cấp độ mưa lũ(hoilhpn.org.vn)

[11] Công nghệ ứng dụng cảnh báo ngập lụt: Lượng mưa sẽ được dự báo trước 3 giờ (vnmha.gov.vn)

</div>