Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống đo giám sát nhiệt ẩm cho các kho nông lâm sản có môi trường khắc nghiệt

Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống đo giám sát nhiệt ẩm cho các kho nông lâm sản có môi trường khắc nghiệt Phạm Minh Tuấn, Phạm Thượng Cát, Trần Đức Minh Viện Công nghệ Thông Tin, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam e-mail: pmtuan@ioit.ac.vn , ptcat@ioit.ac.vn , ducminh@ioit.ac.vn . Tóm tắt: Báo cáo trình bày hệ thống đo giám sát nhiệt độ và độ ẩm cho các kho nông lâm sản chịu được môi trường khắc nghiệt đã được thiết kế và chế tạo tại Viện Công nghệ Thông tin. Hệ thống bao gồm 48 đầu đo nhiệt ẩm được kết nối thành mạng với chương trình giao diện có chức năng thu thập, kiểm tra xử lý, hiển thị, thiết lập báo cáo, thống kê, lưu trữ và in ấn chạy trên máy PC. Các đầu đo nhiệt ẩm và hệ thống phần mềm nhúng cũng như phần mềm giao diện được hoàn thiện, nâng cấp để có thể chịu được môi trường nóng ẩm và phun hóa chất bảo quản định kỳ của các kho nông lâm sản trên toàn quốc. Hệ thống đã được triển khai lắp đặt tại Tổng kho Từ Liêm Hà Nội thuộc Cục Dự trữ quốc gia. Đặt vấn đề Nước ta là một nước nông nghiệp xuất khẩu nhiều sản phẩm nông nghiệp nổi tiếng như gạo, cà phê, hạt tiêu, chè và trái cây (vải, nhãn, dứa, thanh long v.v…). Do công tác bảo quản sau thu hoạch còn nhiều bất cập nên tỷ lệ hao hụt khá lớn. Nhu cầu kiểm soát nhiệt ẩm của các kho nông lâm sản ngày càng trở nên cần thiết nhất là đối với mặt hàng có tính an ninh lương thực như thóc và gạo. Đáp ứng yêu cầu của Cục Dự trữ quốc gia, từ 4 năm nay Phòng công nghệ Tự động hóa - Viện Công nghệ Thông tin đã phát triển và đưa vào ứng dụng một số hệ thống đo kiểm tra xa nhiệt ẩm của một số kho thóc ở các tỉnh phía Bắc. Các hệ thống này đã đáp ứng được các yêu cầu từng giai đoạn của Cục. Tuy nhiên, trong quá trình vận hành nảy sinh một số vấn đề thực tế cần hiệu chỉnh và hoàn thiện hệ thống cho phù hợp với điều kiện khắc nghiệt của môi trường kho nông lâm sản và chế độ phun hóa chất bảo quản của các loại sản phẩm. Báo cáo này trình bày các kết quả nghiên cứu phát triển đạt được sau khi hoàn thiện hệ thống đo xa nhiệt ẩm cho các kho nông lâm sản này. 2. Mô tả hệ thống Hệ thống đo nhiệt độ và độ ẩm cho kho tàng bao gồm 48 đầu đo nhiệt ẩm được bố trí trong lòng kho nông lâm sản và được kết nối mạng theo chuẩn RS485 đưa về máy tính. Các đầu đo được thiết kế nhỏ gọn và kín để có khả năng chịu được môi trường nóng ẩm nhiệt đới và các hóa chất thường được dùng để bảo quản nông lâm sản. Các đầu đo được bố trí phân bố rải rác trong lòng kho để theo dõi được nhiệt độ và độ ẩm các nông lâm sản. Nguồn điện cấp cho các đầu đo là nguồn 12VDC cách ly để đảm bảo an toàn khi vận hành. Phần mềm máy tính sẽ định kỳ kiểm tra từng đầu đo, đọc nhiệt độ và độ ẩm của đầu đo, tính toán và hiển thị trên màn hình cũng như là lưu trữ trong cơ sở dữ liệu. Các thiết bị trong hệ thống bao gồm các đầu đo nhiệt ẩm, thiết bị kết nối mạng RS285, Bộ nguồn DC, máy vi tính và phần mềm được mô tả chi tiết như sau: 2.1 Đầu đo nhiệt độ và độ ẩm thông minh THS-1.1 Đầu đo nhiệt ẩm thông minh THS-1.1 được hoàn thiện từ đầu đo nhiệt độ, độ ẩm THT-1 được sử dụng trong các hệ thống đo xa nhiệt ẩm của các kho thóc của các chi cục dự trữ quốc gia Hải Phòng và Bắc Giang. Nguyên lý hoạt động của của đầu đo nhiệt ẩm mới THS-1.1 về cơ bản giống như đầu đo THT-1 nhưng được nâng cấp cả về cấu trúc phần cứng và phần mềm nhúng. Phần cứng đã được hoàn thiện về cấu trúc mạch điện, cấu hình chip chuyên dụng được phát triển từ công nghệ tạo chip thông minh PSoC, tiêu tốn ít năng lượng, hình dáng và kích cõ nhỏ gọn phù hợp cho đa dạng ứng dụng trong các kho nông lâm sản có môi trường nóng ẩm và hóa chất khắc nghiệt. Về phần mềm nhúng được nâng cấp với các thuật toán xử lý mới chống nhiễu, tăng độ ổn định cũng như thủ tục truyền tin đảm bảo số liệu đo tin cậy, chính xác và nhanh chóng. Sản phẩm đầu đo nhiệt ẩm thông minh THS- 1.1 có các đặc trưng chính sau Ký hiệu: THS1.1 Giải đo nhiệt độ: 0 – 70 oC Độ chính xác nhiệt: oC Giải đo độ ẩm: 0 – 100% Độ chính xác độ ẩm: Điện cấp: 10 – 15 VDC Dòng tiêu thụ: 10 mA (max) Kết nối mạng RS485: Dị bộ, bán song công Số điểm trên RS485: 255 (max) Tốc độ truyền RS485: 1200 – 57600 bps Kích thước: 80 mm x 32 mm x 32 mm 2.2. Bộ chuyển đổi RS485/RS232 cách ly Khác với các hệ đo nhiệt ẩm trước đây thường sử dụng các bộ chuyển đổi cách ly RS485/RS232 nhập ngoại vừa tốn kém vừa khó trong việc bảo hành, chúng tôi đã phát triển bộ chuyển đổi cách ly RS485/RS232 của mình. Chất lượng của sản phẩm này không thua kém các sản phẩm nhập ngoại mà còn có ưu điểm về giá thành rẻ hơn, tiêu tốn ít năng lượng hơn và dễ dàng bảo hành dài hạn cho các khách hàng. Các chi tiết về chỉ tiêu kỹ thuật được mô tả như sau: Ký hiệu: iCon-485 Kết nối mạng RS485: Dị bộ, bán song công Số điểm trên RS485: 255 (max) Tốc độ truyền RS485: 400 – 115200 bps Điều khiển hướng truyền: tự động Cách ly RS485/RS232: 1000 Vrms Điện cấp: 10 – 15 VDC Dòng tiêu thụ: 55 mA (max) Kích thước: 93 mm x 58 mm x 27 mm Nhiệt độ làm việc: 0 – 45 oC Độ ẩm làm việc: 5 – 90% 2.3. Thiết bị nguồn DC Đặc điểm của bộ nguồn DC cho các ứng dụng ở môi trường khắc nghiệt của các kho nông lâm sản là phải có độ bền cao, chịu được dao động điện lưới lớn, chạy 24/24 ổn định và có chế độ tự bảo vệ quá tải, chập mạch và dễ dàng sử dụng. Chúng tôi đã phối hợp với công ty hàng đầu của Việt Nam về chế tạo các thiết bị nguồn Việt Linh AST để chế tạo thiết bị nguồn chuyên dụng này cho các hệ thống đo nhiệt ẩm. Thiết bị nguồn được chế tạo có các chỉ tiêu kỹ thuật sau: Điện cấp vào: 190 – 245 VAC Tần số: 45 – 55 Hz Điện áp đầu ra: 12 – 14,5 VDC Dòng cấp ra: 15A (max) Tự động bảo vệ: chập mạch, quá tải, quá nhiệt Kích thước: 167 mm x 100 mm x 325 mm 2.4. Hệ thống phần mềm Chương trình kiểm soát nhiệt độ-độ ẩm là hệ thống phần mềm phục vụ công tác kiểm soát nhiệt độ-độ ẩm sử dụng các đầu đo sử dụng cảm biến đặt tại các điểm cần theo dõi của người sử dụng. Chương trình do Phòng Công nghệ phần mềm trong quản lý phối hợp với Phòng Công nghệ Tự động hóa nâng cấp từ Phần mềm THDP-SW để tăng cường chức năng lưu trữ, tìm kiếm và truy cập cơ sở dữ liệu các giá trị nhiệt ẩm đo được. Chương trình dùng để phục vụ cho nhóm người sử dụng được giao nhiệm vụ giám sát nhiệt ẩm của kho tàng. Khi kích hoạt cửa sổ chương trình hiện ra thông báo đang thực hiện lấy dữ liệu từ các đầu đo mà có kết nối với hệ thống. Sau một khoảng thời gian ngắn, chương trình chính sẽ mở ra, cung cấp các chức năng để theo dõi dữ liệu thu thập được từ các đầu đo. Chương trình có các chức năng cơ bản sau: 2.4.1 Quản trị dữ liệu Chức năng Quản trị dữ liệu có nhiệm vụ hiển thị dữ liệu nhận được từ lần đo gần nhất. Thông tin thời gian thực hiện đo luôn được hiển thị ở tiêu đề cửa sổ. Xem dữ liệu Chức năng Xem dữ liệu hiển thị thông tin đo được mới nhất mà hệ thống nhận được từ các đầu đo mà nó quản lý. Dữ liệu nhận được từ mỗi đầu đo sẽ được hiển thị trong tab này trong một cửa sổ nhỏ. Tại cửa sổ này, người sử dụng có thể nhấn nút lấy dữ liệu để nhận dữ liệu mới nhất từ đầu đo đó. Ví dụ, màn hình sau cho kết quả nhận dữ liệu từ đầu đo: Việc tổ chức như vậy giúp người sử dụng có thể thực hiện xem dữ liệu ở đầu đo bất kỳ, tại bất kỳ thời điểm nào và trợ giúp tích cực hơn cho người được giao nhiệm vụ kiểm soát, theo dõi. Trạng thái của các đầu đo cũng được cập nhật ngay để người sử dụng biết đầu đo nào hoạt động, đầu đo nào không hoạt động trên màn hình. Các đầu đo hoạt động có màu đỏ, nền xanh. Các đầu đo không hoạt động có màu đen, nền xanh nhạt. Tra cứu Chức năng Tra cứu cung cấp các tiện ích giúp người sử dụng tra cứu lại các dữ liệu đã nhận được từ các đầu đo. Để thực hiện tra cứu, người sử dụng tích chuột chọn các đầu đo cần tra cứu, xác định điều kiện theo ngày hoặc theo tháng để lấy dữ liệu. Các nút lệnh Tra cứu tương ứng cho mục tiêu tra cứu dữ liệu theo khoảng thời gian hay theo tháng. Nhấn Tra cứu để xem dữ liệu của các đầu đo đã chọn. Kết quả hiển thị dưới dạng bảng như sau: Nếu muốn chọn tất cả đầu đọc, người sử dụng có thể tích vào Chọn tất cả, chương trình sẽ tự động chọn tất cả các đầu đo. Sau đó, người sử dụng xác định các điều kiện lọc như đã nêu ở trên.. Trong phần Tra cứu, hệ thống cũng cung cấp chức năng Báo cáo cho phép người sử dụng kết xuất bảng kết quả này ra Excel. Người sử dụng có thể chọn lựa báo cáo theo ngày hay theo tháng. Hệ thống tự động xác định điều kiện ở các mục tương ứng để lấy dữ liệu làm báo cáo. Khi chạy, hệ thống sẽ kích hoạt Excel và điền dữ liệu vào file đó cho người sử dụng có thể chế biến tiếp (nếu cần). Ví dụ ở bảng dưới 2.4.4 Biểu đồ Chức năng Biểu đồ cho phép người sử dụng theo dõi dữ liệu đo được dưới dạng biểu đồ. Tương tự như thực hiện tra cứu, người sử dụng tích chuột chọn các đầu đo cần tra cứu, xác định điều kiện theo ngày hoặc theo tháng để lấy dữ liệu. Các nút lệnh Xem biểu đồ tương ứng cho mục tiêu tra cứu dữ liệu theo khoảng thời gian hay theo tháng. Nhấn Xem biểu đồ để xem dữ liệu của các đầu đo đã chọn. Kết quả hiển thị dưới dạng biểu đồ như sau: Tại đây, người sử dụng cũng có thể lựa chọn xem biểu đồ biến thiên của nhiệt độ, độ ẩm hay điểm sương. Hay thay đổi dạng biểu đồ ở danh sách chọn Dạng biểu đồ trên màn hình. Chương trình sẽ tự động cập nhật dạng biểu đồ với dữ liệu hiện tại. 2.4.5 Danh mục đầu đo Chức năng này cung cấp để trợ giúp người sử dụng có thể quản lý và cập nhật các thông tin liên quan đến đầu đo. Có hai dạng hiển thị: Dạng FORM và dạng GRID như trên màn hình. Tại đây người sử dụng có thể cập nhật thông tin Vị trí của đầu đo và thuộc tính của đầu đo có sử dụng để điều khiển công tắc hay không. Thanh công cụ phía trên giúp người sử dụng làm việc với chức năng này: Chức năng Chuyển chế độ truy vấn, Thực hiện truy vấn và Hủy bỏ chế độ truy vấn được thực hiện theo như tên gọi. Khi nhấn Chuyển chế độ truy vấn thì chương trình sẽ hiển thị 2 nút lệnh Thực hiện truy vấn và Hủy bỏ truy vấn. Khi ở chế độ truy vấn, người sử dụng có thể nhập các giá trị cần tìm kiếm vào các trường trên màn hình hiện tại, nhấn Thực hiện truy vấn để tìm, Hủy bỏ truy vấn để quay lại màn hình trước đó. Để hủy toàn bộ kết quả truy vấn và quay lại với toàn bộ dữ liệu, nhấn Chuyển chế độ truy vấn, không nhập điều kiện gì và nhấn Thực hiện truy vấn. 2.4.6 Hệ thống Chức năng Hệ thống giúp người sử dụng theo dõi các thông số hệ thống được cài đặt. Thiết đặt tần suất thực hiện lấy dữ liệu từ các đầu đo. Màn hình giao diện như sau: Tại màn hình này, người sử dụng có thể thay đổi tần suất lấy dữ liệu từ đầu đo bằng cách thay đổi giá trị trường Tần suất lấy dữ liệu. Giá trị này được tính theo phút. Sau khi thay đổi, người sử dụng nhấn Cập nhật để lưu lại thay đổi này. Mặc định, khi chương trình khởi động đặt giá trị 5 phút cập nhật một lần. Khi hoạt động, dữ liệu này có thể thay đổi. Tuy nhiên, không nên đặt dưới 1 phút đối với hệ thống quản lý 50 đầu đọc trở lên. Theo tần suất đã đặt, hệ thống tự động bật chế độ lấy dữ liệu. 3. Lắp đặt và hoạt động tại hiện trường Hệ thống đo nhiệt độ độ ẩm được triển khai lắp đặt tại Tổng kho Từ Liêm thuộc Chi cục Dự trữ Quốc gia Hà Nội. Tại đây, các thiết bị đầu đo được trang bị tại kho K8 và chôn trong thóc để theo dõi nhiệt độ và độ ẩm của thóc. Dữ liệu sẽ được truyền qua mạng RS485 để đưa về máy tính có cài phần mềm đo nhiệt độ và độ ẩm và được đặt tại phòng Kỹ thuật trong khu văn phòng cách kho 200 mét. Các đầu đo được phân bố đều trong kho và được chôn ở 3 cao độ khác nhau để đảm bảo có thể thu được giá trị nhiệt ẩm tương đối của toàn bộ khối thóc. Thông qua chương trình giám sát nhiệt độ và độ ẩm, người quản lý kho có thể liên tục theo dõi nhiệt độ và độ ẩm của thóc hoặc có thể tra cứu lại các giá trị đo trong quá khứ mà không phải ra khỏi phòng. Dựa trên các kết quả đo, người quản lý kho có thể đưa ra các quyết định cần thiết cho quy trình bảo quản thóc như bật quạt, hút ẩm, hay đảo thóc, … để luôn luôn giữ thóc ở mức độ bảo quản với chất lượng tốt nhất. Các đầu đo và máy tính được nối với nhau qua một dây cáp. Nguồn điện cấp cho các đầu đo cũng sẽ được đưa qua sợi cáp này. Vì thế, dây cáp sẽ cần có 4 sợi bên trong: 2 sợi cho việc cấp nguồn và 2 sợi khác cho việc truyền RS485. 3.1 Lựa chọn dây cáp Thông thường, khu kho thóc và khu văn phòng đặt cách xa nhau. Do đó, điện áp cấp sẽ bị suy giảm khi truyền tải trên các đường dây cáp dài, tùy theo khoảng cách khu vực kho thóc và khu văn phòng, ta cần lựa chọn loại cáp có kích thước các sợi bên trong cho phù hợp. Với khoảng cách dưới 200 mét, sử dụng loại dây mạng Cat.5 là phù hợp về kỹ thuật và kinh tế nhất. Đây là loại dây cáp mà bên trong có 4 cặp sợi được đánh dấu bằng các màu: cam, trắng/cam, nâu, trắng/nâu, xanh lục, trắng/lục, xanh lam, trắng/lam. Mỗi cặp sợi sẽ được chập lại và dùng như 1 sợi. Từ trục cáp chính này nối tới các đầu đo, do khoảng cách thường ngắn, chúng ta có thể sử dụng loại cáp điện thoại 4 sợi có bọc lớp vỏ nhựa chịu được môi trường axit. 3.2 Lắp đặt đầu đo trong kho thóc 48 đầu đo được phân bố đều trong lòng kho thóc để có thể giám sát nhiệt độ của toàn kho. 48 đầu đo được chia thành 16 cụm mỗi cụm gồm 3 đầu đo chôn ở 3 cao độ 1m, 2m và 3m cách mặt thóc. Các cụm được bố trí đều trong kho theo 8 hàng x 2 cột để có thể phủ được toàn bộ diện tích 18 x 6 m2. Mỗi đầu đo được đút bên trong một ống nhựa PVC và kéo dài từ điểm cần đo đến trên mặt thóc. Dây nối từ đầu đo tới đường cáp chính được bọc trong ống gien mềm và cũng được chạy bên trong ống PVC để bảo vệ chống va đập, chuột bọ và môi trường axit. 3.3 Sơ đồ kết nối hệ thống Sơ đồ kết nối hệ thống được mô tả như hình sau: 3.4 Địa chỉ trên mạng RS485 Mỗi đầu đo được đặt một địa chỉ riêng biệt trên mạng RS485 từ 01 cho đến 48. Địa chỉ được đánh liên tục theo giá trị tăng dần của số thứ tự cụm đầu đo. Với mỗi cụm đầu đo, đầu đo chôn sâu nhất sẽ được đánh địa chỉ nhỏ nhất, còn đầu đo chôn gần mặt thóc nhất sẽ được đánh địa chỉ lớn nhất. 3.5 Hoạt động của hệ thống Hệ thống đã được đưa đi kiểm chuẩn tại Cục Tiêu chuẩn đo lường chất lượng Bộ Quốc phòng đạt các chỉ tiêu kỹ thuật như mô tả ở trên trước khi lắp đặt đưa vào hoạt động trong tháng 5 năm 2009 ở Tổng kho Từ liêm. Hệ thống hoạt động ổn định từ đó đến nay. Các số liệu được cập nhật và lưu trữ theo yêu cầu của kho. Thời gian thu thập cả 48 điểm đo nhiệt ẩm trong vòng 1 phút. 4. Kết luận Hệ thống đo giám sát nhiệt độ và độ ẩm cho các kho nông lâm sản chịu được môi trường khắc nghiệt đã được nâng cấp, hoàn thiện, được lắp đặt và đưa vào hoạt động trong các kho thóc của Tổng kho Từ liêm cho các kết quả đáng tin cậy. Hệ thống hoạt động ổn định, thời gian thu thập số liệu các điểm đo nhanh. Các kết quả thu được đảm bảo có thể triển khai đại trà cho các kho nông lâm sản trên toàn quốc và các ứng dụng đo kiểm soát nhiệt ẩm môi trường từ xa của các ngành kinh tế và an ninh quốc phòng. Hiện tại chúng tôi đã phát triển hệ đo kiểm soát nhiệt ẩm qua mạng Internet cho các phòng server và các tổng đài trong lĩnh vực bưu chính viễn thông. Các kết quả kiểm soát nhiệt ẩm của các phòng server, tổng đài được lưu trữ và báo động qua mạng Internet, gửi tin nhắn vào các mạng di động. Như vậy, việc kiểm soát nhiệt ẩm được thực hiện mọi lúc mọi nơi trên toàn cầu qua mạng Internet và mạng điện thoại di động. Ngoài ra, chúng tôi đang phát triển các đầu đo nhiệt ẩm kết nối không dây cho các ứng dụng trong tương lai.