BÀI TẬP LỚN MÔN KỸ THUẬT XUNG SỐ TƯƠNG TỰ VÀ KỸ THUẬT ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN: THIẾT BỊ GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ GIÁM SÁT MƠI TRƯỜNG KHƠNG KHÍ BÀI TẬP LỚN MÔN KỸ THUẬT XUNG - SỐ - TƯƠNG TỰ VÀ KỸ THUẬT ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN Nhóm thực hiện: Hàn Văn Tuấn _ 17020452 Trần Văn Phơn _ 17020398 Hoàng Quốc Trung _ 17020443 Nguyễn Văn Thuân _ 17020432 Giáp Văn Tân _ 17020417 Giảng viên hướng dẫn: ThS Phạm Đình Tuân Hà Nội - 2020 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ GIÁM SÁT MƠI TRƯỜNG KHƠNG KHÍ BÀI TẬP LỚN MƠN KỸ THUẬT XUNG - SỐ - TƯƠNG TỰ VÀ KỸ THUẬT ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN Nhóm thực hiện: Hàn Văn Tuấn _ 17020452 Trần Văn Phơn _ 17020398 Hoàng Quốc Trung _ 17020443 Nguyễn Văn Thuân _ 17020432 Giáp Văn Tân _ 17020417 Giảng viên hướng dẫn: ThS Phạm Đình Tuân (ký tên) Hà Nội - 2020 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ LỜI MỞ ĐẦU Tình trạng Ơ nhiễm mơi trường khơng khí tác động đến sức khỏe người mối lo ngại lớn nước phát triển Việt Nam Tại thành phố lớn Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh thành phố công nghiệp nước ta mức độ ô nhiễm năm gần có lúc lên đến ngưỡng báo động Số ca mắc bệnh liên quan đến nhiễm khơng khí bệnh đường hô hấp, tai mũi họng ngày nhiều Tuy nhiên việc theo dõi, giám sát chất lượng khơng khí chưa thực đáp ứng với tình hình nay, trạm quan trắc chất lượng khơng khí cịn cung cấp số không khí cách tổng thể hầu hết trạm quan trắc lớn, khó để di chuyển đến vị trí khác Do đó, việc chủ động nắm thông tin mức độ chất lượng không khí phạm vi hẹp, nơi làm việc sinh sống việc quan trọng cần thiết để có biện pháp kịp thời phịng tránh làm giảm tác động việc ô nhiễm khơng khí gây Sự xuất cảm biến đo nồng độ bụi, kết hợp với “Internet of Thing” (IoT), cho phép thay đổi cách theo dõi chất lượng khơng khí Đây trạm giám sát nhỏ, bán cố định di động, dễ cài đặt sẵn sàng để bắt đầu thu thập liệu chất lượng khơng khí cách nhanh chóng Bên cạch nhiệt độ độ ẩm có ảnh hưởng lớn đến trình sản xuất sống sinh hoạt người Với phát triển công nghệ việc sản xuất mạch đo nhiệt độ độ ẩm đơn giản mà đạt hiệu cao Mục đích nghiên cứu Thiết kế thiết bị giám sát môi trường khơng khí Đối tượng phạm vi nghiên cứu a) Đối tượng nghiên cứu - Kiến thức nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ bụi PM2.5; nguyên tắc hoạt động cảm biến - Thuật toán xử lý tín hiệu nhận cảm biến - Vi điều khiển dùng để giám sát đọc gửi liệu - Phần mềm tương tác điện thoại b) Phạm vi nghiên cứu Tập chung nghiên cứu nguyên tắc hoạt động cảm biến thu thập xử lý tín hiệu tren Arduino IDE Đồng thời nghiên cứu môi trường Android Studio để xây dựng phần mềm giám sát thiết bị điện thoại Android Phương pháp nghiên cứu - Thu thập tài liệu, tìm hiểu cách đọc liệu từ cảm biến độ nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ bụi - Xử lý liệu cảm biến, truyền liệu qua serial Wifi - Xây dựng phần mềm giám sát điện thoại  Các thành viên nhóm: Họ tên Mã SV Hàn Văn Tuấn (Nhóm trưởng) 17020452 Trần Văn Phơn 17020398 Hồng Quốc Trung 17020443 Nguyễn Văn Thuân 17020432 Giáp Văn Tân 17020417 Nhiệm vụ Thiết kế lắp ráp phần cứng; tổng hợp sửa code Arduino Android Studio Thiết kế ứng dụng điện thoại, gửi liệu Firebase Tìm hiểu phần cứng, cách giao tiếp Arduino với Wifi, hiển thị Oled Tìm hiều phần cứng, xây dựng cách tính đọc cảm biến Arduino Tìm hiều phần cứng, xây dựng cách tính đọc cảm biến Arduino CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM, NỒNG ĐỘ BỤI PM2.5 1.1 Nhiệt độ, độ ẩm Con người mối quan hệ tổng hòa yếu tố tự nhiên Chịu tác động ảnh hưởng trực tiếp khí hậu mơi trường Trong đó, nhiệt độ độ ẩm khơng khí hai yếu tố quan trọng chưa quan tâm mức Ở nơi sinh sống có độ ẩm cao gây cảm giác khó chịu cho người môi trường lý tưởng cho phát triển loại muỗi, vi khuẩn, virus, nấm mốc, … Độ ẩm khơng khí cho lý tưởng với thể người nằm khoảng từ 40 - 70 %, thể dễ dàng thích nghi có cảm giác dễ chịu thoải mái Một yếu tố quan trọng mối quan hệ tương tác nhiệt độ độ ẩm; thay đổi yếu tố dẫn tới thay đổi yếu tố Khơng khí ấm giữ nhiều độ ẩm khơng khí mát, nên lượng ẩm khơng gian khơng đổi, độ ẩm tương đối (thể dạng phần trăm lượng nước khơng khí tương ứng với lượng khơng khí định) giảm nhiệt độ tăng tăng nhiệt độ giảm Đối với môi trường sản xuất, kiểm soát độ ẩm việc quan trọng Cơng nghiệp thực phẩm địi hỏi nhiệt độ độ ẩm phải chuẩn để chế biến bảo quản thực phẩm dài lâu Chỉ cần tìm hiểu chút độ ẩm để ý đến sinh hoạt hàng ngày ta biết độ ẩm có vai trị quan trọng Độ ẩm yếu tố khơng khí khơng ảnh hưởng đến độ bền đồ vật, sức chịu đựng vật ni, cối mà cịn ảnh hưởng lớn đến sức khỏe đời sống người Ngược lại độ ẩm mức thấp làm khô da, nứt nẻ, dễ nhiễm bệnh đường hô hấp họng phổi Khi độ ẩm thấp độ ẩm cao có tác hại định đến đời sống người, việc trì độ ẩm mức thích hợp điều cần thiết Vì vậy, việc đảm bảo trì độ ẩm mức thích hợp việc cần thiết hết Theo nhà nghiên cứu, độ ẩm lý tưởng nhất, khiến người cảm thấy sảng khối khoảng 40-70%, q trình mồ xảy tốt hơn, người cảm thấy thoải mái, tinh thần sảng khoái 1.2 Nồng độ bụi PM2.5 Bụi danh từ hỗn hợp phức tạp chứa hạt vô hữu dạng lỏng rắn, có khả bay lơ lửng khơng khí Bụi hay hợp chất có bụi gọi chung Particulate Matter, ký hiệu PM Bụi mịn pm2.5 hạt bụi li ti có khơng khí với kích thước 2,5 micro trở xuống (so với sợi tóc người nhỏ khoảng 30 lần) Bụi mịn PM2.5 hình thành từ chất nitơ, carbon hợp chất kim loại khác Khi nồng độ bụi mịn PM2.5 khơng khí ngồi trời tăng lên làm cho khơng khí bị mờ tầm nhìn bị giảm trông giống sương mù Bụi mịn PM2.5 dễ dàng xâm nhập vào thể người thông qua đường hô hấp gây nên số bệnh nguy hiểm đột quỵ, tim mạch, ung thư,…Người thường xuyên phải tiếp xúc với bụi mịn gặp phải vấn đề sức khỏe hắt hơi, sổ mũi, khó thở, khơ mắt,…khi tiếp xúc lâu dài làm gia tăng tỷ lệ giảm chức phổi, viêm phế quản mãn tính tăng tỷ lệ tử vong ung thư phổi bệnh tim người bệnh Theo thống kê năm, bụi mịn PM2.5 tăng 10μg/m 3, đồng nghĩa với việc số bệnh nhân cấp cứu bệnh cao huyết áp tăng 8% bệnh tim mạch tăng lên đáng kể Chỉ số chất lượng khơng khí (viết tắt AQI) số tính tốn từ thơng số quan trắc chất nhiễm khơng khí, nhằm cho biết tình trạng chất lượng khơng khí mức độ ảnh hưởng đến sức khỏe người AQI tập trung vào vấn đề sức khoẻ mà gặp phải vài vài ngày sau hít phải khí nhiễm Thơng thường AQI tính tốn với yếu tố: NO2, SO2, O3, CO, PM10, PM2.5 AQI tính tốn theo thành phần chất nhiễm khơng khí Mỗi thơng số xác định giá trị AQI cụ thể, giá trị AQI cuối giá trị lớn giá trị AQI thông số (ở không dùng phương pháp tính giá trị trung bình cần có thơng số vượt q ngưỡng cho phép kết luận môi trường bị ô nhiễm có ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng) Hình 1.1: Hình chuyển đổi PM2.5 sang AQI Hoa Kỳ Việt Nam CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM, NỒNG ĐỘ BỤI (PM 2.5) 2.1 Mơ hình tổng quan Hình 2.1: Mơ hình tổng quan thiết bị Thiết bị sử dụng NodeMCU V1.0 phát triển dựa Chip WiFi ESP8266EX bên Module ESP-12E dễ dàng kết nối WiFi với vài thao tác cịn tích hợp IC CP2102, giúp dễ dàng giao tiếp với máy tính thông qua Micro USB để thao tác Khối nguồn sử dụng pin utrafire tích hợp mạch boost tạo nguồn 5V DC ổn định module hoạt động sạc lại hết pin Khối cảm biến sử dụng DHT11 để đo nhiệt độ độ ẩm, GP2Y1010AU để đo nồng độ bụi PM2.5 nguyên lý đo hồng ngoại Khối hiển thị sử dụng hình Oled 0.96 inch – giao tiếp I2C So với loại hình LCD 16x2 Oled nhỏ gọn nhờ giao tiếp I2C Oled cần chân so với LCD 16x2 sử dụng chân NodeMCU 10 Hình 2.26: Database Firebase Tồn liệu app hiển thị phần Data Như tạo xong app Firebase d) Giới thiệu sở diệu thời gian thực firebase Firebase lưu trữ liệu database dạng JSON thực đồng database tới tất client theo thời gian thực available app bạn trạng thai offline (điển ứng dụng chat) Cụ thể bạn xây dựng client đa tảng (cross-platform client) tất client sử dụng chung database đến từ Firebase tự động cập nhật liệu database thêm sửa đổi Ngoài Firebase cho phép bạn phân quyền đơn giản cú pháp tương tự javascript Firebase Realtime Rule cung cấp cách xác định vai trò người dùng thực thao tác đọc ghi Các quy tắc hoạt động lớp bảo mật máy chủ trước thực hoạt động CRUD Theo mặc định, quy tắc cho phép người dùng thực thao tác đọc ghi sau xác thực Dưới quy tắc cho phép người đọc ghi liệu mà không cần xác thực Vào Database chọn Rule gõ dòng code dưới: 28 { "rules": { ".read": true, ".write": true } } 2.5 Lập trình 2.5.1 Lập trình Arduino Hình 2.27: Lập trình Arduino IDE - Tham khảo phần code Arduino phần phụ lục 2.5.2 Dữ liệu Firebase Hình 2.28: Dữ liệu gửi lên filebase 29 2.5.3 Lập trình Android Studio Hình 2.29: Thiết kế giao diện ứng dụng điện thoại Hình 2.30: Nhận liệu từ Firebase - Tham khảo phần code Android Studio phần phụ lục 30 2.6 Hồn thiện sản phẩm Hình 2.31: Thiết bị hồn thiện Hình 2.32: Giao diện đăng nhập Wifi Khi ấn mở thiết bị lên, thiết bị tạo Wifi có tên “AirQ” người dùng kết nối chuyển đến địa để kết nối với Wifi sẵn có Sau ấn Save thi hình Oled hiển thị hồn tất kết nối với Wifi 31 Hình 2.33: Phần mềm điện thoại android 32 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ 3.1 Phân tích, đánh giá kết Giá trị thực tế lấy từ trang web “air-quality.com” để so sánh với kết thu Khu vực PM2.5(µg/) Thực Đo tế Nhiệt độ () Thực Đo tế Độ ẩm (%) Thực Đo tế Nghĩa Đô 38 36 57 35.4 36.5 59 Phạm Văn 27.2 25.2 38 37.5 57 60 Đồng Đánh giá kết đo được: Thiết bị cho kết gần với thực tế có sại lệch nhỏ, kết hồn tồn sử dụng cho người dùng 3.2 Ưu, nhược điểm thiết bị 3.2.1 Ưu điểm Thiết bị nhỏ gọn, sử dụng nơi, sử dụng pin nên không cần dây cắm nguồn hết pin sạc lại Thiết bị đặt nhà nơi làm việc từ thơng qua điện thoại để giám sát nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ bụi để kịp thời có biện pháp phịng tránh phù hợp 3.2.2 Nhược điểm Do cảm biến GP2Y1010AU hoạt động dựa cảm biến quang nên cần khơng khí lọt vào khe cảm biến đọc làm cho kết bị sai lệch khơng có khơng khí lọt qua thi khơng đọc nên sử dụng thêm quạt tản nhiệt để tạo khơng khí qua cảm biến Vì sử dụng mạng Internet để truyền liệu bị mạng liệu mạng yếu ảnh hưởng đến thời gian truyền 33 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN  Kết luận Về thiết bị đạt mục tiêu đề đo nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ bụi PM2.5 hiển thị lên hình Oled điện thoại chạy hệ điều hành Android Kết thiết bị đưa thơng số vị trí định tương đối xác Người sử dụng theo dõi giá trị nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ bụi PM2.5 • Kết đạt - Tìm hiểu cách hoạt động cảm biến cần dùng từ xây dựng cơng thức tính tốn đo lường đọc giá trị cảm biến thông qua vi điều khiển - Có thêm kinh nghiệm lập trình Arduino, thao tác với Wifi, kết nối thiết bị với Firebase - Có thêm kinh nghiệm lập trình ngơn ngữ Java để tạo app android thơng qua phần mềm Android Studio • Hạn chế - Cấu tạo thiết bị chưa đẹp mắt, nhiều dây điện thiết bị tự lắp rắp, cắt, hàn mạch tay - Hoạt động giám sát có sai số khơng mong muốn - Thiết bị chưa có chức lưu lại giá trị người dùng xem giá trị mà cảm biến đọc - Thiết bị chưa đo số nhiễm khơng khí khác nồng độ bụi PM10, khí CO2, SO2, …  Hướng phát triển Thiết bị lắp đặt thành trạm đo cố định trạm có địa IP riêng khu vực từ liệu gửi lên máy chủ tổng hợp phân tích giá trị khu vực Đồng thời liệu từ máy chủ gửi phần mềm điện thoại để người dùng theo dõi số nơi quan tâm Và sử dụng pin lượng mặt trời để cung cấp nguồn cho thiết bị Về phần mềm, phát triển thêm tính lưu trữ liệu để người dùng xem lại; vẽ đồ thị tổng hợp hàng tuần hàng tháng để người dùng có nhìn tổng quan mức độ ô nhiễm, tăng giảm nhiệt độ, độ ẩm khu vực sinh sống 34 PHỤ LỤC  Code tham khảo Arduino #include #include #include #include //I2C OLED SSD1306 screen library #include #include #include #include "SharpGP2Y10.h" #define OLED_RESET LED_BUILTIN Adafruit_SSD1306 oled(OLED_RESET); #define DHTPIN D4 //DHT11 is connected to pin D4 #define DHTTYPE DHT11 DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE); const int rs = D3; double temp; double hum; //DUST Sensor int voPin = A0; int ledPin = D5; float dustDensity; SharpGP2Y10 dustSensor(voPin, ledPin); ICACHE_RAM_ATTR void reset_Wifi() { WiFiManager wifiManager; wifiManager.resetSettings(); } void setup(void) { Serial.begin(9600); //start oled oled.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C); oled.clearDisplay(); oled.setTextSize(1); oled.setTextColor(WHITE); // Start up the DHT library dht.begin(); delay(500); pinMode(rs,INPUT_PULLUP); attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(rs), reset_Wifi, FALLING); 35 WiFiManager wifiManager; wifiManager.autoConnect("AirQ"); Serial.println("Connected."); Firebase.begin("airq9bd4c.firebaseio.com","odOMNjPpgE5FPcTqEt8SpJfeTH5iTCqwy29r2K8s");// dự án có địa secret code of the database khác } void loop(void) { // doc du lieu cam bien temp = dht.readTemperature(); hum = dht.readHumidity(); dustDensity = dustSensor.getDustDensity(); // hien thi Oled oled.clearDisplay(); oled.setCursor(0,0); oled.print("Khong khi:"); if (dustDensity >= && dustDensity 25 && dustDensity 50 && dustDensity 50 && dustDensity 100 && dustDensity 150) oled.println("Nguy hai"); oled.print("Temp(C): "); oled.println(temp); oled.print("Hum(%): "); oled.println(hum); oled.print("PM2.5(ug/m3): "); oled.println(dustDensity); oled.display(); // hien thi len cong Serial Serial.print("Temp(°C): "); Serial.print(temp); Serial.print(" Humi(%): "); Serial.print(hum); Serial.print(" PM2.5(ug/m3): "); Serial.println(dustDensity); // gui du lieu len Firebase Firebase.setFloat("temp",temp); Firebase.setFloat("hum",hum); Firebase.setInt("aqi",dustDensity); if (dustDensity >= && dustDensity 25 && dustDensity 50 && dustDensity 50 && dustDensity 100 && dustDensity 150) Firebase.setString("mucdo","Nguy hại"); delay(500); } 36 Để code arduino ngắn gọn nên sử dụng thư viện Dưới đường link tải thư viện cần dùng, sau tải xong mở phần mềm Arduino chọn Sketch => Include Library => Add Zip Library … https://drive.google.com/drive/folders/1NjaJPAQhPwdD1dtsOOCPzWV1gPDkk O5H?usp=sharing  Code phần Android Studio - Phần nhận liệu từ Firebase (file java) package com.example.airq; import androidx.annotation.NonNull; import androidx.appcompat.app.AppCompatActivity; import import import import import android.content.Intent; android.os.Bundle; android.view.View; android.widget.Button; android.widget.TextView; import import import import import com.google.firebase.database.DataSnapshot; com.google.firebase.database.DatabaseError; com.google.firebase.database.DatabaseReference; com.google.firebase.database.FirebaseDatabase; com.google.firebase.database.ValueEventListener; import org.w3c.dom.Text; public class MainActivity extends AppCompatActivity { TextView temp; TextView hum; TextView dust; TextView mucdo; @Override protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) { super.onCreate(savedInstanceState); setContentView(R.layout.activity_main); DatabaseReference mRef = FirebaseDatabase.getInstance().getReference(); temp = (TextView) findViewById(R.id.t); mRef.child("temp").addValueEventListener(new ValueEventListener() { @Override public void onDataChange(@NonNull DataSnapshot dataSnapshot) { temp.setText(dataSnapshot.getValue().toString()); } @Override public void onCancelled(@NonNull DatabaseError databaseError) { } }); hum = (TextView) findViewById(R.id.h); mRef.child("hum").addValueEventListener(new ValueEventListener() { 37 @Override public void onDataChange(@NonNull DataSnapshot dataSnapshot) { hum.setText(dataSnapshot.getValue().toString()); } @Override public void onCancelled(@NonNull DatabaseError databaseError) { } }); dust = (TextView) findViewById(R.id.aqi); mRef.child("aqi").addValueEventListener(new ValueEventListener() { @Override public void onDataChange(@NonNull DataSnapshot dataSnapshot) { dust.setText(dataSnapshot.getValue().toString()); } @Override public void onCancelled(@NonNull DatabaseError databaseError) { } }); mucdo = (TextView) findViewById(R.id.md); mRef.child("mucdo").addValueEventListener(new ValueEventListener() { @Override public void onDataChange(@NonNull DataSnapshot dataSnapshot) { mucdo.setText(dataSnapshot.getValue().toString()); } @Override public void onCancelled(@NonNull DatabaseError databaseError) { } } }); } - Code phần hiển thị điện thoại (file xml) 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nhiệt độ, độ ẩm, https://olashop.vn/nhiet-do-do-am-khong-khi-voi-doi-song-connguoi#:~:text=Kh%C3%B4ng%20kh%C3%AD%20%E1%BA%A5m%20gi %E1%BB%AF%20nhi%E1%BB%81u,v%C3%A0%20%C4%91%E1%BB %99%20%E1%BA%A9m%20t%C6%B0%C6%A1ng%20%C4%91%E1%BB %91i Nồng độ bụi, https://www.vinmec.com/vi/tin-tuc/thong-tin-suc-khoe/tim-hieu-buimin-pm-10-va-pm25-trong-khong-khi-o-nhiem/ Cảm biến GP2Y, https://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/gp2y1010au_e.pdf Cảm biến DHT11, http://hocdientu.vn/threads/dht11-cam-bien-do-am.122/ Node MCU V1, https://iotmaker.vn/nodemcu.html Màn hình oled 0.96 inch, http://arduino.vn/bai-viet/1503-gioi-thieu-man-hinh-oled096-inch-i2c?fbclid=IwAR0vesb4TPaG5T3MSN0PBpgEx11Ci8WgOkfLIFy8Bmlx23LKfgj9rCAW4k Arduino, https://arduinokit.vn/huong-dan-cai-dat-arduino-ide Firebase, https://viblo.asia/p/gioi-thieu-google-firebase-realtime-database-systemphan-1-1Je5EMVm5nL Android Studio https://download.vn/huong-dan-su-dung-android-studio-cho-nguoimoi-13441 42 ...ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ GIÁM SÁT MƠI TRƯỜNG KHƠNG KHÍ BÀI TẬP LỚN MÔN KỸ THUẬT XUNG - SỐ - TƯƠNG TỰ VÀ KỸ THUẬT ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN Nhóm thực hiện: Hàn Văn Tuấn _ 17020452... Studio • Hạn chế - Cấu tạo thiết bị chưa đẹp mắt, nhiều dây điện thiết bị tự lắp rắp, cắt, hàn mạch tay - Hoạt động giám sát cịn có sai số không mong muốn - Thiết bị chưa có chức lưu lại giá... sản xuất sống sinh hoạt người Với phát triển công nghệ việc sản xuất mạch đo nhiệt độ độ ẩm đơn giản mà đạt hiệu cao Mục đích nghiên cứu Thiết kế thiết bị giám sát mơi trường khơng khí Đối tượng