Thiết kế và chế tạo vệ tinh FIMO CANSAT

Bài viết trình bày phương pháp thiết kế và chế tạo vệ tinh FIMO CANSAT, quá trình kiểm thử và phóng vệ tinh. Vệ tinh FIMO CANSAT được chế tạo với mục đích giám sát chất lượng không khí, một trong những vấn đề cấp thiết và đang được quan tâm hiện nay. Các cảm biến trong vệ tinh được kiểm thử trong các điều kiện môi trường khác nhau. Vệ tinh có khả năng đo nhiệt độ , độ ẩm, bụi mịn (PM1/2.5/10), CO và truyền thông tốt với trạm mặt đất trong khoảng cách 300m. Mời các bạn cùng tham khảo!

Thiết kế chế tạo vệ tinh FIMO CANSAT Ngô Xuân Trường, Nguyễn Văn Hải, Trần Trung Kiên, Đỗ Thành Công, Hà Đức Văn, Lưu Quang Thắng, Lưu Việt Hưng, Bùi Quang Hưng, Nguyễn Thị Nhật Thanh Trung tâm Công nghệ tích hợp liên ngành Giám sát hiện trường, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội 144 Xuân Thủy, Cầu Giấy, Hà Nội, Việt Nam truongnx@fimo.edu.vn, hainv@fimo.edu.vn, kientt@fimo.edu.vn, congdt@fimo.edu.vn, vanhd@fimo.edu.vn, thanglq@fimo.edu.vn, hunglv@fimo.edu.vn, hungbq@fimo.edu.vn, thanhntn@fimo.edu.vn trình chế tạo phóng vệ tinh CANSAT tương tự vệ tinh ứng dụng thực tiễn Đầu tiên, CANSAT thiết kế, chế tạo kiểm thử tại mặt đất Sau đó, CANSAT đặt tên lửa mơ hình và phóng lên độ cao từ 150-300m; Do phóng độ cao thấp nên CANSAT rời khỏi tên lửa không vào quỹ đạo Trái Đất mà rơi xuống mặt đất Trong rơi, CANSAT thực hiện nhiệm vụ gửi tín hiệu trạm mặt đất Dưới trạm mặt đất thu nhận tín hiệu từ CANSAT sử dụng liệu cho hoạt động đánh giá, phân tích sau này Hiện nay, ô nhiễm không khí là vấn đề nghiêm trọng, cấp thiết Bên cạnh việc phá hủy hệ sinh thái động vật, thực vật, nhiễm khơng khí gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe người, gây nên bệnh đường hô hấp, tim mạch Việc giám sát chất lượng không khí khơng người dân quan tâm mà cịn có nhà khoa học, nhà lãnh đạo nhằm đưa biện pháp, sách phù hợp, kịp thời Do đó, chúng tơi chế tạo, thiết kế vệ tinh CANSAT với mục tiêu giám sát chất lượng ô nhiễm khơng khí, cụ thể là đo đạc nồng độ bụi mịn, nồng độ CO, thơng số khí tượng (nhiệt độ, độ ẩm, áp suất) khơng khí sử dụng cảm biến giá rẻ Đây là chất gây nhiễm khơng khí chủ ́u mặt đất gây hại cho sức khỏe người Quá trình thiết kế, chế tạo, kiểm thử phóng vệ tinh CANSAT giúp đem lại kiến thức bản lĩnh vực hàng không vũ trụ (thiết kế, cấu tạo vệ tinh, quy trình phóng, hoạt động, …), là tảng cho toán thực tiễn sau Abstract: Ngày nay, vệ tinh vai trò quan trọng nhiều lĩnh vực sống Vệ tinh có nhiều loại, nhiều kích thước sử dụng cho mục đích khác CANSAT loại vệ tinh cỡ nhỏ có kích thước lon nước sử dụng cho mục đích giáo dục Trong báo này, chúng sẽ trình bày phương pháp thiết kế chế tạo vệ tinh FIMO CANSAT, trình kiểm thử phóng vệ tinh Vệ tinh FIMO CANSAT chế tạo với mục đích giám sát chất lượng khơng khí, vấn đề cấp thiết quan tâm Các cảm biến vệ tinh kiểm thử điều kiện môi trường khác Vệ tinh có khả đo nhiệt độ , độ ẩm, bụi mịn (PM 1/2.5/10), CO truyền thông tốt với trạm mặt đất khoảng cách 300m Trong thực nghiệm, vệ tinh hoạt động ổn định từ lúc phóng tên lửa mơ hình đến vệ tinh rơi chạm đất, liệu thu từ vệ tinh có độ xác tương đối, phản ánh thay đởi mơi trường thực tế theo độ cao Ngồi ra, phần mềm giám sát hoạt động CANSAT cũng sẽ giới thiệu báo Keywords: Vệ tinh; CANSAT; chất lượng không khí; I GIỚI THIỆU Hiện nay, vệ tinh và đóng vai trị quan trọng nhiều lĩnh vực kinh tế, trị, xã hội, quân Một số vệ tinh sử dụng để thám hiểm hành tinh mới, khám phá vũ trụ Các vệ tinh có quỹ đạo quanh Trái Đất thường sử dụng hoạt động viễn thông, cung cấp tín hiệu cho thiết bị di động, tivi, máy tính…; cung cấp tín hiệu định vị, đường cho phương tiện di chuyển Ngoài ra, vệ tinh quan sát Trái Đất cung cấp thông tin khoa học phục vụ cho hoạt động nghiên cứu, giám sát biến động, biến đổi bề mặt Trái Đất khí Một số vệ tinh chuyên dụng sử dụng với mục đích quân sự, quốc phòng Vòng đời bản vệ tinh bao gồm: thiết kế, chế tạo kiểm thử tại mặt đất; sau vệ tinh gắn vào tên lửa đẩy và phóng vào vũ trụ; tên lửa đạt tới độ cao định, vệ tinh rời khỏi tên lửa, hoạt động gửi tín hiệu trạm mặt đất Dữ liệu nhận sau xử lý sử dụng cho mục đích khác Có nhiều loại vệ tinh và kích thước chúng đa dạng Những loại vệ tinh cỡ lớn (large class) thường có trọng lượng từ trở lên, loại vệ tinh cỡ nhỏ hiện (cubesat\microsat) nặng khoảng 1kg với kích thước khối lập phương cạnh 10x10x10 cm Ở Việt Nam, công nghệ chế tạo vệ tinh là lĩnh vực và đặt nhiều thách thức với nhà nghiên cứu khoa học Trong trình thiết kế chế tạo vệ tinh CANSAT, phải đối mặt với nhiều thách thức và khó khăn Đầu tiên, kích thước vệ tinh chế tạo yêu cầu nhỏ, tương tự kích thước vỏ lon Để đặt vừa vào thân tên lửa mơ hình, CANSAT có kích thước tối đa: 12cm x Ø70 Tiếp theo, liệu truyền từ vệ tinh đến trạm mặt đất yêu cầu theo thời gian thực, cần có phần mềm giám sát và hiển thị trình bay vệ tinh đến tiếp đất Ngoài ra, q trình phóng, vệ tinh nằm thân tên lửa có hiện tượng rung lắc mạnh, ảnh hưởng đến hoạt động thiết bị bên Vệ tinh rơi từ độ cao 150-300 m xuống mặt đất, khoảng thời gian từ 30s đến phút, khoảng thời gian cần đảm bảo tín hiệu truyền tải vệ tinh với trạm mặt đất ổn định Khi vệ tinh rời khỏi tên lửa bung dù, cần tính tốn kích thước dù và ước lượng khối lượng vệ tinh cho hợp lý, đảm bảo vệ tinh tiếp đất an toàn Năng lượng cung cấp cho vệ tinh cần đảm bảo đầy đủ, để vệ tinh hoạt động bình thường, ổn định tất cả trình từ bắt đầu đặt vệ tinh vào thân tên lửa mơ hình cho đến vệ tinh rơi chạm đất, ước tính khoảng 25-30 phút Cuối cùng, kinh phí sử dụng để chế tạo vệ tinh cịn hạn chế CANSAT vệ tinh cỡ nhỏ, kích thước bé lon nước, sử dụng mục đích giáo dục cơng nghệ vũ trụ Quy 60 Để giải quyết, khắc phục thách thức và khó khăn nêu trên, lựa chọn sử dụng phương pháp nghiên cứu, chế tạo vệ tinh CANSAT sử dụng cảm biến giá rẻ cho mục tiêu giám sát chất lượng khơng khí Mục tiêu vệ tinh CANSAT phóng lên độ cao thấp và rơi xuống đất nên điều kiện môi trường cao và mặt đất có tương đồng định, khơng xuất hiện trường hợp thời tiết đặc thù (như vệ tinh thực tiễn), việc sử dụng cảm biến giá rẻ để chế tạo vệ tinh phù hợp Trong năm gần đây, việc sử dụng cảm biến giá rẻ để giám sát chất lượng không khí thu hút quan tâm nhiều cộng đồng nghiên cứu thế giới Năm 2014, P.Kumar cộng trình bày tổng quan xu hướng sử dụng cảm biến giá rẻ giám sát chất lượng khơng khí, phân tích nghiên cứu liên quan tính khả quan hướng tiếp cận [1] Năm 2016, Sayali C Bhagwat và cộng sử dụng cảm biến giá rẻ MQ4 (đo khí CO), MQ9 (đo khí CO2) và LM35 (đo nhiệt độ) để giám sát chất lượng khơng khí khu cơng nghiệp [2] Hình mơ tả mơ hình thiết kế sơ cấu trúc vệ tinh CANSAT trạm thu mặt đất Vệ tinh CANSAT bao gồm ba thành phần phần dù phần thân chứa xử lý trung tâm cảm biến quan trắc nhiễm khơng khí phận truyền thông với trạm mặt đất Phần thân vệ tinh CANSAT bao gồm: MCU (Mirco control unit) Arduino Mega 2560 R3 xử lý trung tâm, kết nối tới MCU cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm (DHT22), cảm biến nồng độ bụi (PMS5004), cảm biến nồng độ CO (MQ-7), cảm biến áp suất (BMP180) cảm biến GPS (GPS Neo-7) Ngồi MCU cịn kết nối tới module truyền thơng NRF24L01 có chức gửi liệu thu từ cảm biến vệ tinh đến trạm mặt đất Tại trạm mặt đất sử dụng Arduino Uno xử lý trung tâm, kết nối với module NRF24L01 để thu liệu từ vệ tinh Arduino Uno kết nối đến máy tính để xử lý và lưu trữ liệu A Vệ tinh CANSAT Vệ tinh chia làm phần chính: phần bao gồm dù vỏ; phần bao gồm xử lý trung tâm, cảm biến khung CANSAT; phần cuối phát tín hiệu nguồn Cụ thể, sử dụng cảm biến PMS5003 để đo nồng độ bụi mịn PM1, PM2.5, PM10 , cảm biến DHT22 để đo nhiệt độ, độ ẩm, cảm biến CO-MQ7 đo nồng độ CO, cảm biến BMP180 để đo áp suất khơng khí và mơ đun GPS NEO-7 để định vị vị trí vệ tinh Truyền thông CANSAT và trạm mặt đất sử dụng mô đun NRF24-L01 đảm bảo truyền thông ổn định phạm vi khoảng cách 150-300m Dù chế tạo dựa tính tốn lý thút và thử nghiệm để đảm bảo vệ tinh tiếp đất an toàn Vỏ ngoài vệ tinh thiết kế và chế tạo công nghệ in 3D, phận vệ tinh gắn kết với chắc chắn Vệ tinh sử dụng pin ANSMANN 9V làm nguồn đảm bảo cung cấp lượng ổn định thời gian dài Sau chế tạo vệ tinh CANSAT, phát triển phần mềm giám sát trình bay vệ tinh với chức năng: hiển thị liệu thu từ vệ tinh theo thời gian thực, hiển thị quỹ đạo rơi vệ tinh, tính tốn và hiển thị số chất lượng khơng khí AQI và cuối là tạo báo cáo kết quả sau trình bay vệ tinh Phần 1, dù có đường kính 45cm, hình bát giác đều, cắt từ vải dù vuông, cắt lỡ trịn với đường kính 8cm Việc cắt lỡ trịn giúp cho CANSAT rơi ổn định, tránh chao đảo gặp gió to Dây buộc dù loại dây nhỏ, gọn, chắc chắn, độ dài 1.25 x đường kính dù Dùng miếng nhựa hình trịn đục lỗ để luồn dây dù qua buộc với cansat để chống dây dù Tốc độ rơi ước tính CANSAT có dù khoảng 6m/s Vỏ CANSAT thiết kế phần mềm Sketchup [3] để in 3D có dạng hình trụ với kích thước: đường kính đáy cm x chiều cao 11.5 cm, mô tả hình Mặt vỏ có gờ chữ U để gắn phần lõi CANSAT chắc chắn Xung quanh và đáy vỏ có lỡ lục giác để khơng khí vào cảm biến Cấu trúc bài báo sau: sau giới thiệu vấn đề phần I, chúng tơi trình bày thiết kế và cấu tạo vệ tinh CANSAT phần II Phần III giới thiệu phần mềm giám sát hoạt động vệ tinh Việc thử nghiệm hoạt động vệ tinh và trạm mặt đất trình bày phần IV Tiếp theo phần V trình bày kết quả lần phóng thật với tên lửa mơ hình Phần VI là kết luận, bài học kinh nghiệm và hướng phát triển tương lai II Hình Hình dạng dù và thiết kế vỏ CANSAT THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VỆ TINH FIMO CANSAT Phần 2, xử lý trung tâm MCU Arduino Mega 2560 sử dụng chip ATMEGA 16U2, có xung nhịp 16MHz, với 54 chân digital, 16 chân analog, giao tiếp UART, giao tiếp I2C, sử dụng nguồn 7-9V để đảm bảo khả kết nối và điều khiển với nhiều cảm biến [4] Arduino Mega 2560 có dạng hình chữ nhật với kích thước 10.2 x 5.3 cm, shield Arduino Mega 2560 (Hình 3) có kích thước tương tự Arduino Mega nên cả ghép với tạo thành khối hộp chữ nhật (khung CANSAT), đặt thẳng đứng vừa khít vỏ Các cảm biến vệ tinh CANSAT (Hình 4) kết nối lắp ráp vào mặt khối Arduino Mega 2560 + Shield cho phù hợp với thể tích khoang chứa cịn lại vỏ CANSAT Cụ thể, cảm biến nồng độ bụi mịn PMS5003, nguồn pin cảm biến nồng độ khí CO MQ-7 gắn mặt, cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT-22, mô đun GPS NEO-7, mô đun truyền thông gắn mặt lại Cảm biến áp suất BMP 180 có kích thước nhỏ Hình Kiến trúc vệ tinh CANSAT và trạm thu mặt đất 61 nên gắn khe hở trống mặt Arduino Mega Shield (Hình 6a, 6b) Các phận cảm biến khung CANSAT gắn với keo chắc chắn, đảm bảo không bị tách rời vệ tinh va đập với mặt đất (a) Cuối là phát tín hiệu sóng vơ tún pin Bộ truyền phát tín hiệu sóng vơ tún có nhiệm vụ liên lạc CANSAT trạm thu mặt đất, giúp cho việc gửi thơng số quan trắc tình trạng vệ tinh trạm mặt đất Nhóm thực hiện lựa chọn mơ đun truyền phát tín hiệu nRF 24L01 + PA +LNA (Hình 5a) có giá thành rẻ, phù hợp khoảng cách truyền thông từ 150 -300m Mơ đun có tần số hoạt động từ 2.4 - 2.525GHz, sử dụng điện áp 3.3-5V và có tốc độ truyền liệu 250Kbps 2Mbps Module NRF24L01 gồm pin và giao tiếp với MCU qua giao tiếp SPI (Serial Peripheral Bus) [10] Dữ liệu gửi từ mô đun truyền thông tới trạm mặt đất mỗi giây lần Nhóm lựa chọn pin ANSMANN 9v (Hình 5b) để cung cấp lượng cho vệ tinh hoạt động (b) Hình (a) Shield Arduino Mega 2560, (b) Arduino Mega 2560 Cảm biến nồng độ bụi PMS5003 đo nồng độ bụi PM1, PM2.5, PM10 khoảng giá trị 5-500 μg/m3 với thời gian cập nhật liệu khoảng 10s Cảm biến gồm chân (pin) giao tiếp với xử lý trung tâm (MCU) thông qua cổng nối tiếp Serial [5] Dữ liệu gửi MCU khung liệu (dataframe) có độ dài 32 byte với số byte đầu cuối quy ước từ trước Chương trình MCU kiểm tra khung liệu, nếu hợp lệ trích xuất liệu PM1, PM2.5, PM10 khung liệu Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT 22 có giới hạn đo nhiệt độ từ -40 - 80°C và độ ẩm từ – 99.9% và sai số đo là 0.5°C và 2% Cảm biến có chân sử dụng là chân nguồn 5V, chân nối đất và chân liệu Dữ liệu cập nhật 2s/lần truyền dạng tín hiệu số (digital) có độ dài 40 bit/lần truyền: 16 bit đầu chứa giá trị độ ẩm tương đối, 16 bit sau chứa giá trị nhiệt độ, bit cuối là checksum Chương trình MCU sử dụng thư viện hỗ trợ đọc giá trị nhiệt độ, độ ẩm từ cảm biến DHT22 [6] Cảm biến CO-MQ7 đo nồng độ khí CO phạm vi 10-1000 ppm, nguồn điện cung cấp cho cảm biến là 5V Cảm biến sử dụng chân gồm: chân nối nguồn 5V, chân nối đất và chân liệu; liệu cập nhật 1s/lần truyền dạng tín hiệu tương tự (analog), chương trình MCU đọc giá trị chuyển giá trị nồng độ CO [7] Mô đun GPS NEO-7 sử dụng nguồn điện từ 3.3 -5V với độ xác GPS là 2.5m Module GPS NEO-7 gồm pin và kết nối đến MCU thông qua cổng nối tiếp Serial [8] Khi mô đun GPS nhận tín hiệu từ vệ tinh, liệu truyền MCU gồm thông tọa độ, độ cao, thời gian Dữ liệu GPS cập nhật 1s/lần Cảm biến áp suất BMP180 đo giá trị khoảng 300 - 1100 hPa với sai số 0.02 hPa và sử dụng nguồn 3V Cảm biến gồm chân và giao tiếp với MCU thông qua giao tiếp I2C [9] Dữ liệu cảm biến cập nhật 1s/lần (a) Hình (a) Mơ đun truyền thơng, (b) pin ANSMANN Hình gồm số hình ảnh FIMO CANSAT sau lắp ráp thành công (a) (b) (d) (b) (c ) Hình (a)(b) Phần lõi thiết bị CANSAT, (c) FIMO CANSAT hoàn thiện B Trạm thu Trạm thu bao gồm phần chính: xử lý trung tâm module truyền thơng (bộ thu tín hiệu) Bộ điều kiển trung tâm MCU Arduino Uno R3 [11] kết nối trực tiếp với máy tính thơng qua giao tiếp Serial, điều khiển thu tín hiệu để nhận liệu từ CANSAT gửi Bộ thu tín hiệu sóng vơ tún sử dụng module truyền thơng tín hiệu nRF 24L01 + PA + LNA tương tự phát tín hiệu CANSAT Mỡi giây trạm thu nhận gói tin truyền từ vệ tinh III (a) (b) PHÁT TRIỂN PHẦN MỀM C Các chức của phần mềm Chức theo dõi liệu theo thời gian thực: Từ liệu quan trắc môi trường nhận từ vệ tinh, bao gồm thông số: nhiệt độ, độ ẩm tương đối, nồng độ bụi (PM1, PM2.5, PM10), nồng độ khí CO, chương trình vẽ biểu đồ biến thiên giá trị theo thời gian thơng số đó, cập nhật biểu đồ theo thời gian thực dựa vào thời gian đọc liệu bản ghi chứa thông số Từ liệu vị trí vệ tinh bao gồm: vĩ độ, kinh độ, độ cao vệ tinh so với mặt đất, chương trình hiển thị vị trí khơng gian (c) (e) Hình (a) Cảm biến PMS5003, (b) Cảm biến DHT22, (c) Cảm biến COMQ7, (d) Cảm biến BMP180, (e) Cảm biến GPS Neo-7 62 vệ tinh bản đồ chiều, vẽ lại lộ trình di chuyển vệ tinh theo thời gian thực đường, mơi trường có nhiều xe cộ lại và ảnh hưởng từ cơng trình thi cơng nên nồng độ PM2.5 PM10 phải cao phòng, vượt ngưỡng - Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT22: Đo nhiệt độ và độ ẩm phòng, so sánh với nhiệt độ, độ ẩm dự báo thời tiết, yêu cầu chênh lệch nhiệt độ không ºC độ ẩm không 10% Đo nhiệt độ, độ ẩm tủ lạnh, yêu cầu nhiệt độ đo phải thấp nhiệt độ phòng - Cảm biến nồng độ CO: Cũng theo ngưỡng giá trị ảnh hưởng đến sức khỏe theo QCVN 05:2013/BTNMT 30.000 μg/m3~ 30 ppm, giá trị nồng độ CO đo phòng cần nhỏ giá trị ngưỡng; giá trị nồng độ CO đo ngoài đường cần lớn giá trị đo phòng Yêu cầu thiết bị khác và chi tiết kết quả trình bày bảng Chức theo dõi số chất lượng khơng khí AQI theo thời gian thực: từ liệu nồng độ khí CO nồng độ bụi PM mà vệ tinh gửi về, hệ thống tiến hành tổng hợp mỡi khoảng thời gian 3s từ tính tốn giá trị số chất lượng khơng khí AQI theo hai chuẩn tiêu chuẩn Việt Nam (QCVN) [12] tiêu chuẩn Hoa Kỳ (US EPA) [13] Sau đó, chức hiển thị giá trị tính theo thời gian thực (mỡi 3s) giao diện phần mềm Chức theo dõi tình trạng hoạt động cảm biến vệ tinh theo thời gian thực: từ liệu giá trị quan trắc nhận tần suất đọc liệu cảm biến biết trước, chức tính tốn xem liệu cảm biến cịn hoạt động khơng, hiển thị trạng thái hoạt động cảm biến giao diện phần mềm Chức tạo báo cáo: tạo báo cáo với toàn liệu nhận từ vệ tinh sau kết thúc q trình phóng, chức tiến hành tổng hợp lại mỗi 3s giá trị bao gồm: giá trị trung bình thơng số quan trắc khoảng 3s, giá trị AQI khoảng 3s theo hai chuẩn, số bản ghi nhận được, Sau đó, chức sử dụng giá trị để tổng hợp lại báo cáo toàn trình phóng vệ tinh CANSAT Hình thể hiện giao diện hệ thống giám sát vệ tinh (a) Bảng Kết quả kiểm thử thiết bị CANSAT STT Thiết bị Thực Cảm biến nồng độ bụi PMS5003 Đo giá trị nồng độ bụi PM1, PM2.5, PM10 nhà ngồi đường -Trong phịng làm việc: PM1: 25.1; PM2.5:37.81; PM10: 40.73 -Ngoài đường: PM1: 83.7; PM2.5: 130.9; PM10: 142.7 Đơn vị: (μg/m3) Đạt Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT22 Đo giá trị nhiệt độ, độ ẩm nhà tủ lạnh -Trong nhà: Nhiệt độ: 21.28 ºC, Độ ẩm: 81.07 % - Dự báo thời tiết: Nhiệt độ: 21 ºC Độ ẩm: 82% -Trong tủ lạnh: Nhiệt độ: 13.08 ºC, Độ ẩm: 72.63% Đạt Cảm biến CO MQ-7 Đo giá trị nồng độ CO nhà ngồi đường -Trong phịng: Nơng độ CO: 30.87 ppm -Ngoài đường: Nồng độ CO: 46.32 ppm Cảm biến áp suất BMP180 Đo áp suất, nhiệt độ tại mặt đất tầng 4, tính toán độ cao so sánh với thực tế -Tại mặt đất: Độ cao xác: 0m Độ cao đo được: -0.4464 m -Trên tầng 4: Độ cao xác ~12m Độ cao đo được: 10.5704 m (b) Hình (a) Giao diện chức theo dõi vị trí và lộ trình vệ tinh CANSAT, (b) Giao diện chức theo dõi liệu theo thời gian thực D Công nghệ sử dụng Hệ thống có sử dụng Arcgis API cho JavaScript [14] cho việc hiển thị bản đồ, sở liệu MongoDB [15] để lữu trữ, truy xuất liệu và công nghệ đa tảng Meteor cho việc xây dựng hệ thống giám sát theo thời gian thực IV KIỂM THỬ E Kiểm thử thiết bị Các cảm biến vệ tinh FIMO CANSAT thử nghiệm hoạt động tại môi trường khác (trong khoảng thời gian phút), từ đánh giá kết quả Do sử dụng cảm biến giá rẻ và chưa có thiết bị chuẩn để hiệu chỉnh liệu, với mỗi cảm biến sử dụng tiêu chí sau để đánh giá: - Cảm biến nồng độ bụi PMS5003: Ngưỡng giá trị ảnh hưởng đến sức khỏe người nồng độ bụi PM2.5 PM10 theo QCVN 05:2013/BTNMT [16] 50 μg/m3và 150 μg/m3 (giá trị trung bình 24 giờ) Do đó, đo nồng độ bụi phòng làm việc, giá trị PM2.5 PM10 phải nhỏ ngưỡng Khi đo ngoài 63 Kết Đánh giá Chấp nhận khơng có thiết bị chỉnh Đạt Mô đun GPS Neo7 Đo tọa độ địa lý tại địa điểm khác nhau.So sánh tọa độ lấy với tọa độ google map Thử nghiệm địa điểm, sai lệch lần lượt là 2, 4, (mét) Để kiểm thử lượng hoạt động vệ tinh CANSAT, sử dụng pin ANSMANN 9V cung cấp lượng liên tục cho vệ tinh hoạt động Kết quả thiết bị hoạt động bình thường khoảng thời gian từ 40-50 phút Kết quả này đạt yêu cầu thi, trình phóng CANSAT diển khoảng thời gian 20 phút Đạt V Mơ đun thu phát tín hiệu NRF24L01 Truyền tín hiệu mơ đun, kiểm tra độ xác liệu Dữ liệu nhận 100% Đạt Dù Thả rơi vật nặng độ cao 90m, ghi nhận lại thời gian rơi, kiểm tra khả chịu va đập Thời gian rơi: 18s Vận tốc ước tính: 5.3m/s Va đập khơng q mạnh Đạt THỰC NGHIỆM CANSAT FIMO đưa vào phóng thật tên lửa mơ hình Q trình phóng gồm bước: CANSAT và dù gấp gọn và sau đặt vào bên thân tên lửa mơ hình; Tên lửa đặt bệ phóng, khai hỏa, tên lửa bay lên độ cao 150-300m; Ở độ cao này, CANSAT rời khỏi thân tên lửa, bung dù và rơi xuống mặt đất, tên lửa bung dù và rơi xuống mặt đất Trong trình rơi, CANSAT đo đạc thông số môi trường và gửi liệu trạm mặt đất Dữ liệu thu tại trạm mặt đất lưu trữ và hiển thị thông qua phần mềm giám sát Sau kết thúc trình bay, liệu phân tích, tổng hợp thành báo cáo Hình bao gồm số hình ảnh mơ tả q trình phóng CANSAT F Kiểm thử lượng và truyền thông Để kiểm tra khả truyền thông vệ tinh CANSAT và trạm thu, tiến hành đặt CANSAT tại vị trí cách trạm thu khoảng cách từ 100m đến 400m Tại mỡi vị trí, ghi nhận lại số bản ghi vệ tinh gửi và số bản ghi trạm thu nhận được, từ tính tốn độ mát liệu Kết quả trình bày bảng (b) Bảng Kết quả kiểm thử truyền thông Khoảng cách (m) 100 150 200 250 300 350 400 Số ghi gửi 215 218 208 213 218 123 31 Số ghi nhận 207 214 204 213 206 97 Số ghi bị 4 12 26 30 Độ mát liệu (a) (c) (d) 3.72% 1.83% 1.92% 0% 5.50% 21.14 % Hình (a) Tên lửa mơ hình đặt bệ phóng, (b) Vệ tinh CANSAT rời khỏi tên lừa và bung dù, (c) Tên lửa bung dù, (d) Biểu đồ biến thiên độ cao theo thời gian vệ tinh 96.77 % CANSAT hoạt động tương đối ổn định từ phóng cho đến tiếp đất Dữ liệu từ CANSAT gửi trạm mặt đất và hiển thị qua giao diện phần mềm giám sát vệ tinh theo thời gian thực Hình là giao diện phần mềm giám sát vệ tinh, bên trái màn hình là bản đồ và đường quỹ đạo bay vệ tinh; bên phải màn hình là thơng số hoạt động vệ tinh (độ cao, tốc độ rơi, tọa độ địa lý, thời gian) và chi tiết liệu mà vệ tinh đo được, trực quan hóa theo dạng biểu đồ đường Bao gồm nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ CO, nồng độ bụi mịn PM1, PM2.5, PM10 Chỉ số chất lượng khơng khí AQI tính Độ mát liệu thay đổi theo khoảng cách truyền thông Trong khoảng 100-300m, độ mát thấp (< 10%), liệu trạm thu nhận tương đối đầy đủ, liên tục Ở khoảng cách 350m, độ mát lớn (21.14%) Ở khoảng cách 400 m, truyền thông kém, độ mát liệu tới 96.77% Mỗi bản ghi nhận trạm thu đảm bảo đầy đủ trường liệu, không bị sai lệch giá trị (ở khoảng cách kiểm thử) 64 toán dựa nồng độ bụi và nồng độ CO theo tiêu chuẩn quốc tế và tiêu chuẩn Việt Nam so với không khí mặt đất Kết quả này phản ánh hợp lý chất lượng mơi trường thực tế Hình Giao diện phần mềm giám sát vệ tinh Kết thúc trình phóng vệ tinh, liệu tổng hợp lại, phân tích và trình bày báo cáo Hình 10 là báo cáo tạo từ chức tạo báo cáo phần mềm giám sát vệ tinh CANSAT Về trình hoạt động vệ tinh, FIMO CANSAT phóng lên độ cao 240.2 m, cảm biến hoạt động bình thường, khoảng cách từ điểm phóng đến điểm rơi là 187 m và báo cáo tổng hợp liệu mỗi 3s lần, tỷ lệ nhận liệu tại trạm mặt đất là 80.1 % Mỡi loại liệu tính tốn giá trị nhỏ nhất, lớn nhất, trung bình đồng thời biểu diễn liệu thành dạnh biểu đồ; biểu đồ này mô tả thay đổi liệu theo thời gian và mối tương quan liệu với yếu tố độ cao Do thiết bị chưa hiệu chuẩn nên thông số đo có độ xác tương đối, kết quả chủ yếu phản ảnh thay đổi môi trường theo độ cao Dựa kết quả biểu đồ hình 10, đưa số kết luận: Trong giai đoạn từ tên lửa mơ hình bắt đầu phóng cho đến đạt tới độ cao tối đa, liệu nhiệt độ có giá trị cao (27.9 ºC) Nguyên nhân vệ tinh CANSAT nằm khoang phần thân tên lửa, nên có nhiệt độ cao Khi CANSAT rời khỏi thân tên lửa và bung dù rơi xuống, nhiệt độ giảm dần nhiệt độ bên ngoài thấp nhiệt độ khoang tên lửa mô hình Độ ẩm có giá trị giảm dần giai đoạn tên lửa phóng lên cao, tiếp tục giảm vệ tinh rời khỏi tên lửa Khi cách mặt đất khoảng 120m giá trị độ ẩm có xu hướng tăng lên, và tiếp tục tăng cho đến vệ tinh tiếp đất Giá trị nồng độ CO có xu hướng biến thiên khơng rõ ràng cả q trình phóng vệ tinh Nguyên nhân cần phải nghiên cứu thêm Nồng độ bụi PM1, PM2.5, PM10 có xu hướng biến đổi theo độ cao Khi tên lửa phóng lên cao nồng độ bụi tăng từ thấp lên cao; vệ tinh rơi xuống mặt đất giá trị nồng độ bụi đo đươc giảm dần xuống thấp Chỉ số chất lượng khơng khí AQI có thay đổi theo độ cao Ở cao, số AQI lớn; xuống thấp, số AQI giảm dần Điều này cho thấy mơi trường khơng khí cao (khoảng 250m) ô nhiễm so với mặt đất tại khu vực tổ chức thi Do điều kiện tại khu vực thi là bãi đất cỏ trống, mặt là rừng nên tại mặt đất, khơng khí lành, khơng bị nhiễm Nhưng cao, khơng khí phần bị ảnh hưởng khói bụi, khí thải từ nhà máy gần đó, nên nhiễm Hình 10 Kết quả báo cáo biểu đồ phần mềm giám sát vệ tinh, trục đen biểu diễn thời điểm CANSAT rời khỏi tên lửa rơi xuống mặt đất 65 VI KẾT LUẬN Chúng tơi thiết kế, chế tạo, kiểm thử phóng thành công vệ tinh FIMO CANSAT với mục tiêu giám sát chất lượng khơng khí sử dụng cảm biến giá rẻ Vệ tinh sử dụng cảm biến đo nồng độ bụi mịn, nồng độ khí CO, thơng số khí quyển: nhiệt độ, độ ẩm, áp suất khơng khí Các cảm biến kiểm thử và đạt yêu cầu môi trường khác Vệ tinh có khả truyền thơng tốt phạm vi 300m Trong trình thực nghiệm, vệ tinh hoạt động ổn định từ lúc bắt đầu phóng tên lửa mơ hình cho đến vệ tinh rơi chạm đất Dữ liệu thu nhận từ vệ tinh phản ánh thay đổi môi trường theo độ cao Ngoài phát triển thành công phần mềm giám sát vệ tinh với chức hiển thị quỹ đạo bay vệ tinh, hiển thị liệu vệ tinh theo thời gian thực, chức tạo báo cáo Sản phẩm FIMO CANSAT giành giải thi CANSAT 2017-2018 Trung tâm vũ trụ Việt Nam tổ chức Một số bài học rút tổng hợp lại sau Năng lượng đóng vai trị quan trọng việc trì hoạt động vệ tinh Đặc biệt là với truyền phát liệu, nếu lượng không đủ, vệ tinh truyền liệu trạm thu Truyền thơng liệu có vai trị quan trọng khơng kém, cần lựa chọn thiết bị truyền thơng và ăng ten phù hợp để thu phát tín hiệu ổn định Ngoài ra, chưa thực hiện trình hiệu chỉnh liệu nên kết quả đo đạc có độ xác tương đối, phản ánh chủ yếu thay đổi thông số môi trường theo độ cao Dự kiến tương lai, sử dụng kiến thức tích lũy để áp dụng vào dự án IoT sử dụng cảm biến để giám sát chất lượng nhiễm khơng khí Bên cạnh đó, chúng tơi nghiên cứu phương pháp hiệu chỉnh liệu để làm tăng độ xác cho mỡi loại cảm biến [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] P Kumar et al., “The rise of low-cost sensing for managing air pollution in cities,” Environ Int., vol 75, no December 2014, pp 199–205, 2015 Sayali C Bhagwat, Vikas R Kale, V V Mirje, and Prof Mr.D.K.Kamat, “A wireless sensor network air pollution monitoring system in Industrial areas,” Int Res J Eng Technol., vol 3, 2016 Sketchup, “3D modeling for everyone”, [Online], Available: https://www.sketchup.com/ [Acessed: 31-Aug-2018] Robotshop, “Arduino Mega 2560 Datasheet”, [Online], Available: https://www.robotshop.com/media/files/pdf/arduin omega2560datasheet.pdf [Acessed: 31-Aug-2018] Aqmd, “PMS5003 Datasheet”, [Online], Available: http://www.aqmd.gov/docs/default-source/aqspec/resources-page/plantower-pms5003manual_v2-3.pdf [Acessed: 31-Aug-2018] Sparkfun, “DHT22 Datasheet”, [Online], Available: [15] [16 ] 66 https://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/Tem perature/DHT22.pdf [Acessed: 31-Aug-2018] Sparkfun, “MQ-7 Datasheet”, [Online], Available: https://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/Bio metric/MQ-7.pdf [Acessed: 31-Aug-2018] CainZ, “GPS Neo-7 Datasheet”, [Online], Available: https://github.com/CainZ/V.KELGPS/blob/master/VK2828U7G5LF%20Data%20S heet%2020150902.pdf [Acessed: 31-Aug-2018] Adafruit, “BMP180 Datasheet”, [Online], Available: https://cdnshop.adafruit.com/datasheets/BST-BMP180DS000-09.pdf [Acessed: 31-Aug-2018] Sparkfun, “nRF24L01 Data sheet”, [Online], Available: https://www.sparkfun.com/datasheets/Components/ SMD/nRF24L01Pluss_Preliminary_Product_Speci fication_v1_0.pdf [Acessed: 31-Aug-2018] Farnell, “Arduino Uno R3 Datasheet”, [Online], Available: https://www.farnell.com/datasheets/1682209.pdf [Acessed: 31-Aug-2018] Quantracmoitruong, “Phương pháp tính số chất lượng khơng khí (AQI) ”, [Online], Available: http://www.quantracmoitruong.gov.vn/portals/0/III _Huong%20dan%20tinh%20toan%20chi%20so%2 0AQI%20va%20WQI_%20Chi%20so%20chat%20 luong%20khong%20khi%20AQI.pdf?&tabid=36 [Acessed: 31-Aug-2018] Epa, “Air Quality Index (AQI) ”, [Online], Available: https://www.epa.gov/sites/production/files/201405/documents/zell-aqi.pdf [Acessed: 31-Aug-2018] Arcgis, “ArcGIS API for JavaScript”, [Online], Available: https://developers.arcgis.com/javascript/ [Acessed: 31-Aug-2018] Mongodb, “MongoDB for GIANT Ideas”, [Online], Available: https://www.mongodb.com/ [Acessed: 31-Aug-2018] Moitruongthudo, “Cổng thông tin quan trắc môi trường thủ đô Hà Nội”, [Online], Available: http://moitruongthudo.vn/nong-do?site_id=14 [Acessed: 31-Aug-2018] ... và thử nghiệm để đảm bảo vệ tinh tiếp đất an toàn Vỏ ngoài vệ tinh thiết kế và chế tạo công nghệ in 3D, phận vệ tinh gắn kết với chắc chắn Vệ tinh sử dụng pin ANSMANN 9V làm... gian dài Sau chế tạo vệ tinh CANSAT, phát triển phần mềm giám sát trình bay vệ tinh với chức năng: hiển thị liệu thu từ vệ tinh theo thời gian thực, hiển thị quỹ đạo rơi vệ tinh, tính... lửa mơ hình Phần VI là kết luận, bài học kinh nghiệm và hướng phát triển tương lai II Hình Hình dạng dù và thiết kế vỏ CANSAT THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VỆ TINH FIMO CANSAT Phần 2, xử lý trung