TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Tính cấp thiết của đề tài
Ô nhiễm không khí hiện nay đã trở thành một vấn đề toàn cầu, không chỉ ảnh hưởng đến một quốc gia hay khu vực cụ thể Sự phát triển kinh tế - xã hội đã tác động lớn đến môi trường, làm suy giảm chất lượng sống của con người Gần đây, nhân loại đã phải đối mặt với các hệ lụy nghiêm trọng như biến đổi khí hậu, nóng lên toàn cầu, suy giảm tầng ôzôn và mưa axít Đặc biệt, ô nhiễm không khí là một trong những thách thức lớn nhất ở các đô thị, nhất là tại các nước đang phát triển Nghiên cứu cho thấy, nồng độ bụi mịn trung bình năm vượt quá 50 µg/m³ tại 126 thành phố trên toàn thế giới có thể dẫn đến khoảng 130.000 ca tử vong sớm.
Chất lượng không khí, đặc biệt là không khí đô thị, bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, trong đó các nguồn khí thải từ công nghiệp, giao thông, sinh hoạt và xây dựng đóng vai trò quan trọng Gần đây, số lượng phương tiện giao thông ở các thành phố lớn tăng nhanh, dẫn đến lưu lượng xe tham gia giao thông lớn Nhiều xe không đạt tiêu chuẩn khí thải, cùng với chất lượng nhiên liệu kém, khiến hàm lượng Benzen lên tới 5% so với 1% ở các nước trong khu vực, và hàm lượng lưu huỳnh trong diesel chiếm từ 0,5% đến 1% so với 0,05%.
% ở các nước trong khu vực là nguyên nhân chính gây ra tình trạng ô nhiễm.
Các nghiên cứu liên quan về quan trắc môi trường
Ô nhiễm không khí đang trở thành vấn đề nghiêm trọng tại TP.Hồ Chí Minh, với nguyên nhân chính là bụi lơ lửng và hoạt động của phương tiện giao thông Dữ liệu quan trắc cho thấy nồng độ CO trong không khí có xu hướng giảm, tuy nhiên, tình trạng ô nhiễm vẫn đang gia tăng và cần được chú ý.
6 tháng đầu năm, nồng độ CO được ghi nhận tăng vọt ở nhiều điểm như An Sương, ngã tư Huỳnh Tấn Phát – Nguyễn Văn Linh, Hàng Xanh, Gò Vấp…
Tại Gò Vấp, nồng độ bụi trung bình năm 2014 là 447 microgam/m3 thì hiện tại là hơn
Tại ngã tư Huỳnh Tấn Phát - Nguyễn Văn Linh, nồng độ bụi đã gia tăng đáng kể, từ 486 microgam năm 2014 lên 613,83 microgam/m3 Sự gia tăng này đã khiến nồng độ bụi vượt qua quy chuẩn Việt Nam từ 1,2 đến 2,2 lần.
Tình trạng kẹt xe trên các tuyến đường lớn như Cách Mạng Tháng Tám và Cộng Hòa ngày càng nghiêm trọng, gây ra nhiều khó khăn cho người dân Sự ùn tắc này không chỉ ảnh hưởng đến giao thông mà còn làm tăng nồng độ bụi trong khu vực, ảnh hưởng đến chất lượng không khí và sức khỏe cộng đồng.
Hình 1: Tình hình giao thông tại khu vực thành phố giờ cao điểm
1.2.2 Các nghiên cứu về môi trường
Nghiên cứu phát triển công cụ cảnh báo ô nhiễm không khí bằng ảnh vệ tinh
Hệ thống quản lý và cảnh báo ô nhiễm không khí APOM hoạt động dựa trên cơ sở chỉ số bụi mịn, có những ưu điểm vượt trội như sau:
Hoạt động trực tuyến liên quan đến việc thu thập và xử lý tự động dữ liệu ảnh vệ tinh viễn thám từ các nguồn như MODIS Terra, MODIS Aqua và Suomi NPP Dữ liệu này được cung cấp bởi NASA và được thu thập thông qua Trạm thu vệ tinh của Trường Đại học Công nghệ, do Công ty eOsphere từ Vương Quốc Anh trực tiếp lắp đặt, triển khai và đào tạo.
Chúng tôi thực hiện tính toán nồng độ PM2.5 (bụi có kích thước nhỏ hơn 2.5 micromet) cho toàn bộ lãnh thổ Việt Nam với độ phân giải không gian 10x10 km, tần suất 4 lần/ngày thông qua xử lý ảnh MODIS Terra/Aqua Ngoài ra, chúng tôi cũng tính toán với độ phân giải 6x6 km và tần suất 2 lần/ngày dựa trên xử lý ảnh VIIRS NPP.
Hệ thống chuyển đổi mức độ bụi PM2.5 sang chỉ số chất lượng không khí AQI theo tiêu chuẩn Việt Nam và quốc tế đã được áp dụng Dữ liệu được phân tích từ 63 tỉnh/thành phố, cung cấp thông tin về bụi PM2.5 và AQI cho toàn bộ lãnh thổ Việt Nam từ năm 2010 đến nay.
Hệ thống thông tin địa lý (GIS) quản lý và cảnh báo ô nhiễm không khí trên nền tảng Web đã được phát triển thành công, cung cấp các tính năng như hiển thị thông tin cảnh báo ô nhiễm cấp tỉnh, tìm kiếm dữ liệu lịch sử, và thống kê – báo cáo dữ liệu theo thời gian Hệ thống cho phép đăng ký thông tin cảnh báo theo phiên ảnh hàng ngày và tự động thống kê dữ liệu định kỳ theo yêu cầu của các cấp quản lý, chính quyền Điều này giúp phát hiện sự tương quan và ảnh hưởng của ô nhiễm không khí theo thời gian, từ đó đưa ra giải pháp cảnh báo sớm tới người dân trong khu vực lãnh thổ Việt Nam.
Phương pháp quan trắc môi trường không khí xung quanh đã được triển khai bằng các thiết bị đo nhanh, nghiên cứu cơ sở khoa học và thực tiễn Đề tài cũng áp dụng thử nghiệm quy trình kỹ thuật quan trắc bằng thiết bị đo nhanh khí cầm tay, tập trung vào các thông số SO2 và NOx.
Các kết quả nghiên cứu cho thấy thiết bị đo nhanh CO và PM10 có tính ưu việt vượt trội và khả năng áp dụng hiệu quả trong điều kiện Việt Nam.
Nội dung của đề tài
TP.HCM đang đối mặt với nguy cơ gia tăng ô nhiễm không khí, khi trong quý 1/2017 ghi nhận 6 ngày vượt Quy chuẩn quốc gia và 78 ngày vượt chuẩn WHO Chỉ số AQI trung bình quý đã tăng từ 91,2 lên 100,8, với nồng độ bụi PM2.5 trung bình tăng từ 30,72 lên 35,8 µg/m³ Đến quý 3/2017, thành phố có 1 ngày vượt Quy chuẩn quốc gia và 39 ngày vượt chuẩn WHO.
Trong quý 3/2017, TP.HCM ghi nhận 87 giờ có nồng độ PM2.5 vượt quá Quy chuẩn Việt Nam và 810 giờ vượt quá chuẩn WHO Chất lượng không khí không có nhiều thay đổi so với cùng kỳ năm trước, với tỷ lệ giờ không tốt cho sức khỏe là 13,6%, giảm nhẹ so với 14,8% trong cùng kỳ năm 2016.
Bụi, khí độc vượt chuẩn
Theo phân tích mới nhất, chất lượng không khí ở Hà Nội trong quý 3/2017 đã cải thiện đáng kể, với 77% số giờ nằm trong nhóm tốt cho sức khỏe, tăng mạnh so với 42% của quý 3/2016 Ngược lại, tỷ lệ số giờ trong nhóm không tốt cho sức khỏe đã giảm xuống chỉ còn 22%, so với 58% cùng kỳ năm trước.
Chất lượng không khí ở Hà Nội và TP.HCM đang có dấu hiệu cải thiện, nhưng các chuyên gia cảnh báo rằng sự giảm số ngày ô nhiễm vượt chuẩn chủ yếu do ảnh hưởng của thời tiết Cụ thể, mưa bão đã giúp “tẩy rửa” không khí, làm giảm ô nhiễm Năm 2016, hiện tượng El Nino gây ra tình trạng mưa ít, trong khi năm 2017 lại chứng kiến lượng và diện mưa tăng đáng kể.
Cung cấp các đánh giá về diễn biến chất lượng môi trường trên quy mô quốc gia, phục vụ việc xây dựng báo cáo hiện trạng môi trường
Cung cấp đánh giá chi tiết về sự biến động chất lượng môi trường tại các khu vực trọng điểm được theo dõi, nhằm đáp ứng kịp thời các yêu cầu của các cấp quản lý nhà nước trong công tác bảo vệ môi trường.
Cơ Sở Lý Thuyết
Mạng truyền thông không dây là gì ?
Mạng không dây là hệ thống mạng máy tính kết nối các nút mạng thông qua dữ liệu không dây, được ưa chuộng bởi hộ gia đình, doanh nghiệp và cơ sở kinh doanh vừa và lớn Lợi ích của mạng không dây là giảm thiểu việc sử dụng cáp chuyển đổi trong việc kết nối internet Các mạng này được quản lý bởi hệ thống truyền thông vô tuyến của các nhà mạng, thường được lắp đặt tại các cơ sở lưu trữ tập trung hoặc rời rạc.
2.1.1 Một số các loại mạng truyền thông không dây hiện nay
Mạng MAN không dây (WMAN) là một loại mạng đô thị được thiết kế để kết nối các mạng đô thị (mạng MAN) ở những khu vực địa lý xa nhau Trong phân loại quy mô địa lý, mạng GAN (global area network) có quy mô lớn nhất, tiếp theo là mạng WAN và mạng LAN.
Mạng LAN không dây (WLAN) là một hệ thống kết nối các thiết bị thông qua sóng vô tuyến trong không gian hạn chế, như tòa nhà văn phòng hoặc nhà riêng.
Mạng cá nhân không dây (WPAN) là một loại mạng không dây được thiết kế cho truyền thông thông tin trong khoảng cách ngắn, thường từ vài mét đến vài chục mét WPAN thường được sử dụng trong các môi trường như hộ gia đình và văn phòng, giúp kết nối các thiết bị một cách tiện lợi và hiệu quả.
GSM, hay chuẩn toàn cầu cho truyền thông di động số, hoạt động thông qua các trạm thu phát sóng, cho phép các thiết bị di động kết nối mạng bằng cách tìm kiếm các trạm phát sóng gần nhất.
Wifi : Mạng kết nối Internet không dây sử dụng sóng vo tuyền để truyền dữ liệu
Với đề tài là hệ thống quan trắc môi trường tự động:
- Góp phần xác định các thay đổi hoặc diễn biến chất lượng môi trường (qua các thông số) liên tục theo thời gian và không gian
- Cung cấp các số liệu liên tục, tức thời, thời gian thực phục vụ quản lý và bảo vệ môi trường
- Cảnh báo kịp thời, đề xuất các biện pháp phù hợp để quản lý, bảo vệ môi trường
- Xác định trách nhiệm của các tỉnh, thành
Chúng em đã nghiên cứu và lựa chọn mạng không dây GMS kết hợp với GPRS tích hợp trên module SIM để thực hiện khóa luận.
Tìm hiểu về GMS
GSM là tiêu chuẩn chung cho các thuê bao di động di chuyển giữa các vị trí địa lý khác nhau mà vẫn giữ được liên lạc
Hình 2: Cấu trúc của GSM
Các mạng sử dụng GSM ở việt nam Ở Việt Nam và các nước trên Thế giới , mạng điện thoại GSM vẫn chiếm đa số
Cấu trúc cơ bản của mạng không dây đại diện là mạng di động
Mỗi mạng di động bao gồm nhiều tổng đài chuyển mạch MSC phân bố ở các khu vực khác nhau như miền Bắc, miền Trung và miền Nam Mỗi tổng đài này lại kết nối với nhiều trạm thu phát vô tuyến BSS, đảm bảo khả năng truyền tải và kết nối hiệu quả trong toàn bộ mạng lưới.
Các mạng di động GSM hoạt động trên 4 tần số
Hầu hết các hoạt động viễn thông hiện nay sử dụng tần số 900 MHz và 1800 MHz Một số quốc gia ở Châu Mỹ áp dụng tần số 850 MHz và 1900 MHz do tần số 900 MHz và 1800 MHz đã được sử dụng trước đó Tại Việt Nam, chủ yếu các dịch vụ viễn thông hiện đang phát sóng trên băng tần 900 MHz.
Băng GSM 900MHz hoạt động trên dải sóng 935MHz đến 960MHz cho việc thu và 890MHz đến 915MHz cho việc phát Tần số thu từ đài phát trong khoảng 935MHz đến 960MHz sẽ trừ đi 45MHz để xác định tần số phát Khoảng cách giữa tần số thu và phát của băng GSM 900 luôn cố định là 45MHz.
Tìm hiểu về GPRS
GPRS Dịch vụ vô tuyến gói đa năng (GPRS - General Packet Radio Service) là một công nghệ kỹ thuật gói, dựa trên GSM
GPRS là công nghệ truyền dữ liệu hiệu quả, sử dụng tài nguyên vô tuyến chỉ khi có dữ liệu được gửi giữa trạm di động và mạng Phát triển từ mạng GSM hiện có, GPRS giúp tiết kiệm chi phí và tài nguyên, giảm tình trạng nghẽn mạch, với chi phí nâng cấp chỉ bằng 1/10 so với việc nâng cấp từ GSM lên GPRS Ngoài ra, GPRS cải thiện chất lượng dịch vụ dữ liệu và tăng độ tin cậy Công nghệ này áp dụng nguyên tắc chuyển mạch gói, cho phép chia nhỏ dữ liệu thành các gói và truyền riêng lẻ, sau đó tập hợp lại tại điểm nhận.
Người dùng GPRS có khả năng tận dụng tối đa 8 khe thời gian để đạt tốc độ lên đến hơn 100 kbit/s Tuy nhiên, đây chỉ là tốc độ đỉnh, và nếu có nhiều người cùng sử dụng, tốc độ thực tế sẽ giảm xuống.
Các loại mudule sim kích hợp GMS và GPRS
2.4.1 Giới thiệu chung về SIM900A
Module SIM900a của Simcom là một sản phẩm GSM/GPRS nhỏ gọn, hoạt động trên bốn băng tần 850/900/1800/1900 MHz Sử dụng chip đơn nhân AMR926EJ-S với thiết kế chíp dán (SMT), SIM900a cho phép thực hiện gọi điện, gửi SMS, GPRS và Fax với mức tiêu thụ điện năng thấp Với kích thước chỉ 24mm x 24mm x 3mm, module này rất phù hợp cho các ứng dụng "Machine to Machine M2M", đáp ứng tốt yêu cầu về không gian.
2.4.2 Đặc điểm của module SIM900A
- Sử dụng bốn băng tần : 850/900/1800/1900 MHz
Class 1 – 1W cho 1800MHz và 1900 MHz
- Điều kiển qua tập lệnh AT(chuẩn GSM 07.07, 07.05 và SIMCOM AT)
- Điện áp sử dụng : Dòng điện một chiều 3.4V đến 4.5V
- Nhiệt độ hoạt động - 40°C đến 85°C
- Hỗ trợ đồng hồ thời gian thực
- Hỗ trợ GPRS lớp 10 : tải xuống max 85.6 kbps, tải lên: max 42.8 kbps
- Hỗ trợ PBCCH (Packet Broadcast Control Channel )
- Hỗ trợ giao thức điểm- điểm (PPP)
- Định dạng tin nhắn dạng văn bản và dạng PDU
- Lưu trữ tin nhắn bằng thẻ SIM
- Hỗ trợ danh bạ các chuẩn : SM, FD, LD, RC, ON, MC
- Tín hiệu tương tự cho audio
Module GSM SIM 800A là một thiết bị nhỏ gọn (25 mm x 22 mm) có khả năng nhắn tin SMS, thực hiện cuộc gọi và kết nối GPRS, tương tự như một chiếc điện thoại Việc điều khiển module này rất đơn giản nhờ vào bộ lệnh AT, và nó sử dụng chân kết nối male header chuẩn 100mil.
Nguồn cấp cho mạch là 4.2VDC, có thể sử dụng với nguồn dòng thấp từ 500mAh trở lên, chẳng hạn như cổng USB hoặc nguồn từ Board Arduino Tuy nhiên, để đảm bảo mạch hoạt động ổn định, khuyên bạn nên sử dụng nguồn có dòng và áp đủ 4.2V-1A Ngoài ra, bạn có thể mua mạch giảm áp để hỗ trợ.
Dòng khi ở chế độ chờ: 10 mA
Dòng khi hoạt động: 100 mA đến 1A
Hỗ trợ 4 băng tần phổ biến
TXD: Chân truyền Uart TX
RXD: Chân nhận Uart RX
Hình 4: Module Sim 800A mini
DTR : Chân UART DTR, thường không xài
SPKP, SPKN: ngõ ra âm thanh, nối với loa để phát âm thanh
MICP, MICN: ngõ vao âm thanh, phải gắn thêm Micro để thu âm thanh
Reset: Chân khởi động lại Sim800L (thường không xài)
RING : báo có cuộc gọi đến
Giao thức mạng
Bộ giao thức TCP/IP, hay còn gọi là bộ giao thức Internet, là một tập hợp các giao thức truyền thông chồng lên nhau, được sử dụng rộng rãi trên Internet và hầu hết các mạng máy tính thương mại Tên gọi của bộ giao thức này xuất phát từ hai giao thức chính là TCP (Giao thức Điều khiển Giao vận) và IP (Giao thức Liên mạng).
Bộ giao thức TCP/IP bao gồm nhiều tầng, mỗi tầng giải quyết các vấn đề liên quan đến truyền dữ liệu Các tầng cao hơn gần gũi với người dùng hơn và làm việc với dữ liệu trừu tượng, trong khi dựa vào các giao thức tầng thấp hơn để chuyển đổi dữ liệu thành các dạng có thể truyền tải vật lý.
Mô Hình OSI bao gồm 7 tầng cố định mà một số nhà sản xuất lựa chọn, và có thể so sánh với bộ giao thức TCP/IP Sự so sánh này có thể giúp làm rõ hơn hoặc gây nhầm lẫn về cách hoạt động của bộ giao thức TCP/IP.
Các Tầng trong chồng giao thức của bộ giao thức TCP/IP
Bộ giao thức IP sử dụng việc đóng gói dữ liệu để trừu tượng hóa các giao thức và dịch vụ, giúp dễ hiểu hơn Cụ thể, giao thức ở tầng cao hơn sẽ tận dụng giao thức ở tầng thấp hơn để thực hiện các mục tiêu của mình.
DNS, TFTP, TLS/SSL, FPT, HTTP, IMAP, IRC, NNTP, POP3, SIP, SMTP, SNMP, SSH, TELNET, ECHO, BitTorrent, RTP, PNRP, Rlogin, ENRP, …
Các giao thức định tuyến như BGP và RIP sử dụng TCP và UDP, với BGP chạy trên TCP và RIP trên UDP Chúng có thể được xem như một phần của tầng ứng dụng hoặc tầng mạng.
TCP, UDP, DCCP, SCTP, IL, RUDP, …
Các giao thức định tuyến như OSPF, hoạt động trên IP, đóng vai trò quan trọng trong tầng mạng và có thể được xem là một phần của tầng giao vận.
Internet control message protocol – Giao thức điều khiên thông điệp Internet ) và IGMP
( Internet group managerment protocol – Giao thức quản lý nhóm Internet) chạy trên
IP, có thể coi là một phần của tầng mạng
2.5.3 Tầng mạng IP (IPv4, IPv6)
ARP (Address Resolution Protocol – Giao thức tìm địa chỉ) và RARP ( Reverse
Giao thức Tìm Địa Chỉ Ngược Lại (Address Resolution Protocol - ARP) hoạt động ở tầng liên kết, nằm dưới giao thức IP, đóng vai trò trung gian giữa hai tầng này.
Ethernet, Wifi, Token ring, PPP, SLIP, FDDI, ATM, Frame Relay, SMDS, …
Các tầng gần nóc của hệ thống thường tiếp cận người sử dụng hơn, trong khi các tầng gần đáy lại kết nối với thiết bị truyền thông dữ liệu Mỗi tầng đều có một giao thức phục vụ cho tầng trên và một giao thức để sử dụng dịch vụ từ tầng dưới, ngoại trừ giao thức của tầng đỉnh và tầng đáy.
Cách nhìn các tầng cấp trong mạng máy tính được phân chia thành hai nhóm: cung cấp dịch vụ và sử dụng dịch vụ Phương pháp này giúp trừu tượng hóa các giao thức của tầng trên, cho phép người dùng không cần quan tâm đến chi tiết kỹ thuật như việc truyền tải từng bit qua Ethernet hay phát hiện xung đột Điều này cũng có nghĩa là các tầng dưới không cần phải hiểu rõ về từng chương trình ứng dụng và giao thức của nó.
Sự trừu tượng hóa cho phép các tầng cao cung cấp dịch vụ mà các tầng thấp không thể hoặc không muốn thực hiện Ví dụ, giao thức IP được thiết kế với độ tin cậy thấp và được gọi là giao thức phân phát với khả năng tốt nhất.
Trong lĩnh vực giao vận, các dịch vụ cần phải lựa chọn giữa việc cung cấp độ tin cậy cao hoặc không, và điều này ảnh hưởng đến toàn bộ quy trình Giao thức UDP đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu thông qua kiểm tra tổng (checksum), nhưng không đảm bảo việc phân phát dữ liệu đến đích Ngược lại, giao thức TCP không chỉ đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu mà còn cam kết phân phát dữ liệu đến đích bằng cách truyền tải lại các gói dữ liệu cho đến khi nhận được xác nhận từ bên nhận.
Hình 5: các tầng liên kết trên TCP
1 Trong liên kết đa điểm, với hệ thống điền địa chỉ riêng của mình (ví dụ như Ethernet), một giao thức để đối chiếu địa chỉ (Address mapping protocol ) là một cái cần phải có Những giao thức như vậy được coi là ở dưới tầng IP, song lại ở trên hệ thống liên kết hiện có
2 ICMP và IGMP hoạt động bên trên IP song không truyền tải dữ liệu như UDP hoặc TCP
3 Thư viện SSL/TLS hoạt động trên tầng giao vận (sử dụng TCP) song ở dưới các giao thức trình ứng dụng
4 Ở đây, tuyến liên kết được coi như là một cái hộp kín Nếu chúng ta chỉ bàn thể truyền tải trên bất cứ cái gì), song nó chẳng giúp được gì mấy, khi chúng ta cân nhắc đến mạng truyền thông như một tổng thể
So sánh với mô hình OSI
Bộ giao thức IP và chồng giao thức tương ứng đã được sử dụng trước khi mô hình OSI ra đời Kể từ đó, chồng giao thức IP thường xuyên được so sánh với mô hình OSI trong sách in và lớp học Các tầng cấp của OSI cũng thường được sử dụng để mô tả chức năng của các thiết bị mạng.
Mặc dù có sự liên quan, mô hình của Bộ Quốc phòng Mỹ (DoD model) và mô hình OSI không hoàn toàn giống nhau Sự khác biệt rõ ràng nhất là số lượng tầng cấp: DoD model chỉ có bốn hoặc năm tầng, trong đó tầng liên kết có thể được xem là một tầng riêng biệt hoặc được chia thành tầng vật lý và tầng liên kết dữ liệu Ngược lại, mô hình OSI sử dụng bảy tầng.
Ứng dụng thực tế
Arduino Mega 2560 là một lựa chọn tuyệt vời cho những ai quan tâm đến Matlab, vì nó được tích hợp sẵn thư viện hỗ trợ cho Matlab Sự kết hợp giữa Matlab và Arduino mang đến nhiều cơ hội thú vị cho người dùng.
– Arduino Mega 2560 có thể sử dụng hầu hết các shield dành cho các mạch
Arduino Uno hay hoặc các mạch trước đây như Duemilanove hay Diecimila với cách cài đặt và nối chân tương tự như Arduino Uno
Arduino Mega 2560 mang lại tiện ích vượt trội với bộ nhớ flash lớn, nhiều chân kết nối và hỗ trợ đa dạng từ các shield Sự mạnh mẽ của nó giúp đáp ứng nhu cầu phát triển các dự án điện tử phức tạp.
Mega đã tham gia vào các dự án quy mô lớn, bao gồm xử lý thông tin đa luồng, điều khiển nhiều động cơ, xe điều khiển từ xa, LED cube, và mở rộng khả năng kết nối với thế giới IoT.
Arduino Uno R3 được trang bị vi xử lý Atmega328p, bao gồm 14 chân I/O cho tín hiệu số, trong đó có 6 chân hỗ trợ xuất tín hiệu PWM và 6 chân đọc giá trị analog Với tốc độ thạch anh 16MHz, nó có một cổng USB, jack nguồn, các chân cắm và nút reset Người dùng có thể kết nối Arduino với máy tính thông qua cáp USB hoặc sử dụng jack nguồn DC và pin - ắc quy.
Hình 7: Board mạch Arduino UNO
Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng
Tần số hoạt động 16 MHz
Dòng tiêu thụ khoảng 30mA Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC Điện áp vào giới hạn 6-20V DC
Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)
Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA
Dòng ra tối đa (5V) 500 mA
Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA
Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 0.5KB
Arduino UNO sử dụng ba vi điều khiển 8bit AVR: ATmega8, ATmega168 và ATmega328 Bộ vi điều khiển này có khả năng thực hiện các tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lý tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, và tạo ra trạm đo nhiệt độ - độ ẩm với khả năng hiển thị trên màn hình LCD.
Một số loại cảm biến quan tác môi trường
Cảm biến tia hồng ngoại
Cảm biến chất lượng không khí này có khả năng phát hiện các chất khí độc hại như NH3, Nox, Ancol, Benzen, khói và gas Những khí này thường là tạp chất, gây hại cho sức khỏe con người, vì vậy thiết bị này đóng vai trò quan trọng trong việc giám sát và cải thiện chất lượng không khí.
Thông tin cấu trúc Cảm biến mq135
Điện áp của heater: 5V AC/DC
Điện trở tải: Thay đổi được (2kOm -> 47kOm)
Công suất tiêu thụ của heater: Nhỏ hơn 800mW
Nồng độ phát hiện của một số chất: 10 - 300 ppm NH3, 10 - 1000 ppm Benzen,
Mật độ Alcol từ 10 đến 300 ppm là đơn vị đo lường thường dùng cho các mật độ tương đối thấp Đơn vị này chỉ ra tỷ lệ của một chất trong tổng thể hỗn hợp chứa chất đó.
Hình 8: Cảm biến MQ135
Cảm biến DHT11 là một trong những cảm biến độ ẩm và nhiệt độ phổ biến hiện nay nhờ vào chi phí thấp và khả năng thu thập dữ liệu dễ dàng qua giao tiếp 1 wire Với bộ tiền xử lý tín hiệu tích hợp, DHT11 cung cấp dữ liệu chính xác mà không cần phải thực hiện bất kỳ phép tính phức tạp nào.
Dòng sử dụng: 2.5mA max (khi truyền dữ liệu)
Đo tốt ở độ ẩm 2080%RH với sai số 5%
Đo tốt ở nhiệt độ 0 to 50°C sai số ±2°C
Tần số lấy mẫu tối đa 1Hz (1 giây 1 lần)
Kích thước 15mm x 12mm x 5.5mm
Hình 9: Cảm biến DHT11
THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Sơ đồ khối hệ thống
Hệ thống quan trắc môi trường từ xa được thiết kế để theo dõi các thông số như nhiệt độ, độ ẩm, NH3, CO trong không khí tại các khu công nghiệp và khu chế xuất Hệ thống bao gồm các trạm thu thập dữ liệu từ xa kết hợp với một server trung tâm để đảm bảo việc giám sát hiệu quả.
Hệ thống được mô tả ở hình 10 gồm:
Trạm thu thập dữ liệu là thiết bị tích hợp các module và cảm biến được lập trình để đo đạc các thông số môi trường Nó thực hiện việc đóng gói dữ liệu và truyền về trung tâm thông qua mạng di động theo giao thức TCP/IP Bên cạnh đó, trạm còn có khả năng gửi cảnh báo qua SMS hoặc gọi điện cho những người có trách nhiệm khi các thông số môi trường vượt ngưỡng cho phép.
Máy chủ Trung tâm (Cloud ThingSpeak) có chức năng nhận và phân loại dữ liệu gửi về, lưu trữ thông tin và hiển thị các thông số trên website thông qua các giao diện đã được thiết kế sẵn.
Phần cứng
Cấu trúc phần cứng của trạm thu thập dữ liệu (Hình 11) bao gồm :
Module Arduino có khả năng đọc tín hiệu từ cảm biến, xử lý thông tin và hiển thị dữ liệu trên màn hình LCD Đồng thời, module này cũng thực hiện việc gửi dữ liệu qua module Sim để truyền tải lên Trung tâm.
Module Sim900A cho phép gửi dữ liệu từ các cảm biến lên máy chủ ThingSpeak qua mạng di động Đồng thời, nó cũng có khả năng gửi cảnh báo SMS và thực hiện cuộc gọi đến người có trách nhiệm khi các thông số môi trường vượt quá ngưỡng cho phép mà người quản trị đã xác định trước.
Cảm biến DHT11, MQ135 : Thực hiện đo lường các thông số môi trường
LCD 16x2 : Hiển thị giá trị đo lường tại trạm quan trắc
Module Nguồn LM2596 : Cung cấp nguồn điện ổn định để các module, cảm biến trong hệ thống hoạt động tốt trong thời gian dài
Hình 11: Sơ đồ khối phần cứng
3.2.1 Kết nối cảm biến DHT11 với mạch Arduino
Cảm biến DHT11 được tích hợp trong một mạch duy nhất, giúp việc kết nối với Arduino trở nên dễ dàng bằng cách chỉ cần nối dây nguồn (Vcc, GND) và dây tín hiệu (Signal) Tuy nhiên, cần lưu ý rằng điện áp hoạt động của cảm biến này nằm trong khoảng 3-5.5VDC; việc phân cực sai hoặc cấp nguồn không đúng có thể làm hỏng cảm biến hoặc khiến nó không hoạt động.
Cảm biến DHT11 truyền và nhận dữ liệu qua một dây tín hiệu DATA, yêu cầu dây này ở trạng thái chờ (idle) phải có mức điện áp cao Để đảm bảo điều này, trong mạch sử dụng DHT11, dây DATA cần được kết nối với một trở kéo bên ngoài, thường có giá trị 4.7kΩ.
Hình 12: Sơ đồ khối kết nối Arduino với cảm biến DHT11
DHT11 truyền dữ liệu gồm 40 bit, bao gồm 8 bit cho phần nguyên độ ẩm, 8 bit cho phần thập phân độ ẩm, 8 bit cho phần nguyên nhiệt độ, 8 bit cho phần thập phân nhiệt độ và 8 bit kiểm tra (check sum).
Ví dụ: ta nhận được 40 bit dữ liệu như sau:
Lưu ý rằng Cảm biến DHT11 sẽ làm “treo” chương trình trong quá trình nó đọc nhiệt độ, độ ẩm
Cảm biến chỉ nên được sử dụng trong môi trường có độ ẩm thuần là hơi nước Trong các môi trường đặc biệt như ủ tỏi đen hay ủ yếm khí, sự phát triển của nấm và vi khuẩn có thể bám lên bề mặt cảm biến, dẫn đến hư hỏng.
Kết nối LCD với Arduino:
Hình 13: Kết nối LCD với Arduino
Nếu màn hình không hiển thị rõ chữ, hãy kiểm tra các đường dây điện để đảm bảo chúng không bị lỏng Ngoài ra, bạn cũng có thể thử điều chỉnh độ tương phản bằng cách vặn biến trở trên màn hình.
Sơ đồ kết nối Module Sim với Arduino:
Để cấp nguồn cho Sim900A, bạn nên sử dụng Adapter chuyển AC-to-DC với thông số 5V/2A, vì nguồn điện rất quan trọng để đảm bảo hoạt động của Sim Jack đầu ra của Adapter cần có cực dương ở giữa và cực âm ở ngoài Khi cấp nguồn, đèn LED báo nguồn sẽ sáng Sau khi lắp SIM, module sẽ tự động khởi động; khi đèn LED NetLight màu xanh lam chớp tắt liên tục 3 giây một lần, module đã hoạt động thành công Để thực hiện các tác vụ như gọi điện thoại hay gửi tin nhắn, cần truyền các lệnh điều khiển thông qua tập lệnh AT (AT Command Set).
Thiết lập kết nối giữa Module Sim với Server ThingSpeak :
Ta cần phải xác định xem Sim đã được đăng kí GPRS, nếu chưa ta tiến hành đăng kí GPRS bằng cách truyền lệnh AT vào module Sim
Lệnh có dạng: AT+CIPCSGP=1,”APN”,”Usename”,“Password”
Với APN, Username và Password phụ thuộc vào nhà mạng được sử dụng, ví dụ một số mạng di động thông dụng ở Việt Nam
Tên Mạng APN User Password
Để đăng ký GPRS trên mạng VietNam Mobile, bạn có thể sử dụng lệnh AT+CIPCSGP=1,”APN”, “”,“” Để đảm bảo Sim900 hoạt động ổn định khi kết nối GPRS, cần thực hiện lệnh ngắt kết nối ban đầu nhằm tránh tình trạng Sim đã kết nối trước đó Lệnh ngắt kết nối có cú pháp: AT+CIPSHUT.
Sau khi kết nối với server, chúng ta có thể xác nhận liệu việc cấu hình GPRS đã thành công hay chưa Lệnh thực thi để kiểm tra có cú pháp cụ thể như sau:
AT+CIPSTART=”Mode”,”Domain name/IP address”,”port”
Mode ở đây là giao thức kết nối TCP/IP.Domain name/IP address là tên miền của server hoặc IP của server
Port là cổng mà máy chủ cho phép kết nối, trong khi hệ thống truyền thông sử dụng giao thức TCP để đảm bảo dữ liệu được gửi đến Trung tâm một cách đầy đủ và không bị mất mát.
AT+CIPSTART=”TCP”,”api.thingspeak.com”,”80”
Lưu đồ giải thuật
Hình 14: Lưu đồ giải thuật
Thiết lập kết nối Server ThingSpeak
ThingSpeak là nền tảng IoT mã nguồn mở cho phép người dùng dễ dàng kết nối, gửi và hiển thị dữ liệu từ các thiết bị của mình thông qua giao thức HTTP Người dùng có thể sử dụng MATLAB để nhận dữ liệu, giúp việc phân tích trở nên thuận tiện hơn Dữ liệu về nhiệt độ, độ ẩm và chất lượng không khí được thu thập và gửi lên ThingSpeak, nơi thông tin được lưu trữ trên đám mây, cho phép truy xuất và thực hiện báo cáo, phân tích bất cứ lúc nào Để bắt đầu, người dùng cần tạo tài khoản cá nhân trên ThingSpeak tại địa chỉ https://thingspeak.com/.
Sau khi tạo xong tài khoản và đăng nhập thành công thì chọn New Channel để có một kênh mới nhận dữ liệu
Hình 15: Tạo giao diện trên thingspeak
Hình 16: Tạo giao diện trên thingspeak
Chúng ta có tên, mô tả và các trường Field 1 – 8 để nhận dữ liệu, với giới hạn tối đa là 8 trường trên ThingSpeak Nếu bạn muốn chia sẻ kênh của mình với mọi người, hãy tick chọn Public.
Trong thẻ API, chúng ta cần sao chép API key để thực hiện việc đọc và ghi dữ liệu Đây là một thông tin quan trọng trong lập trình.
Chạy thực nghiệm
Chúng em đã đưa mô hình vào thực tiễn thí nghiệm tại hai địa điểm là quận Gò Vấp và quận Bình Thạnh
BẢNG THÔNG KÊ SỐ LIỆU CHẠY THỰC NGHIỆM ngày
Hình 17: Bảng thống kê thống số nhiệt độ độ âm và chất lượng không khí
Chất lượng không khí tại Sài Gòn đang ngày càng xấu đi, với tình trạng ách tắc giao thông thường xuyên dẫn đến nồng độ chất độc hại trong không khí gia tăng Bên cạnh đó, hàm lượng bụi cũng tăng cao, góp phần làm cho không khí trở nên ô nhiễm hơn.
Tình hình nhiệt độ tại Sài Gòn đang gia tăng, với nhiều ngày nhiệt độ có thể đạt tới 35 độ C Mặc dù tháng này không phải là thời điểm cao điểm của nắng nóng, nhưng nhiệt độ ngoài đường, nơi có nhiều phương tiện lưu thông, có thể lên tới 40 độ C Việc đánh giá mô hình hệ thống nhiệt độ là rất cần thiết để hiểu rõ hơn về tình hình thời tiết hiện tại.
Xác định các thay đổi hoặc diễn biến chất lượng môi trường (qua các thông số) liên tục theo thời gian và không gian
Cung cấp các số liệu liên tục, tức thời, thời gian thực phục vụ quản lý
Cảnh báo và gửi kịp thời các thời điểm các thông số vượt qua mức quy định cho phép
Mô hình hệ thống hầu như đã đáp ứng được yêu cầu của đề tài Đánh giá phần cứng
Các cảm biến, board vi xử lý và module SIM đã hoạt động hiệu quả trong quá trình thử nghiệm thực tiễn, không gặp phải sự cố hư hỏng nào Hệ thống đã được đánh giá sai số một cách chính xác.
Quá trình chạy thử nghiệm, thì vẫn có các sai số so với thức tế nhưng không đáng kể
Nhiệt độ : với sai số khoảng vào ±2°C Độ ẩm : sai số khoáng 5%
KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
Đã tích hợp được
- Tích hợp được các phần cứng thành moldul quan trắc các thông số độ ẩm, nhiệt độ, CO,NH3, qua mạng GSM
- Đã cài đặt được server lưu trữ dữ liệu trên ThingSpeak thu thập dữ liệu đa kênh thành công
- Đã thu thập và phân tích đánh giá được tính ổn định của mạch, kết quả giám sát,…
- Số liệu đã được cập nhập lên websever
Bởi vì thời tiết đang bắt đầu vào mùa mưa nên nhiệt độ trung bình giao động từ 28 o C đến 30 o C
Hình 18: Bảng thông số nhiệt độ Độ ẩm trung bình trong ngày giao động từ 60% đến 70%, độ ẩm thay đổi là do nhiệt độ thay đổi
Ô nhiễm không khí ở thành phố Hồ Chí Minh đang trở thành một vấn đề nghiêm trọng, đặc biệt vào giờ cao điểm khi mật độ khí thải và bụi tăng cao vượt mức cho phép.
Hình 20: Bảng thông số chất lượng không khí
Hình 21: Hình ảnh thực tế tại sài gòn
- Truyền nhận dữ liệu nhờ bộ Arduino + Sin900A thông qua GPRS
- Truyền nhận dữ liệu bằng SMS
- Truyền nhận dữ liệu bằng Web sever.
Ưu điểm và nhược điểm
- Linh hoạt trong việc lựa chọn điểm để quan trắc
- Dễ điều khiển, gọn nhẹ, dễ vận chuyển,…
Máy móc có khả năng vận hành liên tục trong thời gian dài, cho phép đo đạc liên tục và đồng thời thu thập nhiều thông số Bên cạnh đó, hệ thống còn tự động lưu trữ dữ liệu, mang lại ứng dụng thực tiễn cao trong nhiều lĩnh vực.
- Tính công nghiệp chưa cao
- Giải pháp nguồn chưa ổn định cho mạch - Tìm hiểu chưa kỹ phần mềm lập trình.
Hướng phát triển đề tài
- Mạch có thể tích hợp thêm module wifi, định vị GPS
- Có thể tạo cơ sở dữ liệu để quản lý các trạm quan trắc - Tích hợp thêm cảm biến để đo ở môi trường nước
- Dùng smartphone để điều khiển và giám sát hệ thống thay cho PC hoặc Laptop
ThingSpeak WebSever
Kết nối đa điểm yêu cầu mỗi điểm phải có 3G hoặc GPRS để đo dữ liệu, sau đó lưu trữ thông tin vào bộ nhớ Dữ liệu này sẽ được truyền lên WebServer để hiển thị thông số dưới dạng đồ thị.
• StartThingSpeakCmd() để thiết lập kết nối với server thingspeak
SendThingSpeakCmd() để gửi độ dài data
• UpdateDataThingSpeak() để gửi thông số về cảm biến, trạng thái
• UpdateCmdThingSpeak() để cập nhật trạng thái
Hình 22: Giao diện trên ThingSpeak
Hình 23:Biểu đồ hiện thị thông số cho các kênh
