I. LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI Ô nhiễm môi trường đang là mối quan ngại của toàn xã hội nói chung . Trong đó ô nhiễm môi trường không khí là một trong những ô nhiễm khó xử lí và kiểm soát, nhận biết nhất. Đặc biệt khi các trường hợp chết ngạt do ô nhiễm không khí trong nhà đang có chiều hướng tăng cao, đã đặt ra vấn đề cho toàn xã hội trong việc đánh giá, kiểm soát chất lượng không khí trong nhà hiện nay. Trong quá trình đô thị hóa ngày nay thì việc gia tăng chóng mặt của các trung tâm thương mại đã đặt ra câu hỏi rằng liệu tại các tầng hầm giữ xe có đảm bảo an toàn cho cả người sử dụng và người quản lý nó. Khi đó chính là một trong những nơi chịu ô nhiễm không khí nhiều nhất. Lượng khí thải từ các loại động cơ xe từ xe gắn máy, cho đến xe hơi chứa nhiều hàm lượng chất hữu cơ bay hơi độc hại, , hợp chất vòng benzen,… đặc biệt là khí CO, NO2. Nguyên nhân chính gây ra những tai nạn ngộp khí trong nhà. Do đó việc cảnh báo hàm lượng khí CO, NO2 trong các tầng hầm giữ xe hiện nay là hết sức cần thiết. Hiện nay ở nước ta các nghiên cứu về kiểm soát không khí còn rất hạn chế, đặc biệt là kiểm soát không khí tại các hầm giữ xe. Do các trung tâm thương mại gần đây mới được xúc tiến, xây dựng mạnh phục vụ nhu cầu sống tăng cao của con người. Để giúp chúng ta phát hiện khí CO, NO2 nhóm chúng em đã sáng tạo ra : “THIẾT BỊ CẢNH BÁO KHÍ CO, NO2 TRONG CÁC BÃI GIỮ XE TẦNG HẦM”. Bước đầu khảo sát, xác định hàm lượng khí CO, NO2 tại các tầng hầm giữ xe và từ đó đưa ra cảnh báo an toàn cho người dân khi hàm lượng khí CO, NO2 vượt quá mức cho phép . II. VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Câu hỏi nghiên cứu Làm thế nào để khi hàm lượng khí CO, NO2 trong các tầng hầm giữ xe vượt quá giới hạn cho phép thì thiết bị phải phát ra tín hiệu cảnh báo . Thiết bị phải đảm bảo hoạt động liên tục, tin cậy. Thiết bị phải có giá thành phù hợp để dễ triển khai trong thực tế. 2. Mục tiêu kĩ thuật Thiết kế, chế tạo thiết bị phát ra tín hiệu cảnh báo khi hàm lượng khí CO, NO2 vượt quá thông số cho phép. Dải đo: 10 – 500ppm. Thiết bị có kích thước nhỏ gọn cảnh báo trên đèn LED và còi báo động. Thiết bị an toàn cho người sử dụng, hoạt động tin cậy. 3. Kết quả mong đợi. Thiết kế, chế tạo thiết bị phát ra tín hiệu cảnh báo khi hàm lượng khí CO, NO2 vượt quá thông số cho phép. Việc lắp đặt đơn giản, tiện lợi, hệ thống hoạt động tin cậy trong thời gian dài.
CUỘC THI KHOA HỌC KĨ THUẬT DÀNH CHO HỌC SINH TRUNG HỌC PHỔ THƠNG NĂM THIẾT BỊ CẢNH BÁO KHÍ CO, NO TRONG CÁC BÃI GIỮ XE TẦNG HẦM Lĩnh Vực Dự Thi: Kỹ Thuật Môi Trường ****** MỤC LỤC I LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI: ……………………………………………………… …3 II VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU……………………………………………………… Câu hỏi nghiên cứu…………………………………………………………… Mục tiêu kĩ thuật………… …………………………… ……………… .5 Kết mong đợi.……………………………… ……………………… …5 III Mô tả chi tiết phương pháp nghiên cứu kết luận:………………… .6 Tình trạng ô nhiễm không khí tầng hầm gửi xe tác hại khí độc 1.1 Tình hình ô nhiễm không khí tầng hầm gửi xe9 1.2 Đặc tính tác hại khí CO 13 1.3 Đặc tính tác hại khí NO2 13 Phương pháp đo nồng độ khí cảm biến khí oxit bán dẫn 2.1 Giới thiệu cảm biến khí oxit bán dẫn 2.2 Cấu tạo nguyên tắc hoạt động cảm biến khí oxit bán dẫn IV THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ CẢNH BÁO .14 Giới thiệu chung 23 Cơ sở xây dựng hệ thống 24 2.1 Mạng cảm biến không dây (WSN) 24 2.2 Module DRF1605H Anten 27 2.3 Cảm biến MQ-7 30 2.4 Cảm biến MQ-135 30 2.5 Arduino UNO R3 34 2.6 Nguồn lượng sử dụng 35 Chế tạo thiết bị 36 V KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM …………………………………… 23 VI KẾT LUẬN…… ………………………………………………………….…….23 VII TÀI LIỆU THAM KHẢO…… …… ………………………………… …….23 PHỤ LỤC: CODE CẤU HÌNH COORDINATOR 54 I LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI Ơ nhiễm mơi trường mối quan ngại tồn xã hội nói chung Trong nhiễm mơi trường khơng khí nhiễm khó xử lí kiểm soát, nhận biết Đặc biệt trường hợp chết ngạt nhiễm khơng khí nhà có chiều hướng tăng cao, đặt vấn đề cho toàn xã hội việc đánh giá, kiểm sốt chất lượng khơng khí nhà Trong q trình thị hóa ngày việc gia tăng chóng mặt trung tâm thương mại đặt câu hỏi liệu tầng hầm giữ xe có đảm bảo an tồn cho người sử dụng người quản lý Khi nơi chịu nhiễm khơng khí nhiều Lượng khí thải từ loại động xe từ xe gắn máy, xe chứa nhiều hàm lượng chất hữu bay độc hại, , hợp chất vịng benzen,… đặc biệt khí CO, NO2 Nguyên nhân gây tai nạn ngộp khí nhà Do việc cảnh báo hàm lượng khí CO, NO2 tầng hầm giữ xe cần thiết Hiện nước ta nghiên cứu kiểm sốt khơng khí cịn hạn chế, đặc biệt kiểm sốt khơng khí hầm giữ xe Do trung tâm thương mại gần xúc tiến, xây dựng mạnh phục vụ nhu cầu sống tăng cao người Để giúp phát khí CO, NO2 nhóm chúng em sáng tạo : “THIẾT BỊ CẢNH BÁO KHÍ CO, NO2 TRONG CÁC BÃI GIỮ XE TẦNG HẦM” Bước đầu khảo sát, xác định hàm lượng khí CO, NO2 tầng hầm giữ xe từ đưa cảnh báo an tồn cho người dân hàm lượng khí CO, NO2 vượt mức cho phép II VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Câu hỏi nghiên cứu - Làm để hàm lượng khí CO, NO2 tầng hầm giữ xe vượt giới hạn cho phép thiết bị phải phát tín hiệu cảnh báo - Thiết bị phải đảm bảo hoạt động liên tục, tin cậy - Thiết bị phải có giá thành phù hợp để dễ triển khai thực tế Mục tiêu kĩ thuật - Thiết kế, chế tạo thiết bị phát tín hiệu cảnh báo hàm lượng khí CO, NO2 vượt thông số cho phép - Dải đo: 10 – 500ppm - Thiết bị có kích thước nhỏ gọn cảnh báo đèn LED còi báo động - Thiết bị an toàn cho người sử dụng, hoạt động tin cậy Kết mong đợi - Thiết kế, chế tạo thiết bị phát tín hiệu cảnh báo hàm lượng khí CO, NO2 vượt q thơng số cho phép - Việc lắp đặt đơn giản, tiện lợi, hệ thống hoạt động tin cậy thời gian dài III PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ CÁC KẾT LUẬN Tình trạng ô nhiễm không khí tầng hầm gửi xe tác hại khí độc 1.1 Tình hình nhiễm khơng khí tầng hầm gửi xe Bãi giữ xe tầng hầm từ lâu đưa vào sử dụng giới Nó nhằm tiết kiệm khơng gian diện tích, quỹ đất người ngày trở nên khan hiếm, hẹp dần Vì xây dựng tầng hầm nơi thấp tòa nhà thường thấp so với mặt đất phía trên, nên bãi giữ xe thường kín ngơt ngạt Nhưng lại chứa số lượng xe lớn Vì chúng thường ẩn chứa nguy tiền ẩn đến sức khỏe người Thực tế cho thấy, có xảy số vụ tai nạn ngộp khí bãi giữ xe ví dụ điển vụ ngạt khí siêu thị Big C (tòa nhà The Garden Hà Nội) “Cụ thể ngày 15/3/2015, khu hầm giữ xe trung tâm mua sắm Big C Garden (Q.Nam Từ Liêm, Hà Nội) Các hầm giữ xe máy (B2), đỗ ô tô (B3) tầng hầm (B1) nơi đóng siêu thị Big C xảy tượng ngất xỉu đồng loạt có tổng cộng 18 nhân viên thu ngân hai nhân viên vệ sinh Và theo thông báo điều tra Công ty Cổ phần Quản lý bất động sản Bình Minh Thăng Long ( Tập đồn Bitexco, đơn vị quản lý tịa nhà The Garden), đơn vị kết luận nguyên nhân sơ gây ngạt khí tượng thiếu khí cục khu vực thu ngân”, Điều cho thấy nguyên nhân bắt nguồn từ kiện lớn thu hút đông người hâm mộ tổ chức tòa nhà, kiện kết thúc số lượng lớn xe máy đông đúc dồn cửa bãi đỗ xe tầng hầm, tạo lượng khí thải từ ống xả xe máy lớn bình thường Trong thời tiết mưa phùn, đặc biệt khơng có gió làm cho khơng khí trở nên ngột ngạt Khơng dừng đó, thành phố Hồ Chí Minh xảy vụ nạn hầm giữ xe tích tụ khí.”Một cán Sở xây dựng thành phố Hồ Chí Minh cho biết cách lâu (năm 2008) có vụ nổ khách sạn Caravelle (Q.1) kết luận lỗi thiết kế Do tầng hầm có khu vực đường dẫn dành cho xe chạy lên có khu vực kín, khơng có thơng gió, lại nơi có miệng hố chứa chất thải, bể chứa cặn xăng, khu vực kín có khí tích tụ lâu ngày phát nổ có tia lửa điện ” Muốn vào gửi xe phải xuống tầng hầm thứ hai dốc cao Trong khói bụi từ xe chưa hàm lượng lớn khí CO, NO2 mà ảnh hưởng liên quan đến hàng loạt tác động bất lợi đến sức khỏe người, bao gồm bệnh hô hấp, bệnh tim mạch, bệnh dị ứng Trong chất khí ô nhiễm nhà theo nghiên cứu quan bảo vệ Mơi Trường Mỹ (EPA) gây bệnh hen suyễn, viêm mũi dị ứng Sự ô nhiễm phụ thuộc vào nhiều yếu tố có hai yếu tố đặc điểm tầng hầm ( hệ thống thơng gió, chế độ bảo dưỡng, kích cỡ,…) yếu tố thứ hai phương tiện giao thông đỗ tầng hầm ( nhiên liệu sư dụng, tuổi thọ, chế độ bảo dưỡng,…) Trên giới, vấn đề nhiễm khơng khí tầng hầm giữ xe quan tâm có nhiều nghiên cứu khảo sát vấn đề Từ năm 1990, Trompeo cộng tiến hành khảo sát 12 tầng hầm giữ xe Turin, Italy nhận thấy nồng độ CO, NO2 cao (98 ppm) Năm 1998, Chovin tiến hành đo nồng độ CO tầng hầm giữ xe Pháp, nồng độ CO dao động từ 80-100 ppm, giá trị ghi nhận điều kiện hệ thống thơng gió hoạt động yếu Tại tầng hầm giữ xe phía đơng Baltimore, nghiên cứu nồng độ chất khí nhiễm liên quan đến phương tiện giao thông CO, toluene, benzene, ethylbenzene cho thấy nồng độ khí gia tăng với số lượng xe có tầng hầm, ngày tuần có nồng độ cao ngày cuối tuần số lượng xe nhiều (Sung R Kim et al., 2017) 1.2 Đặc tính tác hại khí CO Đặc tính khí CO Cacbon monoxit, cơng thức hóa học CO, chất khí khơng màu, khơng mùi, bắt cháy có độc tính cao Nó sản phẩm cháy khơng hồn tồn cacbon hợp chất chứa cacbon Có nhiều nguồn sinh cacbon monoxit Khí thải động đốt tạo sau đốt nhiên liệu gốc cacbon (gần nguồn nhiên liệu nào, ngoại trừ hydro nguyên chất) có chứa cacbon monoxit, đặc biệt với nồng độ cao nhiệt độ thấp để thực việc ôxi hóa trọn vẹn hydrocacbon nhiên liệu thành nước (dạng hơi) cacbon dioxit, thời gian tồn buồng đốt ngắn khơng đủ lượng oxy cần thiết Thông thường, việc thiết kế vận hành buồng đốt cho giảm lượng CO khó khăn nhiều so với việc thiết kế để làm giảm lượng hydrocacbon chưa cháy hết Cacbon monoxit tồn với lượng nhỏ tính nồng độ đáng kể khói thuốc Trong gia đình, khí CO tạo nguồn nhiên liệu xăng, đốt, dầu hay gỗ không cháy hết thiết bị dùng chúng làm nhiên liệu xe máy, tơ, lị sưởi bếp lị v.v Khí cacbon monoxit thấm qua bê tơng hàng sau xe cộ rời khỏi Tác hại CO đến sức khỏe người Cacbon monoxit nguy hiểm, việc hít thở phải lượng lớn CO dẫn tới thương tổn giảm oxy máu hay tổn thương hệ thần kinh gây tử vong Nồng độ khoảng 0,1% cacbon monoxit khơng khí nguy hiểm đến tính mạng CO chất khí khơng màu, khơng mùi khơng gây kích ứng nên nguy hiểm người ta khơng cảm nhận diện CO không khí CO có tính liên kết với hemoglobin (Hb) hồng cầu mạnh gấp 230-270 lần so với oxy nên hít vào phổi CO gắn chặt với Hb thành HbCO máu khơng thể chun chở oxy đến tế bào CO gây tổn thương tim gắn kết với myoglobin tim Triệu chứng ngộ độc CO thường bắt đầu cảm giác bần thần, nhức đầu, buồn nơn, khó thở từ từ vào hôn mê Nếu ngộ độc CO xảy ngủ say uống rượu say người bị ngộ độc hôn mê từ từ, ngưng thở tử vong Bảng triệu chứng mắc phải tiếp xúc với nồng độ CO Tiêu chuẩn Thời gian Biểu 0-1 ppm Mức khơng khí bình thường Chất lượng khơng khí nhà đạt ngưỡng cho phép tối ppm đa Mức độ trung bình cho phép nơi làm việc theo tiêu 35 ppm hours chuẩn OSHA Mỹ Mức độ trung bình tối đa tiếp xúc nơi làm việc theo 50 ppm hours tiêu chuẩn OSHA Mỹ 0.01%(100 ppm) 2~3hours Đau đầu nhẹ Sơ tán người khơng gian có nồng độ vượt q 100 ppm cho giới hạn tiếp xúc OSHA 0.04%(400 ppm) 0.08%(800 ppm) 1~2 hours 45-min Nhức đầu xảy 2,5 đến 3,5 Chóng mặt, buồn nơn, chuột rút (co giật) 0.16%(1600 ppm) 20-min Nhức đầu, chóng mặt chết vòng 0.32%(3200 ppm) 5~10 Nhức đầu, chóng mặt, nơn mửa chết 30 phút 0.64%(6400 ppm) 1~2 Nhức đầu, chóng mặt chết vòng 10 đến 15 phút 1.28%(12800 1~3 Gây tử vong ppm) 1.3 Đặc tính tác hại khí NO2 Đặc tính khí NO2 Nitơ điơxít hay điơxít nitơ hợp chất hóa học có cơng thức NO2 Nó loại ơxít nitơ Nitơ điơxít chất trung gian q trình tổng hợp cơng nghiệp axit nitric, với hàng triệu sản xuất năm Tính chất lý hóa NO2 Tính chất vật lý NO2 Tính chất hóa học NO2 - NO2 chất màu nâu đỏ có mùi gắt đặc trưng - Khối lượng mol: 46.0055 g mol−1 - Khối lượng riêng: 1.88 g dm−3 - Điểm nóng chảy: −11,2 °C (261,9 K; 11,8 °F) - Điểm sôi: 21,2 °C (294,3 K; 70,2 °F) - Áp suất hơi: 98.80 kPa (at 20 °C) - NO2 tham gia vào phản ứng Oxy hóa khử với phương trình sau đây: 3NO2 + H2O → 2HNO3 + NO - Trong phản ứng NO2 đóng vai trị vừa chất oxy hóa vừa chất khử - Ngồi ra, NO2 cịn tham gia phản ứng quang hóa sau để điều chế NO: NO2 + hν (λ < 430 nm) → NO + O Tác hại NO2 đến sức khỏe người NO2 loại khí độc ảnh hưởng đến sức khoẻ người, độc hơn NO Ở nhiệt độ bình thường Khí NO2 thường hay kèm với Na2SO4 để tạo nên hỗn hợp khí màu đỏ, khó ngửi độc Hàm lượng Nitrit thể cao gây ức chế oxi dẫn đến tượng thiếu oxi máu, thể thiếu oxi bị chống váng ngất Trường hợp nhiễm độc trầm trọng không cứu chữa kịp thời dẫn đến nguy tử vong cao Nitrit khuyến cáo có khả gây bệnh ung thư người nitrit kết hợp với axit amin thực phẩm mà người ăn uống hàng ngày hình thành hợp chất nitrosamine-1 hợp chất tiền ung thư Bảng triệu chứng mắc phải tiếp xúc với nồng độ NO2 Nồng độNO2 (ppm) Triệu chứng 50 – 100 Trên 1h gây viêm phổi – tuần 150 – 200 Dưới 1h gây phá huỷ dây khí quản gây tử vong thời gian nhiễm độc kéo dài – tuần > 500 Nồng độ NO2 500 ppm hay lớn – 10 ngày gây tử vong Phương pháp đo nồng độ khí cảm biến khí oxit bán dẫn 2.1 Giới thiệu cảm biến khí oxit bán dẫn Cảm biến khí oxit bán dẫn lỗi cảm biến khí đơn giản quan tâm dụng cụ cầm tay Chúng có ưu điểm như: kích thước gọn, chế tão đơn giản, giá thành thấp Tuy nhiên có số hạn chế khó tránh khỏi tính chọn lọc độ nhạy, độ ổn định Tính chất quan trọng vật liệu cảm biến bán dẫn thay đổi tính chất điện tiếp xúc với khí cần dị Ngun lý dị khí cảm biến khí theo chế bề mặt thay đổi tính chất điện vật liệu đặt mơi trường khơng khí mơi trường có khí cần dị Những tương tác rắn-khí bề mặt ảnh hưởng tới mật độ điện tử, từ làm thay đổi điện trở vật liệu Hai đặc tính quan trọng cảm biền khí độ nhạy tỉ lệ thời gian phản ứng thời gian phục hồi cảm biến Việc pha tạp kim loại hay oxit kim loại khắc phục nhược điểm Các oxit bán dẫn ứng dụng thiết bị cảm biến với nhiều dạng, màng mỏng dạng phổ biến màng mỏng chia thành hai nhóm màng mỏng đơn tinh thể đa tinh thể Màng mỏng đơn tinh thể không sử dụng rộng rãi cho ứng dụng cảm biến điện trở chúng khơng kiểm soát biên hạt thay đổi điện trở khơng đáng kể tiếp xúc với khí Trong đó, màng mỏng đa tinh thể phù hợp cho ứng dụng nhạy khí, trao đổi điện tích qua biên hạt q trình chủ yếu kiểm sốt điện trở màng q trình chi phối chế nhạy khí cảm biến Cảm biến thiết bị nhận tín hiệu kích thích từ đối tượng chuyển thành tín hiệu điện Tín hiệu đầu cảm biến thường tín hiệu điện Đây kết trình xử lý tín hiệu dành riêng cho thiết bị điện với định nghĩa này, cảm biến chuyển đổi tín hiệu học, tín hiệu hóa, tín hiệu sinh học thành tín hiệu điện để đưa vào sử dụng với mạch điện Thiết bị cảm biến hệ phức tạp bao gồm: cảm biến, xử lý tín hiệu, điều phối tín hiệu, thiết bị nhớ khởi động Tuy phức tạp thành phần cấu tạo chia thành nhóm khác nhau: cảm biến, thứ hai tiếp nhận tín hiệu, thứ ba chuyển đổi tín hiệu Thành phần thứ hai nhận tín hiệu điện cảm biến tiến hành xử lý khuếch đại tín hiệu, chuyển đổi thành tín hiệu số Thành phần thứ ba chuyển đổi tín hiệu sơ lần tín hiệu điện, chuyển vào hệ đo hiển thị độ lớn giá trị đo hình 2.2 Cấu tạo nguyên tắc hoạt động cảm biến khí oxit bán dẫn Cấu tạo đơn giản thiết bị cảm biến khí bao gồm màng oxit bán dẫn phủ đế chịu nhiệt thủy tinh kim loại, hai điện cực để thu nhận tín hiệu thay đổi điện trở khí tiếp xúc với màng oxit bán dẫn Cảm biến khí bán dẫn chia thành hai loại hoạt động theo chế khối chế bề mặt Loại thứ nhất: tính hợp thức khối vật liệu bị thay đổi tương tác pha rắn với pha khí, loại cảm biến làm việc nhiệt độ cao Loại thứ hai: tượng hấp phụ khí dẫn đền thay đổi độ dẫn bề mặt vật liệu sử dụng cho việc dị khí Khi khuếch tán vào khối không cần thiết mà xảy phản ứng bề mặt, loại cảm biến thường làm việc ợ nhiệt độ thấp cảm biến khối Ta xét chế nhạy khí bề mặt: Những oxit bán dẫn ZnO, SnO2, WO3,… gia nhiệt khơng khí khoảng 1504000C có khả phản ứng với loại khí oxi hóa khí khử dẫn đến tính chất điện vật liệu thay đổi nguyên nhân thay đổi tương tác phân tử khí với bề mặt màng Q trình nhạy khí mô tả sau: - Hấp thụ khếch tán phân tử khí bề mặt oxit bán dẫn, điều phụ thuộc nhiệt độ môi trường - Phản ứng phân tử khí dị phân tử bị hấp phụ hóa học bề mặt cảm biến Chính tương tác làm thay đổi tính chất điện vật liệu, dẫn đến thay đổi tín hiệu nhận thiết bị, trường hợp oxit bán dẫn đólà chênh lệch điện trở trước sau tiếp xúc với khí dị Khi phân tử khí dị khuếch tán vào lớp bề mặt oxit bán dẫn, chúng có xu hướng bám chặt lên bề mặt màng Quá trình gọi hấp phụ Sự hấp phụ gồm hai loại: hấp phụ vật lý hấp phụ hóa học với hấp phụ vật lý, nguyên tử liên kết với bề mặt với lực liên kết yếu( Vanderwaals) Hấp phụ hóa học loại liên kết mạnh nguyên tử với bề mặt oxit, loại liên kết làm thay đổi cấu trúc bề mặt liên kết hóa học xảy phân tử nguyên tử Hấp phụ hóa học thường xảy sau trình hấp phụ vật lý cung cấp nặng lượng hoạt hóa ( thơng thường nhiệt năng) Mơ hình hợp lý hóa trạng thái cảm biến môi trường đo đề xuất Mark cộng mô tả sau: Oxi hấp phụ bề mặt rút electron từ oxit bán dẫn tạo thành Sự rút electron dẫn đến việc hình thành vùng nghèo điện tích gần bề mặt làm tăng khả dị khí cảm biến Hình Cảm biến bán dẫn màng dầy thiếc ơ-xít (SnO2) IV THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ CẢNH BÁO Giới thiệu chung Để xây dựng hệ thống mạng cảm biến không dây giám sát thông số nồng độ khí CO tịa nhà, ta xây dựng hệ thống theo sơ đồ mạng hình sao, bao gồm thành phần: - Một Coordinator: để điều phối mạng trì cấu hình mạng Đây module Zigbee cấu hình làm Coordinator, kết nối với máy tính để thực chức theo yêu cầu người sử dụng, nhận truyền liệu nút cảm biến với máy tính qua mạng Zigbee - Các nút cảm biến: Là cảm biến nồng độ khí CO, NO2 đặt vị trí cần giám sát Hệ thống xây dựng tảng mạng cảm biến không dây module kết nối với nhau; chức đặc tính thành phần tạo nên hệ thống giới thiệu phần Cơ sở xây dựng hệ thống 2.1 Mạng cảm biến không dây (WSN) Giới thiệu: Mạng cảm biến không dây tập hợp nút có tổ chức mạng Mạng sử dụng cảm biến để tự động giám sát điều kiện vật chất hay môi trường nhiệt độ, độ ẩm, áp suất Các liệu thu truyền qua mạng không dây tới trung tâm xử lý Mỗi nút mạng có khả xử lý ( hay nhiều vi xử lý, CPUs hay DSP chips), chứa nhiều loại nhớ ( chương trình, liệu nhớ flash), chứa cảm biến , nhận sóng RF ( thơng thường ănten đa hướng), nguồn (ắc quy,pin mặt trời…) Một hệ thống chứa 10 tới 100 nút Hình 2.: Mạng cảm biến khơng dây Các module phần mềm mạng cảm biến không dây bao gồm module gốc: - Thu thập liệu: module phát triển để cung cấp khả thu thập liệu từ cảm biến tương tự cảm biến kỹ thuật số - Xử lý liệu: ứng dụng giám sát yêu cầu phải lập kế hoạch kiện quản lý đệm nút để tránh liệu kiện Các module xử lý liệu thành phần cốt lõi cho việc xử lý tất liệu vào từ cảm biến truyền tới mạng cảm biến không dây tương ứng chúng Các module thiết lập lịch thực chức bản: o Lấy mẫu liệu từ cảm biến: cung cấp kênh kết nối hiệu cảm biến nút cảm biến khơng dây Nó có khả lấy mẫu thu thập liệu cảm biến sử dụng xác định tỉ lệ inter-sampling Sau đó, liệu gửi tới module quản lý đệm o Tự phục hồi: Module thiết kế thực quản lý phục hồi nút cảm biến Chức phục hồi nút cung cấp trạng thái nguồn bên nút cảm biến, trạng thái pin o Tiết kiệm lượng: Module thiết kế để cung cấp chế tiết kiệm pin cho nút cảm biến Nó thực cách tích hợp chế độ chuyển đổi trạng thái nút cảm biến, chế độ “sleep” “active” - Truyền liệu: Chức cung cấp phương thức thuật toán để định tuyến quản lý cấu hình mạng cảm biến không dây, thực thuật toán định tuyến phương pháp đồng thời gian Hầu hết hệ thống nghiên cứu q khứ hệ thống có dây, khơng bị giới hạn nguồn lượng không theo thời gian thực, có giao diện sử dụng số lượng nguồn cố định, nút hệ thống quan trọng đặt độc lập với Ngược lại, với mạng cảm biến khơng dây hệ thống khơng dây, có nguồn lượng bị giới hạn, thời gian thực, sử dụng cảm biến cấu chấp hành giao diện, số lượng nguồn không cố định, vị trí đặt chiếm vai trị quan trọng, nhiều mạng cảm biến không dây sử dụng thiết bị công suất thấp 2.2 Module DRF1605H Anten Hình Module DRF1605H Module DRF1605H module giao tiếp không dây theo giao thức Zigbee, dựa chip CC2530F256 chạy theo tiêu chuẩn Zigbee2007/PRO, có đầy đủ tính giao thức Zigbee Module DRF1605H giao tiếp thông qua giao diện UART (TX & RX), truyền lượng cao nên khoảng cách truyền đạt tới 1.6 km Một số tính chất module: o Sử dụng điện áp từ 2.6 ~ 3.6V o Giao tiếp UART với tốc độ truyền: 9600bps, 19200bps, 38400bps, 57600bps, 115200bps o Có thể chỉnh tần số sóng từ 2405 MHz – 2480 MHz (mỗi bước MHz) o Dòng tiêu tốn: gửi 120mA (tối đa), trung bình 80mA; nhận 45mA (tối đa); chế độ chờ 40mA(tối đa) o Độ nhạy: -110dBm Có hai phương pháp truyền: truyền transparent truyền điểm-điểm 2.3 Thiết bị cảm biến MQ-7 Hình Cảm biến MQ-7 Đặc tính cảm biến MQ-7 độ nhạy cao với khí CO, có độ ổn định tuổi thọ cao Nó thường dùng để phát khí CO, dùng nhà ngành cơng nghiệp Đặc điểm kỹ thuật Trong điều kiện chuẩn, cảm biến MQ-7 có đặc điểm sau: Đặc điểm cảm biến MQ-7 Ký hiệu Tên thông số Điều kiện kỹ thuật Ghi Vc Mạch áp 5V±0.1 AC DC VH (H) Điện áp sấy(cao) 5V±0.1 AC DC VH (L) Điện áp sấy(thấp) 1.4V±0.1 AC DC RL Trở tải RH Trở kháng sấy 33Ω±5% Cấu trúc cảm biến khí MQ-7 sau: Hình 5.: Cấu trúc cảm biến MQ-7 Nó bao gồm AL2O3 lớp cảm biến SnO2 đo dòng điện cuộn sấy cố định lớp vỏ nhựa thép không gỉ Cuộn sấy cung cấp điều kiện cần thiết để thiết bị cảm biến làm việc Các thành phần cảm biến MQ-7 sau: 1- Lớp cảm biến khí : SnO2 2- Điện cực: Au 3- Dây điện cực: Pt 4- Cuộn sấy: Ni-Cr alloy 5- Ống gốm : AL2O3 6- Chống nổ: thép không gỉ 7- Vòng kẹp: Đồng mạ Niken 8- Nhựa sở:nhựa tổng hợp bakelite 9- Ống pin: Đồng mạ Niken Mạch đo lường thiết bị cảm biến MQ-7 chia làm phần: cuộn sấy có chức điều khiển theo chu kỳ cấp điện áp khác 60s 90s (công suất tiêu thụ 350mW), phần thứ hai phần cảm biến khí CO, cho kết xác thay đổi điện trở bề mặt cảm biến Hình Sơ đồ cấu tạo MQ-7 2.4 Cảm biến MQ-135 Đặc tính cảm biến MQ-135 độ nhạy cao với khí NO 2, có độ ổn định tuổi thọ cao Nó thường dùng để phát khí NO2, dùng nhà ngành công nghiệp Vật liệu cảm biến thiếc oxit (SnO2) có độ dẫn điện thấp khơng khí Cảm biến có hình dạng hình Hình 12 Cảm biến MQ-135 Dựa thay đổi độ dẫn điện màng mỏng bán dẫn hấp thụ chất khí bề mặt nhiệt độ cao Gồm ống trụ làm AL2O3, vật liệu ơ-xít kim loại gắn vào điện cực, phận nung nóng nhiệt độ làm việc thích hợp Điện cực mặt phẳng với sợi nung mặt lại Các điện cực sợi đốt gắn cố định vào lớp vỏ làm nhựa thép không rỉ Sợi đốt cung cấp nhiệt lượng cần thiết cho cảm biến trình hoạt động Cảm biến MQ135 có chân có chân tín hiệu chân sợi đốt Khi cảm biến phát có khí, điện trở lớp ơ-xít thiếc giảm xuống tỉ lệ với nồng độ khí Loại cảm biến chủ yếu sử dụng đo khí độc như: NO2, NH3 Cảm biến chịu ảnh hưởng nhiệt độ độ ẩm nên khảo sát, với giá trị đo phải xác định nhiệt độ độ ẩm môi trường tương ứng 10 Hình Ảnh hưởng nhiệt độ, độ ẩm với cảm biến MQ-135 Đặc biệt cảm biến có tính lựa chọn thấp, độ nhạy thời gian đáp ứng bị ảnh hưởng nhiều độ ẩm môi trường; suy giảm độ nhạy không phát khơng hiệu chuẩn lại; bị hỏng hồn tồn đo liên tục khí nồng độ cao; bị nhiễm độc lượng nhỏ chất silicone, halocarbon.Thông số kỹ thuật MQ135 sau: - Điện áp nung: 5V ± 0,1AC/DC - Điện trở tải: Thay đổi (2kΩ - 47kΩ); - Điện trở nung: 33Ω ± 5%; - Khoảng phát đến 300 ppm NH3 Sơ đồ kết nối làm việc cảm biến thể Hình Sơ đồ kết nối cảm biến Cảm biến cần phải cấp nguồn điện áp: điện áp nung (V H) điện áp cung cấp (VC) Nguồn VH sử dụng để cung cấp nhiệt độ làm việc cảm biến, nguồn V C sử dụng để tạo điện áp (Vout) điện trở tải (RL) nối tiếp với cảm biến Hai nguồn VC VH sử dụng mạch nguồn để đảm bảo hiệu suất cảm biến Để sử dụng cảm biến với hiệu suất tốt nhất, giá trị R L cần lựa chọn phù hợp nên chọn 20kΩ (dải điều chỉnh từ 10kΩ đến 47kΩ) Công suất cảm biến: 11 Trong mạch điện trở RL kết hợp với điện trở cảm biến (RAB) tạo thành mạch phân áp Điện áp RL tỷ lệ thuận với nồng độ khí mà cảm biến cảm nhận Hình Đường đặc tính logarit cảm biến 2.5 Arduino UNO R3 Hình10 Board Arduino UNO R3 Arduino UNO bảng mạch dùng để lập trình phổ biến, giới thiệu lần vào năm 2005 phát triển với nhiều dòng Arduino: Arduino Serial, Arduino USB, Arduino Extreme, Arduino NG (Nuova Generazione), Arduino Diecimila, Arduino Duemilanove, Arduino UNO, phát triển tới hệ thứ 3(R3) Arduino Uno R3 phiên sử dụng rộng rãi nhờ chi phí thấp tính linh động Do Arduino có tính mở phần cứng, thân Arduino Uno R3 có biến thể để phù hợp cho nhiều đối tượng khác nhau, người ta thay đổi số thành phần có chức tương tự để giảm giá thành sản xuất board Ta sử dụng vi điều khiển ATmega128[3] tích hợp board Arduino UNO R3, vi điều khiển Atmega128 có tính năng: - ROM: 128 Kbytes - SRAM: 4Kbytes - EEPROM:4 Kbytes - 64 ghi I/O - 160 ghi vào mở rộng - 32 ghi đa mục đích - định thời bit - định thời 16 bit - Bộ định thời watchdog 12 - Bộ dao động nội RC tần số 1/2/4/8 MHz - ADC kênh - kênh PWM bit - kênh PWM lập trình thay đổi độ phân giải từ 2-16bi - Bộ so sánh tương tự lựa chọn ngõ - khối USART lập trình - Khối truyền nhận nối tiếp SPI - Khối giao tiếp nối tiếp dây TWI - Hỗ trợ bootloader - chế độ tiết kiệm lượng - Điện thế: 4.5÷5.5V Ngồi ra, Atmega128 có khả mở rộng kết nối với chân tín hiệu analog, 13 chân tín hiệu số cho chức giao tiếp thông dụng I/O, UART,SPI,I2C,PWM 2.6 Nguồn lượng sử dụng Do hệ thống giám sát tịa nhà nên sử dụng nguồn điện áp xoay chiều để hoạt động liên tục, nguồn pin ICR18650H-1S3P sử dụng nguồn dự phòng trường hợp điện áp xoay chiều Hình 11 Pin ICR18650H-1S3P - Điện áp 3,7V - Dung lượng định mức :6600mAh - Mật độ lượng cao - Hiệu suất an toàn - Hiệu suất lưu trữ cao tỷ lệ tự xả thấp - Hoạt động dải nhiệt độ rộng : -20oC ~ +60oC3 Chế tạo thiết bị Từ module phần cứng trên, ta tiến hành kết nối module với để tạo nên thiết bị Hình 12 Thiết bị sau chế tạo 13 Sử dụng phần mềm Arduino để cấu hình cho hệ thống hoạt động gửi nhận liệu từ Coordinator Sơ đồ mạng kết nối hệ thống triển khai theo mơ hình sao, ưu điểm đơn giản, dễ triển khai, dễ dàng thêm bớt nút cảm biến mơ hình Hình 13 Lắp đặt thiết bị V KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM - Cài đặt thông số để thiết bị phát tín hiệu cảnh báo nồng độ khí CO vượt 90 ppm nồng độ khí NO2 vượt q 60 ppm Đây thơng số cho phép theo tiêu chuẩn - Vị trí lắp đặt Tầng hầm giữ xe chung cư Đông Hưng Thuận Hình 14 Tầng hầm giữ xe Đơng Hưng Thuận- Quận 12, TP.HCM Thơng số đo Hình 15 Thơng số thực đo đượctheo thời gian 14 Sau tính toán, thiết kế, chế tạo thiết bị thử nghiệm, nhóm nhận thấy, dự án đạt tiêu: + Kỹ thuật: Thiết bị hoạt động tự động liên tục, độ xác cao, cảnh báo vượt q thơng số cho phép + Kinh tế: Chi phí chế tạo thấp, phù hợp lắp đặt nhiều nơi tầng hầm để xe + Xã hội: Thiết bị có tác động tích cực mặt xã hội, đảm bảo an toàn cho người VI KẾT LUẬN Qua trình nghiên cứu, xây dựng hệ thống chế tạo “THIẾT BỊ CẢNH BÁO KHÍ CO, NO2 TRONG CÁC BÃI GIỮ XE TẦNG HẦM” chúng em thu kết sau: + Tìm hiểu nguyên lý cảm biến đo khí tích hợp đa cảm biến dùng VĐK + Thiết lập kết nối nút cảm biến để hình thành mạng cảm biến khơng dây + Thực truyền thông kết nối liệu từ mạng cảm biến để quản lý, cảnh báo Hệ thống triển khai thực nghiệm cho kết khả quan Ta thấy với ưu điểm đơn giản, khả mở rộng hệ thống này, nhờ tăng tính khả thi việc đưa hệ thống vào bãi giữ xe tầng hầm để giám sát chất lượng khơng khí, cảnh báo nguy hiểm với chi phí phù hợp với yêu cầu khách hàng Chúng ta phát triển hệ thống việc thêm nút cảm biến nhiều vị trí cần thiết tích hợp thêm cảm biến nhiệt độ, độ ẩm góp phần cảnh báo cho người có tình nguy hiểm xảy để có phản ứng kịp thời, nhờ làm tăng chất lượng sống người tòa nhà, văn phòng 15 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Bộ Tài nguyên Môi trường (2013), Báo cáo mơi trường Quốc gia (2013) - Mơi trường khơng khí, Hà Nội [2] Hồng Văn Bính (2002), Độc chất học cơng nghiệp dư phịng nhiễm độc Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [3] Lê Trung Thắng (2007), Vi điều khiển AVR ATmega128, Đại học khoa học tự nhiên TP Hồ Chí Minh, TP Hồ Chí Minh [4] Chi cục bảo vệ môi trường TPHCM, Báo cáo tóm tắt trạng chất lượng mơi trường TPHCM quý năm 2014 [5] Hoàng Minh Châu (2003), Cơ sở hóa học, NXB Khoa học – Kĩ thuật, Hà Nội [6] Lê Huy Bá (2002), Độc học môi trường, NXB Đại học Quốc Gia, Tp.HCM Trần Ngọc Chấn (2000), Ơ nhiễm khơng khí xử lý khí thải (tập 1) NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, trang 21, 24, 25 [7] Hồng Nhâm (2000), Hóa học vơ cơ, NXB Giáo Dục, Hà Nội Nguyễn Thị Vân Hà (2007), Quản lý chất lượng môi trường, NXB Đại học Quốc Gia, Tp.HCM Tiếng Anh [1] Pranas Baltrenas, Danguole Kaziukoniene, Mindaugas Kvasauskas (2003), Air pollution at Parking-lots of Vilnius Dept of Environmental Protection, Vilnius Gediminas Technical University, p 38-39 [2] Sung R Kim , Francesca Dominici , Timothy J Buckley, 2007, Concentrations of vehicle-related air pollutants in an urban parking garage, Enviromental Health Sciences, p 291, 298 [3] Nguyen, C D., Tran, T D., Tran, N D., Huynh, T H., & Nguyen, D T (2015) Flexible and efficient wireless sensor networks for detecting rainfall-induced landslides International Journal of Distributed Sensor Networks, 2015, 238 [4] Duc-Tan, T., Dinh-Chinh, N., Duc-Nghia, T., & Duc-Tuyen, T (2015) Development of a Rainfall-Triggered Landslide System using Wireless Accelerometer Network International Journal of Advancements in Computing Technology, 7(5), 14 [5] Th Becker, St Mühlberger, Chr.Bosch-v Braunmühl, G Müller, Th Ziemann, K.V Hechtenberg, Air pollution monitoring using tin-oxide-based microreactor systems DaimlerChrysler AG, Research and Technology, Postfach 80 04 65, D-81663 München, Germany [6] David Hasenfratz, Olga Saukh, Silvan Sturzenegger, and Lothar Thiele Computer Engineering and Networks Laboratory (2012) , Participatory Air Pollution Monitoring Using Smartphones, ETH Zurich, Switzerland [7] John A Stankovic(2006),Wireless Sensor Networks, Department of Computer Science University of Virginia Charlottesville, Virginia 22904 [8] hanwei electronics co , ltd, technical data mq-7 gas sensor [9] DTK Electronics, Zigbee Module User Guide –DRF Series [10] Texas Instruments LM35 Precision Centigrade Temperature Sensors (Rev G) [11] Arduino R3 UNO Overview https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno [12] ATmega128/L Datasheet – Atmel www.atmel.com/images/doc2467.pdf 16