Trang 2 Lê Đặng Thái Phong, Nguyễn Văn Linh, Nguyễn Trọng Nhiên, Đồn Văn Thắng, Trần Trung Tín2LoRa là một cơng nghệ không dây được phát triển đểcho phép truyền dữ liệu tốc độ thấp trên
Trang 11 HỘI NGHỊ TỔNG KẾT HOẠT ĐỘNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ NHÓM SRT NĂM HỌC 2019-2020
THIẾT BỊ QUAN TRẮC KHÔNG KHÍ – CẢNH BÁO CHÁY NỔ, KHÍ ĐỘC
CACBON MONOXIT
AIR MONITORING EQUIPMENT – WARNING EXPLOSION AND CACBON MONOXIDE
Lê Đặng Thái Phong 1 , Nguyễn Văn Linh 1 , Nguyễn Trọng Nhiên 1 , Đoàn Văn Thắng 2 Trần Trung Tín 2
1 Lớp 17TDH1, 2 Lớp 18TDH1 – Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng
GVHD: ThS Phạm Duy Dưởng
Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật- Đại học Đà Nẵng
Tóm tắt
Trong bài báo này, chúng tôi trình bày việc thiết kế, chế tạo
thiết bị quan trắc không khí – cảnh báo cháy nổ, khí độc cacbon
monoxit Thiết bị thiết kế nhằm cảnh báo nhanh nhất sự rò rỉ hay
bất kể dấu hiệu nguy hiểm nào của LPG, i-butan, Propane,
Methane, Alcohol, Metan, Hydrogen, CO, Smoke… Gồm các
chức năng chính: cung cấp thông tin nhiệt độ, độ ẩm, phân tích
chất lượng không khí, mật độ khí dễ cháy, khí độc và khí gây
ngạt, khói, bụi… rồi từ đó hiện thị trên giao diện người dùng.
Từ khóa: LoRa; LoRaWan; Quan trắc không khí; Internet of
Things; Wireless network; Thành phố thông minh
Abstract
In this article, we present the design and manufacture of air monitoring equipment - warning of fire, toxic carbon monoxide Equipment designed to alert the fastest leakage or any signs of danger of LPG, i-butane, Propane, Methane, Alcohol, Methane, Hydrogen, CO, Smoke Including the main functions: providing information information of temperature, humidity, analysis of air quality, density of combustible gases, toxic gases and gas causing asphyxiation, smoke, dust and from there displayed on the user interface.
Key words: LoRa; LoRaWan; Air monitoring; Internet of
Things; Wireless network; Smart city
1 Đặt vấn đề Ngày nay, ô nhiễm không khí được coi là một kẻ giết
người vô hình và thầm lặng Năm 2019, Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) ước tính rằng ô nhiễm không khí là “thủ phạm” gây ra 7 triệu ca tử vong sớm mỗi năm trên toàn cầu
Carbon monoxide là một khí độc, không có mùi và không thể thấy hoặc ngửi được và khí này có thể giết người trong vài phút Carbon monoxide được tạo ra khi bất cứ chất đốt nào như khí đốt (ga), dầu nhớt, dầu lửa, củi, hoặc than được đốt lên Mỗi năm, hàng trăm người bị chết đột ngột vì khí carbon monoxide gây ra từ các máy móc không được sử dụng đúng cách hoặc từ máy bị hư hỏng Khí carbon monoxide có thể tích tụ nhanh đến mức các nạn nhân bị ngất đi trước khi họ có thể kêu cứu Tại Việt Nam cùng với sự phát triển của quá trình công nghiệp hóa và các ngành dịch vụ khác đã làm cho tình trạng ô nhiễm không khí, ô nhiễm khí độc diễn biến ngày càng nghiêm trọng Tại các khu vực như tòa nhà, phân xưởng, nhà ga,… Hằng năm vẫn thường xuyên xảy những vụ ngộ độc khí, rò rỉ khí gas gây cháy nổ.Trong khi
đó, việc giám sát môi trường không khí thường chỉ đặt tại các trạm quan trắc với số lượng cảm biến giới hạn Các số liệu thu được cũng chỉ được dùng cho các cơ quan chuyên môn và cũng giới hạn về lượng dữ liệu Do đó, người dân thường không biết về tình hình chất lượng không khí tại nơi mình sinh sống và làm việc
Với ý tưởng nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị quan trắc không khí – cảnh báo cháy nổ, khí độc cacbon monoxit, nhằm hạn chế các hậu quả đáng tiếc về người và của mà các khí độc, khí dễ cháy, khói bụi gây ra
Trang 2Lê Đặng Thái Phong, Nguyễn Văn Linh, Nguyễn Trọng Nhiên, Đoàn Văn Thắng, Trần Trung Tín 2
LoRa là một công nghệ không dây được phát triển để
cho phép truyền dữ liệu tốc độ thấp trên một khoảng cách
lớn bởi các cảm biến và bộ truyền động cho M2M và IoT
cũng như các ứng dụng IoT LoRa hướng tới các kết nối
M2M ở khoảng cách lớn Nó có thể hỗ trợ liên lạc ở
khoảng cách lên tới 15 – 20 km, với hàng triệu node mạng
[1] Nó có thể hoạt động trên băng tần không phải cấp
phép, với tốc độ thấp từ 0,3kbps đến khoảng 30kbps [2]
Với đặc tính này, mạng LoRa phù hợp với các thiết bị
thông minh trao đổi dữ liệu ở mức thấp nhưng duy trì
trong một thời gian dài Thực tế các thiết bị LoRa có thể
duy trì kết nối và chia sẻ dữ liệu trong thời gian lên đến
10 năm chỉ với năng lượng pin
Một mạng LoRa có thể cung cấp vùng phủ sóng tương
tự như của một mạng di động Trong một số trường hợp,
các ăng-ten Lora có thể được kết hợp với ăng-ten di động
khi các tần số là gần nhau, do đó giúp tiết kiệm đáng kể
chi phí Công nghệ không dây LoRa được đánh giá là lý
tưởng để sử dụng trong một loạt các ứng dụng, bao gồm:
định lượng thông minh, theo dõi hàng tồn kho, giám sát
dữ liệu của máy bán hàng tự động, ngành công nghiệp ô
tô, các ứng dụng tiện ích và trong bất cứ lĩnh vực nào mà
cần báo cáo và kiểm soát dữ liệu
LoRaWAN hoạt động trong dải ISM được cấp miễn
phí Chuẩn băng tần ISM được dành cho băng tần vô
tuyến ngành công nghiệp, khoa học và y tế Tại Mỹ sử
dụng băng tần 902-928MHz, Châu Âu là 868 MHz [3]
Với những ưu điểm vượt trội LoRa mang lại, trên thế giới
đã ứng dụng chuẩn không dây LoRa mới này thay thế cho
chuẩn không dây cũ vào rất nhiều ứng dụng outdoor hoặc
indoor trước đó như Smart Campus, Smart Home, Smart
Parking, Air Pollution Monitoring,
2 Tổng quan của hệ thống
Ứng dụng Lora trong quan trắc không khí – cảnh báo
cháy nổ, khí độc cacbon monoxit được thể hiện trong hình
1 Trong đó, Lora được sử dụng để truyền gửi và nhận dữ
liệu Chúng tôi sử dụng thuật toán chạy trên vi điều khiển
Arduino để truyền gửi các dữ liệu từ sensor node, dữ liệu
được gửi lên web server, app thông qua giao thức MQTT
Hình 1: Sơ đồ tổng quát của hệ thống đề xuất
3 Thiết lập mô hình
3.1 Đề xuất mô hình vào LoRa và IoT
Mô hình sử dụng mạng LoRa và IoT được thể hiện
như trong Hình 2 bao gồm ba khối chính:
Hình 2: Mô hình IoT sử dụng mạng không dây LoRa
• Khối Gateway (khối điều khiển chính): sử dụng máy tính nhúng Raspberry Pi3 để nhận dữ liệu và gửi tín hiệu điều khiển tới node cảm biến thông qua mạng Lora, ngoài
ra có thể qua giao tiếp wifi hoặc bluetooth Dữ liệu được gửi lên web server thông qua giao thức MQTT
• Các sensor node: sử dụng mạng LoRa để truyền và nhận từ khối Gateway Trong bài báo này, dữ liệu gửi từ máy chủ gửi xuống Gateway gửi về các end node
• Server: Hiển thị giao diện người dùng, xây dựng điều khiển và lưu trữ giá trị đó để đánh giá khả năng hoạt động của hệ thống và các chức năng điều khiển thiết bị
3.2 Gateway LoRa
Gateway LoRa sử dụng máy tính nhúng Raspberry Pi
3 giao tiếp với module LoRa RFM95W như hình 3 Các thông số thiết lập cho Gateway và Node LoRa được cấu hình thể hiện ở bảng 1
Hình 3: Sơ đồ kết nối và hình ảnh Gateway LoRa Bảng 1: Thông số cấu hình cho Gateway và Node Lora
Trang 33 HỘI NGHỊ TỔNG KẾT HOẠT ĐỘNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ NHÓM SRT NĂM HỌC 2019-2020
Chip LoRa được sử dụng là SX1276 của Semtech
Đây là chuẩn sử dụng chip trải phổ làm điều chế để truyền
tín hiệu với khoảng cách xa Hệ số trải phổ SF xác định số
lượng tín hiệu chip khi mã hóa tín hiệu được điều chế tần
số (chipped signal) của dữ liệu Ví dụ nếu SF=12 có nghĩa
là 1 mức logic của tín hiệu chip được điều chế sẽ được mã
hóa bởi 12 xung tín hiệu chip
Đối với các hệ thống mạng không dây thông thường
yêu cầu tỷ lệ lỗi bit BER phải nhỏ hơn 10-03 Hình 3 cho
thấy hệ số trải phổ SF càng cao thì đường cong BER càng
dốc hơn Tại SNR=-20dBm, ta thấy xác suất lỗi bít BER
của các hệ số trải phổ SF tăng dần từ SF12 đạt giá trị nhỏ
nhất (khoảng 10-5.5) và SF7 có BER lớn nhất (xấp xỉ 1)
Hình 4: BER theo các giá trị SF khác nhau với kênh truyền vô
tuyến sử dụng LoRa [2]
Hệ số trải phổ SF=12 thường được dùng cho các thiết
bị ở xa Gateway hoặc bị che chắn bởi tường hoặc tòa nhà
SF=7 thường sử dụng cho các thiết bị gần Gateway Vì
vậy với ứng dụng cho IoT tầm xa này, nhóm tác giả chọn
giá trị SF=12 để đảm bảo được tỷ lệ lỗi bit BER cho mạng
LoRa
LoRa sử dụng ba băng thông BW là 125kHz, 250kHz
và 500kHz Nếu băng thông càng rộng thì thời gian mã
hóa tín hiệu càng ngắn, từ đó thời gian truyền dữ liệu
cũng giảm xuống nhưng đổi lại khoảng cách truyền cũng
ngắn lại Vì các dữ liệu từ cảm biến không đòi hỏi băng
thông lớn mà cần truyền với khoảng cách xa nên
BW=125 kHz được chọn trong mô hình thử nghiệm này
CR là số lượng bít được tự thêm vào trong trọng tải
của gói tin LoRa, bởi LoRa chipset để mạch nhận có thể
sử dụng để phục hồi lại một số bít dữ liệu nhận sai và từ
đó phục hồi được nguyên vẹn dữ liệu trong tải trọng Do
đó, sử dụng CR càng cao thì khả năng nhận dữ liệu đúng
càng tăng, nhưng bù lại chip LoRa sẽ phải gửi nhiều dữ
liệu hơn và có thể làm tăng thời gian truyền dữ liệu trong
không khí
3.3 LoRa End Node
LoRa Sensor Node: Truyền bằng công nghệ không
dây LoRa sử dụng module Lora RFM95W, truyền và
nhận dữ liệu từ Gateway LoRa node sử dụng vi điều
khiển Arduino pro mini giao tiếp với LoRa RFM95W
được tích hợp trên 1 bỏad như Hình 5, các thông số kết
nối cho Aduino pro mini và LoRa RFM95W được thể
hiện ở bảng 2
Hình 5: LoRa module Bảng 2: Sơ đồ kết nối Arduino và LoRa node
Arduino Pro Mini LoRa RFM95W
MISO (D12) MISO MOSI (D11) MOSI SCK (D13) CLK
SS (D10) SEL (Chip Select)
Anten LoRa đã được in trên mạch PCB và được thiết
kế bởi Trường Đại học Université Côte d'Azur (UCA), tần
số cộng hưởng của Anten có thể điều chỉnh từ 845-9550MHz
3.3.1 Cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11
Hình 6: Sơ đồ của cảm biến DHT11
Thông số Gateway Node
Module LoRa RFM95W RFM95W LoRa chip Semtech
SX1276 SemtechSX1276 Tần số 868 MHz 868 MHz Băng thông
(BW) 125 kHz 125 kHz Công suất phát 14 dBm 14 dBm Điều chế LoRa LoRa
Hệ số trải phổ (SF)
Tốc độ mã hóa
Trang 4Lê Đặng Thái Phong, Nguyễn Văn Linh, Nguyễn Trọng Nhiên, Đoàn Văn Thắng, Trần Trung Tín 4
Hình 7: Sơ đồ kết nối giữa vi điều khiển với DHT11
Cảm biển nhiệt độ độ ẩm DHT11 (Hình 6) được kết
nối theo sơ đồ ở hình 7 Sau khi giao tiếp được với khối
điều khiển, cảm biến DHT11 sẽ trả về giá trị nhiệt độ và
độ ẩm dưới dạng 40 bit dữ liệu, tương ứng chia làm 5
byte Trong đó:
Byte 1: giá trị phần nguyên của độ ẩm
Byte 2: giá trị phần thập phân của độ ẩm
Byte 3: giá trị phần nguyên của nhiệt độ
Byte 4: giá trị phần thập phân của nhiệt độ
Byte 5: kiểm tra tổng
Nếu (Byte 5) = ( Byte 1 + Byte 2 + Byte 3 + Byte 4)
thì giá trị độ ẩm và nhiệt độ là chính xác
3.3.2 Cảm biến bụi Sharp GP2Y10 (Dust Sensor)
Hình 8: Cảm biến bụi Sharp GP2Y10
Cảm biến bụi được cấu tạo bởi ba thành phần chính:
IR LED, Phototransistor, Amplifier IR LED và
Phototransistor là 2 bộ phận dùng để truyền và nhận hồng
ngoại và được đặt chệch gốc với nhau Khi có bụi bay
vào, tia hồng ngoại từ IR LED sẽ bị dội vào
Phototransistor, lúc này điện áp từ phototransistor sẽ được
đưa đến mạch khuếch đại (Amplifier) và xuất ra chân Vo
3.3.3 Cảm biến khí MQ (MQ2, MQ7, MQ135, …)
Cảm biến khí có độ nhạy cao với LPG, CO, Propane
và Hydrogen, mê-tan (CH4) và hơi dễ bắt lửa khác
MQ135 thường được dùng trong các thiết bị kiểm tra chất
lượng không khí bên trong cao ốc, văn phòng, thích hợp
để phát hiện NH3, NOx, Ancol, Benzen, khói, CO2,…
Hình 9: Cấu tạo cấu trúc cảm biến khí MQ
Trong số 6 đầu dây, 2 đầu (H) chịu trách nhiệm làm nóng phần tử cảm biến và được kết nối thông qua cuộn Niken-Crom hợp kim dẫn điện nổi tiếng Bốn đầu còn lại (A&B) chịu trách nhiệm về tín hiệu đầu ra được kết nối bằng cách sử dụng Platinum Wires Phần tử cảm biến hình ống được tạo thành từ gốm dựa trên Nhôm Oxide và
có lớp phủ Tín Dioxide
Khi tín dioxide được nung nóng trong không khí ở nhiệt độ cao, oxy sẽ hấp thụ trên bề mặt trong không khí sạch, donor electrons trong Tin dioxit được thu hút về phía oxy được hấp thu trên bề mặt vật liệu cảm biến Điều này ngăn chặn dòng điện Khi trong không khí ô nhiễm, mật độ bề mặt của oxy bị hấp thụ giảm Các electron sau
đó được giải phóng vào Tin dioxit, cho phép dòng điện chạy qua cảm biến
3.4 Xây dựng khối Webserver
Khối server được xây dựng hoạt động trên cloud Nhiệm vụ của khối server là nhận dữ liệu và phân tích đánh giá các gói dữ liệu truyền về từ Gateway thông qua giao thức MQTT
4 Giải pháp và thuật toán điều khiển của hệ thống
Hình 10: Nguyên lý hoạt động của hệ thống
Thiết bị quan trắc không khí – cảnh báo cháy nổ, khí độc cacbon monoxit, được thiết kế nhằm cảnh báo nhanh nhất sự rò rỉ hay bất kể dấu hiệu nguy hiểm nào của LPG, i-butan, Propane, Methane, Alcohol, Metan, Hydrogen,
CO, Smoke… Gồm các chức năng chính: cung cấp thông tin nhiệt độ, độ ẩm, phân tích chất lượng không khí, mật
độ khí dễ cháy, khí độc và khí gây ngạt, khói, bụi… rồi từ
đó hiện thị trên giao diện người dùng trên Cayenne Thiết bị sẽ đọc dữ liệu từ sensors gửi về Gateway được mã hóa qua Thethingsnetwork và được hiện thị trên trạm điều khiển Cayenne
Trang 55 HỘI NGHỊ TỔNG KẾT HOẠT ĐỘNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ NHÓM SRT NĂM HỌC 2019-2020
Hình 11: Dữ liệu truyền nhận trên Thethingsnetwork
5 Kết quả
Sau một thời gian dài tìm hiểu và nghiên cứu xây
dựng ý tưởng và bắt tay vào thực hiện Nhóm tác giả đã
hoàn thành đề tài “Thiết bị quan trắc không khí – cảnh
báo cháy nổ, khí độc cacbon monoxit” Dữ liệu đo đạt
được hiển thị trên Web và App như hình 12 và hình 13
Hình 12: Giao diện máy chủ
Hình 13: Giao diện app trên điện thoại
Nhìn chung, hệ thống hoạt động ổn định, cập nhật trạng thái nhanh, kịp thời Tuy nhiên thiết bị cần hoàn thiện về mặt thẩm mỹ, cần được làm gọn và tối ưu nhất có thể và cần được nghiên cứu và phát triển thêm
6 Kết luận
Trong bài báo này, chúng tôi trình bày việc thực hiện thiết bị quan trắc không – cảnh báo cháy nổ, khí độc cacbon monoxit Trong thiết bị này, chúng tôi sử dụng phương thức truyền gửi không dây LoRaWan để truyền gửi dữ liệu trong thành phố, tòa nhà,… trong phạm vi rộng Trong đó là việc thu thập dữ liệu không khí nhắm giảm thiểu những hậu quả do ô nhiễm không khí – khí độc, khí gây ngạt, khí dễ cháy, bụi gây ra
Tài liệu tham khảo
[1] Eyuel D Ayele, Chiel Hakkenberg, Jan Pieter Meijers, Kyle Zhang, Nirvana Meratnia, Paul J.M Havinga, Performance Analysis
of LoRa Radio for an Indoor IoT Application, 2017 International Conference on Internet of Things for the Global Community
(IoTGC), 10-13 July 2017.
[2] Phí Thị Thu, Phân tích và đánh giá hiệu năng mạng vô tuyến công
suất thấp cự ly xa LPWAN, Học viện công nghệ bưu chính viễn thông, Năm 2017
[3] Davide Magrin, Marco Centenaro, and Lorenzo Vangelist, Performance Evaluation of LoRa Networks in a Smart City
Scenario, IEEE ICC 2017 SAC Symposium Internet of Things Track,
21-25 May 2017 [4] Fabien Ferrero; Librairies for LoRA;
https://github.com/FabienFerrero/UCA_Board