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
1 HỘI NGHỊ TỔNG KẾT HOẠT ĐỘNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ NHÓM SRT NĂM HỌC 2019-2020 THIẾT BỊ QUAN TRẮC KHƠNG KHÍ – CẢNH BÁO CHÁY NỔ, KHÍ ĐỘC CACBON MONOXIT AIR MONITORING EQUIPMENT – WARNING EXPLOSION AND CACBON MONOXIDE Lê Đặng Thái Phong1, Nguyễn Văn Linh1, Nguyễn Trọng Nhiên1, Đoàn Văn Thắng2, Trần Trung Tín2 1Lớp 17TDH1, 2Lớp 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 Abstract Trong báo này, chúng tơi trình bày việc thiết kế, chế tạo In this article, we present the design and manufacture of air monitoring equipment - warning of fire, toxic carbon monoxide thiết bị quan trắc khơng khí – cảnh báo cháy nổ, khí độc cacbon Equipment designed to alert the fastest leakage or any signs of monoxit Thiết bị thiết kế nhằm cảnh báo nhanh rò rỉ hay danger of LPG, i-butane, Propane, Methane, Alcohol, Methane, dấu hiệu nguy hiểm LPG, i-butan, Propane, Hydrogen, CO, Smoke Including the main functions: providing Methane, Alcohol, Metan, Hydrogen, CO, Smoke… Gồm information information of temperature, humidity, analysis of air chức chính: cung cấp thơng tin nhiệt độ, độ ẩm, phân tích quality, density of combustible gases, toxic gases and gas chất lượng khơng khí, mật độ khí dễ cháy, khí độc khí gây causing asphyxiation, smoke, dust and from there displayed on ngạt, khói, bụi… từ thị giao diện người dùng the user interface Từ khóa: LoRa; LoRaWan; Quan trắc khơng khí; Internet of Key words: LoRa; LoRaWan; Air monitoring; Internet of Things; Wireless network; Thành phố thông minh Things; Wireless network; Smart city Đặt vấn đề Ngày nay, nhiễm khơng khí coi kẻ giết người vơ hình thầm lặng Năm 2019, Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) ước tính nhiễm khơng khí “thủ phạm” gây triệu ca tử vong sớm năm toàn cầu Carbon monoxide khí độc, khơng có mùi thấy ngửi khí giết người vài phút Carbon monoxide tạo chất đốt khí đốt (ga), dầu nhớt, dầu lửa, củi, than đốt lên Mỗi năm, hàng trăm người bị chết đột ngột khí carbon monoxide gây từ máy móc khơng sử dụng cách từ máy bị hư hỏng Khí carbon monoxide tích tụ nhanh đến mức nạn nhân bị ngất trước họ kêu cứu Tại Việt Nam với phát triển trình cơng nghiệp hóa ngành dịch vụ khác làm cho tình trạng nhiễm khơng khí, nhiễm khí độc diễn biến ngày nghiêm trọng Tại khu vực tòa nhà, phân xưởng, nhà ga,… Hằng năm thường xuyên xảy vụ ngộ độc khí, rị rỉ khí gas gây cháy nổ.Trong đó, việc giám sát mơi trường khơng khí thường đặt trạm quan trắc với số lượng cảm biến giới hạn Các số liệu thu được dùng cho quan chuyên môn giới hạn lượng liệu Do đó, người dân thường khơng biết tình hình chất lượng khơng khí nơi sinh sống làm việc Với ý tưởng nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị quan trắc khơng khí – cảnh báo cháy nổ, khí độc cacbon monoxit, nhằm hạn chế hậu đáng tiếc người mà khí độc, khí dễ cháy, khói bụi gây Lê Đặng Thái Phong, Nguyễn Văn Linh, Nguyễn Trọng Nhiên, Đồn Văn Thắng, Trần Trung Tín LoRa công nghệ không dây phát triển phép truyền liệu tốc độ thấp khoảng cách lớn cảm biến truyền động cho M2M IoT ứng dụng IoT LoRa hướng tới kết nối M2M khoảng cách lớn Nó hỗ trợ liên lạc khoảng cách lên tới 15 – 20 km, với hàng triệu node mạng [1] Nó hoạt động băng tần khơng phải cấp phép, với tốc độ thấp từ 0,3kbps đến khoảng 30kbps [2] Với đặc tính này, mạng LoRa phù hợp với thiết bị thông minh trao đổi liệu mức thấp trì thời gian dài Thực tế thiết bị LoRa trì kết nối chia sẻ liệu thời gian lên đến 10 năm với lượng pin Một mạng LoRa cung cấp vùng phủ sóng tương Hình 2: Mơ hình IoT sử dụng mạng không dây LoRa tự mạng di động Trong số trường hợp, ăng-ten Lora kết hợp với ăng-ten di động • Khối Gateway (khối điều khiển chính): sử dụng máy tần số gần nhau, giúp tiết kiệm đáng kể tính nhúng Raspberry Pi3 để nhận liệu gửi tín hiệu chi phí Cơng nghệ không dây LoRa đánh giá lý điều khiển tới node cảm biến thơng qua mạng Lora, ngồi tưởng để sử dụng loạt ứng dụng, bao gồm: qua giao tiếp wifi bluetooth Dữ liệu định lượng thông minh, theo dõi hàng tồn kho, giám sát gửi lên web server thông qua giao thức MQTT liệu máy bán hàng tự động, ngành công nghiệp ô tô, ứng dụng tiện ích lĩnh vực mà • Các sensor node: sử dụng mạng LoRa để truyền cần báo cáo kiểm soát liệu nhận từ khối Gateway Trong báo này, liệu gửi từ máy chủ gửi xuống Gateway gửi end node LoRaWAN hoạt động dải ISM cấp miễn phí Chuẩn băng tần ISM dành cho băng tần vô • Server: Hiển thị giao diện người dùng, xây dựng tuyến ngành công nghiệp, khoa học y tế Tại Mỹ sử điều khiển lưu trữ giá trị để đánh giá khả hoạt dụng băng tần 902-928MHz, Châu Âu 868 MHz [3] động hệ thống chức điều khiển thiết bị Với ưu điểm vượt trội LoRa mang lại, giới ứng dụng chuẩn không dây LoRa thay cho 3.2 Gateway LoRa chuẩn không dây cũ vào nhiều ứng dụng outdoor indoor trước Smart Campus, Smart Home, Smart Gateway LoRa sử dụng máy tính nhúng Raspberry Pi Parking, Air Pollution Monitoring, giao tiếp với module LoRa RFM95W hình Các thông số thiết lập cho Gateway Node LoRa cấu Tổng quan hệ thống hình thể bảng Ứng dụng Lora quan trắc khơng khí – cảnh báo cháy nổ, khí độc cacbon monoxit thể hình Trong đó, Lora sử dụng để truyền gửi nhận liệu Chúng sử dụng thuật toán chạy vi điều khiển Arduino để truyền gửi liệu từ sensor node, liệu gửi lên web server, app thông qua giao thức MQTT Hình 3: Sơ đồ kết nối hình ảnh Gateway LoRa Bảng 1: Thơng số cấu hình cho Gateway Node Lora Hình 1: Sơ đồ tổng quát hệ thống đề xuất Thiết lập mơ hình 3.1 Đề xuất mơ hình vào LoRa IoT Mơ hình sử dụng mạng LoRa IoT thể Hình bao gồm ba khối chính: HỘI NGHỊ TỔNG KẾT HOẠT ĐỘNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ NHÓM SRT NĂM HỌC 2019-2020 Chip LoRa sử dụng SX1276 Semtech Thông số Gateway Node Đây chuẩn sử dụng chip trải phổ làm điều chế để truyền Module LoRa RFM95W RFM95W tín hiệu với khoảng cách xa Hệ số trải phổ SF xác định số Semtech Semtech lượng tín hiệu chip mã hóa tín hiệu điều chế tần LoRa chip SX1276 SX1276 số (chipped signal) liệu Ví dụ SF=12 có nghĩa 868 MHz 868 MHz mức logic tín hiệu chip điều chế mã Tần số 125 kHz 125 kHz hóa 12 xung tín hiệu chip Băng thông 14 dBm 14 dBm Đối với hệ thống mạng không dây thông thường (BW) LoRa LoRa yêu cầu tỷ lệ lỗi bit BER phải nhỏ 10-03 Hình cho Công suất phát thấy hệ số trải phổ SF cao đường cong BER 12 12 dốc Tại SNR=-20dBm, ta thấy xác suất lỗi bít BER Điều chế hệ số trải phổ SF tăng dần từ SF12 đạt giá trị nhỏ Hệ số trải phổ 4/8 4/8 (khoảng 10-5.5) SF7 có BER lớn (xấp xỉ 1) (SF) Tốc độ mã hóa (CR) Hình 4: BER theo giá trị SF khác với kênh truyền vô Hình 5: LoRa module tuyến sử dụng LoRa [2] Bảng 2: Sơ đồ kết nối Arduino LoRa node Hệ số trải phổ SF=12 thường dùng cho thiết Arduino Pro Mini LoRa RFM95W bị xa Gateway bị che chắn tường tòa nhà SF=7 thường sử dụng cho thiết bị gần Gateway Vì D8 RST với ứng dụng cho IoT tầm xa này, nhóm tác giả chọn giá trị SF=12 để đảm bảo tỷ lệ lỗi bit BER cho mạng MISO (D12) MISO LoRa MOSI (D11) MOSI LoRa sử dụng ba băng thông BW 125kHz, 250kHz 500kHz Nếu băng thông rộng thời gian mã SCK (D13) CLK hóa tín hiệu ngắn, từ thời gian truyền liệu giảm xuống đổi lại khoảng cách truyền SS (D10) SEL (Chip Select) ngắn lại Vì liệu từ cảm biến khơng địi hỏi băng thơng lớn mà cần truyền với khoảng cách xa nên D2 DIO0 BW=125 kHz chọn mơ hình thử nghiệm D7 DIO1 CR số lượng bít tự thêm vào trọng tải gói tin LoRa, LoRa chipset để mạch nhận D9 DIO2 sử dụng để phục hồi lại số bít liệu nhận sai từ phục hồi nguyên vẹn liệu tải trọng Do 3.3V Vcc đó, sử dụng CR cao khả nhận liệu tăng, bù lại chip LoRa phải gửi nhiều Anten LoRa in mạch PCB thiết liệu làm tăng thời gian truyền liệu kế Trường Đại học Université Cơte d'Azur (UCA), tần khơng khí số cộng hưởng Anten điều chỉnh từ 845- 9550MHz 3.3 LoRa End Node 3.3.1 Cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11 LoRa Sensor Node: Truyền công nghệ không dây LoRa sử dụng module Lora RFM95W, truyền Hình 6: Sơ đồ cảm biến DHT11 nhận liệu từ Gateway LoRa node sử dụng vi điều khiển Arduino pro mini giao tiếp với LoRa RFM95W tích hợp bỏad Hình 5, thơng số kết nối cho Aduino pro mini LoRa RFM95W thể bảng Lê Đặng Thái Phong, Nguyễn Văn Linh, Nguyễn Trọng Nhiên, Đồn Văn Thắng, Trần Trung Tín Hình 7: Sơ đồ kết nối vi điều khiển với DHT11 Hình 9: Cấu tạo cấu trúc cảm biến khí MQ Cảm biển nhiệt độ độ ẩm DHT11 (Hình 6) kết Trong số đầu dây, đầu (H) chịu trách nhiệm làm nối theo sơ đồ hình Sau giao tiếp với khối nóng phần tử cảm biến kết nối thơng qua cuộn điều khiển, cảm biến DHT11 trả giá trị nhiệt độ Niken-Crom hợp kim dẫn điện tiếng Bốn đầu lại độ ẩm dạng 40 bit liệu, tương ứng chia làm (A&B) chịu trách nhiệm tín hiệu đầu kết nối byte Trong đó: cách sử dụng Platinum Wires Phần tử cảm biến hình ống tạo thành từ gốm dựa Nhôm Oxide Byte 1: giá trị phần nguyên độ ẩm có lớp phủ Tín Dioxide Byte 2: giá trị phần thập phân độ ẩm Khi tín dioxide nung nóng khơng khí nhiệt độ cao, oxy hấp thụ bề mặt khơng khí Byte 3: giá trị phần nguyên nhiệt độ sạch, donor electrons Tin dioxit thu hút phía oxy hấp thu bề mặt vật liệu cảm biến Điều Byte 4: giá trị phần thập phân nhiệt độ ngăn chặn dòng điện Khi khơng khí nhiễm, mật độ bề mặt oxy bị hấp thụ giảm Các electron sau Byte 5: kiểm tra tổng giải phóng vào Tin dioxit, cho phép dịng điện chạy qua cảm biến Nếu (Byte 5) = ( Byte + Byte + Byte + Byte 4) giá trị độ ẩm nhiệt độ xác 3.4 Xây dựng khối Webserver 3.3.2 Cảm biến bụi Sharp GP2Y10 (Dust Sensor) Khối server xây dựng hoạt động cloud Nhiệm vụ khối server nhận liệu phân tích đánh giá gói liệu truyền từ Gateway thơng qua giao thức MQTT Giải pháp thuật toán điều khiển hệ thống Hình 8: Cảm biến bụi Sharp GP2Y10 Hình 10: Nguyên lý hoạt động hệ thống Cảm biến bụi cấu tạo ba thành phần chính: Thiết bị quan trắc khơng khí – cảnh báo cháy nổ, khí IR LED, Phototransistor, Amplifier IR LED độc cacbon monoxit, thiết kế nhằm cảnh báo nhanh Phototransistor phận dùng để truyền nhận hồng rò rỉ hay dấu hiệu nguy hiểm LPG, ngoại đặt chệch gốc với Khi có bụi bay i-butan, Propane, Methane, Alcohol, Metan, Hydrogen, vào, tia hồng ngoại từ IR LED bị dội vào CO, Smoke… Gồm chức chính: cung cấp thơng Phototransistor, lúc điện áp từ phototransistor tin nhiệt độ, độ ẩm, phân tích chất lượng khơng khí, mật đưa đến mạch khuếch đại (Amplifier) xuất chân Vo độ khí dễ cháy, khí độc khí gây ngạt, khói, bụi… từ thị giao diện người dùng Cayenne 3.3.3 Cảm biến khí MQ (MQ2, MQ7, MQ135, …) Thiết bị đọc liệu từ sensors gửi Gateway Cảm biến khí có độ nhạy cao với LPG, CO, Propane mã hóa qua Thethingsnetwork thị Hydrogen, mê-tan (CH4) dễ bắt lửa khác trạm điều khiển Cayenne MQ135 thường dùng thiết bị kiểm tra chất lượng không khí bên cao ốc, văn phịng, thích hợp để phát NH3, NOx, Ancol, Benzen, khói, CO2,… HỘI NGHỊ TỔNG KẾT HOẠT ĐỘNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ NHÓM SRT NĂM HỌC 2019-2020 Hình 13: Giao diện app điện thoại Nhìn chung, hệ thống hoạt động ổn định, cập nhật trạng thái nhanh, kịp thời Tuy nhiên thiết bị cần hoàn thiện mặt thẩm mỹ, cần làm gọn tối ưu có thể cần nghiên cứu phát triển thêm Kết luận Hình 11: Dữ liệu truyền nhận Thethingsnetwork Trong báo này, chúng tơi trình bày việc thực thiết bị quan trắc khơng – cảnh báo cháy nổ, khí độc Kết cacbon monoxit Trong thiết bị này, sử dụng phương thức truyền gửi không dây LoRaWan để truyền Sau thời gian dài tìm hiểu nghiên cứu xây gửi liệu thành phố, tòa nhà,… phạm vi dựng ý tưởng bắt tay vào thực Nhóm tác giả rộng Trong việc thu thập liệu khơng khí nhắm hồn thành đề tài “Thiết bị quan trắc khơng khí – cảnh giảm thiểu hậu nhiễm khơng khí – khí báo cháy nổ, khí độc cacbon monoxit” Dữ liệu đo đạt độc, khí gây ngạt, khí dễ cháy, bụi gây hiển thị Web App hình 12 hình 13 Tài liệu tham khảo [1] Eyuel D Ayele, Chiel Hakkenberg, Jan Pieter Meijers, Kyle Zhang, Nirvana Meratnia, Paul J.M Havinga, Performance Analysis Hình 12: Giao diện máy chủ 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 đánh giá hiệu mạng vô tuyến công suất thấp cự ly xa LPWAN, Học viện công nghệ bưu 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