Essay nghiên cứu chế tạo hệ Đo Đạc và cảnh báo Đa thông số môi

Nghiên cứu chế tạo hệ đo đạc và cảnh báo đa thông số môi Nghiên cứu chế tạo hệ đo đạc và cảnh báo đa thông số môi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA VẬT LÝ

-o0o -BÁO CÁO CUỐI KỲ MÔN TIỂU LUẬN

TÊN ĐỀ TÀINGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ ĐO ĐẠC VÀ CẢNH BÁO ĐA THÔNG SỐ MÔI

TRƯỜNG NƯỚC DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ IOT

Giáo viên hướng dẫn: TS Phạm Văn ThànhSinh viên thực hiện: Lê Hoàng Dương

Hà Nội, 29, tháng 12, năm 2023.

I.Giới thiệu

Ô nhiễm môi trường nước đang có xu hướng gia tăng vă lă vấn đề đângbâo động ở Việt Nam vă trín toăn thế giới Nguồn nước sạch dùng trong sinhhoạt của con người ngăy căng cạn kiệt Theo bâo câo ô nhiễm môi trường nướccủa UNEP, có tới 60% dòng sông của chđu  – Đu – Phi bị ô nhiễm sinh vật vẵ nhiễm hữu cơ Riíng tại Hă Nội, khoảng 350 – 400 nghìn m3 nước thải vă hơn1.000m3 râc thải xả ra mỗi ngăy, nhưng chỉ 10% được xử lý, số còn lại xả trựctiếp văo sông ngòi gđy ô nhiễm nước khiến câ chết hăng loạt ở Hồ Tđy, mức độô nhiễm rộng khắp 6 quận

Ngoăi vấn đề ô nhiễm, vấn đề về quản lý về chất lượng vă mức độ sửdụng nước ở từng hộ gia đình cũng rất đâng quan tđm Trín địa băn TP.HCMhiện có khoảng 1,4-1,5 triệu đơn vị đồng hồ nước được Tổng công ty cấp nướcSăi Gòn (SAWACO) quản lý, nhưng việc thống kí lượng nước tiíu thụ hằngthâng vẫn được thủ công thực hiện trực tiếp tại địa điểm gắn đồng hồ đo dẫn đếntình trạng số liệu đo đếm chưa thực sự chính xâc bởi văi lý do khâch quan lẫnchủ quan Từ hai vấn đề lớn kể trín, có thể nói việc xđy dựng một hệ thống đolường vă giâm sât môi trường nước đang lă một đề tăi ngăy căng cấp thiết

II.Mục tiíu

Đê có nhiều câc đề tăi nghiín cứu về câc hệ thống đo đa thông số môitrường nước ứng dụng công nghệ IoT, tuy nhiín phần lớn câc nghiín cứu trướcđó đều tồn tại một số yếu điểm, như chủ yếu chỉ đo 1 thông số, chưa có khảnăng truyền theo thời gian thực, tín hiệu kĩm ổn định, giâ thănh còn cao haychưa có khả năng triển khai trong môi trường thực tế, …

Từ câc vấn đề kể trín, đề tăi năy sẽ hướng đến việc nghiín cứu chế tạo rahệ thống có khả năng đo 1 số câc thông số của môi trường nước, có khả năngthu thập dữ liệu theo thời gian thực; dữ liệu sau đó sẽ được gửi lín hệ thốngIOT, được lưu trữ, xử lý vă gửi cảnh bâo khi có 1 thông số ở mức nguy hiểm

III.Các vấn đề cần tìm hiểu

1 Tìm hiểu khái quát về IoT (Internet of Things)IoT là tên viết tắt của Internet of Things có nghĩa là Internet vạn vật, làmột hệ thống các thiết bị tính toán có liên quan với nhau, máy móc cơ khí, kỹthuật số hoặc con người được cung cấp một mã nhận dạng duy nhất (UID) vàkhả năng truyền dữ liệu qua mạng mà không yêu cầu sự tương tác giữa conngười với máy tính

Một hệ thống IoT sẽ bao gồm 4 thành phần chính đó là:- Things: Thiết bị

- Gateway: Trạm kết nối.- Network and Cloud: Hạ tầng mạng.- Services-creation and Solution Layers: Bộ phân tích và xử lý dữ

liệu.Cảm biến sẽ có nhiệm vụ chính là cảm nhận các tín hiệu từ môi trường vàsau đó chuyển thành các dạng dữ liệu trong môi trường Internet Tiếp đó, các tínhiệu sẽ được xử lý và đưa ra kết quả theo ý muốn của người tiêu dùng

2 Nguyên lý hoạt động của các cảm biếnCó rất nhiều các loại cảm biến khác nhau với các nguyên lý hoạt độngkhác nhau cùng để đo một thông số Trong phạm vi của đề tài này, ta sẽ chỉ quantâm đến một số cảm biến cụ thể và khái quát về nguyên lý hoạt động của chúng

2.1 Cảm biến đo nhiệt độ DS18B20a Nguyên lý hoạt động

DS18B20 là cảm biến nhiệt độ bán dẫn Cảm biến nhiệt độ bán dẫnhoạt động dựa trên sự thay đổi điện trở hoặc dòng điện của vật liệu bándẫn khi bị nung nóng Khi nhiệt độ tăng lên, số điện tử trong vật liệu bán

dẫn sẽ tăng, làm tăng điện trở hoặc dòng điện của vật liệu Cảm biến nhiệtđộ sẽ đo và đưa ra giá trị nhiệt độ tương ứng.

b Cảm biến DS18B20Các thông số kỹ thuật của cảm biến như sau:

Chuẩn giao tiếp 1-Wire được nghiên cứu và phát triển bởi DallasSemiconductor (Maxim), sử dụng 1 dây để cấp nguồn, truyền và nhận dữliệu; là chuẩn giao tiếp không đồng bộ và bán song công (half-duplex);làm việc theo mô hình 1 Master – nhiều Slave.

Độ phân giải của DS18B20 có thể điều chỉnh được (9, 10, 11 hoặc12 bits; tương ứng lần lượt với 0.5°C, 0.25°C, 0.125°C, or 0.0625°C ), vớichế độ đọc 12 bits là mặc định của nhà sản xuất

Bảng dưới đây mô tả mối quan hệ giữa dữ liệu đầu ra và nhiệt độđo được:

2.2 Cảm biến đo độ đục TS-300Ba Khái niệm độ đục và nguyên lý đo

Độ đục là hiện tượng đục của một môi trường chất lỏng và đượcđịnh lượng bởi cường độ ánh sáng bị tán xạ bởi các hạt lơ lửng (các vậtliệu không tan trong nước, như đất sét, bùn tảo, …) Phép đo độ đụckhông đo trực tiếp nồng độ các hạt lơ lửng trong nước mà đo sự tán xạánh sáng gây ra bởi các hạt đó

Độ đục có ảnh hưởng quan trọng trong quản lý môi trường cũngnhư sức khỏe con người Việc kiểm tra độ đục trong nước sẽ giúp chúngta đưa ra các phương pháp xử lý, cải thiện nguồn nước đảm bảo an toàn vàđúng mục tiêu đề ra

Cảm biến sử dụng nguyên lý quang học để xác định toàn diện độđục bằng tốc độ truyền qua và tán xạ trong dung dịch Bên trong cảm biếnlà một ống cặp hồng ngoại Khi ánh sáng truyền qua một lượng nước nhấtđịnh, lượng ánh sáng truyền qua phụ thuộc vào mức độ ô nhiễm của nước.Nước càng bẩn thì ánh sáng truyền qua càng ít Đầu nhận ánh sáng

chuyển cường độ ánh sáng truyền qua thành cường độ dòng điện tươngứng, ánh sáng truyền qua có cường độ lớn thì cường độ dòng điện lớn,ánh sáng truyền qua nhỏ và cường độ dòng điện nhỏ

b Cảm biến đo độ đục TS-300B

Các thông số kỹ thuật của cảm biến như sau

Thời gian đáp ứng <500msNhiệt độ hoạt động - 20 ° C ~ 90 ° CĐầu ra Analog: 0 ~ 4.5V 0 ~ 4.5V

Giao tiếp cảm biến Đầu nối XH2.54Module cảm biến độ đục chuyển tín hiệu dòng điện đầu ra bởi cảmbiến thành tín hiệu điện áp và thực hiện xử lý dữ liệu chuyển đổi AD bằngmáy vi tính chip đơn Mô-đun có giao diện đầu ra Analog và Digital Giátrị Analog có thể được lấy mẫu bằng bộ chuyển đổi A / D của bộ vi điềukhiển để biết được mức độ nhiễm bẩn của nước hiện tại

2.3.Cảm biến đo nồng độ chất rắn hòa tan (TDS) SEN0244a Khái niệm TDS và nguyên lý đo TDS

TDS (đơn vị: ppm - part/million) là viết tắt của “Total DissolvedSolids”, hay tổng lượng chất rắn hòa tan TDS bao gồm các muối vô cơ vàlượng nhỏ các chất hữu cơ hòa tan trong nước, bao gồm các ion kim loạinặng tồn tại dưới dạng ion và phân tử

Chỉ số TDS càng nhỏ thì nước càng sạch, nhưng nếu nhỏ quá mứcthì nước gần như không có khoáng chất, tuy nhiên không phải chỉ số TDScao là nước bẩn TDS không được coi là chỉ số gây ô nhiễm, nó là chỉ sốtổng hợp về sự hiện diện của các hợp chất hóa học

Nguyên lý đo TDS là đo độ dẫn điện của nước (liên quan trực tiếpđến nồng độ chất rắn ion hóa hòa tan trong nước, sai số ~10%) Khi đógiá trị TDS được tính như sau:

TDS = ke.ECTrong đó ke là hệ số, dao động từ 0,55 đến 0,8; EC là độ dẫn điện ở25oC.

Sau khi có được giá trị TDS, ta sẽ so với thang đo ở dưới đây đểxem xét chất lượng mẫu nước được đo đạc

b Cảm biến đo TDS SEN0244

Các thông số kỹ thuật của cảm biến SEN0244 như sau:

Tín hiệu đầu ra Analog 0V - 2.3V

Dải đo TDS 0 - 1000ppm

3 Tìm hiểu về Module Wifi ESP8266

ESP8266 NodeMCU là một nền tảng IoT mã nguồn mở, được phát triểnbởi một nhóm kỹ sư tại Trung Quốc Nền tảng này được xây dựng trên

ESP8266, một vi điều khiển Wi-Fi SoC (System on a Chip) được sản xuất bởiEspressif Systems NodeMCU cung cấp một bộ SDK để lập trình cho ESP8266bằng ngôn ngữ Lua hoặc C++ Với các tính năng như Wi-Fi, GPIO, ADC, I2C,SPI, PWM và một số tính năng khác, NodeMCU ESP8266 được sử dụng rộngrãi trong các ứng dụng IoT như kiểm soát thiết bị, thu thập dữ liệu và giao tiếpvới các thiết bị khác

Thông số kỹ thuật

Giao diện mạng TCP/IP

Hỗ trợ các giao thức MQTT, CoAP, HTTP/HTTPSSơ đồ chân ESP8266 NodeMCU

IV Mô tả chi tiết hệ thống

Hệ thống được kết nối nhằm thực hiện 2 nhiệm vụ chính:1 Trạm quan trắc môi trường nước, đo các thông số nhiệt độ, độ đục,

TDS, từ đó xử lý và truyền các dữ liệu lên server thingspeak.com vàmàn hình LCD 16x2

2 Người dùng có thể truy cập dữ liệu được ghi lại theo thời gian thực;gửi tin nhắn cảnh báo đến người dùng khi có thông số đạt mứcnguy hiểm

Các thành phần chính của hệ thống gồm- Module Wifi ESP8266 NodeMCU

- Cảm biến nhiệt độ DS18B20- Cảm biến độ đục TS-300B- Cảm biến nồng độ chất rắn hòa tan (TDS) SEN0244- LCD 16x2

- Nguồn 1 chiều 5V DCSơ đồ khối của hệ thống như sau:

Lưu đồ thuật toán của hệ thống như sau:

V Kết luận

Nghiên cứu này đã đề xuất và thực nghiệm hệ thống đo lường và gửi cảnhbáo đối với môi trường nước ứng dụng nền tảng IOT gồm các cảm biến đo biệtđộ, độ đục, nồng độ chất rắn hòa tan Hệ có khả năng đo online các thông số vàtruyền dữ liệu thu thập được lên trang web thingspeak.com Hệ thống có khảnăng cảnh báo khi một trong các thông số vượt chuẩn

TÀI LIỆU THAM KHẢO

TS Đỗ Trung Kiên, Báo cáo tóm tắt: Nghiên cứu chế tạo hệ thống giám sát vàcảnh báo thông số môi trường không khí vào nước (2023)

DS18B20 datasheet, Dallas Semiconductor, link: