Xây dựng phương pháp chuẩn hóa đầu đo khí ứng dụng trong mạng cảm biến không dây (WSN- Wireless Sensor Network) để giám sát môi trường

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ******o0o****** VŨ VĂN PHƢƠNG XÂY DỰNG PHƢƠNG PHÁP CHUẨN HĨA ĐẦU ĐO KHÍ ỨNG DỤNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY (WSN – WIRELESS SENSOR NETWORK) ĐỂ GIÁM SÁT MÔI TRƢỜNG LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Hà Nội, năm 2013 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ******o0o****** VŨ VĂN PHƢƠNG XÂY DỰNG PHƢƠNG PHÁP CHUẨN HÓA ĐẦU ĐO KHÍ ỨNG DỤNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY (WSN – WIRELESS SENSOR NETWORK) ĐỂ GIÁM SÁT MÔI TRƢỜNG Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Vƣơng Đạo Vy Hà Nội, năm 2013 MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC .ii MỞ ĐẦU CHƢƠNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY (WSN) 1.1 Giới thiệu chung: 1.2 Các ứng dụng mạng cảm biến không dây: 1.3 Cấu trúc WSN: 1.3.1 Cấu trúc WSN với kiểu lưu trữ liệu tập trung: 1.3.2 Cấu trúc WSN với kiểu lưu trữ liệu phân tán : 1.4 Cấu tạo phân loại nút mạng 1.4.1 Cấu tạo nút mạng cảm biến không dây 1.4.2 Phân loại nút mạng cảm biến 1.5 Đầu đo khí độc ứng dụng mạng cảm biến khơng dây: 1.5.1 Ảnh hưởng số khí độc đến mơi trường sống 1.5.2 Một số đầu đo khí độc 12 CHƢƠNG PHA CHẾ VÀ KIỂM THỬ NỒNG ĐỘ KHÍ PHỤC VỤ CHO VIỆC CHUẨN HĨA ĐẦU ĐO KHÍ ĐỘC 19 2.1.Đặt vấn đề: 19 2.2.Xây dựng quy trình chế tạo nồng độ khí 19 2.2.1.Các bước chế tạo nồng độ khí: 19 2.2.2.Ứng dụng chế tạo khí CO 0.2% thành nồng độ thấp: 20 2.2.3.Tính khối lượng khí theo nồng độ phần trăm: 21 2.3.Xây dựng Quy trình chuẩn kiểm nghiệm mẫu khí: 24 2.3.1.Cơ sở lý thuyết: 24 2.3.2.Phương pháp xây dựng đường chuẩn: 25 2.3.2.1 Giới thiệu máy trắc quang DR5000: 26 2.3.2.2 Quy trình xây dựng đường chuẩn: 26 2.3.3.Xây dựng đường chuẩn để chuẩn hóa nhanh đầu đo khí độc CO: 27 2.4.1.Cơng tác chuẩn bị: 27 2.4.2.Các bước xây dựng đường chuẩn: 28 2.5.Thí nghiệm kiểm thử quy trình pha trộn khí: 33 CHƢƠNG ĐẦU ĐO KHÍ ĐỘC CO VÀ KIỂM THỬ CHUẨN HĨA ĐẦU ĐO 36 3.1.Đặt vấn đề: 36 3.2.Đầu đo khí độc CO 36 3.2.1 Cảm biến điện hóa 36 3.2.2 Cảm biến khí CO-AF 38 3.2.3 Mạch điều khiển cảm biến khí CO-AF 40 3.3.Chuẩn hóa đầu đo khí độc CO: 41 3.3.1 Đo thử nghiệm lần đầu 42 3.3.2 Hiệu chỉnh đầu đo khí CO 44 KẾT LUẬN 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 PHỤ LỤC 52 MỞ ĐẦU Trong năm gần đây, mạng cảm biến không dây (WSN – Wireless Sensor Network) đầu tư nghiên cứu phát triển mạnh mẽ Nó ứng dụng hầu hết lĩnh vực xã hội mang lại kết to lớn Trong ứng dụng quan trọng thiết thực mạng cảm biến không dây giới quan tâm đo đạc cảnh báo khí độc mơi trường Chính vậy, thời gian qua có nhiều cơng trình nghiên cứu chế tạo đầu đo khí độc để ghép nối với nút mạng cảm biến không dây thực nhiệm vụ đo đạc cảnh báo nồng độ khí độc môi trường mức độ ảnh hưởng đến sức khỏe người Một công việc quan trọng sau chế tạo xong đầu đo cần phải đánh giá hoạt động độ xác Việc địi hỏi phải có nồng độ khí độc khác phục vụ cho việc đánh giá chuẩn hóa đầu đo trước đưa vào ứng dụng thực tế Như vậy, với mong muốn chế tạo nồng độ khí thấp dải từ an tồn đến độc hại người để phục vụ cho việc chuẩn hóa đầu đo khí Đồng thời kiểm thử chuẩn hóa đầu đo khí cho mạng cảm biến khơng dây Luận văn “Xây dựng phương pháp chuẩn hóa đầu đo khí ứng dụng mạng cảm biến khơng dây (WSN – Wireless Sensor Network) để giám sát môi trường” giới thiệu quy trình chế tạo khí độc có nồng độ khác nhau, đồng thời trình bày phần thí nghiệm thực tế việc pha trộn kiểm nghiệm khí độc CO nồng độ 0,2% Trên sở thử nghiệm chuẩn hóa đầu đo khí độc CO cho mạng cảm biến không dây Bản luận văn gồm chương nội dung, phần mở đầu, phần kết luận tài liệu tham khảo Cụ thể: Chương Tổng quan mạng cảm biến không dây giới thiệu qua mạng cảm biến không dây, ứng dụng mạng cảm biến không dây, cấu trúc mạng, cấu tạo, phân loại nút mạng đầu đo khí độc ứng dụng mạng Chương Pha chế kiểm thử nồng độ khí phục vụ cho việc chuẩn hóa đầu đo khí độc Chương giới thiệu quy trình pha chế nồng độ khí độc từ nồng độ cao cho trước phục vụ cho việc chuẩn hóa đầu đo khí độc, cách xác định trọng lượng khí từ nồng độ pha chế theo lý thuyết thơng qua thí nghiệm Đồng thời, trình bày bước xây dựng quy trình kiểm nghiệm mẫu khí với sai số nhỏ Chương Đầu đo khí độc CO kiểm thử chuẩn hóa đầu đo giới thiệu đầu đo khí độc CO-AF, mạch điều khiển cảm biến bước tiến hành chuẩn hóa đầu đo khí độc CO Ghép nối đầu đo với mạng cảm biến không dây đo kiểm thử Phần kết luận tổng kết công việc thực kết đạt được, đồng thời đề cập đến công việc hướng nghiên cứu tương lai Để hoàn thành luận văn nhờ hướng dẫn tận tình PGS.TS Vương Đạo Vy, thuộc Khoa Điện tử - Viễn thông, trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, người giúp đỡ em nhiều suốt trình thực luận văn Em xin chân thành gửi tới thầy lời cảm ơn sâu sắc Chƣơng MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY (WSN – Wireless Sensor Network) 1.1 Giới thiệu chung: Ngày với phát triển vượt bậc khoa học công nghệ, mạng cảm biến trở thành đề tài nghiên cứu nóng bỏng nhận nhiều tiến đáng kể Mạng cảm biến bao gồm thiết bị cảm biến phân bố cách ngẫu nhiên không gian, nhằm quan sát tượng vật lý, hay điều kiện môi trường,… vị trí khác Mạng hoạt động nguyên lý nút mạng cảm nhận thông số mơi trường cần đo sau tiến hành truyền liệu qua môi trường không dây trạm gốc (nút gốc), sở nút gốc đưa lệnh xử lý cần thiết truyền số liệu vào máy tính Bản thân nút gốc khơng thiết máy vi tính mà chế tạo với kích thước nhỏ, phù hợp với đặc thù ứng dụng cụ thể Hình 1.1 Mơ hình mạng WSN WSN liên kết nút với kết nối sóng vơ tuyến, nút mạng thường thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp có số lượng lớn, phân bố diện tích rộng, sử dụng nguồn lượng Hình 1.2 Nút mạng WSN pin, có thời gian hoạt động lâu dài (vài tháng đến vài năm) hoạt động mơi trường khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ không ổn định ) 1.2 Các ứng dụng mạng cảm biến không dây (WSN) Mạng cảm biến không dây ngày trở nên quan trọng ưu việt vượt trội nghiên cứu đưa vào sử dụng cho nhiều mục đích khác Cụ thể như: ứng dụng quân sự, khoa học, môi trường vùng chưa có trước mạng WSN 10 - Ứng dụng quân sự: Các mạng cảm biến không dây phần thiếu ứng dụng quân ngày với hệ thống mệnh lệnh, điều khiển, thu thập tin tức tình báo truyền thơng, tính tốn, theo dõi kẻ tình nghi, trinh sát tìm mục tiêu Các đặc tính triển khai nhanh chóng, tự tổ chức khả chịu đựng lỗi mạng cảm biến cho thấy công nghệ đầy triển vọng lĩnh vực quân Vì mạng cảm biến dựa sở triển khai dày đặc với node giá rẻ dùng lần, việc bị địch phá huỷ số node không ảnh hưởng tới hoạt động chung cảm biến truyền thống nên chúng tiếp cận chiến trường tốt Một số ứng dụng mạng cảm biến : kiểm tra lực lượng, trang bị, đạn dược, giám sát chiến trường, trinh sát vùng lực lượng địch, tìm mục tiêu, đánh giá thiệt hại trận đánh, trinh sát phát vũ khí hóa học - sinh học - hạt nhân (NCB) - Ứng dụng công nghiệp, thương mại đời sống: + Ứng dụng kiểm tra cấu trúc (tòa nhà, cầu, đường, máy móc…) động đất: Các cảm biến độ rung đặt rải rác mặt đất hay lòng đất, khu vực hay xảy động đất, hay gần núi lửa để giám sát cảnh báo sớm tượng động đất núi lửa phun trào + Điều khiển hệ thống chiếu sáng, đo độ ẩm, phát cảnh báo phòng cháy, chống rị rỉ khí,… + Điều khiển tự động thiết bị, robot,… + Giám sát rị rỉ phóng xạ điện hạt nhân, giám sát công nghiệp chế tạo bán dẫn giám sát cơng trình nghệ thuật bảo tàng, … + Mạng WSN giúp kỹ sư xây dựng mơ hình xác rò rỉ chất độc vào đất qua giám sát khu cơng nghiệp, đánh giá rị rỉ nhiễm vào đất + Ứng dụng gia đình: Trong lĩnh vực tự động hóa nhà ở, nút cảm biến đặt phịng để đo nhiệt độ Khơng thế, chúng cịn dùng để phát dịch chuyển phịng thơng báo lại thơng tin đến thiết bị báo động trường hợp khơng có nhà - Ứng dụng y tế giám sát sức khoẻ: Một số ứng dụng y tế mạng cảm biến cung cấp khả giao tiếp cho người khuyết tật; kiểm tra tình trạng bệnh nhân; chẩn đoán; quản lý dược phẩm bệnh viện; kiểm tra di chuyển chế sinh học bên trùng lồi sinh vật nhỏ khác; kiểm tra từ xa số liệu sinh lý người; giám sát, kiểm tra bác sĩ bệnh nhân bên bệnh viện - Cảm biến môi trường nông nghiệp: Một số ứng dụng môi trường mạng cảm biến bao gồm theo dõi di chuyển loài chim, lồi thú nhỏ, trùng; kiểm tra điều kiện môi trường 11 ảnh hưởng tới mùa màng vật ni; tình trạng nước tưới; cơng cụ vĩ mơ cho việc giám sát mặt đất phạm vi rộng thám hiểm hành tinh; phát hóa học, sinh học; tính tốn nơng nghiệp; kiểm tra mơi trường khơng khí, đất trồng, biển; phát cháy rừng; nghiên cứu khí tượng địa lý; phát lũ lụt; vẽ đồ sinh học phức tạp môi trường nghiên cứu ô nhiễm môi trường 1.3 Cấu trúc WSN 1.3.1 Cấu trúc WSN với kiểu lƣu trữ liệu tập trung: WSN thường triển khai phạm vi rộng, số lượng nút mạng lớn phân bố cách tương đối ngẫu nhiên, nút mạng di chuyển làm thay đổi sơ đồ mạng, WSN đòi hỏi topo mạng linh động (ad-hoc, mesh, star, ) nút mạng có khả tự điều chỉnh, tự cấu hình Tùy thuộc vào ứng dụng, thiết bị WSN hay khơng mạng với WSN tiến hành phân chia mạng diện rộng (hàng trăm, hàng ngàn nút) thành cụm (cluster) để ổn định topo mạng, đơn giản hóa giải thuật định tuyến (routing), giảm xung đột truy cập vào kênh truyền nên giảm lượng tiêu thụ, đơn giản hóa việc quản lý mạng cấp phát địa cho nút mạng (theo cluster) - Trong ứng dụng tập hợp liệu bản, có nút gọi nút sink Tất liệu từ nút cảm biến nguồn truyền trực tiếp đến Topo mạng đơn giản cho ứng dụng topo hình đơn hop Trong topo này, tất nút gửi liệu trực tiếp đến nút sink Hình 1.3 Mơ hình lƣu trữ liệu tập trung - Đối với mạng cài đặt công suất truyền thấp hay mạng triển khai diện rộng sử dụng topo hình đa hop Trong topo này, vài nút xem nút nguồn chúng định tuyến cho nguồn khác cấu - Nút sink thường có trúc phức tạp, thơng Hình 1.4 Topo hình đa hop 12 thường máy tính PC phương pháp lưu trữ liệu máy tính PC phát triển hiệu Nhận xét: Dữ liệu thu thập xử lý tập trung nút sở nên giảm nhẹ yêu cầu khả xử lý cho nút cảm nhận Mơ hình phù hợp với ứng dụng địi hỏi phải cập nhật thơng số mơi trường cách thường xuyên Nếu xảy lỗi đường truyền gói tin tương ứng bị nút sở lấy lại thông số mơi trường thời điểm Thậm chí nút giữ vai trị trung gian mạng bị ngừng hoạt động liệu từ nút phụ thuộc khơng đến với nút sở Do đặc điểm phải truyền thông liên tục nên nút cảm nhận phải có nguồn lượng dự trữ đủ lớn để hoạt động thời gian dài, số lượng nút mạng tăng lên nhiều làm chu kỳ hoạt động mạng tăng lên thời gian đáp ứng mạng giảm xuống tương ứng 1.3.2 Cấu trúc WSN với kiểu lƣu trữ liệu phân tán: Trong nhiều ứng dụng khơng địi hỏi nút sở phải cập nhật thông tin từ nút cảm nhận cách liên tục, nút cảm nhận phải lưu trữ thông số môi trường cách liên tục Với ứng dụng người ta thường áp dụng mơ hình mạng WSN lưu trữ liệu kiểu phân tán: Mỗi nút cảm nhận kết nối với nhớ mở rộng, liệu mà nút cảm nhận thu thập từ mơi trường lưu trữ lại cách liên tục, dài ngày Các nút cảm nhận truyền liệu xảy tình trạng vượt ngưỡng có u cầu truyền từ nút sở Hình 1.5 Mơ hình mạng WSN lƣu trữ liệu kiểu phân tán Với cách thức hoạt động vậy, làm giảm thời gian thực truyền thông mạng nên tăng thời gian sống cho nút cảm nhận Hơn xảy lỗi đường truyền nút cảm nhận trung gian ngừng hoạt động bất thường nút cịn lại lưu trữ liệu liên tục chờ mạng trở lại hoạt động bình thường ... Chương Tổng quan mạng cảm biến không dây giới thiệu qua mạng cảm biến không dây, ứng dụng mạng cảm biến không dây, cấu trúc mạng, cấu tạo, phân loại nút mạng đầu đo khí độc ứng dụng mạng Chương Pha... độ khí thấp dải từ an toàn đến độc hại người để phục vụ cho việc chuẩn hóa đầu đo khí Đồng thời kiểm thử chuẩn hóa đầu đo khí cho mạng cảm biến không dây Luận văn ? ?Xây dựng phương pháp chuẩn hóa. .. NGHỆ ******o0o****** VŨ VĂN PHƢƠNG XÂY DỰNG PHƢƠNG PHÁP CHUẨN HĨA ĐẦU ĐO KHÍ ỨNG DỤNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY (WSN – WIRELESS SENSOR NETWORK) ĐỂ GIÁM SÁT MƠI TRƢỜNG Ngành: Cơng nghệ Điện