HỆ THỐNG GIÁM sát và CẢNH báo mức độ ồn và ô NHIỄM KHÔNG KHÍ (có code)

Ở thời đại hiện nay với sự phát triển và gia tăng nhanhcủa các phương tiện giao thông đặc biệt là ở Việt Nam thì tỉ lệ lưu thông xe gắnmáy và các xe cơ giới, xe thô sơ là rất cao, ở các

HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ CẢNH BÁO MỨC ĐỘ ỒN VÀ Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ

LoRa Long Range Active

UART Universal Asynchronous Receiver Transmitter

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1.1 Mục đích

Đề tài hệ thống giám sát và cảnh báo mức độ ồn và ô nhiễm không khí được yêucầu làm ra với mục đích là thiết kế được một hệ thống đơn giản có khả năng đolường được độ ồn ào và độ ô nhiễm của môi trường sống xung quanh ta để phục vụcho nhu cầu của con người Ở thời đại hiện nay với sự phát triển và gia tăng nhanhcủa các phương tiện giao thông đặc biệt là ở Việt Nam thì tỉ lệ lưu thông xe gắnmáy và các xe cơ giới, xe thô sơ là rất cao, ở các thành phố lớn thì hầu như ngàynào cũng có một lượng xe cộ đông đúc lưu thông trên đường, bên cạnh đó là sự hối

hả trong đời sống sinh hoạt của con người, đặc biệt ở trong các khu dân cư, cáccông trường xây dựng, các khu chợ thì vấn đề ô nhiễm không khí và tiếng ồn là cực

kì nghiêm trọng, thế nên việc chế tạo ra được một mô hình hệ thống có thể có khảnăng đo đạc, phát hiện và cảnh báo để đưa ra những phương pháp xử lý và hạn chếđược tối đa độ ồn và độ ô nhiễm trong môi trường là hết sức mật thiết Một hệ thốnggiám sát và cảnh báo bất kỳ nào thì đều phải có những thông số kỹ thuật, cách thứchoạt động và cách mức ngưỡng cảnh báo riêng

1.1 Yêu cầu, thông số kĩ thuậtNhững thành phần cần có trong một hệ thống giám sát và cảnh báo là các cảm biếnriêng biệt, phù hợp với mỗi chức năng của hệ thống đó Đề tài này là một đề tài về

độ ồn ào và ô nhiễm cho nên yêu cầu của đề tài được đặt ra ở đây là tìm hiểu kỹlưỡng các cảm biến liên quan đến đề tài Những cảm biến cần tìm hiểu ở trong đềtài này lần lượt là cảm biến âm thanh (Sound sensor), để hệ thống có thể làm việc

ổn định và đưa ra được các lượng âm thanh chính xác thì cảm biến âm thanh cụ thể

ở đây là cảm biến max9812L được tích hợp sẵn với một amply khuếch đại âmthanh Cảm biến ô nhiễm không khí (Dust sensor) ở đây cụ thể là cảm biến đo độbụi trong sharp GP2Y10, ngoài ra để hệ thống có thể điều khiển được các cảm biến

sẽ được thiết kế lên những linh kiện phù hợp, các giá trị hiển thi sẽ được đưa lênmàn hình Lcd 20x4, các cảnh báo thì ở các linh kiện nhỏ hơn đó là các đèn led vàcòi hú buzzer Đề tài để có thể đạt được yêu cầu là giám sát và cảnh báo thì phảithiết kế được một mạch giám sát mức độ ồn và ô nhiễm không khí tại một khu vựcnào đó, sau đó số liệu đo được sẽ được đưa lên Internet cụ thể là một giao diện webthingspeak, giao diện có thể hiển thị được các dữ liệu tại mức cảnh báo độ ồn và ônhiễm khi vượt mức cho phép.

Hệ thống cảnh báo và giám sát độ ồn và ô nhiễm không khí này sẽ có các thông sốnhư là: Nguồn điện áp hoạt động từ 5 – 9V, các giá trị ngưỡng đó là nồng độ bụitrong không khí lớn hơn 300 (µɡ/m3) sẽ vượt ngưỡng và gửi cảnh báo, độ ồn ào lớnhơn 50 dB cũng sẽ vượt ngưỡng và được cảnh báo Khối chính trong hệ thống này

sẽ tiến hành việc thu lấy thông tin và dữ liệu từ các cảm biến và sau đó đưa lên mộtgiao diện thingspeak, có thể lưu trữ và truy xuất lại dữ liệu từ quá khứ

1.2 Phương pháp thực hiệnPhương pháp để thực hiện đề tài này là ta cần phải thi công được một mô hình mạchcứng trong đó vi điều khiển sẽ thực hiện kết nối với các cảm biến, sau đó lấy đượcthông tin dữ liệu có được từ các cảm biến, các thông số đó là mức độ ồn của âmthanh đơn vị là dB và độ ô nhiễm bụi có trong không khí đơn vị là µg/m3

Hệ thống khi muốn nhận được các thông số dữ liệu từ cảm biến và đưa ra nhữngmức cảnh báo, ta cần có một khối trung tâm để nhận tất cả dữ liệu có được từ cáckhu vực đặt hệ thống để đẩy lên giao diện thingspeak sau đó mới có thể thực hiệnviệc giám sát và xem xét để đưa ra các giải pháp hạn chế và khắc phục tốt nhất

dữ liệu từ các khối con để đẩy lên giao diện web.

Hình 2-1 thể hiện sơ đồ của toàn bộ hệ thống, hệ thống sẽ hoạt động theo nhữngbước như sau: đầu tiên sau khi cấp nguồn, các khối con sẽ thu lấy những thông sốgiá trị từ các cảm biến bụi và âm thanh là những giá trị dB và µg/m3, tiếp theo sau

đó sẽ truyền các dữ liệu giá trị đó tới khối chính, điều kiện là khi có yêu cầu từ khốichính đến khối con nào thì khối con đó sẽ trả lời trước Chức năng của khối chính ởđây là nhận lấy tất cả các giá trị ở những cảm biến từ các khối con gửi lên, sau đó sẽthực hiện hiển thị các cảnh báo và đưa lên giao diện thingspeak để theo dõi Cáccảnh báo sẽ được hiển thị tại khối cảnh báo, gồm buzzer và led hiển thị, cuối cùng

dữ liệu sẽ được theo dõi qua giao diện web thingSpeak

Phần tiếp theo cần làm là các trình bày cụ thể về những khối có trong toàn bộ hệthống, đó lần lượt là các khối: hai khối con có các chức năng tương tự dùng để đo ởhai vị trị khác nhau và một khối chính có nhiệm vụ quan trọng nhất

1.1.1 Sơ đồ khối con

Hình 2-2: Sơ đồ khối con

Hình 2-2 là một hình mô tả về cấu trúc các thành phần bên trong của một khối con.Một khối con sẽ có nguyên lý làm việc được thực hiện theo như sau:

Khối nguồn sẽ cung cấp nguồn điện tất cả các khối cảm biến, khối vi điều khiển vàkhối thu phát RF để hệ thống hoạt động Khối cảm biến gồm có các cảm biến âmthanh và cảm biến đo độ bụi Hai khối con gồm được chia ra lần lượt có hai cảmbiến âm thanh và hai cảm biến độ bụi ở mỗi khối Hệ thống đo độ ồn và độ ô nhiễmnày khá đơn giản nên chỉ cần các loại cảm biến này là đủ và tất nhiên giá trị đođược chỉ là những giá trị tương đối chứ không thể nào được như những thiết bị đođắt tiền

Module LoRa dùng để truyền dữ liệu về trung tâm tại khối thu phát RF, tức là saukhi khối vi điều khiển xử lí các giá trị đo đạc lấy từ các cảm biến âm thanh và cảmbiến bụi, khối sẽ tiến hành giao tiếp với khối thu phát tín hiệu RF để thực hiện việctruyền nhận dữ liệu với khối chính

Khối vi điều khiển thức hiện các công việc kết nối chân với các khối nhỏ khác đókhối thu phát RF và khối cảm biến vi điều khiển Pic16f877a kết nối với các khốicảm biến để thực hiện việc đọc và xử lí dữ liệu từ các khối cảm biến, sau đó đượctruyền về khi khối chính có yêu cầu để khối chính thực hiện việc giao tiếp và đẩy

dữ liệu lên để cảnh báo và giám sát

1.1.2 Sơ đồ khối chính (Main)Hình 2-3 là hình ảnh về sơ đồ khối của khối chính Các khối nhỏ thành phần bêntrong khối chính lần lượt là các khối nguồn, cung cấp nguồn đến toàn bộ các khốinhỏ khác Khối Module wifi esp8266 dùng để giao tiếp với khối thu phát RF vàkhối giao diện web (giao diện thingspeak), khối thu phát RF thực hiện giao tiếpUART, khối hiển thị LCD và cuối cùng là khối cảnh báo quá ngưỡng gồm buzzer vàđèn LED

Hình 2-3: Sơ đồ khối chính (Main)

Nguyên lý làm việc của sơ đồ khối chính như sauKhối nguồn thực hiện cấp nguồn đến các khối cảm biến, vi điều khiển, khối thuphát RF

Module LoRa được dùng tại khối thu phát RF sẽ thực hiện việc truyền nhận dữ liệu,

ở đây sau khi thực hiện lấy dữ liệu từ các khối con, khối RF sẽ truyền thông tin lênkhối wifi esp8266 nhằm thực hiện việc đẩy dữ liệu lên web

Khối hiển thị sẽ hiển thị những thông số đo được và các cảnh báo quá ngưỡng tạikhối cảnh báo và hiển thị thông qua màn hình nhằm Lcd dễ dàng theo dõi

Khối giao diện web cuối cùng sẽ đưa ra những giá trị đo từ cảm biến để theo dõi

Dữ liệu ở đây bao gồm các biểu đồ hiển thị các giá trị lên xuống của dB và nồng độbụi trong không khí, ngoài ra giao diện web thingspeak còn có thể lấy lại đượcnhững dữ liệu mà đã được đo trước đó với thời gian thực cụ thể

1.3 Khối vi điều khiển [1]

Hình 2-4: Pic16f877a

Vi điều khiển chính được sử dụng trong các khối con để điều khiển đó làPic16F877a Hình 2-6 thể hiện sơ đồ các chân của vi điều khiển Pic16f877a, baogồm khá nhiều chân với những chức năng khác nhau Vi điều khiển thuộc loại 8 bitđược sản xuất và phát triển bởi hãng Microchip Pic16f877a là vi điều khiển được

sử dụng thông dụng nhất hiện nay trong tất cả các loại vi điều khiển, được ứng dụngnhiều trong những đề tài mạch ứng dụng cơ bản và là loại dễ sử dụng

Bảng 2-1 ghi rõ các giá trị thông số kỹ thuật của một vi điều khiển Pic16f877a

Bảng 2-1: Thông số kỹ thuật Pic16f877a Thông số Giá trị

Số lệnh 35 tập lệnh căn bản

tiếp UART, các thanh timers T0, T1, T3 Các bộ nhớ đó là ROM (bộ nhớ trong) 8K,

bộ nhớ tạm thời RAM (368) và EEPROM (256) Bộ chuyển đổi ADC và cácmodules tạo xung Các cổng output và input được chia ra trên các bộ cổng A, B, C,

D và E Một CPU có tất cả 35 tập lệnh, bộ ngắt và cổng nguồn 2 – 5.5V

Hình 2-5: Cấu hình bên trong Pic

1.4 Khối cảm biếnKhối cảm biến của hệ thống thì bao gồm các cảm biến như sau:

Hình 2-6: Cảm biến âm thanh [2]

Hình 2-6 là hình ảnh cảm biến âm thanh tích hợp amply max9812L Cảm biến này

là một cảm biến có kích thước khá nhỏ gọn và đã được tích hợp sẵn một ic khuếchđại âm thanh amply max9812L nên có khả năng đọc ngay tín hiệu analog trực tiếp

bằng vi điều khiển Cảm biến này thường được sử dụng trong các mạch phát hiện

âm thanh để mở cửa, mở tắt đèn hoặc những ứng dụng giám sát và cảnh báo khiphát hiện tiếng động

Bảng 2-2 ghi rõ những thông số kỹ thuật của một cảm biến âm thanh

Bảng 2-2: Thông số cảm biến âm thanh

Nguồn hoạt động Từ 3 đến 5 VDCDòng điện tiêu thụ 230 mA

Hình 2-7 là hình ảnh của một phần mềm đo âm thanh trên điện thoại di động, tronghình là các giá trị dB và các giá trị ngưỡng của âm thanh

Bảng 2-3: Quy đổi giá trị ADC và dB

Hình 2-7: App hiện giá trị dB trên di động

Mạch sau khi được hoàn thành xong, cấp nguồn, khởi chạy app đo âm thanhdecibel, tiến hành lấy độ ồn cùng lúc, qua nhiều lần tiến hành ta có thể rút ra đượcmột bảng qui đổi giá trị tương đối Bảng 2-3 thể hiện các giá trị qui đổi đó

Về vấn đề ô nhiễm trong môi trường, sử dụng một cảm biến với khả năng đo đượccác khối bụi cực nhỏ có trong môi trường

Hình 2-8: Cảm biến đo độ bụi Sharp GP2Y10 [3]

Hình 2-8 là hình ảnh một cảm biến đo độ bụi Sharp GP2Y10 và cấu tạo sơ đồnguyên lý bên trong của nó Cấu tạo bao gồm một Ired (diode phát quang) và một

diode thu phototransistor, một mạch khuếch đại amplifier dùng để khuếch đại độ bụi

để đưa ra ngõ ra

Hình 2-9: Kết nối chân cảm biến bụi với VDK

Hình 2-9 mô tả sơ đồ kết nối chân từ cảm biến bụi đến vi điều khiển Pic16f877a,các chân nguồn hoạt động VCC và GND được nối chung vớ nhau Chân Analog ngõ

ra của cảm biến sẽ được kết nối tới chân ngõ vào I/O của vi điều khiển, chân I ledcũng được kết nối tới chân ngõ vào I/O của vi điều khiển

Bảng 2-4: Thông số của cảm biến bụi

Bảng 2-4 ghi rõ các thông số kỹ thuật cơ bản của một module cảm biến bụi SharpGP2Y10 gồm điện áp cung cấp để hoạt động, độ nhạy, dòng tối đa và kích thước

Giá trị nhạy 0.5V/ 0.1mg/m3

Nguồn cung cấp 2.5-5VDòng vào max 20 mAKích thước 63.2mm x 41.3mm x 21.1mm

Cảm biến bụi Sharp GP2Y10 có nguyên lý làm việc như sau:

Cấu tạo bên trong của cảm biến bụi có IR LED và Phototransisto được đặt góc lệch với nhau, khi có một lượng bụi nhất định đi qua lỗ giữa thì lúc này tia hồng ngoại từ

IR LED sẽ bắn vào Phototransistor, trải qua quá trình lấy mẫu điện áp, sau đó điện

áp có được sẽ được chuyển đến một mạch khuếch đại (Amplifier) và sẽ xuất ra chân

Vo

Hình 2-10 thể hiện quá trình thu điện áp được diễn ra sau khi được lấy mẫu

Hình 2-10: Quá trình lấy mẫu

Quá trình hoạt động của cảm biến bụi mỗi lần thực hiện đo đạc sẽ mất khoảng 10ms(chu kỳ mỗi lần đo), và trong 10ms đó sẽ có:

Thời gian 0.32ms: là thời gian khi mà tín hiệu xung được đẩy lên mức cao, tại thờigian này, IRLED sẽ được bật lên và chiếu thẳng vào lượng bụi đi qua lỗ tròn lớnnằm ở giữa cảm biến và tiến hành đọc giá trị Tuy vậy, chỉ được đọc giá trị sau0.28ms (Sampling time) Tín hiệu đầu ra lúc đạt tới trạng thái ổn định sau khi chờ0.28ms, tiến hành lấy mẫu Chu kỳ lấy mẫu sẽ thực hiện ngay trong 0.04ms sau đó.Quá trình lấy mẫu sẽ được tắt đi bằng việc cho tín hiệu xung xuống mức thấp, cuốicùng là đọc giá trị điện áp đã lấy được Phương pháp tính toán và cho ra kết quảcuối cùng:

Điện áp đầu ra V0 được tỷ lệ với nồng độ bụi trong không khí và được quy đổi ra là0.5V/0.1 ( mg/m3), nhưng khi sử dụng các chân Analog của VDK thì các giá trị điện

áp sẽ được chuyển thành giá trị digital (0 - 1023), thế nên giá trị điện áp phải đượcqui đổi ra thành giá trị digital tương ứng Xét:

V pd: Đây là giá trị điện áp ứng với 1 giá trị digital

V ref : Đây là giá trị cấp cho cảm biến (3.3V hoặc 5V)

Ta xét công thức: V dp = V ref / 1024

Giá trị V dp sau khi lấy được nếu muốn tính giá trị điện áp ở ngõ ra thì ta lấy giá trịvừa tính được đó, theo công thức nhân cho giá trị ADC từ chân V0 của cảm biến.cuối cùng khi đã có điện áp, ta suy ra giá trị nồng độ bụi trong không khí sẽ là:

DustDensity = (V0 * V dp)/ 0.5

Trong môi trường thực tế, khi thực hiện đo đạc kiểm tra, giá trị này được cho là chưa hoàn toàn chính xác, vì giá trị đo được ngoài thực tế không như giá trị mà nhà sản xuất cho trước, vậy nên các nhà nghiên cứu đã thực hiện một phương pháp đó làphương pháp linear equation để có thể rút ra được một kết quả gần đúng với giá trị thực tế hơn:

DustDensity = 0.17 * (V0 * V pd) - 0.1

Ví dụ: V0 tại ngõ ra của cảm biến bụi đọc được giá trị là 170 V

 Giá trị ADC ngõ ra = 170 *(5V / 1024) và gần bằng 0.8330 bit

 DustDensity (nồng độ bụi) = 0.17 * (0.8330) – 0.1 = 0.250mg

Bảng 2-5: Bảng thể hiện giá trị và độ ô nhiễm bụi

Giá trị mật độ bụi(µɡ/m3) Chỉ số chấtlượng

không khí

Các mứcchất lượngkhông khí

Các ngưỡng chấtlượng không khí

150 – 250 201 – 300 Level 5 Heavy Pollution

250 – 500 ≥ 300 Level 6 Serious Pollution

Bảng 2-5 cho thấy được những ngưỡng chất lượng không khí trong môi trường, đốivới các môi trường nào mà có mật độ bụi từ 50 µg trở xuống thì đó là môi trườngcực kỳ lý tưởng (Execllent) Các quốc gia như Việt Nam cũng như các nước pháttriển khác thì việc có một môi trường có chất lượng bụi lý tưởng là khá khó khăn,thế nên chất lượng không khí ở mức 50 mg sẽ được xét là mức ngưỡng hợp lý nhấtcho một môi trường sạch, còn ở mức độ chất lượng không khí có mức ô nhiễm khóibụi vượt trội từ 300 µg trở lên thì là được xem như là môi trường ô nhiễm Ví dụnhư ở các công trường xây dựng, những đoạn đường hay tắc nghẽn có nhiềuphương tiện giao thông qua lại hay là những khu dân cư đông đúc

1.5 Khối hiển thịNhững giá trị, số liệu từ cảm biến sẽ được hiển thị ở khối hiển thị, cả các thông báoquá ngưỡng cũng vậy Khối hiển thị ở đây cụ thể sẽ là hiển thị lên một màn hình lcd20x4, các giá trị sẽ hiển thị đó là độ ồn quá ngưỡng (dB) và độ bụi vượt quá ngưỡng

và đây chỉ là khối hiển thị trên mạch cứng hệ thống

Hình 2-11 là hình ảnh của một màn hình lcd 20x4 bao gồm các chân nguồn, cácchân truyền dữ liệu từ D0 đến D7 và chân hiệu chỉnh độ sáng tương phản của lcd.

Hình 2-11: Màn hình lcd 20 x 4

Lcd được chọn với kích thước màn hình 20x4 thì phù hợp hơn thay vì chọn một lcd

có kích thước 16x2 như thông thường, bởi vì khi sử dụng một màn hình rộng thì cácgiá trị đo đạc từ cảm biến và các cảnh báo quá ngưỡng sẽ được hiện lên màn hìnhcùng một lúc và dễ dàng hơn nhiều trong việc quan sát và ghi nhớ giá trị

Bảng 2-6 thể hiện các giá trị mức logic và những chức năng của từng chân của Lcd20x4

module này là thu lấy dữ liệu từ các khối con thông qua giao tiếp UART giữa cácmodule thu phát RF, sau đó sẽ từ dữ liệu đó đẩy lên web server

Hình 2-12: Kit wifi esp8266 NODEMCU [4]

Hình ảnh 2-12 là hình ảnh một kit wifi esp8266 NODEMCU v1.0, với một linh kiệnchính nằm ở trên đó là esp8266, ngoài ra còn có thêm rất nhiều linh kiện khác nữa

và sơ đồ chân kết nối là khá phức tạp

Bảng 2-7 thể hiện các thông số kỹ thuật của một kit wifi esp8266 NODEMCU

Bảng 2-7: Các thông số kỹ thuật

Hình 2-13: Hình ảnh 1 giao diện thingspeak

Hình 2-13 là hình ảnh một giao diện thingspeak đầy đủ tính năng, việc cần làm củangười sử dụng là tạo một tài khoản, để có thể lấy dữ liệu từ hệ thống và đưa lên.Người dùng sau khi tạo một tài khoản trên thingspeak, việc cần làm tiếp theo sẽ làkết nối module NODE MCU esp8266 và đẩy dữ liệu có được sau khi lấy từ các khốicon và đưa lên giao diện Giao diện ở đây sẽ bao gồm hai khối chia ra thành bốnphần, khối con 1 thể hiện các biểu đồ và giá trị của hai giá trị đó là Noise và Dust,khối con 2 thể hiện các biểu đồ và giá trị của hai giá trị đó là Noise2 và Dust2,ngoài ra còn có một phần để lấy dữ liệu để xem xét đó là phần data export

Hình 2-14: Giao diện chính

Hình 2-14 thể hiện giao diện chính của ThingSpeak trong đề tài này, các giá trị biểu

đồ có trong hình chính là các giá trị độ bụi và độ ồn ào đo được từ các cảm biếntrong hai khối con, ngoài ra thời gian thể hiện độ bụi và độ ồn cũng gần như chínhxác với thời gian thực tế, sai số khá nhỏ Ưu điểm của giao diện này khá hay, vì khikết thúc một quá trình đo đạc lấy dữ liệu, nếu người dùng muốn xem lại những dữliệu đã đo trước đây có thể là vài tiếng hoặc có thể là vài ngày để tiện cho việc sosánh và kiểm soát Mỗi một lần đo xong nếu người dùng muốn xem lại các giá trịquá khứ họ có thể truy cập vào một đường dẫn và tải về một file excel bao gồm tất

cả các giá trị đã đo được, thời gian lúc mấy giờ và ngày tháng chính xác của lần đo

đó, rất thuận tiện

Chức năng của 1 giao diện ThingSpeak là phân tích, lưu trữ đám mây (cloud) các

dữ liệu tại thời gian thực tế Lợi ích khi ta dùng một giao diện ThingSpeak đó là cóthể dễ dàng thay đổi và chỉnh sửa Các dữ liệu luôn hiển thị đúng với thời gian đothực, xem lại được các dữ liệu đã lưu trước đó, có thể gửi cảnh báo qua sms vàemail khi có dữ liệu đo có giá trị vượt quá ngưỡng được phép

1.8 Khối thu phát RFVới tần số 433MHz của sóng mang, RF LoRa sẽ tiến hành truyền tín hiệu khôngdây với địa chỉ và các kênh truyền riêng đã được cấu hình sẵn

Lý do chọn một module RF LoRa để truyền và nhận tín hiệu là vì nguyên tắc sửdụng đơn giản dễ hiểu và khả năng truyền được xa

Hình 2-15: Module RF LoRa SX1278 433 MHz [5]

Hình 2-14 là hình ảnh thực tế của một module RF LoRa SX1278 433 MHz đượcsản xuất bởi SEMTECH, chip được dùng trong module là SX1278 Các ưu điểm nổibật khi dùng module này là quãng đường thu phát cực xa, mà quan trọng hơn là còngiúp người dùng tiết kiệm được năng lượng, với khả năng nổi bật khác nữa đó là cóthể được cấu hình tạo nên mạng Module này hiện tại được ứng dụng trong rất nhiều

hệ thống khác nhau, đặc biệt là trong các mô hình hệ thống IoT bởi vì bản thân nó

đã có phần giao tiếp SPI của SX1278 qua UART được tích hợp sẵn vào nên việc