Nghiên cứu chế tạo hệ đo nồng độ hạt bụi PM2 5 và PM10 trong không khí dựa trên arduino

Chương 1 trình bày tổng quan về các phương pháp đánh giá chất lượng không khí của một số quốc gia theo bộ chỉ số chất lượng không khí, hệ thống Internet kết nối vạn vật và một số phương

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

- - -

Phạm Duy Dương

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ ĐO NỒNG ĐỘ HẠT BỤI PM2.5

VÀ PM10 TRONG KHÔNG KHÍ DỰA TRÊN ARDUINO

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2018

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

- - -

Phạm Duy Dương

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ ĐO NỒNG ĐỘ HẠT BỤI PM2.5 VÀ

PM10 TRONG KHÔNG KHÍ DỰA TRÊN ARDUINO

\

Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến và điện tử

Mã số: 8440130.03

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS PHẠM VĂN THÀNH

Hà Nội – Năm 2018

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên của luận văn này em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn TS Phạm Văn Thành Thầy đã tận tình quan tâm hướng dẫn em trong quá trình hoàn thành luận văn này

Em cũng xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới toàn thể các thầy cô giáo trong khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại Học Quốc Gia Hà Nội

đã dạy bảo em tận tình trong suốt quá trình học tập tại khoa

Em cũng xin được gửi lời tới cơ quan em đang công tác là công ty TNHH Ratoc đã tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành chương trình cao học

Nhân dịp này em cũng xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn

bè đã luôn bên em, cổ vũ, động viên, giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn này

Nghiên cứu này được tài trợ bởi Đại học Quốc gia Hà Nội trong đề tài mã số QG.18.17

Hà Nội, tháng 12 năm 2018

Học viên

Phạm Duy Dương

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 - TỔNG QUAN 3

1.1.Định nghĩa về nồng độ bụi PM2.5 và PM10 và ảnh hưởng của chúng tới môi trường và sức khỏe con người 3

1.1.1 Hạt trôi nổi 3

1.1.2 Định nghĩa bụi PM2.5 và PM10 4

1.2 Phương pháp đánh giá nồng độ bụi PM2.5 và PM10 thông qua bộ chỉ số AQI (Air Quality Index) 5

1.2.1 Khái niệm bộ chỉ số AQI 5

1.2.2 Các phương pháp tính toán AQI tại một số nước trên thế giới 6

1.2.3 Phương pháp tính toán bộ chỉ số chất lượng không khí (AQI) theo sổ tay hướng dẫn của tổng cục môi trường Việt Nam ban hành 9

1.3 Internet kết nối vạn vật và phương pháp xây dựng một mô hình quan trắc môi trường tự động ứng dụng Internet kết nối vạn vật: 12

1.3.1 Internet kết nối vạn vật (Internet of Thing - IoT) 12

1.3.2 Phương pháp xây dựng một mô hình quan trắc môi trường tự động ứng dụng Internet kết nối vạn vật: 13

1.3.3 Giao tiếp truyền thông nối tiếp UART [3] 13

1.3.4 Bộ giao thức TCP/IP [13] 14

1.4 Các phương pháp đo nồng độ bụi PM2.5 và PM10 16

1.4.1 Phương pháp hấp thụ tia beta [5] 16

1.4.2 Phương pháp tán xạ 17

Chương 2 – CHẾ TẠO THIẾT BỊ 20

2.1 Các module phần cứng, phần mềm và website hỗ trợ IoT 20

2.1.1 Arduino Uno R3 20

2.1.2 Cảm biến Nova PM sensor SDS011 22

2.1.3 LCD I2C 25

2.1.4 ESP 8266 26

2.1.5 Website: https// thingspeak.com 27

2.2 Chế tạo thiết bị 31

2.2.1 Kết nối phần cứng thiết bị 31

2.2.2 Đưa dữ liệu từ ESP8266 lên thingspeak.com 33

2.2.3 Truyền dữ liệu từ thingspeak về điện thoại và xử lý số liệu thông qua phần mềm viết cho hệ điều hành Android 35

2.2.4 Mô hình Internet kết nối vạn vật đối với thiết bị đo PM2.5 và PM10 sử dụng Arduino 38

2.2.5.Lưu đồ thuật toán 40

Chương 3 – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 43

3.1 Kết quả chế tạo thiết bị đo nồng độ bụi PM2.5 và PM10 sử dụng Arduino 43

3.2 Kết quả đo nồng độ bụi PM2.5 và PM10 tại một số địa điểm tại Hải Phòng: 46

3.2.1 Đo tại tỉnh lộ 354, đoạn qua xã Mỹ Đức, huyện An Lão, Hải Phòng: 47

3.2.2 Đo tại đường bao Nguyễn Bỉnh Khiêm, quận Ngô Quyền, Hải Phòng: 49

3.2.3 Đo trong nhà tại thôn Tiến Lập, xã Mỹ Đức, huyện An Lão, Hải Phòng: 52

KẾT LUẬN 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

PHỤ LỤC 64

KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

US EPA : Cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Các mức cảnh báo AQI tại Hoa Kỳ 6

Bảng 1.2 Bảng các chỉ số trên và chỉ số dưới dùng để tính AQI 7

Bảng 1.3 Bảng tiêu chuẩn không khí của Hoa Kỳ 7

Bảng 1.4 Các mức AQI đang được áp dụng tại Astralia 8

Bảng1.5 Các thông số và giá trị tiêu chuẩn để tính AQI 9

Bảng 1.6 Tiêu chuẩn chất lượng không khí của Astralia 9

Bảng 1.7 Bảng cảnh báo chất lượng không khí AQI của Việt Nam 11

Bảng 1.8 Bảng các giá trị QC x trong quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng không khí xung quanhQCVN 05:2009/BTNMT 11

Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của cảm biến Nova PM sensor SDS011 23

Bảng 2.2 Bảng nội dung các byte 24

Bảng 2.3 Bảng kết nối chân cho các module phần cứng của thiết bị 32

Bảng 2.4 Bảng cảnh báo chất lượng không khí AQI của Việt Nam 36

Bảng 3.1 Thông số kĩ thuật của thiết bị 43

Bảng 3.2 Tính toán giá thành thiết bị 44

Bảng 3.3 So sánh thiết bị với một số sản phẩm trên thị trường 45

Bảng 3.4 Chỉ số AQI theo giờ ngày 25/11/2018 47

Bảng 3.5 Chỉ số AQI ngày 25/11/2018 49

Bảng 3.6 Chỉ số AQI theo giờ ngày 20/11/2018 49

Bảng 3.7 Chỉ số AQI ngày 20/11/2018 51

Bảng 3.8 Chỉ số AQI theo giờ của ngày 11/11/2018 52

Bảng 3.9 Chỉ `số AQI ngày 11/11/2018 53

Bảng 3.10 Chỉ số AQI theo giờ của ngày 12/11/2018 53

Bảng 3.11 Chỉ số AQI ngày 12/11/2018 54

Bảng 3.12 Chỉ số AQI theo giờ của ngày 13/11/2018 54

Bảng 3.13 Chỉ số AQI ngày 13/11/2018 55

Bảng 3.14 Chỉ số AQI theo giờ của ngày 14/11/2018 55

Bảng 3.15 Chỉ số AQI ngày 14/11/2018 56

Bảng 3.16 Chỉ số AQI theo giờ của ngày 15/11/2018 56

Bảng 3.17 Chỉ số AQI ngày 15/11/2018 57

Bảng 3.18 Chỉ số AQI từ ngày 7h ngày 11/11/2018 đến ngày 15/11/2018 58

DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Ô nhiễm không khí tại nhà máy sản xuất công nghiệp 3

Hình 1.2 Ô nhiễm không khí trong giao thông đô thị tại Việt Nam 5

Hình 1.3 Mô hình IoT cho hệ thống quan trắc môi trường tự động 13

Hình 1.4 Quá trình đóng gói tệp tin 15

Hình 1.5 Quá trình truyền tin thông qua giao thức TCP/IP 15

Hình 1.6 Nguyên lý đo bụi bằng phương pháp tán xạ ánh sáng 18

Hình 2.1.Sơ đồ Arduino Uno R3 20

Hình 2.2 Hình ảnh sơ đồ cảm biến 23

Hình 2.3.Hình ảnh LCD I2C 25

Hình 2.4 Hình ảnh module ESP – 01 sử dụng chíp ESP 8266 26

Hình 2.5 Hình ảnh đồ thị trên website https://thingspeak.com 27

Hình 2.6 Hình ảnh một đoạn code viết bằng ngôn ngữ App inventor 31

Hình 2.7 Đồ thị đo PM 2.5 33

Hình 2.9 .Hình ảnh hiển thị kết quả đo bụi PM2.5 34

Hình 2.10 Hình ảnh hiển thị kết quả đo bụi PM10 34

Hình 2.11.Hình ảnh hiển thị vị trí đo 35

Hình 2.12.Hình ảnh App cho ứng dụng di động Android 38

Hình 2.13 Mô hình IoT dành cho thiết bị 39

Hình 2.14 Lưu đồ thuật toán cho Arduino 41

Hình 2.15 Lưu đồ thuật toán cho App Inventor 42

Hình 3.1a Hình ảnh kết nối các module của thiết bị 45

Hình 3.1.b Hình ảnh thiết bị đã được đóng hộp 45

Hình 3.2 Đồ thị chỉ số AQI của PM2.5 ngày 25/11 48

Hình 3.3 Đồ thị chỉ sốAQI của PM10 ngày 25/11 48

Hình 3.4.Đồ thị chỉ sốAQI của PM2.5ngày 20/11 50

51

Hình 3.5 Đồ thị chỉ số AQI của PM10 ngày 20/11 51

Hình 3.6 Đồ thị chỉ số AQI của PM2.5 từ 7h ngày 11/11 đến hết ngày 15/11 58

MỞ ĐẦU

Hiện nay, vấn đề ô nhiễm môi trường đang khá nghiêm trọng, đặc biệt ở các nước đang phát triển Một trong những vấn đề về ô nhiễm môi trường là ô nhiễm không khí với 92% dân số thế giới đang phải sống trong các địa điểm có chất lượng không khí thấp Trong đó, ở khu vực Đông Nam Á và phía Tây Thái Bình Dương là những khu vực có mức độ ô nhiễm không khí cao, đặc biệt là tại Trung Quốc, Việt Nam và Malaysia

Trong các tác nhân gây ô nhiễm không khí, bụi PM2.5 và PM10 gây nguy hiểm nhất bởi chúng chứa nhiều chất độc hại Những chất này có thể thâm nhập sâu vào phổi và trong hệ thống tim mạch, gây ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khỏe con người

Tại Việt Nam, ô nhiễm không khí là vấn đề rất báo động trong thời gian gần đây do sự phát triển giao thông và do quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa nhanh chóng cả ở nông thôn và thành thị Do đó việc xây dựng các trạm quan trắc môi trường không khí tự động theo thời gian thực là rất cần thiết nhằm cảnh báo rõ ràng tình trạng ô nhiễm để có hướng xử lý kịp thời

Tuy nhiên, việc quan trắc ô nhiễm không khí tự động này mới được triển khai chủ yếu tại Hà Nội và TP.Hồ Chí Minh do vấn đề về chi phí xây dựng và vận hành còn rất cao Do đó, nhằm giảm giá thành và tiến tới triển khai rộng rãi các trạm quan trắc chất lượng không khí, việc xây dựng các trạm quan trắc có khả năng

tự động thu thập và lưu trữ số liệu đo đạc với giá thành rẻ là vô cùng cần thiết

Trong luận văn này, thiết bị đo hai thông số quan trọng để đánh giá chất lượng không khí là PM2.5 và PM10 đã được chế tạo thành công dựa trên board mạch Arduino Uno Thiết bị có khả năng đánh giá chất lượng không khí (AQI) theo TCVN 5937:2005[1] do tổng cục môi trường ban hành cho thông số PM2.5 và PM10 Đặc biệt, thiết bị có khả năng gửi số liệu đo đạc được lên website thingspeak.com nhằm đánh giá và cảnh báo về chất lượng không khí theo thời gian thực

Người sử dụng điện thoại thông minh hoặc máy tính bảng cũng có thể kiểm tra được giá trị đo qua đó giúp giám sát chất lượng không khí từ xa

Luận văn bao gồm ba chương cùng với phần mở đầu và kết luận Chương 1 trình bày tổng quan về các phương pháp đánh giá chất lượng không khí của một số quốc gia theo bộ chỉ số chất lượng không khí, hệ thống Internet kết nối vạn vật và một số phương pháp đo nồng độ bụi PM2.5 và PM10 trong không khí Chương 2 tìm hiểu về các module dùng để chế tạo thiết bị, các cách thức vận hành của thiết bị, cách đưa dữ liệu lên thingspeak.com và lấy dữ liệu về phần mềm Chương 3 trình bày về quá trình thiết kế và chế tạo thiết bị đo đạc hai thông số PM2.5 và PM10 dựa trên board mạch Arduino UNO tự động gửi dữ liệu lên internet, phần mềm kiểm tra thông số trên điện thoại và kết quả đo tại một số địa điểm nhằm đánh giá tính chính xác và ổn định của thiết bị

Chương 1 - TỔNG QUAN 1.1.Định nghĩa về nồng độ bụi PM2.5 và PM10 và ảnh hưởng của chúng tới môi trường và sức khỏe con người

Trong những năm qua, với sự phát triển công nghiệp và giao thông đô thị, tình hình ô nhiễm không khí của Việt Nam ngày càng nghiêm trọng, đăc biệt là ô nhiễm hạt bụi Nồng độ các thông số bụi có xu hướng duy trì ở ngưỡng cao, đặc biệt tại các trục giao thông và tuyến đường chính ở các đô thị lớn, các khu công nghiệp

và công trường xây dựng Kết quả đo tại các trạm quan trắc ở Hà Nội và TP.Hồ Chí Minh cho thấy số ngày có giá trị bụi PM10, PM2.5 vượt quy chuẩn Việt Nam (QCVN) chiếm tỷ lệ khá cao, đặc biệt tại các trạm ven đường giao thông Trong đó

có vấn đề ô nhiễm không khí gây ra bởi các hạt bụi mịn, yếu tố có tác động nguy hại đối với sức khỏe người dân Tỷ lệ bụi mịn (PM2.5 và PM10) ở nước ta khá cao, nhất là vào những ngày nhiệt độ thấp hoặc không khí khô Khu vực được ghi nhận ô nhiễm nhiều nhất là xung quanh các khu công nghiệp, khu sản xuất đặc biệt tại một

số ngành công nghiệp như khai khoáng, nhiệt điện, xi măng… đang phát thải một lượng bụi rất lớn vào môi trường không khí

Hình 1.1 Ô nhiễm không khí tại nhà máy sản xuất công nghiệp [23]

Hạt trôi nổi là những hạt dạng lỏng hoặc rắn rất nhỏ trôi nổi trong không khí Các hạt này có thể do nhiều chất khác nhau tạo nên như cacbon, sulfua, khí nitơ, và các hợp chất kim loại,… Trong đó, gồm những hạt có đường kính bé hơn 10

gây ra nguy hại cho sức khỏe con người và những hạt có đường kính bé hơn 2,5 micromet là những hạt đặc biệt nguy hiểm bởi vì chúng xâm nhập trực tiếp vào các túi phổi.[6]

Vì vậy, các nhà khoa học dùng chỉ số PM2.5 để biểu thị hàm lượng tiêu chuẩn của các hạt trôi nổi trong một mét khối không khí Chỉ số này càng cao cũng

có nghĩa là sự ô nhiễm không khí ở nơi đó càng nghiêm trọng.[6]

và Nam Á đóng góp 55% tổng số ca tử vong trên Năm 2015, ô nhiễm không khí (ONKK) đã gây ra 9 triệu ca tử vong chiếm 16% tất cả các ca tử vong trên toàn cầu, gấp 3 lần AIDS, lao và sốt rét cộng lại, gấp 15 lần chết do chiến tranh, 92%

số ca tử vong liên quan đến ONKK xảy ra ở các nước thu nhập thấp và trung bình [22] Ngoài gây tử vong, ONKK còn gây ra gánh nặng bệnh tật như các bệnh

về hô hấp và tim mạch Các chất ô nhiễm gồm hạt bụi (PM2.5 và PM10) khi hít vào nang phổi sẽ gây ra các tổn thương đến tế bào phổi từ đó gây ra bệnh tật Một số bệnh sau đây có liên quan đến phơi nhiễm ONKK: bệnh về đường hô hấp hoặc liên quan đến chức năng phổi, các bệnh tim mạch, các bệnh về thần kinh, đẻ non/sinh con nhẹ cân và ảnh hưởng đến sự phát triển của trẻ [6]

Ở Việt Nam, ONKK cũng gây ra nhiều ảnh hưởng đến sức khỏe của người dân Báo cáo chỉ số chất lượng môi trường (EPI) được thực hiện bởi Đại học Yale (Mỹ) đã nhấn mạnh Việt Nam nằm trong nhóm 10 nước ô nhiễm nhất thế giới

Hình 1.2 Ô nhiễm không khí trong giao thông đô thị tại Việt Nam [24]

1.2 Phương pháp đánh giá nồng độ bụi PM2.5 và PM10 thông qua bộ chỉ số AQI (Air Quality Index)

1.2.1 Khái niệm bộ chỉ số AQI

AQI là chỉ số thông báo chất lượng không khí hàng ngày AQI cho ta biết mức độ ô nhiễm của không khí và các vấn đề liên quan đến sức khỏe AQI cảnh báo các vấn đề sức khoẻ mà ta có thể gặp phải trong vài giờ hoặc vài ngày sau khi hít phải khí ô nhiễm

Tiêu chuẩn của US EPA (U.S Environmental Protection Agency – Cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ) tính AQI bằng cách lấy giá trị cao nhất từ chỉ số của các thông số được tính toán Ở trường hợp của Hà Nội là lấy chỉ số PM2.5

PM2.5 và PM10 được đo bằng máy đo không khí xung quanh nơi lắp đặt, các máy đo này được đặt tại hai địa điểm ở Hà Nội là khu vực Đại sứ quán Mỹ, Láng Hạ và trường quốc tế Liên hợp quốc, Hồ Tây

AQI được tính toán cho từng thông số Mỗi thông số sẽ xác định được một giá trị AQI cụ thể, giá trị AQI cuối cùng là giá trị lớn nhất trong các giá trị AQI của mỗi thông số

Ngoài ra, các chỉ số AQI được chia theo các khoảng giá trị khác nhau, ứng với các cảnh báo khác nhau cho cộng đồng Khi giá trị AQI nằm trong một khoảng nào đó, thì thông điệp cảnh báo cho cộng đồng ứng với khoảng giá trị đó sẽ được đưa ra

1.2.2 Các phương pháp tính toán AQI tại một số nước trên thế giới

Sau đây là một số phương pháp tính toán bộ chỉ số chất lượng không khí (AQI) của một số quốc gia trên thế giới :

1.2.2.1 Hoa Kỳ

Tại Hoa Kỳ, chất lượng không khí được công bố theo thời gian thực trên

có thang đo từ 0 – 500 Các mức AQI và ý nghĩa của nó được cho trong bảng 1.1

như sau:

Bảng 1.1 Các mức cảnh báo AQI tại Hoa Kỳ [12]

trường

Bảng 1.2 Bảng các chỉ số trên và chỉ số dưới dùng để tính AQI [12]

PM2.5

(μg/m3) 24h

CO

(ppm) 8h

SO 2

(ppm) 24h

NO 2

(ppm) 24h 0.000-

40.5-12.4

9.5-0.224

0.145-

101-150

Ảnh hưởng đến nhóm nhạy cảm 0.096-

65.5-15.4

12.5-0.304

0.225-

151-200

Tác động xấu đến sức khỏe 0.116-

150.5-30.4

15.5-0.604

0.305-1.24

0.65-

201-300

Tác động rất xấu đến sức khỏe 0.405-

0.504

425-504

350.4

250.5-40.4

30.5-0.804

0.605-1.64

350.5-50.4

40.5-1.004

0.805-2.04

1.65-

401-500

Rất nguy hiểm

Để xây dựng được bảng các giá trị chỉ số trên và dưới như trên phải căn cứ vào tiêu chuẩn quốc gia về giới hạn nồng độ các chất ô nhiễm trong môi trường không khí Bảng 1.3 sau đây trình bày tiêu chuẩn về không khí xung quanh của Hoa Kỳ:

Bảng 1.3 Bảng tiêu chuẩn không khí của Hoa Kỳ [12]

a Giá trị trong ngoặc là giá trị tương đương

b Không vượt quá một lần trong năm

c Không vượt quá 4 lần trong 3 năm

d Không vượt quá 3 lần trong 3 năm

e Sử dụng từ bách phần 98 trở xuống

1.2.2.2 Australia

Chất lượng không khí của Australia cũng được công bố thông qua bộ chỉ số AQI với cách tính riêng khác với Hoa Kỳ Chỉ số càng thấp thì chất lượng không khí càng tốt Bảng cảnh báo cho bộ chỉ số AQI của Australia được xác định như bảng 1.4 sau:

Bảng 1.4 Các mức AQI đang được áp dụng tại Astralia [8]

Qp: Giá trị tiêu chuẩn của thông số

Giá trị chỉ số chất lượng không khí bằng 100 tương ứng với nồng độ thông

số bằng với giá trị tiêu chuẩn của thông số đó Các thông số và tiêu chuẩn tương ứng được lựa chọn và lấy ra từ bảng Quy định tiêu chuẩn chất lượng không khí xung quanh của Astralia Các thông số dùng để tính AQI bao gồm:

Bảng1.5 Các thông số và giá trị tiêu chuẩn để tính AQI [8]

Bảng 1.6 Tiêu chuẩn chất lượng không khí của Astralia [8]

1.2.3 Phương pháp tính toán bộ chỉ số chất lượng không khí (AQI) theo

sổ tay hướng dẫn của tổng cục môi trường Việt Nam ban hành

1.2.3.1 Tính toán giá trị AQI theo giờ

a Giá trị AQI theo giờ của từng thông số được tính toán theo công thức 1.4 sau đây: [9]

= 100 (1.4)

TSx: Giá trị quan trắc trung bình 1 giờ của thông số X

QCx: Giá trị quy chuẩn trung bình 1 giờ của thông số X

AQIxh : Giá trị AQI theo giờ của thông số X (được làm tròn thành số nguyên)

b Giá trị AQI theo giờ

Sau khi đã có giá trị AQI x h theo giờ của mỗi thông số, chọn giá trị AQI lớn

nhất của 05 thông số trong cùng 1 giờ để lấy làm giá trị AQI theo giờ: [9]

Trong 01 ngày, mỗi thông số có 24 giá trị trung bình tương ứng từng 24 giờ AQIh dùng để đánh giá chất lượng môi trường không khí xung quanh và mức độ ảnh hưởng tới sức khỏe con người theo giờ

1.2.3.2 Giá trị AQI theo ngày

a Giá trị AQI theo ngày của từng thông số

Đầu tiên tính giá trị trung gian là AQI trung bình 24 giờ của từng thông số theo công thức 1.6 sau đây: [9]

= 100 (1.6)

TSx: giá trị quan trắc trung bình 24 giờ của thông số X

QCx: giá trị quy chuẩn trung bình 24 giờ của thông số X

AQIx24: giá trị AQI tính bằng giá trị trung bình 24 giờ của thông số X (được

O3

Giá trị AQI theo ngày của từng thông số được xác định là giá trị lớn nhất

bình 24 giờ của thông số đó: [9]

Lưu ý: Giá trị AQId O3 = max(AQIh O3)

Trong đó AQId x là giá trị AQI ngày của thông số X

b Giá trị AQI theo ngày

Sau khi đã có các giá trị AQI theo ngày của mỗi thông số, giá trị AQI lớn nhất của các thông số đó được lấy làm giá AQI theo ngày của trạm quan trắc đó:[9]

1.2.3.3 So sánh chỉ số chất lượng không khí đã được tính toán với bảng:

Sau khi tính toán được chỉ số chất lượng không khí, sử dụng bảng xác định giá trị AQI tương ứng với mức cảnh báo chất lượng không khí và mức độ ảnh hưởng tới sức khỏe con người để so sánh, đánh giá

Bảng 1.7 Bảng cảnh báo chất lượng không khí AQI của Việt Nam [9]

Khoảng giá

trị AQI

Chất lƣợng

Ghi chú: Nhóm nhạy cảm bao gồm: trẻ em, người già và những người mắc bệnh hô hấp

Bảng 1.8 Bảng các giá trị QC x trong quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng

không khí xung quanhQCVN 05:2009/BTNMT [9]

1.2.3.4 Đánh giá nồng độ bụi PM2.5 và PM10 thông qua bộ chỉ số AQI:

Dựa trên công thức tính toán bộ chỉ số chất lượng không khí đã trình bày ở trên, thiết bị đo nồng độ bụi PM2.5 và PM10 tự động được nghiên cứu chế tạo dựa trên board mạch Arduino UNO với các yêu cầu kĩ thuật cho thiết bị như sau:

- Thiết bị đo là thiết bị đo tự động hai thông số PM2.5 và PM10 Thời gian giữa hai lần đo là 5 phút

- Thiết bị có thể đo liên tục trong nhiều ngày

- Số liệu đo được theo dõi và cảnh báo thông qua một website hoặc một ứng dụng cho điện thoại di động

- Các giá trị đo được tính toán theo công thức tính chỉ số chất lượng không khí do tổng cục môi trường ban hành là chỉ số AQI theo giờ và chỉ số AQI theo ngày cho từng thông số bụi PM2.5 và bụi PM10 Dựa trên các giá trị AQI, mầu cảnh báo sẽ được hiển thị để cảnh báo mức nguy hiểm tại thời điểm đo

1.3 Internet kết nối vạn vật và phương pháp xây dựng một mô hình quan trắc môi trường tự động ứng dụng Internet kết nối vạn vật:

1.3.1 Internet kết nối vạn vật (Internet of Thing - IoT)

Internet kết nối vạn vật là một trong những lĩnh vực quan trọng trong cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 Internet kết nối vạn vật là kết nối các thiết bị sao cho người dùng có thể điều khiển các thiết bị hoặc theo dõi số đo của các cảm biến thông qua hệ thống mạng internet

Các đặc tính riêng và yêu cầu của hệ thống IoT [20]:

+ Có sự kết hợp giữa phần cứng, cảm biến, ứng dụng phần mềm và kết nối Internet trong cùng một hệ thống;

+ Trình xử lý sự kiện phức tạp, phân tích theo thời gian thực;

+ Hỗ trợ thu thập số liệu với độ chính xác, đa dạng và tốc độ cao;

+ Hệ thống có quy mô dữ liệu lớn

Luận văn xây dựng một hệ thống IoT cho lĩnh vực quan trắc môi trường Thông qua các cảm biến, các dữ liệu về môi trường sẽ được theo dõi và lưu trữ liên tục, tự động qua đó giúp công việc của người theo dõi, thu thập số liệu trở nên đơn giản hơn

1.3.2 Phương pháp xây dựng một mô hình quan trắc môi trường tự động ứng dụng Internet kết nối vạn vật:

Với luận văn này, tôi đã xây dựng một mô hình quan trắc môi trường nhỏ có ứng dụng Internet kết nối vạn vật để theo dõi các số liệu thu được từ cảm biến đo nồng độ hạt bụi PM2.5 và PM10 dựa trên board mạch Arduino UNO Thiết bị giao tiếp với người sử dụng thông qua website hoặc điện thoại thông minh chạy hệ điều

hành Android Mô hình được xây dựng như hình 1.3:

Hình 1.3 Mô hình IoT cho hệ thống quan trắc môi trường tự động

Với mô hình thể hiện tại hình 1.3, cảm biến đo các thông số môi trường và chuyển các tín hiệu đo được sang dạng tín hiệu điện và truyền tín hiệu sang vi điều khiển thông qua các giao tiếp như UART Vi điều khiển xử lý tín hiệu nhận được, tính toán, chuyển đổi các tín hiệu đó thành giá trị đo và truyền sang chíp tích hợp wifi cũng thông qua giao tiếp UART Chíp tích hợp wifi sau khi nhận được tín hiệu

sẽ truyền dữ liệu lên một website hỗ trợ IoT Sau đó, tín hiệu được truyền về điện thoại thông qua sóng wifi và được hiển thị trên phần mềm được cài đặt sẵn Quá trình truyền tin qua mạng wifi thông qua bộ giao thức TCP/IP Trong mô hình trên

ta sử dụng hai phương thức truyền tín hiệu là UART và TCP/IP

1.3.3 Giao tiếp truyền thông nối tiếp UART [3]

UART là giao tiếp được sử dụng trong việc truyền dẫn dữ liệu nối tiếp giữa máy tính hoặc vi điều khiển với các thiết bị ngoại vi hoặc vi điều khiển với các sensor Rất nhiều vi điều khiển hiện nay đã được tích hợp UART Để bắt đầu cho việc truyền dữ liệu, một bít START được gửi đi, sau đó là các bit dữ liệu và kết thúc

là bit STOP

Trong quá trình truyền dữ liệu, ban đầu trạng thái chờ ở mức điện thế 1 (high) Khi bắt đầu truyền START bit sẽ chuyển từ mức 1 xuống mức 0 để báo hiệu cho bộ nhận là quá trình truyền dữ liệu sắp xảy ra Sau bit START là đến các bít từ D0 đến D7 Sau khi truyền hết dữ liệu thì đến bit Parity để bộ nhận kiểm tra tính đúng đắn của dữ liệu truyền Cuối cùng là bit STOP để báo cho thiết bị nhận quá trình truyền dẫn đã hoàn tất Thiết bị nhận sẽ kiểm tra khung truyền nhằm đảm bảo tính đúng đắn của dữ liệu

Trong giao tiếp UART, ta không có dây truyền xung clock để đồng bộ hóa tín hiệu, do đó để hai thiết bị truyền và nhận dữ liệu cần đồng bộ thời gian truyền các bit tín hiệu thông qua tốc độ baund

1.3.4 Bộ giao thức TCP/IP [13]

Các tầng giao thức TCP/IP được chia làm bốn tầng chức năng, bốn tầng đó là: Ứng dụng (Application), Giao vận (Transport), Internet, và Giao tiếp mạng (Network Interface) Mỗi tầng trong mô hình này tương ứng với một hoặc nhiều tầng trong mô hình 7 tầng của mô hình OSI

1.3.4.1.Giao thức lõi TCP/IP

Thành phần giao thức TCP/IP được cài trong hệ điều hành mạng là một chuỗi các giao thức liên hệ với nhau được gọi là các giao thức lõi TCP/IP Tất cả các ứng dụng khác và các giao thức khác trong bộ giao thức TCP/IP dựa trên các dịch vụ cơ sở cung cấp bởi các giao thức sau: IP, ARP, ICMP, IGMP, TCP và UDP

1.3.4.2 Truyền tin theo bộ giao thức TCP/IP [3]

Một gói tin được truyền đi giữa các máy tính trong mạng LAN/WAN hay giữa Client-Server trên mạng Internet là nhờ vào bộ giao thức TCP/IP như sau:

Quá trình đóng gói:

Hình 1.4 Quá trình đóng gói tệp tin

Quá trình truyền tin:

Hình 1.5 Quá trình truyền tin thông qua giao thức TCP/IP

Mô tả quá trình đóng gói và truyền tin qua giao thức TCP/IP: [13]

Với máy nguồn, tại lớp Application dữ liệu được tạo thành một khối Data lớn và được chuyển xuống lớp Transport

Tại lớp Transport, dữ liệu sẽ được chia nhỏ thành các Segment, Các Segment này được đóng gói lại và được thêm vào một Header nhằm xác định dữ liệu tại máy đích và định dạng theo kiểu truyền dữ liệu TCP hoặc UDP Sau đó, dữ liệu được chuyển xuống lớp Network

Tại lớp Network, các Segment sẽ được gắn thêm IP Header, bao gồm IP nguồn và IP đích Sau đó, chúng được chuyển xuống lớp Datalink and Physical

Tại lớp Data link và Physical, dữ liệu được đóng thêm địa chỉ MAC nguồn

và MAC đích và sau đó được truyền ra khỏi máy tính

Khi ra khỏi máy tính:

Đầu tiên gói tin được đưa đến Switch, Switch sẽ mở gói tin ra và đọc địa chỉ MAC Thông qua địa chỉ này, thiết bị sẽ gửi gói tin đến nơi cần truyền hoặc gửi ra Router nếu khác mạng

Tại Router, nó sẽ đọc địa chỉ IP đích để xác định đường truyền và truyền tín hiệu đến máy đích

Khi dữ liệu được truyền đến máy đích, máy sẽ gỡ bỏ dần các Header và giải

mã tệp tin để lấy dữ liệu được gửi

1.4 Các phương pháp đo nồng độ bụi PM2.5 và PM10

1.4.1 Phương pháp hấp thụ tia beta [5]

Phương pháp này xác định được khối lượng các hạt bụi PM bằng cách đo độ hấp thụ tia beta, nội dung phương pháp được trình bày trên TCVN 9469-2012 như sau:

Hút một thể tích đã xác định không khí xung quanh qua một vật liệu lọc mà trên

đó bụi (các hạt vật chất) được giữ lại Tổng khối lượng của bụi được xác định bằng cách đo độ hấp thụ tia bêta Phép đo này theo định luật hấp thụ thực nghiệm sau:[5]

N = No.e-km (1.9)Trong đó:

No số electron đến trên một đơn vị thời gian (tính bằng giây);

N số electron đã truyền qua trên một đơn vị thời gian (tính bằng giây) đo được sau cái lọc;

k hệ số hấp thụ trên đơn vị khối lượng (cm2/mg);

m khối lượng diện tích (mg/cm2) của vật đã tiếp xúc với tia bêta

Thực tế, không cần phải xác định No, khối lượng diện tích của bụi đã lấy mẫu được xác định như sau:

a Bước một: Thực hiện phép đo trên cái lọc trắng (cái lọc không lấy mẫu bụi): [5]

N1 = No km 0

e (1.10)Trong đó:

sau cái lọc trắng;

mo khối lượng diện tích (mg/cm2) của cái lọc trắng

b Bước hai: thực hiện phép đo trên cùng loại cái lọc đã lấy mẫu bụi:[5]

N2 = No k ( mo m )

e  (1.11) Trong đó:

N2 số electron đã truyền qua trên một đơn vị thời gian (tính bằng giây) đo được sau cái lọc đã lấy mẫu bụi;

m

 khối lượng diện tích (mg/cm2) của bụi đã lấy (tích tụ) trên cái lọc

Kết hợp công thức (1.10) và (1.11), ta có:[5]

N1 = N2.e k  m (1.12) hoặc:

 

 N21

N ln k

1.4.2 Phương pháp tán xạ

1.4.2.1 Hiện tượng tán xạ ánh sáng:

Trong môi trường trong suốt và đồng nhất, ánh sáng truyền theo đường thẳng Tuy nhiên, khi môi trường không đồng nhất (môi trường chứa các hạt bụi PM) ánh sáng sẽ không những truyền thẳng mà còn truyền theo các phương khác Hiện tượng đó gọi là hiện tượng tán xạ ánh sáng [4]

1.4.2.2 Nguyên lý đo bụi bằng tán xạ ánh sáng

Hệ thống sensor đo quang học gồm có các đầu sensor phát và thu ánh sáng tán xạ từ các hạt bụi trong buồng hút, hai đầu sensor này được đặt theo phương

bên trong buồng hút, theo nguyên lý tán xạ ánh sáng, các ánh sáng tán xạ phát ra từ các luồng hạt bụi này sẽ truyền tới đầu sensor quang ở phía đầu thu ánh sáng, và đưa tín hiệu này tới bảng mạch xử lý tín hiệu Bảng mạch chuyển tín hiệu cần đo thành tín hiệu điện Tín hiệu này sau khi chuyển tới vi điều khiển có thể chuyển đổi thành kết quả đo và hiển thị trên các thiết bị như LCD hay LED 7 đoạn Trong phương pháp này ta cũng cần lọc lấy các hạt bụi có kích thước nhỏ (PM2.5 hoặc PM10) để đưa vào buồng hút

Hình 1.6 Nguyên lý đo bụi bằng phương pháp tán xạ ánh sáng

Nguyên lý đo bụi dựa trên lý thuyết tán xạ ánh sáng Khi ánh sáng tới xuyên qua các hạt bụi, sự tán xạ ánh sáng xảy ra Nồng độ hạt bụi (Mv) và cường độ của ánh sáng tán xạ có mối liên hệ theo công thức 1.14: [22]

Nồng độ khối lượng của các hạt bụi có mối quan hệ tuyến tính với cường độ ánh sáng tán xạ Do đó, nếu biết bước sóng của ánh sáng tới và chọn góc tán xạ thích hợp, nồng độ khối lượng của các hạt bụi có thể thu được thông qua tính toán cường độ ánh sáng tán xạ [22]

Hiện nay, trên thị trường có một số sensor hoăc máy đo dùng để đo nồng độ bụi PM2.5 và PM10 như sensor SDS011, sensor GP2Y1010AU0F, máy đo G3 PM… Các sensor và thiết bị này đều đo bằng phương pháp tán xạ ánh sáng

Chương 2 – CHẾ TẠO THIẾT BỊ 2.1 Các module phần cứng, phần mềm và website hỗ trợ IoT

2.1.1 Arduino Uno R3

Arduino Uno R3 là một thiết bị sử dụng vi điều khiển Atmega328P để xử lý các tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED, xử lý tín hiệu nhận được từ cảm biến, xuất dữ liệu lên các thiết bị hiển thị như màn hình LCD…

Arduino có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp từ nguồn ngoài với điện áp hoạt động ổn định trong khoảng từ 7V đến 12V và điện áp giới hạn từ 6V đến 20V Tuy nhiên, Nguồn cấp hợp lý nhất là 9V Nếu cấp nguồn vượt quá giới hạn trên có thể làm hỏng Arduino Hình 2.1 thể hiện sơ đồ chân của Arduino Uno R3.[10]

Hình 2.1.Sơ đồ Arduino Uno R3

2.1.1.1 Chân reset và các chân năng lượng

Chân reset: Với arduino, khi ta nhấn nút reset trên board tương đương với việc chân này được nối với GND qua một điện trở 10kΩ Khi đó toàn bộ chương trình của vi điều khiển Atmega328P sẽ được chạy lại từ đầu Đồng thời các biến đã lưu giá trị cũng được trả lại giá trị ban đầu

Chân GND: Trên Arduino Uno có ba chân GND Đối với tín hiệu logic, chân này tương đương với mức logic 0 (LOW)

Chân 5V: Chân này cấp điện áp 5V đầu ra, dòng tối đa cho phép ở chân này

là 500mA Đối với tín hiệu logic, chân 5V tương đương với mức logic 1 (HIGH)

Chân 3,3V: Chân này cấp điện áp 3,3V đầu ra, dòng tối đa cho phép ở chân này là 50 mA Đối với tín hiệu logic, chân 3,3V vẫn tương đương với mức logic 1 (HIGH) dù có điện áp nhỏ hơn mức điện áp chuẩn (5V)

Chân Vin: Chân này để cấp nguồn ngoài cho Arduino Uno Khi cấp nguồn ngoài ta nối cực dương với chân Vin, cực âm nôi với chân GND

Chân IOREF: Điện áp hoạt động của Arduino có thể đo được ở chân này và

nó luôn bằng 5V Tuy nhiên ta không thể lấy nguồn 5V từ chân này Nếu muốn lấy nguồn 5V ta lấy ở chân 5V hoặc lấy ở các chân Digital khi chúng xuất tín hiêu mức cao (HIGH)

2.1.1.2 Bộ nhớ

Bộ nhớ của arduino Uno là bộ nhớ của vi điều khiển Atmega328P gồm:

Bộ nhớ flash dung lượng 32kB: Toàn bộ code lập trình sẽ được lưu vào trong

bộ nhớ flash Ngoài phần dùng để lưu code, bộ nhớ flash sẽ dùng vài kB để bootloader

Bộ nhớ SRAM dung lượng 2kB: Bộ nhớ này sẽ lưu các biến được khai báo trong đoạn code lập trình và nó sẽ bị mất toàn bộ dữ liệu khi mất điện

Bộ nhớ EEPROM dung lượng 1kB: Bộ nhớ EEPROM có khả năng lưu trữ dữ liệu khi mất điện, do đó với các biến cần lưu dữ liệu ta nên lưu nó vào bộ nhớ này

2.1.1.3 Các cổng digital và analog

Cổng digital: Arduino Uno có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu Các cổng này chỉ đọc hai mức điện áp là mức thấp và mức cao, tương đương với hai mức logic 0 và 1 Ở mỗi chân đều có các điện trở pull-up được cài đăt sẵn trong vi điều khiển, khi mặc định thì các điện trở này không được kết nối Các chân digital

có một số chân đặc biêt sau:

Hai chân kết nối Serial (UART) là chân 0 (RX) và chân 1 (TX) dùng để gửi

và nhận dữ liệu qua giao tiếp Serial Arduino có thể giao tiếp với nhiều thiết bị khác

sử dụng để kết nối với máy tính nhằm nạp code cũng như truyền dữ liệu qua lại giữa máy tính và Arduino

Chân tạo xung PWM: Gồm các chân số 3,5,6,9,10,11 Các chân này cho phép xuất xung PWM với độ phân giải 8 bit

Chân giao tiếp SPI: Các chân số 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13(SCK) Bốn chân này có thêm chức năng dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác

Cổng analog: Trên arduino Uno có 6 chân analog (A0 đến A5) để đọc các giá trị điện áp trong khoảng từ 0 đến 5V với độ phân giải 10 bit Với chân AREF trên board, khi ta cấp điện áp tham chiếu trong khoảng từ 0 đến 5V, khi đó chân analog

sẽ đọc mức điện áp từ 0 đến điện áp tham chiếu với độ phân giải vẫn là 10 bit

Hai chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C khi Arduino giao tiếp với các thiết bị khác

2.1.1.4 Arduino IDE

Arduino được lập trình bởi một ngôn ngữ riêng Ngôn ngữ này dựa trên ngôn ngữ Wiring được viết cho các phần cứng Wiring là một biến thể của C/C++ nên lập trình Arduino khá giống với lập trình C, C++ Đội ngũ phát triển Arduino goi nó là

“ngôn ngữ Arduino” Để lập trình theo ngôn ngữ này, Arduino cung cấp đến người dùng một môi trường lập trình là Arduino IDE Môi trường này dùng để viết code

và biên dịch ra các file hex nạp vào vi điều khiển của Arduino.[10]

2.1.2 Cảm biến Nova PM sensor SDS011

Cảm biến PM sensor SDS011 được dùng để đo nồng độ bụi PM2.5 và PM10 theo nguyên lý tán xạ ánh sáng Ánh sáng tán xạ được chuyển thành tín hiệu điện, được khuếch đại và truyền dữ liệu qua giao thức truyền thông nối tiếp UART với dữ liệu là nồng độ hạt của PM2.5 và PM10 (tính từ các hạt có đường kính từ 0,3 đến 10 μm)

Nguyên lý làm việc của cảm biến dựa trên sự tán xạ ánh sáng, nguồn sáng chiếu sáng các hạt và ánh sáng phân tán được chuyển thành tín hiệu bởi bộ tách sóng quang, biên độ phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng, góc tán xạ, kích thước hạt

và chỉ số khúc xạ tương đối giữa các hạt theo công thức 1.14

Cảm biến được nghiên cứu sử dụng lấy mẫu với các xung 0-5 V có chu kỳ khoảng 1 s Thiết bị còn có một quạt nhỏ tạo nhằm áp suất âm để đưa dòng hạt tới

vị trí buồng đo Cảm biến SDS011 đo PM2.5 và PM10 trong phạm vi từ 0.0 đến 999.9 µg / m3 và có sai số tương đối lớn nhất là ± 15% ở 25 ° C và 50% độ ẩm tương đối (theo nhà sản xuất) [15]

Hình 2.2 Hình ảnh sơ đồ cảm biến Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của cảm biến Nova PM sensor SDS011[20]

Công thức tính PM2.5 và PM10 từ cảm biến PM SDS011:

Bảng 2.2 Bảng nội dung các byte [20]

2.1.3 LCD I2C

2.1.3.1 Giới thiệu LCD HD44780

LCD (Liquid Crystal Display) là thiết bị hiển thị được sử dụng trong rất nhiều các ứng dụng của VĐK LCD có rất nhiều ưu điểm so với các dạng hiển thị khác: Nó có khả năng hiển thị kí tự đa dạng, trực quan (chữ, số và kí tự đồ họa) được mã hóa thông qua bảng mã ASCII, dễ dàng đưa vào mạch ứng dụng theo nhiều giao thức giao tiếp khác nhau, tốn rất ít tài nguyên hệ thống và giá thành rẻ … Khi sản xuất LCD, nhà sản xuất đã tích hợp chíp điều khiển (HD44780) bên trong lớp vỏ và chỉ đưa các chân giao tiếp cần thiết [18]

2.1.3.2 Giao tiếp I2C

I2C, viết tắt của từ tiếng Anh “Inter-Integrated Circuit”, là một loại bus nối

tiếp được phát triển bởi hãng sản xuất linh kiện điện tử Philips Hiện nay, giao tiếp I2C đã được chuẩn hóa và được dùng rộng rãi trong các module truyền tín hiệu nối tiếp của vi mạch tích hợp ngày nay [3]

I2C sử dụng hai đường truyền tín hiệu:

Một đường xung nhịp đồng hồ(SCL) chỉ do Master phát

Một đường dữ liệu (SDA) theo 2 hướng

Bản chất của I2C là dữ liệu trên đường SDA chỉ được ghi nhận ở sườn lên của chân CLK Do vậy xung clock có thể không cần chính xác tốc độ Do đó ta có thể sử dụng 2 chân I/O để làm chân giao tiếp I2C mềm mà không nhất thiết cần một chân CLK tạo xung với tốc độ chính xác

Module giao tiếp I2C điều khiển LCD:

Thông thường, để sử dụng màn hình LCD, ta sẽ phải mất rất nhiều chân trên Arduino để điều khiển Tuy nhiên khi kết hợp module I2C với LCD ta chỉ tốn 2 dây

để điều khiển màn hình thay vì 8 dây như cách thông thường Sau khi kết nối module này với LCD, thiết bị chỉ còn 4 chân gồm VCC, GND, SDA, SCL

VCC: Kết nối với nguồn 5V

GND: Chân nối đất

SDA: Chân truyền dữ liệu

SCL: Chân truyền xung clock

Khi kết nối LCD I2C với Arduino Uno, chân SDA nối với chân A4 còn chân SCL nối với chân A5

2.1.4 ESP 8266

2.1.4.1.Giới thiệu về ESP 8266

ESP8266 là chíp tích hợp wifi 2.4GHz, được đóng gói và sản xuất bởi Thinker đưa ra thị trường dưới dạng module ESP-01 Nó có khả năng kết nối Internet qua mạng Wi-Fi một cách nhanh chóng và sử dụng rất ít linh kiện đi kèm với giá thành rẻ so với các card mạng wifi khác [16]

AI-2.1.4.2 ESP-01

Hình 2.4 Hình ảnh module ESP – 01 sử dụng chíp ESP 8266

Module ESP-01 là một module sử dụng chíp ESP8266 Module này có kích thước nhỏ, gọn sử dụng nguồn 3,3V và kết nối với vi điều khiển qua giao tiếp UART Module được tích hợp sẵn angten và sử dụng tập lệnh AT riêng để truyền

dữ liệu

ESP-01 được sử dụng nhiều trong các hệ thống Internet kết nối vạn vật và là một cầu nối quan trọng giữa vi điều khiển với các website hoặc với các thiết bị khác thông qua đường truyền wifi.[17]

2.1.5 Website: https// thingspeak.com

2.1.5.1 Giới thiệu về website: https//thingspeak.com

ThingSpeak là một website hỗ trợ cho lĩnh vực IoT của MathWorks và Simulink ThingSpeak cho phép tổng hợp, trực quan hóa và phân tích dữ liệu trực tiếp trên cloud.Ngoài ra, ThingSpeak còn cung cấp khả năng hiển thị trực quan dữ liệu Nó cho phép viết thêm code bằng ngôn ngữ lập trình MATLAB ngay trên website, do đó có thể thực hiện phân tích trực tuyến và xử lý dữ liệu nhận được trên Thingspeak ThingSpeak giúp các hệ thống IoT đặc biệt là những hệ thống yêu cầu phân tích dữ liệu được xử lý dễ dàng và trực tiếp trên cloud nên người sử dụng có thể xây dựng các hệ thống IoT mà không cần thiết lập máy chủ hoặc phát triển phần mềm web Đối với các hệ thống IoT cỡ vừa và nhỏ, ThingSpeak cho phép lưu trữ

dữ liệu trên website trong thời gian dài

Hình 2.5 Hình ảnh đồ thị trên website https://thingspeak.com

Với ThingSpeak, dữ liệu được lưu trữ trong các kênh Mỗi kênh chứa 8 trường dữ liệu Ta có thể tạo bao nhiêu kênh tùy thích cho ứng dụng của mình

Ngoài ra, ta cũng có thể sử dụng bất kỳ thiết bị kết nối Internet nào với ThingSpeak như Arduino, ESP-8266 và Raspberry Pi

ThingSpeak lưu trữ tất cả thông tin được gửi lên trên đám mây, do đó ta có thể dễ dàng truy cập dữ liệu của mình để phân tích trực tuyến hoặc ngoại tuyến Dữ

liệu cá nhân được bảo vệ bằng khóa API Khi đăng nhập vào tài khoản ThingSpeak của mình, ta có thể tải xuống dữ liệu được lưu trữ

ThingSpeak tự động lập biểu đồ dữ liệu được gửi lên, do đó có thể theo dõi

từ xa mọi thiết bị và xem dữ liệu từ bất kỳ thiết bị nào có trình duyệt web Thingspeak còn cho phép chia sẻ dữ liệu với một tài khoản khác Ngoài ra, ta có thể

sử dụng ThingSpeak để quản lý dữ liệu của mình và tạo giao diện người dùng

Với bản trả phí của ThingSpeak, dữ liệu được gửi đến ThingSpeak với tốc độ một giây một lần thay vì 15 giây một lần như bản miễn phí Với bản trả phí này, ta không chỉ theo dõi được các dữ liệu theo thời gian thực mà còn cho phép điều khiển các thiết bị từ đám mây

Với công cụ MATLAB được tích hợp vào ThingSpeak, ta có thể thực hiện hiệu chỉnh, phát triển phân tích và chuyển đổi dữ liệu của mình [14]

2.1.5.2 Các kênh của thingspeak

Các kênh lưu trữ tất cả dữ liệu mà ứng dụng ThingSpeak thu thập Mỗi kênh bao gồm tám trường có thể chứa bất kỳ loại dữ liệu nào, cộng với ba trường cho dữ liệu

vị trí và một trường cho dữ liệu trạng thái Khi thu thập dữ liệu trong một kênh, ta có thể sử dụng các ứng dụng ThingSpeak để phân tích và hiển thị dữ liệu

Để chuyển đổi và xử lý dữ liệu trong một kênh của Thingspeak ta sử dụng Thingspeak Apps

Một số cài đặt quan trọng trong Thingspeak Channel:

Channel name: Tên kênh

Description: Nhập mô tả cho kênh

Field: Các trường trong mỗi kênh của thingspeak, có tất cả 8 trường

Show channel Location: hiển thị tọa độ, vị trí bao gồm:

Latitude: Vĩ độ

Longitude: Kinh độ

Elevation: Độ cao

Sử dụng Api_key trong thingspeak:

Để đưa dữ liệu lên thingspeak ta sử dụng câu lệnh sau:

https://api.thingspeak.com/update?api_key=api_keywritechannel&field1=Data1&field2=Data2