Nghiên cứu, xây dựng hệ đo cảnh báo ô nhiễm không khí trong tòa nhà luận văn ths kỹ thuật điện, điện tử và viễn thông 60 52 02

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN TUẤN THÀNH NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG HỆ ĐO CẢNH BÁO Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ TRONG TỊA NHÀ LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG HÀ NỘI - 2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN TUẤN THÀNH NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG HỆ ĐO CẢNH BÁO Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ TRONG TỊA NHÀ Ngành: Cơng nghệ Kỹ thuật Điện tử, Truyền thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60520203 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS-TS TRẦN ĐỨC TÂN HÀ NỘI - 2016 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy PGS-TS Trần Đức Tân hướng dẫn, cung cấp tài liệu, thiết bị giúp đỡ nhiệt tình cho tơi q trình thực hoàn thành đề tài: “Nghiên cứu, xây dựng hệ đo cảnh báo nhiễm khơng khí tịa nhà” Tôi xin chân thành cảm ơn đến thầy cô khoa Điện Tử Viễn Thông bạn giúp đỡ góp ý cho tơi thời gian qua để tơi hồn thành đề tài Tơi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, người quan tâm tạo điều kiện tốt cho tơi q trình học tập để hồn thành khóa học thời hạn Hà Nội, ngày tháng năm 2016 Học viên cao học Trần Tuấn Thành LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan khóa luận “Nghiên cứu, xây dựng hệ đo cảnh báo nhiễm khơng khí tịa nhà” thầy PGS.TS Trần Đức Tân trực tiếp hướng dẫn Các nội dung nghiên cứu, kết luận văn trung thực chưa công bố hình thức trước Tơi khơng chép tài liệu hay cơng trình nghiên cứu người khác để làm luận văn Nếu phát có gian lận tơi xin hồn toàn chịu trách nhiệm nội dung luận văn Trong luận văn này, sử dụng số tài liệu tham khảo nêu nguồn gốc danh mục Tài Liệu Tham khảo Hà Nội, ngày tháng năm 2016 Học viên thực Trần Tuấn Thành MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT/ GIẢI THÍCH Ý NGHĨA DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ 1.1.Tình hình nhiễm mơi trường khơng khí 1.2.Các nguồn phát thải 1.3.Tác hại ô nhiễm khơng khí CHƯƠNG 2: CÁC HỆ THỐNG ĐO Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ 2.1.Các phương pháp đánh giá dự đốn nhiễm mơi 2.2.Hệ thống giám sát nhiễm khơng khí dựa phản 2.2.1 Cấu trúc hệ thống cảm biến 2.2.2 Các bước chuẩn bị 2.2.3 Phát khí O3 2.3.Hệ thống giám sát khí O3 qua điện thoại [6] 2.3.1 Cấu trúc phần cứng 2.3.2 Cấu trúc phần mềm CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN PHẦN CỨNG CỦA HỆ ĐO DỰA TRÊN TÍCH HỢP CẢM BIẾN ĐO KHÍ CACBON MONOXIT(CO) 3.1.Giới thiệu chung 3.2.Cơ sở xây dựng hệ thống 3.2.1 Mạng cảm biến không dây (WSN) [7] 3.2.2 Module DRF1605H anten [9] 3.2.3 Thiết bị cảm biến MQ-7[8] 3.2.4 Thiết bị cảm biến nhiệt độ LM35 [10] 3.2.5 Arduino UNO R3[11] 3.2.6 Nguồn lượng sử dụng 3.3.Xây dựng hệ thống KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC: CODE CẤU HÌNH COORDINATOR KÝ HIỆU VIẾT TẮT/ GIẢI THÍCH Ý NGHĨA Kí hiệu WHO EPI AQI WSN RF MAC MMSN ID NTP RBS TPSN FTSP UART Ý nghĩa World Health Organization / tổ chức y tế giới Environmental Performance Index / số lực quản lý môi trường Air quality index / số chất lượng khơng khí Wireless sensor networks / mạng cảm biến không dây Radio frequency / tần số vô tuyến Media Access Control / điều khiển truy cập môi trường Multi-Frequency Media Access Control / điều khiển truy cập môi trường đa tần số Identification / xác thực Network Time Protocol / giao thức đồng thời gian mạng Reference Broadcasts / đồng hóa phát sóng tham khảo Timing-sync Protocol for Sensor Networks/ giao thức đồng thời gian cho mạng cảm biến Flooding Time Synchronization Protocol / giao thức đồng lụt thời gian Universal Asynchronous Receive-Transmit / truyền nhận liệu không đồng DANH MỤC CÁC Bảng 1: Bảng đánh giá mức độ AQI (Nguồn: Internet) Bảng 2: Các bước đo trước thí nghiệm [5] Bảng 1: Thời gian truyền liệu kiểu transparent [9] Bảng 2: Đặc điểm cảm biến MQ-7 [8] Bảng 3: Kết đo đạc vị trí Bảng 4: Kết đo đạc vị trí Bảng 5: Kết đo đạc vị trí Bảng 6: Kết đo đạc vị trí Bảng 7: Kết đo đạc vị trí Bảng 8: Kết đo đạc vị trí Bảng 9: Tỷ lệ truyền liệu DANH MỤC CÁC H Hình 1: Ơ nhiễm mơi trường Hà Tĩnh(Nguồn: Hình 2: Ơ nhiễm làng nghề (Nguồn: Inte Hình 3: Ơ nhiễm mơi trường phương tiệ Hình 4: Ơ nhiễm mơi trường hoạt động sản xuất cơng nghiệp (Nguồn:Internet) 13 Hình 5: Ơ nhiễm mơi trường hoạt động sản xuất nông nghiệp (Nguồn:Internet) 13 Hình 1: Sơ đồ hệ thống cảm biến [5] Hình 2: Tín hiệu lối chuẩn mơi trường khơng khí [5] Hình 3: Tín hiệu lối mơi trường khơng khí có khí O3 [5] Hình 4: Phát 2ppm khí NO2 nhiệt độ 400 C [5] Hình 5: Phát 50ppm khí NO nhiệt độ 400 C [5] Hình 6:Phát 100ppm khí CO nhiệt độ 400 C [5] Hình 7:Phát 1% khí CH4 nhiệt độ 400 C [5] Hình 8:Phát khí NO2 O3 mẫu thử khí gây nhiễm [5] Hình 9: Hệ thống giám sát khí O3 qua điện thoại HTC [6] Hình 10: Giao diện phần mềm [6] Hình 11:Phần mềm giám sát nồng độ khí O3 qua điện thoại [6] Hình 1: Mạng cảm biến không dây[7] Hình 2: Module DRF1605H (Nguồn: Internet) Hình 3: Truyền liệu từ Coordinator tới nút [9] Hình 4: Truyền liệu từ nút tới Coordinator [9] Hình 5: Cảm biến MQ-7[8] Hình 6: Cấu trúc cảm biến MQ-7[8] Hình 7: Sơ đồ cấu tạo MQ-7[8] Hình 8: Đặc điểm độ nhạy cảm biến MQ-7 với loại khí [8] Hình 9:Sự phụ thuộc MQ-7 vào nhiệt độ độ ẩm [8] Hình 10: Chu kỳ điều khiển điện áp cho cuộn sấy [8] Hình 11: Cảm biến nhiệt độ LM35 [10] Hình 12: Board Arduino UNO R3[11] Hình 13: Pin Hình 14: Hình ảnh thực tế Coordinator Hình 15: Hình ảnh thực tế nút cảm biến Hình 16: Sơ đồ mạng kết nối hệ thống Hình 17: Khoảng cách Coordinator vị trí đặt nút cảm biến Hình 18: Vị trí Coordinator Hình 19: Vị trí Hình 20: Vị trí Hình 21: Vị trí 3(sàn tầng 6) Hình 22: Vị trí Hình 23: Vị trí Hình 24: Vị trí DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ Đồ thị 1: Sự thay đổi thơng số vị trí Đồ thị 2: Sự thay đổi thơng số vị trí Đồ thị 3: Sự thay đổi thơng số vị trí Đồ thị 4: Sự thay đổi thơng số vị trí Đồ thị 5: Sự thay đổi thông số vị trí Đồ thị 6: Sự thay đổi thông số vị trí LỜI MỞ ĐẦU Ngày tình trạng nhiễm khơng khí giới Việt Nam vấn đề quan tâm đặc biệt Ô nhiễm mơi trường khơng khí có tác động xấu đến sức khỏe người, đặc biệt tác nhân chủ yếu gây bệnh liên quan đến đường hô hấp như: viêm họng, viêm phế quản, viêm phổi, ho ngồi cịn đẩy nhanh q trình lão hóa gây bệnh khác suy nhược thần kinh, bệnh tim mạch làm giảm tuổi thọ người Ngoài tác động tới đời sống sức khỏe người, ô nhiễm môi trường ảnh hưởng đến hệ sinh thái tự nhiên nguyên nhân gây nên biến đổi khí hậu tồn cầu, chất gây nhiễm khơng khí gây tượng lắng đọng mưa axit, hủy hoại hệ sinh thái tự nhiên, ảnh hưởng tới cơng trình xây dựng làm cho nhiệt độ bề mặt trái đất tăng lên dẫn tới hàng loạt tác động xấu tới mơi trường tự nhiên Ơ nhiễm khơng khí nhà mức báo động cao Phần lớn thời gian sống làm việc nhà,trong khu chung cư, văn phịng kín với nhiều thiết bị văn phịng gây ô nhiễm, tác nhân gây tới 50% bệnh lý người Để nghiên cứu mức độ ô nhiễm tòa nhà nước ta - viện Khoa học Kỹ thuật Bảo hộ Lao động thực nghiên cứu nhằm đo đạc, đánh giá thông số mơi trường văn phịng tịa nhà nội thành Hà Nội với đặc điểm văn phịng có kết cấu kín, kết nghiên cứu cho thấy nồng độ CO khơng khí trung bình 860ppm (nơi cao 940ppm) nồng độ Formaldehyde 0,023 ppm(nơi cao 0,046ppm) nồng độ ozone 0,067ppm (cao 0,091ppm) Mặc dù khảo sát văn phịng nên chưa thể đánh giá cách xác chất lượng khơng khí cung cấp cho thông tin sơ chất lượng không khí tịa nhà Ơ nhiễm khơng khí nguyên nhân gây bệnh hàng đầu với bệnh hô hấp,ung thư tỉ lệ tử vong cao thứ sau bệnh thuốc lá, chế độ ăn uống bệnh béo phì gây ra, theo cơng bố WHO - năm 2012 có triệu ca tử vong liên quan tới nhiễm khơng khí tồn cầu Trong 3.3 triệu ca tử vong bắt nguồn từ ô nhiễm nhà, tập trung quốc gia có thu nhập thấp trung bình Đơng Nam Á Tây Thái Bình Dương Ýnghĩa khoa học thực tiễn Hiện Việt Nam chưa có tiêu chuẩn để đánh giá chất lượng mơi trường khơng khí nhà Vì cần có nghiên cứu để từ đưa tiêu chuẩn chất lượng khơng khí nhà, vào đánh giá cách xác chất lượng khơng khí, từ có biện pháp giải cụ thể để hạn chế ảnh hưởng tiêu cực ô nhiễm không khí gây sức khỏe người Ngồi cần có hệ thống đo đạc cách định kỳ thường xuyên có khả cảnh báo tới người cách kịp thời, tránh 42 Đồ thị 1: Sự thay đổi thông số vị trí Đồ thị 2: Sự thay đổi thơng số vị trí 43 Đồ thị 3: Sự thay đổi thông số vị trí Đồ thị 4: Sự thay đổi thơng số vị trí 44 Đồ thị 5: Sự thay đổi thơng số vị trí Đồ thị 6: Sự thay đổi thông số vị trí a) Tỉ lệ truyền liệu Bảng 3.9: Tỷ lệ truyền liệu 46 b) Tính tốn cơng suất tiêu thụ Các nút sử dụng nguồn 6600 mAh, điện áp 3,7V Công suất: P=U.I= 3,7 x 6600=24420 mWh Một nút cảm biến bao gồm module DRF1605H, vi điều khiển, cảm biến khí MQ-7 cảm biến nhiệt độ LM35 - Công suất Module DRF1605H:  Chế độ gửi: 80mA * 3,3V = 264mW  Chế độ nhận: 45mA * 3,3V = 148,5mW  Chế độ chờ: 40mA * 3,3V = 132mW - Công suất Vi điều khiển Atmega128  Chế độ hoạt động: 17mA * 3,3V = 56,1mW  Chế độ chờ: 8mA * 3,3V = 26,4mW - Công suất cảm biến khí MQ-7:  Mức điện áp 5V: 152mA * 5V = 760mW  Mức điện áp 1,4V: 42mA * 1,4V = 59mW - Công suất cảm biến nhiệt độ LM35: 10mA * 3,3V = 33mW Chế độ hoạt động: nút cảm biến giao tiếp với Coordinator bao gồm trình truyền nhận liệu, vi điều khiển Atmega128, cảm biến khí MQ-7, cảm biến nhiệt độ LM35 Chế độ chờ: công suất module DRF1605H (ở chế độ chờ), vi điều khiển Atmega128, cảm biến khí MQ-7, cảm biến nhiệt độ LM35 chế độ hoạt động Hệ thống thiết lập cách phút(chế độ chờ) sau truyền liệu lần Tổng thời gian truyền liệu từ nút cảm biến tới Coordinator = thời gian nhận lệnh từ Coordinator + thời gian xử lý lệnh + thời gian truyền Thời gian nhận lệnh từ Coordinator: Coordinator gửi chuỗi lệnh gồm 10 ký tự tương đương 110 bits với tốc độ 9600 bps tới nút cảm biến để nút bắt đầu trình truyền 110/9600 = 0,011s 47 Thời gian xử lý lệnh tính dựa tốc độ vi xử lý (8MHz) số lượng câu lệnh viết code, thời gian xử lý lệnh ~0,5s Thời gian truyền: tốc độ baudrate 9600 bps, chuỗi liệu có 50 ký tự tương đương 50x11bits = 550bits Thời gian truyền liệu 550/9600 = 0,057s Thời gian nhận chuỗi = thời gian coordinator gửi (0,011s) + thời gian xử lý lệnh(0,5s) + thời gian truyền (0,057s)=0,568s - Công suất tiêu thụ cảm biến MQ-7 mức điện áp 5V là: 760mW * 60/3600 = 12,7mWh - Công suất tiêu thụ cảm biến MQ-7 mức điện áp 1,4V là: 59mW * 90/3600 = 1,475mWh - Công suất tiêu thụ cảm biến LM35 33mWh - Công suất tiêu thụ Coordinator trình gửi liệu là: 264mW * 0,057s/3600 = 0,004mWh - Công suất tiêu thụ Coordinator trình nhận liệu là: 148,5mW * 0,568/3600 = 0,022mWh - Công suất tiêu thụ module DRF1605H chế độ chờ là: 132mW * 60/3600 = 2,2mWh - Công suất tiêu thụ nút cảm biến là: (0,004 + 0,022) + 2,2 + (12,7 + 1,475) + 33 = 49,401mWh Số lần truyền liệu là: 24420 mWh/ 49,401 mWh= 494 lần Thực tế, pin nạp sử dụng 100% dung lượng nó, trước pin giảm xuống tới 25% cần phải nạp lại pin để sử dụng, pin thực tế sử dụng 75% dung lượng Tuổi thọ nút cảm biến bằng: 494 lần * (0,568seconds + 60seconds)/3600 * (100%-25%)= 6,233 h Như vậy, trường hợp điện dùng nguồn điện áp xoay chiều hệ thống sử dụng 6,233 h pin dự phòng Với kết thu cho thấy hệ thống ta xây dựng với phương pháp phát chất gây ô nhiễm khơng khí áp dụng để giám sát nhiễm khí CO tịa nhà, văn phịng, vị trí đặt khơng bị giới hạn mơi trường truyền liệu khơng dây Ngồi ra, thay đổi loại cảm biến khí nhiễm khác tích hợp phần cứng hệ thống, ta giám sát phát nhiều khí gây nhiễm khác 48 KẾT LUẬN Sau hoàn thành luận văn này, qua trình nghiên cứu xây dựng hệ thống đo, cảnh báo ô nhiễm không khí tịa nhà sử dụng cảm biến khí CO qua mạng cảm biến không dây, em thu kết sau: + Tìm hiểu nguyên lý cảm biến đo khí tích hợp đa cảm biến dùng VĐK + Thiết lập kết nối nút cảm biến để hình thành mạng cảm biến khơng dây + Thực truyền thông kết nối liệu từ mạng cảm biến để quản lý, cảnh báo dùng webserver + Làm chủ toán lượng (khi điện lưới) Dữ liệu từ mạng cảm biến không dây đưa lên webserver mà người quản trị giám sát an tồn khơng khí tịa nhà chỗ truy cập internet Hệ thống triển khai thực nghiệm cho kết khả quan Ta thấy với ưu điểm đơn giản, khả mở rộng hệ thống này, nhờ tăng tính khả thi việc đưa hệ thống vào tòa nhà để giám sát chất lượng khơng khí với chi phí phù hợp với u cầu khách hàng Chúng ta phát triển hệ thống việc thêm nút cảm biến nhiều vị trí cần thiết tích hợp thêm cảm biến khí độc CO 2, NO2, cảm biến nhiệt độ, độ ẩm góp phần cảnh báo cho người có tình nguy hiểm xảy để có phản ứng kịp thời, nhờ làm tăng chất lượng sống người tòa nhà, văn phòng 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Bộ Tài nguyên Môi trường (2013), Báo cáo môi trường Quốc gia (2013) - Môi trường khơng khí, Hà Nội [2] Hồng Văn Bính (2002), Độc chất học cơng nghiệp dư phịng nhiễm độc Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [3] Lê Trung Thắng (2007), Vi điều khiển AVR ATmega128, Đại học khoa học tự nhiên TP Hồ Chí Minh, TP Hồ Chí Minh Tiếng Anh [4] Yale Center for Environmental Law & Policy, Yale University Yale Data Driven Environmental Group, Yale University Yale-NUS College Center for International Earth Science Information Network, Columbia University In collaboration with the World Economic Forum With support from Samuel Family Foundation McCall MacBain Foundation (2016) GLOBAL METRICS FOR THE ENVIRONMENT - The Environmental Performance Index ranks high-priority environmental issues New Haven, Connecticut,U.S [5] Th Becker, St Mühlberger, Chr.Bosch-v Braunmühl, G Müller, Th Ziemann, K.V Hechtenberg, Air pollution monitoring using tin-oxide-based microreactor systems DaimlerChrysler AG, Research and Technology, Postfach 80 04 65, D81663 München, Germany [6] David Hasenfratz, Olga Saukh, Silvan Sturzenegger, and Lothar Thiele Computer Engineering and Networks Laboratory (2012) , Participatory Air Pollution Monitoring Using Smartphones, ETH Zurich, Switzerland [7] John A Stankovic(2006),Wireless Sensor Networks, Department of Computer Science University of Virginia Charlottesville, Virginia 22904 [8] HANWEI ELECTRONICS CO , LTD, TECHNICAL DATA MQ-7 GAS SENSOR [9] DTK Electronics, Zigbee Module User Guide -DRF Series [10] Texas Instruments LM35 Precision Centigrade Temperature Sensors (Rev G) [11].Arduino R3 UNO Overview https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno [12] ATmega128/L Datasheet – Atmel https:// www.atmel.com/images/doc2467.pdf [13] Chinh D.Nguyen, Tan D.Tran, Nghia D.Tran, Tue Huu Huynh & Duc T.Nguyen.(2015) Flexible and efficient wireless sensor networks for detecting rainfall-induced landslides International Journal of Distributed Sensor Networks, 2015, 238 [14] Tran Duc-Tan, Nguyen Dinh-Chinh, Tran Duc-Nghia, Ta Duc-Tuyen (2015) Development of a Rainfall-Triggered Landslide System using Wireless Accelerometer Network International Journal of Advancements in Computing Technology, 7(5), 14 [15] Duc-Tuyen T., & Duc-Tan T (2013) Efficient and reliable GPSbased wireless ad hoc for marine search rescue system In Multimedia and Ubiquitous Engineering (pp 911-918) Springer Netherlands 50 PHỤ LỤC: CODE CẤU HÌNH COORDINATOR / Gui du lieu toi Coordinator va nhan du lieu tu Coordinator #include char incomingByte[50],data[50]; char income; unsigned int count=0; String NodeName = "node1"; // thay doi tuong ung voi tung node String node = "1"; int i=0,j=0; unsigned int gas=1,temp=1,bat=0; int LM35 = A0; // cam bien LM35 int MQ7 = A1; // cam bien MQ7 void setup() { Serial.begin(38400); // MQ7 control pinMode(7,OUTPUT); // dieu khien che 5V pinMode(8,OUTPUT); // dieu khien che 1.4V / Set Interup cli(); /* Reset Timer/Counter1 */ TCCR1A = 0; TCCR1B = 0; TIMSK1 = 0; /* Setup Timer/Counter1 */ TCCR1B |= (1