Nghiên cứu, thiết kế hệ thống quan trắc chất lượng không khí sử dụng vi điều khiển và mạng GSM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI QUÁCH CÔNG MINH NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUAN TRẮC CHẤT LƯỢNG KHƠNG KHÍ SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN VÀ MẠNG GSM LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội - Năm 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI QUÁCH CÔNG MINH NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUAN TRẮC CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN VÀ MẠNG GSM LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS ĐỖ MẠNH CƯỜNG Hà Nội - Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp: “Nghiên cứu thiết kế hệ thống quan trắc chất lượng khơng khí sử dụng vi điều khiển mạng GSM” tự thiết kế hướng dẫn thầy giáo TS ĐỖ MẠNH CƯỜNG Trong trình thiết kế luận văn, sử dụng tài liệu liệt kê phần tài liệu tham khảo Nếu phát có sử dụng nguồn tài liệu khác tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm HỌC VIÊN Qch Cơng Minh MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MÔI TRUỜNG 1.1 Hiện trạng ô nhiễm môi trường 1.1.1 Môi Trường 1.1.2 Ô nhiễm môi trường 1.1.3 Nguồn ô nhiễm môi trường 1.2 Ảnh hưởng khí thải đến người thiên nhiên 1.2.1 Các bon ơxít CO 1.2.2 Các bon đioxit C02 1.2.3 Hyddro Các bon CH4 1.2.4 Ni tơ oxit NO 1.2.5 Hydro Sun Phua H2S 1.3 Tình hình nghiên cứu, phát triển ứng dụng hệ thống giám sát chất lượng khơng khí… 1.3.2.Giám sát nguồn thải 1.3.3 Giám sát chất lượng môi trường 1.3.4 Giám sát chất lượng khơng khí 1.3.5 Giám sát chất lượng nước 1.4 Thực trạng hoạt động quan trắc mơi trường khơng khí CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP GIÁM SÁT THÀNH PHẦN KHÍ ĐỘC HẠI TRONG KHƠNG KHÍ 10 2.1 Mục tiêu giám sát 10 2.2 Nguyên tắc thiết lập hệ thống trạm ô nhiễm khơng khí 13 2.3 Các yếu tố khí tượng giám sát chất lượng khơng khí 14 2.4 Độ cao đo đạc chất ô nhiễm 15 2.5 Kỹ thuật thiết bị lấy mẫu 16 2.5.2 Các nguyên tắc chung cho tính thiết bị lấy mẫu 17 2.5.3 Thiết bị lấy mẫu 17 2.6 Thiết bị sử dụng giám sát môi trường khơng khí 19 2.6.1 Thiết bị xách tay 19 2.6.2 Thiết bị lắp đặt cố định 20 CHƯƠNG III: XÂY DỰNG HỆ THỐNG THIẾT BỊ ĐO CÁC KHÍ CO2, SO2 VÀ BỤI PM10 26 3.1 Các thành phần hệ thống thiết bị 26 3.2 Lựa chọn thành phần hệ thống 28 3.2.1 Lựa chọn cảm biến đo khí 28 3.2.2 Ngun lý hoạt động tính tốn cảm biến khí 30 3.2.3 Lựa chọn cảm biến đo bụi 34 3.2.4 Nguyên lý hoạt động cùa cảm biến bụi 35 2.5 Lựa chọn modul truyền thông 35 3.2.6 Lựa chọn vi điều khiển 37 3.3 Lựa chọn truyền thông 38 3.3.1 Giao thức truyền thông UART 38 3.3.2 Chuẩn truyền thông SPI 40 3.4 Lựa chọn nguồn cấp cho hệ thống 43 CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ VÀ LẬP TRÌNH HỆ THỐNG 46 4.1 Cấu hình chi tiết hệ thống thiết kế phần cứng 46 4.1.1 Thiết kê module chuvến đồi nguồn cho tủ đo 46 4.1.2 Thiết kế mạch kết trung gian 48 4.2 Thiết kế tủ, kết nối modul tú 48 4.3 Xây dựng cấu trúc tin 49 4.4 Lập trình tủ đo 53 4.5 Lập trình giao diện 58 4.5.1 Giao diện HMI máy tỉnh trung tâm 58 4.5.2 Xây dựng chương trình cho dao diện 61 4.6 Tính tốn nguồn cấp lượng mặt trời 64 4.7 Hoàn thiện sản phẩm 66 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 69 Kết Luận 69 Kiến Nghị 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 PHỤ LỤC 72 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Thông số kỹ thuật AQM65 (đo khí) 23 Bảng 2 Thông số kỹ thuật AQM65 (đo bụi) 23 Bảng Thông số kỹ thuật 7310AQM 24 Bảng Các thông số kỹ thuật SLI 25 Bảng Thông số kỹ thuật cảm biến khí CO-B4 28 Bảng Thông số kỹ thuật cảm biến khí NO2-B4 29 Bảng 3 Thơng số kỹ thuật cảm biến khí SO2-B4 30 Bảng Giá trị thông số mạch ISB cảm biến CO, SO2, NO2 33 Bảng Một số lệnh giao tiếp modul sim900 với vi xử lý 37 Bảng Một số thông số kỹ thuật kit ardruino mega 2560 38 Bảng Bản tin UART chế độ 8bit 39 Bảng Các mode SPI 41 Bảng Một số lệnh ghi giao tiếp OPC-N2 43 Bảng 10 Một số lệnh đọc giao tiếp cới OPC-N2 43 Bảng Cấu trúc tin từ tủ điều khiên bên gửi tới PC 52 Bảng Bảng công suất nguồn thiết bị sử dựng 64 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Nguyên lý đo hấp thụ sóng beta Hình 1.2 Nguyên lý đo tán xạ ánh sáng Hình Sơ đồ giới thiệu bước thiết kế chương trình giám sát mơi trường 11 Hình 2 Sơ đồ giới thiệu đường thông tin cho hệ thống giám sát môi trường 12 Hình Sơ đồ giới thiệu hoạt động vòng giám sát đánh giá chất lượng môi trường 13 Hình Mơ hình truyển nhận lưu trữ số liệu 21 Hình Sơ đồ hợp phần trạm 21 Hình Trạm quan trắc, giám sát khơng khí AQM65 22 Hình Thiết bị giám sát chất lượng không khỉ từ xa 24 Hình Cấu hình dự kiến hệ thống 26 Hình Cảm biến khí CO-B4 28 Hình 3 Cảm biến khí NO2-B4 29 Hình Cảm biến khí SO2-B4 29 Hình Cấu trúc cảm biến 30 Hình Cổng kết nối mạch IBS 32 Hình Cảm biến đo mật độ hạt bụi OPC-N2 34 Hình Nguyên lý làm việc OPC-N2 35 Hình Module SIM900 Quad-band GSM/GPRS 36 Hình 10 Module USB to com PL2303 37 Hình 11 Arduino Mega 2560 38 Hình 12 Sơ đồ khối thu gọn UART kid arduino Mega2560 40 Hình 13 Giao diện SPI 41 Hình 14 Truyền liệu SPI 42 Hình 15 Sơ đồ chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành chiều cung cấp cho tủ trung tâm 45 Hình 16 Sơ đồ chuyển đổi dòng điện chiều từ acquy nạp lượng mặt trời thành chiều cung cấp cho tủ đo trời 45 Hình Cấu hình chi tiết hệ thống 46 Hình Khối tạo nguồn với IC XL4016 47 Hình Lưu đồ trương trình cho tủ đo ngồi trường 54 Hình 4 Lưu đồ trương trình xử lý tin nhắn tủ đo 55 Hình Giao diện máy tính trung tâm 59 Hình Ba chế độ Mode 59 Hình Chế độ timer 60 Hình Lưu đồ trương trình cho giao diện 62 Hình Chương trình chọn mode 63 Hình 10 Lưu đồ trương trình xử lý tin nhắn máy tính trung tâm 64 Hình 11 Hình ảnh tủ đo bên 67 Hình 12 Hình ảnh tủ đo bên 67 Hình 13 Hình ảnh giao diện phần mềm điều khiển 68 Hình 14 Biểu đồ thử nghiệm đo nồng độ khí bụi 68 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT PM1 PM2.5 PM10 QTMT Aux WE Aux0 WE0 ISB Ppm Ppb UART SPI EEPROM Particulate matter with a diameter of 1µm or less Particulate matter with a diameter of 2.5µm or less Particulate matter with a diameter of 10µm or less Auxiliary Electrode Working Electrode Auxiliary Electrode Zero Working Electrode Zero Individual Sensor Board Parts per million Parts per billion Universal Asynchronous Receiver/Transmiter Serial Peripheral Interface Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory Các hạt bụi lơ lửng có đường kình nhỏ 1µm Các hạt bụi lơ lửng có đường kình nhỏ 2.5µm Các hạt bụi lơ lửng có đường kình nhỏ 10µm Quan trắc mơi trường Điện cực phụ trợ Điện cực làm việc Điện cực phụ trợ 0V Điện cực làm việc 0V Mạch kèm cảm biến Một phần triệu Một phần tỷ Truyền thông không đồng Giao diện ngoại vi nối tiếp Bộ nhớ đọc xóa điện LỜI NĨI ĐẦU Mơi trường mối quan tâm hàng đầu quốc gia toàn giới Cùng với bùng nổ dân số đồ thị hố, cơng nghiệp hố phát triển giao thông vận tải Phương tiện giao thông ngày phát triển xu hướng tất yếu xã hội, phương tiện giao thông mang lại ích lợi lớn lao cho người việc nâng cao chất lượng sống, mặt khác trở thành thủ phạm nguy hiểm phá hoại môi trường sinh thái học Nghiên cứu ảnh hưởng khí thải phương tiện giao thơng vận tải tạo đến mổi trường biện pháp bảo vệ môi trường tiến hành quốc gia Vấn đề nghiên cứu thiết bị đo lường để đánh giá độ ô nhiễm môi trường giải pháp kỹ thuật làm giảm ô nhiễm môi trường phương tiện GTVT gây nước coi trọng đăc biệt nước phát triển Các thiết bị kiểm tra cảnh báo tham số độc hại giải pháp kỹ thuật để giảm ô nhiễm môi trường ngày hoàn thiện theo hướng tăng mức độ xác mức độ tự động hố Ở nước ta, quan niệm chưa đầy đủ tính cấp thiết ô nhiễm môi trường nên chưa quan tâm cách nhiều đồng biện phấp đánh giá biện pháp kỹ thuật để giảm nhiễm mơi trường cịn hạn chế Mặt khác, thiết bị đo lường tham số độc hại đến mơi trường cịn chưa phổ biến đồng bộ, tình trạng mua thiết bị đơn lẻ, không đồng sở phép đo rời rạc Hiện nay, chưa có phận nghiên cứu thiết bị đo lường cách đầy đủ mức độ ô nhiễm phương tiện GT gây sở lự động (lưu giữ số liệu đo, tự động cảnh báo mức độ ô nhiễm ) Đặc biệt biện pháp kỹ thuật làm giảm ô nhiễm lạỉ đề cập tới Trên sở tiến kỹ thuật điện tử công nghệ tin học cho phép chung ta thực thiết bị đo lường cảnh báo mức độ ô nhiễm môi trường cách tự động Đề tài vào nghiên cứu chế tạo máy đo lưu trữ nồng độ khí thải, từ giúp cho việc kiểm định, xử lý ô nhiễm dễ dàng thuận lợi Nội dung nghiên cứu luận văn thể chương: PHỤ LỤC Phụ lục 1: Hình ảnh thiết bị vẽ thiết kế Phụ lục 2: Hồ sơ cảm biến đo (CO, NO2, SO2, PM10) 72 ... DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI QUÁCH CÔNG MINH NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUAN TRẮC CHẤT LƯỢNG KHƠNG KHÍ SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN VÀ MẠNG GSM LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN... kiện bảo đảm cho thiết bị đo hoạt động tự động hệ thống điện, hệ thống điều hịa khơng khí, hệ thống điều khiển thiết bị, hệ thống ghi chép số liệu truyền tín hiệu (truyền tin), thiết bị văn phòng... động quan trắc môi trường không khí Hiện Vi? ??t Nam, bên cạnh hoạt động quan trắc khơng khí thủ cơng hoạt động quan trắc khơng khí tự động ngày quan tâm phát triển Đối với mơi trường khơng khí, mạng