Thiết kế hệ thống đo đếm trạng thái thời tiết tại một khu vực dựa trên cảm biến

Giới thiệu chung

Hiểu đơn giản, cảm biến là thiết bị có khả năng tiếp nhận tác động đầu vào từ môi trường vật lý như ánh sáng, điện từ, sóng siêu âm, chuyển động, áp suất… và nhanh chóng trả về tín hiệu sau đó bằng ánh sáng, âm thanh, chuyển động vật thể, chữ trên màn hình…. Các loại cảm biến ngày nay được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị tự động, thiết bị thông minh như cửa tự động, công tự động, đèn tự động sáng, thiết bị cảnh báo áp suất, thiết bị chống trộm, thiết bị dò sóng siêu âm… Chúng xuất hiện ở bất kỳ đâu như nhà ở, văn phòng, nhà máy, công xưởng, ngoài phố và tham gia và các hoạt động khác nhau, mang đến nhiều tiện ích cho con người. Có nhiều loại cảm biến và chúng có cấu tạo khác nhau sao cho phù hợp với đặc điểm tín hiệu đầu vào và yêu cầu tín hiệu đầu ra tương ứng.

Ví dụ, cảm ứng hồng ngoại cho cửa tự động sẽ có bộ phận phát và thu sóng hồng ngoại, đầu ra sẽ là chuyển động đóng mở của cánh cửa; cảm ứng áp suất trong các nhà máy sẽ có máy đo áp suất và tín hiệu âm thanh hoặc ánh sáng cảnh báo khi áp suất ở mức báo động….  Vi mạch xử lý : Là hệ thống mạch điện phức tạp để điều khiển toàn bộ hoạt động thiết bị gồm tiếp nhận tín hiệu đầu vào, xử lý tín hiệu và đưa ra tín hiệu cảnh báo tương ứng.  Thiết bị thu đầu vào : Là bộ phận thu nhận các thay đổi của đối tượng mà cảm biến hướng tới như áp suất, tia hồng ngoại, ánh sáng, sóng điện từ, sóng siêu âm….

Ví dụ mức áp suất tăng quá mức an toàn sẽ có âm thanh thông báo, phát hiện sóng hồng ngoại trong khu vực quy định cửa sẽ tự mở hoặc đèn tự bật sáng….

Cảm biến khí gas

Cảm biến khí Gas có vai trò quan trọng trong việc đo lường, giám sát và phân tích các thành phần khí trong không khí nhằm đảm bảo an toàn cho con người và môi trường. Nó hoạt động dựa trên nguyên lý cảm biến, sử dụng các thiết bị điện tử để phát hiện, đo lường và phân tích các thành phần của khí trong không khí. Cũng giống với các thiết bị báo rò rỉ gas, cảm biến khí Gas thường sử dụng các phương pháp phát hiện khác nhau như hấp thụ, dẫn điện, quang phổ hoặc cơ khí để phát hiện sự có mặt của khí trong không khí và chuyển đổi tín hiệu thành các giá trị đo lường có thể hiển thị trên các thiết bị điện tử hoặc máy tính.

Cảm biến khí CO (carbon monoxide): Sử dụng để phát hiện sự có mặt của khí CO, một khí độc gây nguy hiểm cho sức khỏe và có thể dẫn đến tử vong. Cảm biến khí H2S (hydrogen sulfide): Giúp phát hiện sự có mặt của khí H2S, một khí độc có mùi hôi khó chịu và gây nguy hiểm cho sức khỏe. Cảm biến khí NH3 (ammonia): Sử dụng để phát hiện sự có mặt của khí NH3, một khí độc có mùi hôi khó chịu và gây nguy hiểm cho sức khỏe.

- Phát hiện khí gas trong môi trường nhà ở: Cảm biến được dùng để phát hiện các loại khí độc như CO, H2S, và các khí khác trong môi trường sống. - Giám sát môi trường làm việc trong ngành công nghiệp: Cảm biến khớ gas được sử dụng để theo dừi mụi trường làm việc trong các ngành công nghiệp như sản xuất hóa chất, xử lý nước thải, khai thác dầu khí và các khu vực nguy hiểm khác. - Đo lường chất lượng không khí trong khu vực công cộng: Cảm biến khí gas có thể được áp dụng để đo lường chất lượng không khí trong các khu vực công cộng như công viên, trung tâm mua sắm và các khu vực khác để đảm bảo môi trường sống lành mạnh.

- Ứng dụng trong lĩnh vực y tế: Cảm biến khí gas cũng có thể được sử dụng để đo nồng độ cồn, phân tích hơi thở và kiểm tra chất lượng không khí trong các phòng mổ và phòng điều trị. - Ứng dụng trong khai thác mỏ: Cảm biến khí gas được sử dụng để kiểm tra nồng độ các chất khí trong mỏ, đảm bảo an toàn cho công nhân làm việc trong môi trường mỏ. Cảm biến oxit kim loại hay còn được gọi là (Điện trở hóa trị) vì cảm biến dựa trên sự thay đổi điện trở của cảm biến khi tiếp xúc với khí.

Nguyên tắc hoạt động của nó là khi các khí trong môi trường như khí CO, khí LPG, khí methane, khí Hydro, khói… tiếp xúc với phần tử bên trong cảm biến, làm cho các electron được giải phóng vào Thiếc Dioxide cho phép dòng điện chạy qua cảm biến một cách tự do. Các bạn có thể sử dụng để đặt ngưỡng khi nồng độ khí vượt quá giá trị ngưỡng, module sẽ xuất ra trạng thái LOW nếu không thì ở mức HIGH.

Cảm biến mưa

Khi giá trị tín hiệu vượt quá một ngưỡng được thiết lập trước, chân DOUT sẽ cho ra tín hiệu logic LOW (0), ngược lại sẽ là tín hiệu logic HIGH (1). Lợi ích của cảm biến mưa arduino không chỉ giới hạn trong lĩnh vực dự báo thời tiết mà còn mở rộng đến các ứng dụng khác như tưới cây tự động, giàn phơi đồ tự động và nhiều lĩnh vực khác. Cảm biến mưa thường được làm từ hai, thanh kim loại song song, và khi nước mưa chảy qua giữa hai thanh kim loại này, nó sẽ tạo thành một đường dẫn dòng điện.

Thông qua đo lường này, ta có thể thu thập dữ liệu về lượng mưa và sử dụng thông tin này cho các ứng dụng liên quan đến dự báo thời tiết, quản lý tài nguyên nước, kiểm soát tưới tiêu, và nhiều ứng dụng khác. Đầu cảm biến thường được thiết kế dưới dạng một bảng mạch hoặc mạch in có các đường dẫn hoặc điện cực để tiếp xúc với nước mưa. Module cảm biến mưa sử dụng IC LM393 có khả năng so sánh hai tín hiệu điện và tạo ra một tín hiệu đầu ra dựa trên sự so sánh đó.

 DOUT: Chân tín hiệu Digital Output, được kết nối với chân Digital trên Arduino để nhận tín hiệu đo đạc của cảm biến dưới dạng tín hiệu số. Khi nước tiếp xúc với hai mạch kim loại trên cảm biến, nó tạo thành một đường dẫn dẫn điện và thay đổi trạng thái của đầu ra tín hiệu. Tuy nhiên, các bạn có thể điều chỉnh ngưỡng độ ẩm để phù hợp với ứng dụng cụ thể của bạn bằng cách sử dụng mạch chuyển đổi trên module để xác định mức độ ẩm cần thiết để kích hoạt cảm biến.

Cảm biến độ ẩm và nhiệt độ DHT11 là cảm biến rất thông dụng hiện nay vì chi phí rẻ và rất dễ lấy dữ liệu thông qua chuẩn giao tiếp 1 wire. Bộ tiền xử lý tín hiệu được tích hợp trong cảm biến giúp bạn có thể đọc dữ liệu chính xác mà không phải qua bất kỳ tính toán nào. Đây là một IC tích hợp cho thời gian bởi vì tính chính xác về thời gian tuyệt đối cho thời gian : Thứ, ngày,tháng, năm, giờ, phút, giây.

Chip này xử lý các chức năng như đếm thời gian để theo dừi thời gian thực và giao tiếp với vi điều khiển thụng qua giao tiếp I2C. Đối với các tháng có ít hơn 31 ngày, nó tự động điều chỉnh ngày cuối cùng của tháng, bao gồm cả điều chỉnh cho năm nhuận (đến năm 2100).

SƠ ĐỒ CHỨC NĂNG IV

Dữ liệu xử lý được có thể được hiển thị trực tiếp lên một màn hình LCD kết nối với Arduino. Hoặc có thể gửi đến một thiết bị ngoại vi như máy tính thông qua cổng giao tiếp như USB để hiển thị hoặc lưu trữ. Các dữ liệu có thể được lưu trữ trong bộ nhớ EEPROM của Arduino hoặc truyền đi để lưu trữ từ xa.

Dựa trên dữ liệu thu thập được, Arduino có thể kiểm soát các thiết bị khác như quạt, máy bơm, hay hệ thống bảo mật để phản ứng với điều kiện thời tiết hoặc môi trường thay đổi. Cảnh báo có thể được tạo ra nếu điều kiện thời tiết hoặc môi trường trở nên nguy hiểm. Hệ thống có thể được tích hợp với mạng Wi-Fi hoặc Ethernet để gửi dữ liệu lên một máy chủ từ xa hoặc dịch vụ đám mây để lưu trữ và quản lý.

Các ứng dụng di động hoặc trang web có thể truy cập dữ liệu này thông qua API để cung cấp thông tin thời tiết và môi trường thời gian thực cho người dùng. Kết hợp cả phần cứng và phần mềm nhúng, hệ thống có khả năng tự động thu thập, xử lý và phản hồi theo điều kiện thời tiết và môi trường một cách thông minh và hiệu quả.