1.6.1. Mục đích nghiên cứu
Trong dự án này, em tham gia thực hiện triển khai phần hệ thống đa cảm biến gồm các Cảm biến mở rộng kết nối với Vi điều khiển 1 trong phân hệ điều khiển Ngoài ra, nghiên cứu này cũng phát triển thêm phân hệ truyển thông ứng
15 dụng công nghệ IoT. Toàn bộ dữ liệu thu thập sẽ được gửi tới máy chủ ở xa. Một hoặc nhiều thiết bị thông minh như điện thoại di động có thể theo dõi dữ liệu hoặc điều khiển hệ thống theo dõi môi trường từ xa cũng thông qua sự hỗ trợ của máy chủ. (Hình 1.16)
Hình 1.6. Sơ đồ phân hệ chức năng của hệ thống đa cảm biến thu thập dữ liệu.
Mục đích của luận văn này là nghiên cứu, phân tích xây dựng hệ thống theo dõi chất lượng môi trường bằng các cảm biến nhỏ gọn để tạo điều kiện cho theo dõi chất lượng môi trường theo hướng thời gian thực và truyền thông tin cho người theo dõi, điều hành.
1.6.2. Phạm vi nghiên cứu
Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn này, em trình bày một cách tiếp cận hiệu quả hơn bằng cách sử dụng cảm biến một số thông số cơ bản theo dõi môi trường, có công suất thấp dễ sử dụng kết hợp với công nghệ thiết bị thông minh kết nối với các dịch vụ lưu trữ trên đám mây, có thể mở rộng các lưu trữ dữ liệu theo dõi bằng cách mua thêm dữ liệu từ bên cung cấp lưu trữ đám mây . Mô hình cảm biến bao gồm cảm biến điện hóa, bộ vi điều khiển và bộ phát Wifi sử dụng để kết nối vào thiết bị thông minh để xuất bản dữ liệu cảm biến. Mô hình của em sử dụng thiết bị thông minh hiện có khả năng lưu trữ và nhân rộng dữ liệu hiệu quả tới các máy chủ đám mây từ xa. Người dùng có thể không chỉ thu thập mà còn chia sẻ dữ liệu ô nhiễm thời gian thực có giá trị như vậy với người khác. Em hy vọng nó sẽ giúp kiểm soát chất lượng môi trường tốt hơn.
Luận văn của em liên quan đến việc tạo ra một ứng dụng Android dễ sử dụng có thể được sử dụng để xem mức độ ô nhiễm ở mức đường phố hiện tại của vị trí người dùng hiện tại. Nếu người dùng đang có một cá nhân máy theo dõi ô nhiễm môi trường, nó có thể được đăng ký và sử dụng để thu thập và chia sẻ dữ
Phân hệ Cảm biến Phân hệ xử lý Phân hệ truyền thông Phân hệ lưu trữ, truyền thông máy chủ Phân hệ điều khiển Thiết bị thông minh
16 liệu ô nhiễm môi trường với các thành viên cộng đồng khác. Theo dõi ô nhiễm môi trường di động có thể được sử dụng để tăng cường hệ thống đa cảm biến thu thập dữ liệu. Cảm biến môi trường di động có thể được sử dụng để cải thiện độ chính xác tổng thể của phép đo ô nhiễm môi trường mà dữ liệu hiện tại không có sẵn. Một ví dụ tốt được đánh giá cao các tuyến đường ùn tắc trong thời gian cao điểm đi lại. Nó cũng có thể được sử dụng để đo ô nhiễm môi trường trong môi trường khép kín bên trong các phương tiện cơ giới. Khi chi phí của cảm biến khí điện hóa và thông minh thiết bị ít hơn và vì mức độ tiêu thụ điện năng và tính toán thấp, em có thể dễ dàng có được sự thích ứng thực tế của cộng đồng theo dõi trực tuyến cảm biến chất lượng môi trường di động.
1.7. Kết luận chương
Như vậy em đã trình bày được tính cấp thiết của bài toán theo dõi môi trường. Từ đó đặt vấn đề cần giải quyết cụ thể là xây dựng hệ thống đa cảm biến theo dõi môi trường theo định hướng tích hợp trên xe ô tô. Các cảm biến có thể được cắm vào/rút ra khỏi hệ thống cảm biến vào bất kỳ lúc nào, mà không ảnh hưởng đến các thành phần khác. Thiết bị cảm ứng có thể được bỏ ra và thay thế bằng các cảm biến mới được so kiểm mà không phải thay đổi liên quan tới việc lập trình đối với bản thân hệ thống.
Tuy nhiên hệ thống cần xây dựng cũng không bị hạn chế khi mở rộng bài toán tích hợp trên các hệ thống thông minh khác. Tiếp theo, em đặt phạm vi nghiên cứu của luận văn trong khuôn khổ thời gian thực hiện luận văn và trong bối cảnh tham gia cùng các cộng sự làm việc tại phòng thí nghiệm của trường đại học Bách Khoa Hà Nội.
17
CHƯƠNG 2. PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN LINH KIỆN CHO HỆ THỐNG
Chương này trình bày lý thuyết về cảm biến, module về các cảm biến, các loại giao tiếp, vi xử lý được sử dụng để xây dựng hệ thống quan sát thu thập dữ liệu môi trường. Các vật liệu được trình bày trong chương này được lựa chọn theo định hướng phù hợp với hệ thống đa cảm biến thu thập dữ liệu môi trường di động, có khả năng hỗ trợ các thiết bị thông minh như phương tiện xe ô tô tự hành, nhưng không giới hạn khả năng hoàn thiện thành một hệ thống đa cảm biến thu thập dữ liệu cầm tay hoặc tích hợp trên các phương tiện, hệ thống khác.
Trong chương này, em đề xuất theo dõi chất lượng môi trường thông qua các cảm biến di động, công suất thấp, chi phí thấp, được thiết kế để lấy mẫu các chất ô nhiễm không khí như Carbon monoxide, môi trường nhiệt độ, độ ẩm và áp suất không khí và giao tiếp qua Wifi với thiết bị thông minh.
2.1. Cảm biến
2.1.1. Khái niệm
Bộ cảm biến là thiết bị điện tử cảm nhận những trạng thái hay quá trình vật lý, hóa học hay sinh học của môi trường cần khảo sát, và biến đổi thành tín hiệu điện để thu thập thông tin về trạng thái hay quá trình đó.
Thông tin được xử lý để rút ra tham số định tính hoặc định lượng của môi trường, phục vụ các nhu cầu nghiên cứu khoa học kỹ thuật hay dân sinh và gọi ngắn gọn là đo đạc, phục vụ trong truyền và xử lý thông tin hay trong điều khiển các quá trình khác.
Cảm biến thường được đặt trong các vỏ bảo vệ tạo thành đầu thu hay đầu dò (Test probe), có thể có kèm các mạch điện hỗ trợ, và nhiều khi trọn bộ đó lại được gọi luôn là "cảm biến". Tuy nhiên trong nhiều văn liệu thì thuật ngữ cảm biến ít dùng cho vật có kích thước lớn. Thuật ngữ này cũng không dùng cho một số loại chi tiết, như cái núm của công tắc bật đèn khi mở tủ lạnh, dù rằng về mặt hàn lâm núm này làm việc như một cảm biến.
18
1. Cảm biến vật lý: sóng điện từ, ánh sáng, tử ngoại, hồng ngoại, tia X, tia
gamma, hạt bức xạ, nhiệt độ, áp suất, âm thanh, rung động, khoảng cách, chuyển động, gia tốc, từ trường, trọng trường,...
2. Cảm biến hóa học: độ ẩm, độ PH, các ion, hợp chất đặc hiệu, khói,...
3. Cảm biến sinh học: đường glucose huyết, DNA/RNA, protein đặc hiệu
cho các loại bệnh trong máu, vi khuẩn, vi rút...
2.1.2. Đặc trưng cảm biến
Một cảm biến được sử dụng khi đáp ứng các tiêu chí kỹ thuật xác định. − Độ nhạy: Gia số nhỏ nhất có thể phát hiện
− Mức tuyến tính: Khoảng giá trị được biến đổi có hệ số biến đổi cố định − Dải biến đổi: Khoảng giá trị biến đổi sử dụng được
− Ảnh hưởng ngược: Khả năng gây thay đổi môi trường
− Mức nhiễu ồn: Tiếng ồn riêng và ảnh hưởng của tác nhân khác lên kết quả
− Sai số xác định: Phụ thuộc độ nhạy và mức nhiễu
− Độ trôi: Sự thay đổi tham số theo thời gian phục vụ hoặc thời gian tồn tại (date).
− Độ trễ: Mức độ đáp ứng với thay đổi của quá trình
− Độ tin cậy: Khả năng làm việc ổn định, chịu những biến động lớn của môi trường như sốc các loại
− Điều kiện môi trường: Dải nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, ... làm việc được. Có sự tương đối trong tiêu chí tùy thuộc lĩnh vực áp dụng. Các cảm biến ở các thiết bị số (digital), tức cảm biến logic, thì độ tuyến tính không có nhiều ý nghĩa.
2.1.3. Phân loại cảm biến
2.1.3.1. Phân loại theo nguồn năng lượng
Cảm biến chủ động và cảm biến bị động phân biệt ở nguồn năng lượng dùng cho phép biến đổi lấy từ đâu.
1. Cảm biến chủ động không sử dụng điện năng bổ sung để chuyển sang
tín hiệu điện. Điển hình là cảm biến áp điện làm bằng vật liệu gốm, chuyển áp suất thành điện tích trên bề mặt. Các antenna cũng thuộc kiểu cảm biến chủ động.
19
2. Cảm biến bị động cósử dụng điện năng bổ sung để chuyển sang tín hiệu điện. Điển hình là các photodiode khi có ánh sáng chiếu vào thì có thay đổi của điện trở tiếp giáp bán dẫn p-n được phân cực ngược. Các cảm biến bằng biến trở cũng thuộc kiểu cảm biến bị động.
Phân loại thì như vậy nhưng một số cảm biến nhiệt độ kiểu lưỡng kim dường như không thể xếp hẳn vào nhóm nào, nó nằm vào giữa.
2.1.3.2. Phân loại theo nguyên lý hoạt động
1. Cảm biến điện trở: Hoạt động dựa theo di chuyển con chạy hoặc góc quay của biến trở, hoặc sự thay đổi điện trở do co giãn vật dẫn.
2. Cảm biến cảm ứng:
− Cảm biến biến áp vi phân: Cảm biến vị trí (Linear variable differential transformer, LVDT)
− Cảm biến cảm ứng điện từ: các antenna
− Cảm biến dòng xoáy: Các đầu dò của máy dò khuyết tật trong kim loại, của máy dò mìn.
− Cảm biến cảm ứng điện động: chuyển đổi chuyển động sang điện như microphone điện động, đầu thu sóng địa chấn trên bộ (Geophone).
3. Cảm biến điện dung: Sự thay đổi điện dung của cảm biến khi khoảng cách hay góc đến vật thể kim loại thay đổi.
4. Cảm biến điện trường (FET): Sự thay đổi của điện trường ngoài dẩn đến sự thay đổi của cường độ dòng điện bên trong cảm biến.
5. Cảm biến từ giảo (magnetoelastic): ít dùng.
6. Cảm biến từ trường: Cảm biến hiệu ứng Hall, cảm biến từ trường dùng vật liệu sắt từ,... dùng trong từ kế.
7. Cảm biến áp điện: Chuyển đổi áp suất sang điện dùng gốm áp điện như titanat bari, trong các microphone thu âm, hay ở đầu thu sóng địa chấn trong nước (Hydrophone) như trong các máy Sonar.
8. Cảm biến quang: Các cảm biến ảnh loại CMOS hay cảm biến CCD trong camera, các photodiode ở các vùng phổ khác nhau dùng trong nhiều lĩnh vực. Ví dụ đơn giản nhất là đầu dò giấy trong khay của máy in làm bằng photodiode. Chúng đang là nhóm đầu bảng được dùng phổ biến, nhỏ gọn và tin cậy cao.
20
9. Cảm biến huỳnh quang, nhấp nháy: Sử dụng các chất phát quang thứ cấp để phát hiện các bức xạ năng lượng cao hơn, như các tấm kẽm sulfua
10. Cảm biến điện hóa: Các đầu dò ion, độ pH, ...
11. Cảm biến nhiệt độ: Cặp lưỡng kim, hoặc dạng linh kiện bán dẫn.
2.1.4. Một số cảm biến
2.1.4.1. Cảm biến nhiệt độ
Cảm biến nhiệt độ như Pt 56Ω, Pt 100Ω, cảm biến nhiệt độ hay còn gọi là can nhiệt, cặp nhiệt điện, nhiệt điện trở là cảm biến được sử dụng để đo nhiệt độ, khi nhiệt độ thay đổi thì các cảm biến sẽ đưa ra một dạng tín hiệu mà từ tín hiệu này các bộ đọc sẽ đọc được và quy ra nhiệt độ.
Cảm biến nhiệt độ còn được gọi với rất nhiều tên khác như: cảm biến đo nhiệt độ, sensor nhiệt độ, sensor cảm biến nhiệt độ, dây cảm biến nhiệt độ, dây dò nhiệt, cảm biến nhiệt độ công nghiệp, bộ cảm biến nhiệt độ, thiết bị cảm biến nhiệt độ…
2.1.4.2. Đầu dò khói
Đầu dò khói thường được đặt trong một vỏ nhựa hình đĩa đường kính 150 mm (6 in) và dày 25 mm (1 in), nhưng hình dáng có thể thay đổi tùy theo nhà sản xuất hoặc dòng sản phẩm. Nó giúp phát hiện các vụ cháy. Các máy dò khói làm việc bằng cách:
• Quang điện: dùng LED phát sáng chiếu qua buồng thử và thu nhận bằng photodiode để xác định mức trong suốt. Nó phản ứng tốt với khói trước khi cháy thật.
• Ion hóa: Dùng nguồn phóng xạ như Americi Am241 ion hóa buồng khí, để các hạt khói nếu có sẽ nhiễm điện và tụ lại.
• Cả hai cách trên để tăng độ tin cậy
2.1.4.3. Cảm biến tốc độ
Cảm biến tốc độ - bộ mã hóa quang học là đĩa mã trên có khắc vạch mà ánh sáng có thể đi qua được. Phía sau đĩa mã đặt phototransistor chịu tác dụng của một nguồn sáng. Động cơ và đĩa mã được gắn đồng trục, khi quay ánh sáng chiếu đến phototransistor lúc bị ngăn lại, lúc không bị ngăn lại làm cho tín hiệu ở cực colecto là một chuỗi xung. Trên đĩa mã có khắc hai vòng vạch, ngoài A trong B có cùng số vạch, nhưng lệch 90° (vạch A trước B là 90°). Nếu đĩa mã quay theo chiều
21 kim đồng hồ thì chuỗi xung B sẽ nhanh hơn chuỗi xung A là ½ chu kỳ và ngược lại. Thiết bị đo tốc độ như DC Tachometer, AC Tachometer, Optical Tachometer.
2.1.4.3. Cảm biến mức chất lỏng
Cảm biến mức chất lỏng (Level sensor) hiện mức chất lỏng hoặc chất rắn lỏng hóa bao gồm bùn, vật liệu dạng hạt và bột thể hiện bề mặt tự do phía trên. Các chất chảy về cơ bản trở thành nằm ngang trong các thùng chứa chúng (hoặc các ranh giới vật lý khác) do trọng lực trong khi hầu hết các chất rắn khối lượng lớn ở một góc đặt lại đến đỉnh. Chất cần đo có thể ở trong một thùng chứa hoặc có thể ở dạng bể chứa tự nhiên như sông hồ. Phép đo mức có thể là giá trị liên tục hoặc điểm. Cảm biến mức liên tục đo mức trong một phạm vi xác định và xác định chính xác lượng chất ở một nơi nhất định, trong khi cảm biến mức điểm chỉ cho biết chất đó ở trên hay dưới điểm cảm nhận. Nói chung các mức phát hiện sau là quá cao hoặc thấp.
2.1.4.4. Cảm biến áp suất
Cảm biến áp suất là loại cảm biến chuyên dùng để đo áp suất, áp lực trong các bồn chứa hay đường ống dẫn khí, hơi, hay chất lỏng. Nhiệm vụ của chúng là theo dõi áp suất hay áp lực. Và chuyển những thông tin đó về màn hình hiển thị hay bộ điều khiển dưới dạng tín hiệu 4-20mA. Cảm biến áp suất có nhiều loại như: cảm biến áp suất âm, cảm biến chênh áp, cảm biến áp suất tương đối, cảm biến tuyệt đối. Dải hoạt động có thể từ giá trị áp âm đến 0 và đến giá trị áp dương. Đơn vị của cảm biến áp suất thường dùng là bar. Một số nơi, nhà sản xuất dùng đơn vị PSI.
2.1.4.5. Biến áp xoay
Biến áp xoay (quay) dùng để biến đổi điện áp của cuộn sơ cấp hoặc góc quay của cuộn sơ cấp thành tín hiệu ra tương ứng với chúng. Biến áp xoay sin, cos để đo góc quay của rôto, trên đặt cuộn sơ cấp, thành điện áp tỉ lệ thuận với sin hay cos của góc quay đó. Biến áp xoay tuyến tính biến đổi độ lệch góc quay của rôto thành điện áp tỉ lệ tuyến tính.
2.1.4.6. Con quay
Con quay 3 bậc tự do và con quay 2 bậc tụ do được sử dụng làm các bộ cảm biến đo sai lệch góc và đo tốc độ góc tuyệt đối trong các hệ thống ổn định đường ngắm của các dụng cụ quan sát và ngắm bắn.
22
2.2. Cảm biến đo nồng độ bụi 2.2.1 Khái niệm Bụi 2.2.1 Khái niệm Bụi
Bụi là tên chung cho các hạt chất rắn có đường kính nhỏ cỡ vài micrômet đến nửa milimet, tự lắng xuống theo trọng lượng của chúng nhưng vẫn có thể lơ lửng trong không khí một thời gian sau.
Bụi đến từ đâu? Bụi có thể được tạo thành từ một số thứ như từ tế bào da chết, mẩu thức ăn, phấn hoa và thậm chí là các hạt đá không gian. Vị trí của bụi ở đâu thường quyết định thành phần của nó.
Bụi nhà có thể có nhiều tế bào da trong đó, trong khi bụi trong xe của bạn