36 Ưu và nhược điểm:
Bảng 2. 1 Ưu nhược điểm của đèn led
Ưu điểm Nhược điểm
- Phát ra nhiều quang thông ánh sáng hơn các loại khác với cùng mức công suất
- Kích thước nhỏ gọn hơn so với các loại đèn khác
- Có thể bật và tắt nhiều lần mà không ảnh hưởng tới tuổi thọ
- Có thể kết hợp với dimmer - Có tuổi thọ rất dài
- Chiếu sáng theo hướng
- Giá khởi điểm cao - Ảnh hưởng bởi nhiệt độ - Rất nhạy với điện áp - Chất lượng ánh sáng
4.3 Tính tốn cơng suất đèn, thời gian rọi phù hợp với diện tích phịng
Như chúng ta đã biết thì ánh sáng của tia cực tím mặc dù có ưu điểm là khử khuẩn, tiệt trùng rất tốt nhưng chúng cũng có tác động rất độc hại đối với con người nếu tiếp xúc trực tiếp, đặc biệt đối với mắt gây đục thủy tinh thể làm giảm thị lực, thậm chí gây ra các tổn thương, thối hóa điểm vàng gây mù lịa, với da nặng thì ung thư da như ing thư da tế bào đáy, tế bào mơ vảy, nhẹ thì lão hóa, xuất hiện nhiều nếp nhăn, đốm nâu, tàn nhang trên da. Cũng với những hiểu biết cơ bản như thế này, cộng với việc tình hình dịch bệnh covid diễn biến ngày càng căng thẳng khiến nhiều người lo lắng và tự đặt đèn trên mạng về lắp tại nhà và sử dụng. Mặc dù đã sử dụng tại thời điểm khơng có người trong phịng, mỗi ngày vài lần, mỗi lần 30 phút, tuy nhiên chỉ sau một tuần sử dụng thì đã thấy sự thay đổi rõ rệt trong phịng khi mà các đồ đạc bằng nhựa, cao su ở trong phịng lão hóa, lá cây có màu nhạt hơn, thậm chí bị héo. Hiệu quả thì chưa rõ nhưng thiệt hại thì đã rõ rành rành trước mắt. Nguyên nhân là do họ đã sử dụng đèn có cơng suất lớn cho khơng gian phòng nhỏ. Điều này cho thấy
37
tầm quan trọng của việc tính tốn cơng suất, thời gian rọi của đèn cho khơng gian phịng là quan trọng như thế nào.
Các thơng số chính phải được tính tốn là:
• Liều UV-C cần thiết để bất hoạt vi sinh vật
• Các đặc tính của bóng đèn và chấn lưu cần thiết để đáp ứng các điều kiện hoạt động của ứng dụng cá nhân
• Cuối cùng, người ta phải xác định có bao nhiêu đèn UV hoặc thiết bị UV-C là cần thiết và chúng được đặt như thế nào trong AHU, trong ống dẫn hoặc phòng. Các tham số với các giá trị đã biết được sử dụng trong thiết kế UVGI đề cập đến:
• Cấu hình và kích thước AHU, hoặc kích thước ống dẫn
• Thơng tin về lượng khơng khí trong lành sẽ được cung cấp bởi hệ thống thơng gió
• Đặc điểm dịng khí (nhiệt độ, RH, lưu lượng khí bao nhiêu, tốc độ khơng khí…)
• (Các) cơng suất điện (W) và (các) đặc tính kỹ thuật của đèn
• Khoảng cách giữa (các) đèn và bề mặt được xử lý
• Loại và nồng độ vi rút và các nguồn lây nhiễm có thể xảy ra.
Trong trường hợp đặt các thiết bị trên cao hoặc độc lập, điều quan trọng là phải biết mơ hình chuyển động của các phần tử vi rút trong phịng.
Cơng suất đầu ra của đèn UVC có thể được tính bằng cơng thức Keitz:
𝑃 =𝐼 × 2𝜋
2× 𝑥 × 𝐿
2 ∝ +𝑠𝑖𝑛2 ∝ Trong đó:
𝑃 là cơng suất của đèn (W) 𝐼 là bức xạ (W/𝑚2)
𝑥 là khoảng cách (m) 𝐿 là chiều dài đèn (m) ∝ góc chiếu (rad)
38
Hình 4. 11 Tính tốn cơng suất đèn UV tại một điểm
Yếu tố quan trọng nhất của hệ thống là công suất quang được cung cấp bởi nguồn UV-C. Theo hướng dẫn đơn giản, liều lượng do nguồn UV-C phân phối phụ thuộc vào khoảng cách đối tượng cách xa nguồn (l), công suất và hiệu suất của nguồn cũng như thời gian tiếp xúc. Nói cách khác, nguồn cơng suất thấp hơn có thể được sử dụng thay cho nguồn công suất cao hơn, nếu thời lượng phơi sáng được tăng lên. Nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng liều UV-C trong 10mJ / cm 2 có khả năng làm giảm 3 log sự phát triển của vi khuẩn. Trong một mẫu vi rút, thơng thường cần phải có liều cao hơn thứ tự để đạt được mức giảm tương tự.
Do khả năng truy cập vào các thành phần có thể thay đổi nhiều, nên cần tạo ra một biểu thức tổng quát điều chỉnh cường độ UV-C và sự phân bố cường độ bên trong hệ thống UV-C. Biểu thức này sau đó có thể được sử dụng để tính tốn tác động của các bóng đèn khác nhau lên liều UV-C, đẩy nhanh quá trình thiết kế lại khi cần thiết. Bóng đèn UV-C được coi như một nguồn sáng tuyến tính, trong đó mỗi điểm trên bóng đèn là một nguồn sáng điểm có bức xạ đẳng hướng. Liều UV-C tích lũy được tạo ra bởi bóng đèn là sự tích hợp của liều được tạo ra bởi tất cả các nguồn sáng điểm trên bóng đèn.
39
Hình 4. 12 Sơ đồ hiển thị các biến chính được sử dụng để tính tốn liều UV-C tích lũy
Như được thể hiện trong hình trên, giả sử chúng ta có một căn phịng có chiều dài L, chiều rộng W và chiều cao H. Bóng đèn được đặt ở bức tường bên phía trên sàn của phòng với chiều cao là h và nó có chiều dài hoạt động quang học là ℓ và được căn giữa theo chiều ngang của bức tường. Với cấu hình này, đối với bất kỳ nguồn điểm nào trên bóng đèn, vị trí của nguồn điểm là ( , 𝑊 , ℎ ), ở đâu 𝑋 ∈ [𝐿−𝑙
2 ,𝐿+𝑙 2 ].
Đối với bất kỳ điểm nào ( , 𝑦 , 𝑧 ) trong hộp, khoảng cách giữa nguồn sáng điểm và điểm phát hiện là: 𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑒 = √(𝑋 − 𝑥)2+ (𝑊 − 𝑦)2+ (ℎ − 𝑧)2.
Giả sử công suất của đèn UV-C của bóng đèn là 𝑃 (đơn vị: Watt), thì cơng suất của nguồn điểm là 𝑃 / ℓ . Khi nguồn điểm bức xạ đẳng hướng trong một hình cầu, cường độ bức xạ tại điểm ( , 𝑦 , 𝑧 ) sẽ là: 𝑃/𝑙
4𝜋((𝑋−𝑥)2+(𝑊−𝑦)2+(ℎ−𝑧)2).
Bằng cách tích hợp tất cả các nguồn điểm trên bóng đèn, ta nhận được cường độ do tồn bộ bóng đèn tạo ra: 𝐼 = ∫ 𝑃/𝑙 ∗ 𝑑𝑋 4𝜋((𝑋 − 𝑥)2+ (𝑊 − 𝑦)2+ (ℎ − 𝑧)2) 𝐿+𝑙 2 𝐿−𝑙 2
40
Cường độ tính tốn ở trên dành cho trường hợp khơng có phản xạ từ căn phòng. Tuy nhiên, trong hệ thống được phát triển trong công việc hiện tại, nội thất được phủ một lớp sơn chrome phản chiếu. Để đơn giản hóa việc tính tốn phản xạ, ta chỉ xem xét bậc phản xạ đầu tiên. Nói cách khác, phản xạ của ánh sáng phản xạ khơng được coi là. Tính tốn ban đầu về cường độ tạo ra bởi sự phản xạ tương tự như trước đó với một chút sửa đổi. Để tính phản xạ, một loạt "bóng đèn ảo" có cơng suất , trong đó 𝛼 là tỷ lệ phản xạ, nằm trên các bức tường đối diện với nguồn sáng chính. Cường độ tạo ra bởi mỗi bóng đèn được nhân đơi cũng có thể được tính tốn bằng phương pháp tích hợp. Sự khác biệt duy nhất là khoảng cách giữa điểm ( , 𝑦 , 𝑧 ) và bóng đèn được nhân đơi là khác với tính tốn trước đó. Bằng cách cộng sự phản xạ gây ra bởi tất cả các bức tường (bao gồm cả trần và sàn) với nhau, chúng ta sẽ có được cường độ của ánh sáng UV-C bên trong hộp. Cường độ có thể được biểu thị theo phương trình sau:
𝐼 𝑤𝑖𝑡ℎ 𝑟𝑒𝑓𝑙𝑒𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛 = ∫ 𝑃/𝑙 ∗ 𝑑𝑋 4𝜋((𝑋 − 𝑥)2+ (𝑊 − 𝑦)2+ (ℎ − 𝑧)2) 𝐿+𝑙 2 𝐿−𝑙 2 + ∑ ∫ 𝛼𝑃/𝑙 ∗ 𝑑𝑋 𝑁𝑒𝑤 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑒 𝐿+𝑙 2 𝐿−𝑙 2 𝑟𝑒𝑓𝑙𝑒𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑤𝑎𝑙𝑙𝑠
Giả sử mơ hình căn phịng thiết kế có L = 78,74 cm, W = 50,8 cm, H = 35,56 cm, h = 25,4 cm, và ℓ = 43,18 cm. Cơng suất của bóng đèn UV-C là 15 W. Để xác định liều UV-C, giá trị này phải được nhân với thời gian hệ thống bật.
Bức xạ được tính bằng năng lượng bức xạ trên một đơn vị diện tích. Để tính tốn chính xác hệ thống UV, góc khối cũng phải được xem xét.
𝐸 = 𝜙
𝐴 (𝑊/𝑚
2) Thời gian rọi phụ thuộc lớn vào diện tích của căn phịng. Tiếp xúc với bức xạ (cường độ cực tím, dịng chiếu):
𝐻 = ∫ 𝐸𝑑𝑡 ( 𝐽
𝑚2) 𝐻 ≈ 𝐸̅𝑡̅ 𝐾 ( 𝐽
41
4.4 Các phần mềm, ứng dụng điều khiển
4.4.1 Ứng dụng Blynk
Blynk là một ứng dụng chạy trên nền tảng iOS và Android để điều khiển và giám sát thiết bị thơng qua internet. Nó là một bảng điều khiển kỹ thuật số nhờ đó bạn có thể xây dựng giao diện đồ họa cho dự án của mình bằng cách kéo và thả các widget. Việc thiết lập mọi thứ rất đơn giản và ta sẽ bắt đầu sau chưa đầy 5 phút. Blynk không bị ràng buộc với những phần cứng cụ thể nào cả, thay vào đó, nó hỗ trợ phần cứng cho ta lựa chọn như Arduino, Raspberry Pi, ESP8266 và nhiều module phần cứng phổ biến khác. Cho dù Arduino hoặc Raspberry Pi được liên kết với Internet qua Wi-Fi, Ethernet hoặc chip ESP8266, Blynk sẽ giúp ta online và sẵn sàng cho IoT. Những lý do nên sử dụng Blynk:
– Dễ sử dụng: việc cài đặt ứng dụng và đăng ký tài khoản trên điện thoại rất đơn giản cho cả IOS và Android
– Chức năng phong phú: Blynk hỗ trợ rất nhiều chức năng với giao diện đẹp và thân thiện, ta chỉ việc kéo thả đối tượng và sử dụng nó.
– Khơng phải lập trình ứng dụng: nếu khơng có kiến thức về lập trình app cho Android cũng như IOS thì Blynk là một ứng dụng tuyệt vời để giúp khám phá thế giới IOTs. – Điều khiển, giám sát thiết bị ở bất kì đâu thơng qua internet với khả năng đồng bộ hóa trạng thái và thiết bị.
Cách hoạt động của Blynk:
Blynk được thiết kế cho IoT. Nó có thể điều khiển phần cứng từ xa, nó có thể hiển thị dữ liệu cảm biến, nó có thể lưu trữ dữ liệu, trực quan hóa và làm nhiều thứ hay ho khác.
Có ba thành phần chính trong nền tảng:
• Ứng dụng Blynk - cho phép tạo giao diện cho các dự án bằng cách sử dụng các widget khác nhau.
• Blynk Server - chịu trách nhiệm về tất cả các giao tiếp giữa điện thoại thơng minh và phần cứng. Ta có thể sử dụng Blynk Cloud hoặc chạy cục bộ máy chủ Blynk riêng của mình. Nó là mã nguồn mở, có thể dễ dàng xử lý hàng nghìn thiết bị và thậm chí có thể được khởi chạy trên Raspberry Pi.
42
• Thư viện Blynk - dành cho tất cả các nền tảng phần cứng phổ biến - cho phép giao tiếp với máy chủ và xử lý tất cả các lệnh đến và lệnh đi.
Mỗi khi ta nhấn một nút trong ứng dụng Blynk, thông điệp sẽ truyền đến khơng gian của đám mây Blynk, và tìm đường đến phần cứng.
Đặc tính:
API và giao diện người dùng tương tự cho tất cả phần cứng và thiết bị được hỗ trợ Kết nối với đám mây bằng cách sử dụng:
• Wifi
• Bluetooth và BLE
• Ethernet
• USB (Nối tiếp)
• GSM
• …
Bộ Widget dễ sử dụng:
• Thao tác ghim trực tiếp mà khơng cần viết mã
• Dễ dàng tích hợp và thêm chức năng mới bằng cách sử dụng ghim ảo
• Theo dõi dữ liệu lịch sử qua tiện ích SuperChart
• Giao tiếp giữa thiết bị với thiết bị sử dụng Bridge Widget
• Gửi email, tweet, push notification... Những thứ chúng ta cần:
Phần cứng: Arduino, Raspberry Pi hoặc một bộ phát triển tương tự. Blynk hoạt động qua Internet. Điều này có nghĩa là phần cứng ta chọn phải có thể kết nối với internet. Một số bo, như Arduino Uno sẽ cần Ethernet hoặc Wi-Fi Shield để giao tiếp, những bo khác đã được hỗ trợ Internet: như ESP8266, Raspberri Pi với WiFi dongle, Particle Photon hoặc SparkFun Blynk Board. Ngay cả khi khơng có shield, ta có thể kết nối nó qua USB với máy tính xách tay hoặc máy tính để bàn. Điều thú vị là danh sách phần cứng hoạt động với Blynk rất lớn và sẽ tiếp tục tăng lên.
Một chiếc điện thoại thơng minh: Ứng dụng Blynk là một trình xây dựng giao diện được thiết kế tốt. Nó hoạt động trên cả iOS và Android.
43
Đồ án này sử dụng Blynk với NodeMCU (ESP8266).Trước khi bắt đầu ta mở Arduino IDE và chọn đúng module đang sử dụng, ở đây là NodeMCU.
Hình 4. 13 Thiết lập module NodeMCU trong Arduino IDE
Để dùng được Blynk, ta cần cài thư viện này vào Arduino IDE:
44 Cấu hình ứng dụng Blynk theo các bước sau:
- Ta có thể tạo tài khoản hoặc dùng tài khoản Facebook. - Tạo một project, đây được hiểu giống như là một ứng dụng.
- Điền tên Project và chọn Board phần cứng (chọn NodeMCU hoặc ESP8266).
Hình 4. 15 Cấu hình ứng dụng Blynk
Mỗi project, Blynk sẽ gửi một mã Auth Token để nhập vào trong code của Board mạch điều khiển NodeMCU, ta có thể lựa chọn nhiều chức năng như nút bấm, hẹn giờ, LCD… để đưa vào project của mình.
45
Hình 4. 16 Chọn đối tượng sử dụng
Sau khi chọn xong đối tượng, nhấp vào để cấu hình chân, các mức logic… Các cấu hình này sẽ tác động đến board phần cứng. Ví dụ nhấn nút thì chân gp16 sẽ chuyển từ trạng thái logic 1 sang logic 0:
Hình 4. 17 Thiết lập điều khiển phần cứng trên Blynk
Sau khi cài đặt xong trên điện thoại thì ta lập trình cho board phần cứng. Thư viện Blynk trên Arduino IDE hỗ trợ rất nhiều.
46
Hình 4. 18 Lập trình cho board phần cứng
4.4.2 Arduino IDE
Thiết kế bo mạch nhỏ gọn, trang bị nhiều tính năng thơng dụng mang lại nhiều lợi thế cho Arduino, tuy nhiên sức mạnh thực sự của Arduino nằm ở phần mềm. Mơi trường lập trình đơn giản và dễ sử dụng, ngơn ngữ lập trình dễ sử dụng dựa trên nền tảng C/C++ quen thuộc. Bênh cạnh đó cịn có những thư viện phong phú như: EEPROM, Firmata, GSM, servo, TFT, Wifi, …Và các mảng thư viện có sẵn này càng đa dạng nhờ sự đóng góp của cộng đồng Arduino trên toàn thế giới.
Arduino IDE là phần mềm dùng để lập trình cho Arduino. Mơi trường lập trình Arduino IDE có thể chạy trên ba nền tẳng phổ biến hiện nay là Windows, Linux và MAC OS. Do có tính chất nguồn mở nên mơi trường lập trình này hồn tồn miễn phí và có thể mở rộng thêm bởi người dùng có kinh nghiệm.
47
Hình 4. 19 Phần mềm Arduino IDE.
Ngơn ngữ lập trình này có thể được mở rộng thơng qua các thư viện C++. Và do ngôn ngữ này dựa trên nền tảng ngơn ngữ C của AVR nên người dùng hồn tồn có thể nhúng thêm code viết bằng AVR vào chương trình nếu muốn.
4.4.3 Chương trình điều khiển
Lưu đồ thuật tốn là phần khơng thể thiếu trong bất kì hệ thống nào giúp ta xác định được nguyên lý hoạt động của hệ thống. Thông qua đây sẽ đưa ra phương án và tối ưu nhất hoạt động của hệ thống.
Dưới đây là các lưu đồ thuật toán được sử dụng cho hệ thống. Trước tiên là sơ đồ thuật toán sử dụng cho ứng dụng blynk, các trạng thái nút nhấn và giá trị xuất ra sẽ tương ứng với các thao tác sau:
• Đọc trạng thái nút nhấn 1 và xuất ra giá trị V1: thực hiện thao tác bật đèn UV1
• Đọc trạng thái nút nhấn 2 và xuất ra giá trị V2: thực hiện thao tác tắt đèn UV1
• Đọc trạng thái nút nhấn 3 và xuất ra giá trị V3: thực hiện thao tác bật đèn UV2
48
Hình 4. 20 Sơ đồ thuật toán thiết lập trạng thái trên blynk
49
Tương ứng với các giá trị xuất ra trên ứng dụng blynk sẽ điều khiển các ngõ ra của arduino.
50
CHƯƠNG 5. THI CƠNG MƠ HÌNH
5.1 Phần cơ khí
Phần cứng của hệ thống khử trùng tia cực tím điều khiển qua điện thoại gồm ba cụm thành phần chính:
• Hệ hai đèn LED tia cực tím: là bộ phận chính thực hiện nhiệm vụ khử trùng