Đồ án HCMUTE: Thiết kế mô hình hệ thống giám sát chất lượng môi trường không khí

Bài viết giới thiệu chi tiết về đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Máy tính tại HCMUTE: thiết kế mô hình hệ thống giám sát chất lượng không khí.

• Tác giả: Nguyễn Văn Huy
• Người hướng dẫn: ThS. Trương Ngọc Hà
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật máy tính
• Đề tài: Thiết kế mô hình hệ thống giám sát chất lượng môi trường không khí
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Thiết kế Mô Hình Hệ Thống Giám Sát Chất Lượng Không Khí

Đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ kỹ thuật máy tính với chủ đề 'Thiết kế mô hình hệ thống giám sát chất lượng không khí' tập trung vào việc thiết kế một hệ thống giám sát chất lượng không khí hiệu quả. Hệ thống này sẽ sử dụng các cảm biến để thu thập dữ liệu về chất lượng không khí và gửi dữ liệu này đến một trung tâm giám sát.

1.1 Cảm biến cho thu thập dữ liệu

Các cảm biến được sử dụng trong hệ thống này bao gồm cảm biến nhiệt độ độ ẩm, cảm biến bụi, cảm biến khí CO, và cảm biến khí tự nhiên. Cảm biến SHT30 được chọn để thu thập số liệu về nhiệt độ và độ ẩm do nó có độ chính xác cao và thiết kế nhỏ gọn. Cảm biến SDS011 được sử dụng để đo lường mật độ bụi trong không khí với hai loại bụi là PM2.5 và PM10. Mô-đun cảm biến MQ-7 được sử dụng để đo lường nồng độ khí CO.

1.2 Giao tiếp và truyền dữ liệu

Các cảm biến được kết nối với ESP32 để thu thập dữ liệu và gửi dữ liệu này đến trung tâm giám sát. Chuẩn giao tiếp UART được sử dụng để truyền dữ liệu giữa các cảm biến và ESP32. Chuẩn giao tiếp LoRa được sử dụng để truyền dữ liệu từ ESP32 đến trung tâm giám sát. LoRa là một chuẩn giao tiếp dài xa và có thể truyền dữ liệu đến khoảng cách xa hơn so với Wi-Fi hoặc Bluetooth.

1.3 Trung tâm giám sát

Trung tâm giám sát sẽ nhận dữ liệu từ các thiết bị thu thập dữ liệu và hiển thị dữ liệu này trên một giao diện người dùng. Trung tâm giám sát cũng sẽ có khả năng cảnh báo khi chất lượng không khí vượt quá các giá trị an toàn quy định. Hệ thống giám sát chất lượng không khí này sẽ giúp bảo vệ sức khỏe của người dân và giúp các cơ quan chức năng có thể theo dõi và điều chỉnh chất lượng không khí một cách hiệu quả.

II. Vấn Đề Và Thách Thức Liên Quan Đến Chất Lượng Không Khí

Chất lượng không khí là một vấn đề quan trọng đối với sức khỏe của con người và môi trường sống. Nhiều thành phố trên thế giới đang phải đối mặt với vấn đề ô nhiễm không khí do các hoạt động sản xuất và vận chuyển gây ra. Do đó, cần có một hệ thống giám sát chất lượng không khí hiệu quả để theo dõi và điều chỉnh chất lượng không khí một cách hiệu quả.

2.1 Ô nhiễm không khí và ảnh hưởng đến sức khỏe

Ô nhiễm không khí có thể gây ra nhiều vấn đề sức khỏe như bệnh tim mạch, bệnh hô hấp, và các vấn đề về da. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng chất lượng không khí kém có thể giảm tuổi thọ của con người và làm giảm chất lượng cuộc sống.

2.2 Yêu cầu về hệ thống giám sát chất lượng không khí

Hệ thống giám sát chất lượng không khí cần phải có khả năng thu thập dữ liệu chính xác và nhanh chóng. Nó cũng cần có khả năng hiển thị dữ liệu một cách dễ đọc và có thể cảnh báo khi chất lượng không khí vượt quá các giá trị an toàn quy định. Hệ thống cũng cần có khả năng truyền dữ liệu đến trung tâm giám sát một cách hiệu quả và an toàn.

III. Phương Pháp Thiết Kế Mô Hình Hệ Thống Giám Sát Chất Lượng Không Khí

Để thiết kế một hệ thống giám sát chất lượng không khí hiệu quả, cần có một phương pháp thiết kế rõ ràng và hiệu quả. Phương pháp này bao gồm các bước sau:

3.1 Thu thập dữ liệu

Bước đầu tiên là thu thập dữ liệu về chất lượng không khí. Để làm điều này, cần sử dụng các cảm biến chất lượng không khí để thu thập dữ liệu về nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ bụi, và nồng độ khí CO. Cảm biến SHT30 được sử dụng để thu thập dữ liệu về nhiệt độ và độ ẩm, cảm biến SDS011 được sử dụng để thu thập dữ liệu về nồng độ bụi, và mô-đun cảm biến MQ-7 được sử dụng để thu thập dữ liệu về nồng độ khí CO.

3.2 Giao tiếp và truyền dữ liệu

Sau khi thu thập dữ liệu, cần có một cách thức để truyền dữ liệu này đến trung tâm giám sát. Chuẩn giao tiếp UART được sử dụng để truyền dữ liệu giữa các cảm biến và ESP32. Chuẩn giao tiếp LoRa được sử dụng để truyền dữ liệu từ ESP32 đến trung tâm giám sát. LoRa là một chuẩn giao tiếp dài xa và có thể truyền dữ liệu đến khoảng cách xa hơn so với Wi-Fi hoặc Bluetooth.

3.3 Hiển thị dữ liệu và cảnh báo

Trung tâm giám sát sẽ nhận dữ liệu từ các thiết bị thu thập dữ liệu và hiển thị dữ liệu này trên một giao diện người dùng. Trung tâm giám sát cũng sẽ có khả năng cảnh báo khi chất lượng không khí vượt quá các giá trị an toàn quy định. Hệ thống giám sát chất lượng không khí này sẽ giúp bảo vệ sức khỏe của người dân và giúp các cơ quan chức năng có thể theo dõi và điều chỉnh chất lượng không khí một cách hiệu quả.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Và Kết Quả Nghiên Cứu

Hệ thống giám sát chất lượng không khí này có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng thực tế, bao gồm:

4.1 Giám sát chất lượng không khí trong nhà

Hệ thống này có thể được sử dụng để giám sát chất lượng không khí trong nhà và cảnh báo khi chất lượng không khí kém. Điều này có thể giúp bảo vệ sức khỏe của người dân và giúp họ điều chỉnh chất lượng không khí một cách hiệu quả.

4.2 Giám sát chất lượng không khí ngoài trời

Hệ thống này cũng có thể được sử dụng để giám sát chất lượng không khí ngoài trời và giúp các cơ quan chức năng theo dõi và điều chỉnh chất lượng không khí một cách hiệu quả. Điều này có thể giúp giảm ô nhiễm không khí và bảo vệ môi trường sống.

4.3 Nghiên cứu về chất lượng không khí

Hệ thống giám sát chất lượng không khí này cũng có thể được sử dụng trong các nghiên cứu về chất lượng không khí. Nó có thể cung cấp dữ liệu chính xác và nhanh chóng về chất lượng không khí và giúp các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của chất lượng không khí đến sức khỏe của con người và môi trường sống.

V. Kết Luận Và Tương Lai Của Hệ Thống Giám Sát Chất Lượng Không Khí

Hệ thống giám sát chất lượng không khí này có thể giúp bảo vệ sức khỏe của người dân và giúp các cơ quan chức năng theo dõi và điều chỉnh chất lượng không khí một cách hiệu quả. Nó có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng thực tế và có tiềm năng để giúp cải thiện chất lượng cuộc sống của người dân. Trong tương lai, có thể có những cải tiến về công nghệ và thiết kế để làm cho hệ thống này trở nên hiệu quả hơn và dễ sử dụng hơn.

5.1 Tiềm năng của hệ thống giám sát chất lượng không khí

Hệ thống giám sát chất lượng không khí có tiềm năng để giúp cải thiện chất lượng cuộc sống của người dân. Nó có thể giúp bảo vệ sức khỏe của người dân và giúp các cơ quan chức năng theo dõi và điều chỉnh chất lượng không khí một cách hiệu quả. Nó cũng có thể được sử dụng trong các nghiên cứu về chất lượng không khí và giúp các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của chất lượng không khí đến sức khỏe của con người và môi trường sống.

5.2 Tương lai của hệ thống giám sát chất lượng không khí

Trong tương lai, có thể có những cải tiến về công nghệ và thiết kế để làm cho hệ thống này trở nên hiệu quả hơn và dễ sử dụng hơn. Ví dụ, có thể có những cải tiến về công nghệ cảm biến để làm cho hệ thống này có thể thu thập dữ liệu chính xác hơn và nhanh hơn. Có thể có những cải tiến về giao diện người dùng để làm cho hệ thống này dễ sử dụng hơn và hiển thị dữ liệu một cách dễ đọc hơn. Có thể có những cải tiến về truyền dữ liệu để làm cho hệ thống này có thể truyền dữ liệu một cách nhanh hơn và an toàn hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan. Trình bày sơ lược về lý do chọn đề tài, tình hình nghiên cứu của đề tài hiện nay, mục tiêu đạt được mà nhóm đã thực hiện kết hợp với các phương pháp nghiên cứu tìm hiểu về đề tài thực hiện Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Tìm hiểu các cơ sở lý thuyết, tổng quan về AQI, giới thiệu đôi nét về các chuẩn giao tiếp được sử dụng trong đề tài, lý thuyết về các phần cứng và phần mềm. Chương 3: Thiết kế hệ thống.

Trình bày các yêu cầu của hệ thống, thiết kế phần cứng cùng với phần sơ đồ hệ thống và giải thích hoạt động, thiết kế phần mềm. Chương 4: Kết quả, Nhận xét và đánh giá. Trình bày kết quả đã thực hiện được sau khi hoàn thành mô hình, đánh giá mô hình đã hoạt động so với mục tiêu ban đầu đề ra. Chương 5: Kết luận và hướng phát triển.

Trình bày ra những kết quả đã đạt được, nêu nhận xét, đánh giá kết quả đạt được của đề tài. Tìm ra phương hướng để phát triển đề tài trong tương lai. 4 h CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TỔNG QUAN VỀ AQI 2.1 Giới thiệu về AQI Chỉ số chất lượng không khí (Air Quality Index - AQI) là sáu loại chỉ số giúp chuyển đổi các phép đo ô nhiễm không khí hằng ngày thành thông tin để giúp mọi người biết được chất lượng không khí nơi mình đang sống, các rủi ro liên quan đến sức khỏe và những hành động có thể thực hiện để bảo vệ bản thân cũng như là gia đình và mọi người [1]. Năm chất gây nên sự ô nhiễm không khí mà EPA (The U.

Environmental Protection Agency – Cơ Quan Bảo Vệ Môi Trường Hoa Kỳ) dùng để tính toán AQI là nhóm Ozon, ô nhiễm hạt, carbon monoxide, sulfur dioxide và nito dioxide. Các tiêu chuẩn chất lượng không khí đã được EPA quy định để bảo vệ sức khỏe của cộng đồng.2 Tính toán AQI dựa trên thang đo AQI được coi là bảng có những giá trị được giới hạn từ 0 đến 500, mức độ ô nhiễm có trong không khí sẽ tương ứng với các giá trị có trong bảng, giá trị AQI cao hơn cho thấy mức độ ô nhiễm trong không khí cũng lớn hơn và làm gia tăng các mối quan tâm về sức khỏe. Giá trị AQI nhỏ hơn hoặc bằng 100 thường được coi là chuẩn xem giá trị và mức độ cảnh báo ở hình 2. Chỉ số AQI được chia thành sáu loại khác nhau, mỗi loại có một màu sắc khác nhau, giúp mọi người nhận biết chất lượng không khí và cũng là cách dễ dàng nhận biết để ngăn ngừa và bảo vệ bản thân khỏi những tác động xấu đến môi trường.

1: Khoảng giá trị và mức độ cảnh báo [2] 2.3 Tính giá trị AQIh của từng thông số (AQIx) - Giá trị Nowcast đối với 𝑃𝑀2. 𝐶𝑚𝑖𝑛 o Tính giá trị trọng số: 𝑊 ∗ = trong đó 𝐶𝑚𝑖𝑛 là giá trị nhỏ 𝐶𝑚𝑎𝑥 nhất trong số 12 giá trị trung bình 1 giờ. 𝐶𝑚𝑎𝑥 là giá trị lớn nhất trong số 12 giá trị trung bình 1 giờ. 1 1 o Nếu 𝑊 ∗ ≤ thì lấy W = 2 2 1 o Nếu 𝑊 ∗ > thì lấy W = 𝑊 ∗ 2 1 ∑12 𝑖=1 𝑤 𝑖−1 𝑐 𝑖 o Trong trường hợp W > thì giá trị Nowcast = ∑12 𝑖−1 2 𝑖 𝑤 6 h 1 o Trong trường hợp W = thì 2 1 1 2 1 12 Nowcast = 𝑐1 + ( ) 𝑐2 + ⋯ + ( ) 𝑐12 2 2 2 - Tính giá trị AQIh của từng thông số (AQIx) [1] o Để tính toán được giá trị 𝐴𝑄𝐼ℎ của CO ta có thể dựa vào công thức số 1 và công thức số 2 để dùng cho việc tính giá trị của PM10 và PM2.5 𝐼𝑖+1 −𝐼𝑖 𝐴𝑄𝐼𝑥 = (𝐶𝑥 − 𝐵𝑃𝑖 ) + 𝐼𝑖 (Công thức 1) 𝐵𝑃−𝐵𝑃 𝑖+1 𝐼𝑖+1 −𝐼𝑖 𝐴𝑄𝐼𝑥 = (𝑁𝑜𝑤𝑐𝑎𝑠𝑡𝑥 − 𝐵𝑃𝑖 ) + 𝐼𝑖 (Công thức 2) 𝐵𝑃𝑖+1 −𝐵𝑃𝑖 Bảng 1: Các giá trị BPi đối với các thông số Giá trị BPi quy định đối với từng thông số i Ii (Đơn vị: µg/m3) CO PM10 PM2.000 ≥600 ≥500 - Giá trị AQI giờ tổng hợp [1] o Giá trị AQI giờ tổng hợp được tính bằng cách lấy giá trị lớn nhất của 𝐴𝑄𝐼𝑥 sau khi đã tính toán được của các thông số.

𝐴𝑄𝐼ℎ = 𝑚𝑎𝑥 (𝐴𝑄𝐼𝑥 ) 7 h o Dựa trên giá trị AQI đã tính được có thể cảnh báo về mức độ ô nhiễm có trong không khí và được biểu diễn thông qua các biểu tượng, màu sắc cụ thể.2 GIỚI THIỆU CÁC CHUẨN GIAO TIẾP 2.1 Giới thiệu về LoRa Long Range (LoRa) là điều chế không dây để cung cấp dữ liệu truyền tải với khoảng cách xa. LoRa hoạt động dựa trên kỹ thuật Chirp Spread Spectrum (CSS) duy trì ở điện năng thấp tương tự như FSK nhưng cơ bản vẫn mở rộng phạm vi giao tiếp. CSS đã được sử dụng với vai trò hỗ trợ trong các lĩnh vực như quân sự, không gian, vũ trụ trong một thời gian dài để phục vụ cho việc giao tiếp với nhau với vị trí giữa các nút tương đối xa. Hiện nay LoRa được tạo ra với mục đích phục vụ cho lĩnh vực IOT vì có thể hoạt động trong một thời gian dài, tiết kiệm năng lượng.

Kỹ thuật CSS lan truyền tín hiệu đầu vào băng hẹp trên một phạm vi rộng hơn băng thông kênh cung cấp giao tiếp hai chiều. Các tín hiệu chirp được tạo ra bởi các máy phát thay đổi tần số của chúng theo thời gian mà không thay đổi pha giữa các ký hiệu liền kề. Kỹ thuật CSS đảm bảo tính liên tục pha giữa các biểu tượng chirp trong phần mở đầu của vật lý gói lớp cho phép đồng bộ hóa thời gian và tần số đơn giản và chính xác hơn và loại bỏ nhu cầu tạo ra các thành phần đắt tiền một đồng hồ cục bộ ổn định trong nút LoRa. Lớp A: Thiết bị điểm cuối LoRaWAN lớp A có nhiệm vụ giao tiếp giữa hai chiều.

Khe truyền được lập lịch bởi điểm cuối cụ thể dựa trên nhu cầu của điểm cuối và có một sự thay đổi nhỏ dựa trên cơ sở thời gian ngẫu nhiên. Loại B: Các thiết bị LoRa Loại B cung cấp chức năng Loại A và thêm vào đó, chúng mở thêm các cửa sổ nhận vào các thời điểm đã lên lịch. Để đạt được sự đồng bộ hóa cần thiết từ mạng, điểm cuối nhận được tín hiệu đồng bộ thời gian từ cổng kết nối. Điều này cho phép máy chủ biết khi nào thiết bị đầu cuối đang lắng nghe.

8 h Loại C: Thiết bị LoRa loại C cung cấp các cửa sổ nhận gần như mở liên tục. Chúng chỉ đóng khi điểm cuối đang truyền. Loại điểm cuối này thích hợp khi cần nhận một lượng lớn dữ liệu hơn là truyền.2 Chuẩn giao tiếp UART Truyền thông nối tiếp không đồng bộ (UART: Universal Asynchronous Receiver – Transmitter). Là chuẩn giao tiếp giữa hai thiết bị chỉ sử dụng hai dây, có thể cấu hình tốc độ truyền, không sử dụng xung đồng hồ để đồng bộ hóa các bit dữ liệu từ thiết bị truyền đến thiết bị nhận.

Sử dụng 2 dây TX (Transmitter) và RX (Receiver) (hình2.6) để thực hiện truyền hoặc nhận dữ liệu. Tốc độ truyền giữa 2 thiết bị bắt buộc phải giống nhau. Có thể thiết lập ba chế độ truyền dữ liệu cơ bản: Đơn công, Bán song công, Song công. 2: Truyền dẫn chuẩn UART Có hai dạng truyền thông trong UART: Truyền thông nối tiếp, Truyền thông song song.3 Chuẩn giao tiếp SPI Chuẩn giao tiếp SPI (Serial Peripheral Interface) là giao thức giao tiếp đồng bộ.

SPI là chuẩn truyền thông nối tiếp đồng bộ giữa thiết bị phát và thu hoặc giữa Master và nhiều Slave. Thiết bị được xem là một Master khi nó có khả năng điều khiển các thiết bị còn lại trong cùng một chuẩn giao tiếp (vi điều khiển). Còn lại, 9 h các thiết bị được điều khiển bởi Master được gọi là Slave (có thể là vi điều khiển, hoặc ngoại vi, hoặc cảm biến) [7]. Một SPI bao gồm bốn đường giao tiếp: - SCK (Serial Clock): Master sẽ tạo xung các Slave để tạo xung nhịp cho việc giao tiếp.

Mỗi xung nhịp sẽ báo rằng một bit dữ liệu đã đến hoặc đi. - MISO (Master Input Slave Output): Tín hiệu này được tạo ra bởi Slave và nhận bởi Master. Nhằm gửi dữ liệu từ Slave đến Master. - MOSI (Master Output Slave Input): Tín hiệu được truyền từ Master đến Slave.

Nhằm gửi dữ liệu từ Master đến Slave. - SS (Slave Select) hay CS (Chip Select): Chọn thiết bị Slave cụ thể để truyền nhận dữ liệu. 3: Truyền nhận chuẩn SPI Tương ứng mỗi chu kỳ clock thì một bit dữ liệu được được truyền đi hoặc nhận về. Sau tám chu kỳ xung clock thì hoàn tất việc truyền nhận một byte dữ liệu.4 Chuẩn giao tiếp I2C I2C (Inter- Integrated Circuit) là giao thức giao tiếp nối tiếp đồng bộ sử dụng hai đường giao tiếp là: - SCL: có nhiệm vụ truyền xung đồng hồ từ Master đến Slave.

- SDA: có nhiệm vụ truyền nhận dữ liệu đường truyền dữ liệu giữa Slave và Master. 4: Truyền nhận chuẩn I2C Giao thức I2C sử dụng dây SDA để truyền nối tiếp từng bit dữ liệu theo tín hiệu xung đồng hồ do Master tạo ra để có thể quản lý việc truyền nhận dữ liệu được diễn ra ổn định.3 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 2.1 Mô-đun Node MCU-32S Mô-đun Node MCU-32S (hình 2.5) được dùng làm khối xử lý trung tâm. Nó có khả năng thu phát wifi và kết nối bluetooth do được tích hợp với ăng-ten và RF. Sử dụng lõi chip ESP32 hai lõi CPU có thể được điều khiển riêng lẻ.

Tần số xung có thể điều chỉnh từ 80MHz- 240Mhz và có hỗ trợ RTOS. Mô-đun Node MCU-32S có kích thước nhỏ gọn phù hợp cho các sản phẩm có yêu cầu về mặt kích thước và tính linh hoạt. 5: Mô-đun ESP 32S – NodeMCU [9] 11 h Bảng 2: Bảng thông số kỹ thuật ESP32s [9]: Nguồn sử dụng 5VDC SPI Flash 32Mbit .5 Mhz Bluetooth BLE 4.2 BR/EDR Wifi 802. Số chân 38 chân GPIO 2.2 Mô-đun thu phát SPI LORA RA-02 SX1278 Mạch Thu Phát RF SPI LoRa SX1278 (hình2.6) sử dụng chip SX1278.

Dòng sản phẩm SX1278 của Semtech cung cấp dải điện cực dài duy trì mức tiêu thụ dòng điện thấp, giúp nó trở nên tối ưu cho nhiều ứng dụng. 6: Mô-đun LoRa SX1278 [10] Bảng 3: Bảng thông số kỹ thuật mô-đun LoRa [10] Điện áp làm việc 1.7V Dãy tần số 420 - 450MHz Kết nối SPI / GPIO Nhiệt độ làm việc -40 - 85℃ 2.3 Cảm biến bụi SDS011 SDS011 với đầu ra kỹ thuật số, quạt tích hợp ổn định và độ chính xác cao do SDS011 sử dụng nguyên tắc tán xạ laser, có thể đo được nồng độ hạt bụi từ 0.3um đến 10um.