Đồ án cảm biến đo thông số môi trường và giám sát qua internet - HPU

Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu các loại cảm biến đo thông số môi trường và xây dựng hệ thống giám sát thời gian thực qua mạng internet hiệu quả.

• Tác giả: Phạm Ngọc Hiếu
• Người hướng dẫn: TS. Đoàn Hữu Chức
• Trường học: Trường Đại học Quản lý và Công nghệ Hải Phòng
• Chuyên ngành: Điện tự động công nghiệp
• Đề tài: Nghiên cứu một số cảm biến đo thông số môi trường và giám sát qua mạng internet
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hải Phòng

Tóm tắt

I. Tổng quan về cảm biến đo môi trường giám sát internet

Cảm biến đo thông số môi trường kết hợp mạng internet đang trở thành giải pháp quan trọng trong giám sát tự động hóa các thông số khí hậu, chất lượng không khí và điều kiện môi trường. Các cảm biến như nhiệt độ, độ ẩm, khí CO2, khí gas và ánh sáng được tích hợp vào hệ thống nhúng (Arduino, ESP8266) để thu thập dữ liệu theo thời gian thực. Dữ liệu sau đó được truyền qua giao thức WiFi, Ethernet hoặc module truyền thông không dây (LoRa, NB-IoT) tới nền tảng đám mây (Blynk, ThingSpeak) hoặc máy chủ nội bộ. Hệ thống cho phép người dùng theo dõi, cảnh báo và phân tích dữ liệu từ xa thông qua giao diện web hoặc ứng dụng di động. Công nghệ này ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp thông minh, quản lý tòa nhà, giám sát công nghiệp và đô thị thông minh.

1.1. Các loại cảm biến môi trường phổ biến

Cảm biến nhiệt độ-độ ẩm DHT22 cung cấp độ chính xác cao với dải đo từ -40°C đến 80°C và độ ẩm 0-100%. Cảm biến khí CO2 MG-811 đo nồng độ khí CO2 trong không khí từ 350ppm đến 10.000ppm, ứng dụng trong giám sát chất lượng không khí tòa nhà. Cảm biến khí gas MQ2 phát hiện khí ga dễ cháy (LPG, methane) với ngưỡng nhạy 300-10.000ppm. Cảm biến ánh sáng BH1750 đo cường độ ánh sáng từ 0 đến 65535 lux, phục vụ hệ thống chiếu sáng tự động. Mỗi loại cảm biến có nguyên lý hoạt động riêng dựa trên vật liệu bán dẫn, điện hóa hoặc quang học, đảm bảo độ tin cậy trong môi trường thực tế.

1.2. Vai trò của internet trong giám sát môi trường

Internet đóng vai trò cầu nối giữa cảm biến và hệ thống quản lý dữ liệu. Dữ liệu thu thập được truyền qua giao thức MQTT, HTTP hoặc CoAP tới máy chủ đám mây, nơi xử lý, lưu trữ và hiển thị dưới dạng biểu đồ trực quan. Người dùng có thể truy cập dữ liệu mọi lúc mọi nơi thông qua ứng dụng di động hoặc website. Hệ thống cảnh báo tự động (email, SMS) được kích hoạt khi thông số vượt ngưỡng an toàn. Công nghệ IoT (Internet of Things) giúp tối ưu hóa chi phí vận hành, giảm thiểu sự can thiệp thủ công. Điển hình là hệ thống giám sát nông trại tự động điều chỉnh tưới tiêu, thông gió dựa trên dữ liệu cảm biến.

II. Phân tích vấn đề trong giám sát môi trường truyền thống

Giám sát môi trường bằng phương pháp thủ công hoặc hệ thống rời rạc gặp nhiều hạn chế về độ trễ, độ chính xác và khả năng mở rộng. Nhân lực cần phải di chuyển liên tục để thu thập dữ liệu, dẫn đến chi phí cao và nguy cơ sai sót do yếu tố con người. Hệ thống cảm biến độc lập thiếu khả năng tương tác, khiến việc tích hợp dữ liệu trở nên phức tạp. Thiếu kết nối internet đồng bộ dẫn đến mất dữ liệu hoặc cảnh báo chậm trễ, đặc biệt nguy hiểm trong môi trường công nghiệp. Độ tin cậy của cảm biến giảm theo thời gian do môi trường khắc nghiệt, trong khi chi phí bảo trì không được tối ưu hóa. Ngoài ra, dữ liệu thu thập không được phân tích chuyên sâu, dẫn đến thiếu sót trong dự báo rủi ro môi trường.

2.1. Hạn chế của hệ thống cảm biến rời rạc

Hệ thống cảm biến rời rạc hoạt động độc lập mà không có cơ chế đồng bộ hóa, gây khó khăn trong việc so sánh và phân tích dữ liệu tổng thể. Mỗi cảm biến có định dạng đầu ra khác nhau (analog, digital, I2C), đòi hỏi nhiều giao diện thu thập dữ liệu riêng biệt. Khả năng mở rộng hạn chế do thiếu tiêu chuẩn hóa, khiến việc bổ sung cảm biến mới trở nên phức tạp. Dữ liệu không được chuẩn hóa, dẫn đến sai lệch trong phân tích thống kê. Chi phí đầu tư ban đầu cao do phải mua nhiều phần cứng độc lập, trong khi hiệu suất không được tối ưu hóa. Ngoài ra, việc bảo trì từng cảm biến riêng lẻ tốn nhiều thời gian và công sức.

2.2. Rủi ro từ dữ liệu thiếu chính xác

Dữ liệu môi trường thiếu chính xác có thể dẫn đến những quyết định sai lầm, gây thiệt hại kinh tế hoặc môi trường. Cảm biến hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt (nhiệt độ cao, độ ẩm lớn) dễ bị nhiễu hoặc hỏng hóc, dẫn đến sai số đo lường. Thiếu cơ chế hiệu chuẩn định kỳ khiến độ chính xác giảm theo thời gian. Dữ liệu bị gián đoạn do mất kết nối internet hoặc lỗi phần cứng không được phát hiện kịp thời. Trong lĩnh vực y tế hoặc công nghiệp, sai lệch dữ liệu có thể gây nguy hiểm đến tính mạng con người. Do đó, hệ thống giám sát cần tích hợp cơ chế tự hiệu chỉnh, cảnh báo lỗi và dự phòng dữ liệu.

III. Giải pháp hệ thống giám sát môi trường qua internet

Hệ thống giám sát môi trường qua internet sử dụng kiến trúc IoT 3 lớp: lớp cảm biến (sensor layer), lớp mạng (network layer) và lớp ứng dụng (application layer). Lớp cảm biến tích hợp đa dạng cảm biến môi trường với mạch thu thập dữ liệu (ADC, I2C, SPI) để chuyển đổi tín hiệu analog sang digital. Lớp mạng truyền dữ liệu qua WiFi, Ethernet hoặc module không dây (ESP8266, LoRa) tới nền tảng đám mây (Blynk, ThingSpeak). Lớp ứng dụng cung cấp giao diện người dùng, cảnh báo tự động và phân tích dữ liệu thời gian thực. Hệ thống sử dụng giao thức MQTT cho truyền tải dữ liệu nhẹ, tiêu thụ ít băng thông. Dữ liệu được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu thời gian thực (InfluxDB) để phân tích xu hướng dài hạn.

3.1. Thiết kế mạch thu thập dữ liệu

Mạch thu thập dữ liệu sử dụng vi điều khiển ESP8266 kết nối đa cảm biến qua giao tiếp I2C và analog. ESP8266 được lập trình bằng Arduino IDE, đọc dữ liệu từ cảm biến DHT22 (nhiệt độ-độ ẩm), MQ2 (khí gas), BH1750 (ánh sáng) và MG-811 (CO2). Tín hiệu analog từ cảm biến được chuyển đổi sang digital bởi ADC 10-bit tích hợp. Mạch sử dụng nguồn 5V DC từ adapter hoặc pin lithium, tích hợp module WiFi cho kết nối internet ổn định. Tín hiệu sau khi xử lý được gửi tới máy chủ qua giao thức HTTP POST hoặc MQTT. Hệ thống có thể mở rộng bằng cách thêm module cảm biến mới thông qua chân GPIO.

3.2. Xây dựng giao diện giám sát trực quan

Giao diện giám sát được phát triển trên nền tảng Blynk, cung cấp bảng điều khiển thời gian thực với biểu đồ hiển thị dữ liệu cảm biến. Người dùng có thể thiết lập ngưỡng cảnh báo (ví dụ: nhiệt độ > 35°C, CO2 > 1000ppm) để nhận thông báo qua email hoặc ứng dụng di động. Giao diện hỗ trợ điều khiển từ xa các thiết bị (quạt, máy lọc không khí) thông qua nút bấm ảo. Dữ liệu được lưu trữ và phân tích trên ThingSpeak, cho phép xuất báo cáo định kỳ. Hệ thống cung cấp API cho phép tích hợp với các phần mềm quản lý khác (Power BI, Excel). Giao diện có thể tùy chỉnh theo nhu cầu người dùng, đảm bảo tính thân thiện.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu đã chứng minh khả năng ứng dụng của hệ thống giám sát môi trường qua internet trong nhiều lĩnh vực, từ nông nghiệp đến công nghiệp. Hệ thống cung cấp dữ liệu thời gian thực, độ chính xác cao và khả năng cảnh báo tự động, vượt trội so với phương pháp truyền thống. Chi phí đầu tư ban đầu được bù đắp bởi hiệu quả vận hành và giảm thiểu rủi ro môi trường. Hệ thống có thể mở rộng linh hoạt nhờ kiến trúc module hóa, dễ dàng tích hợp cảm biến mới. Kết quả nghiên cứu mở ra hướng phát triển các hệ thống IoT thông minh, kết hợp trí tuệ nhân tạo (AI) để dự báo xu hướng môi trường. Tuy nhiên, hệ thống cần được tối ưu hóa về tiêu thụ năng lượng và bảo mật dữ liệu trong môi trường sản xuất.

4.1. Hiệu quả kinh tế và xã hội

Hệ thống giúp giảm chi phí nhân công lên tới 70% nhờ tự động hóa giám sát. Tiết kiệm năng lượng trong tòa nhà bằng cách điều chỉnh hệ thống thông gió theo nhu cầu thực tế. Giảm thiểu thiệt hại do sự cố môi trường (cháy nổ, ô nhiễm) thông qua cảnh báo sớm. Nâng cao chất lượng cuộc sống nhờ kiểm soát tốt hơn chất lượng không khí và nhiệt độ. Hệ thống góp phần thực hiện các mục tiêu phát triển bền vững của quốc gia, đặc biệt trong lĩnh vực đô thị thông minh và nông nghiệp công nghệ cao.

4.2. Triển vọng phát triển hệ thống

Tương lai hệ thống sẽ tích hợp trí tuệ nhân tạo để dự báo xu hướng môi trường dựa trên dữ liệu lịch sử. Sử dụng công nghệ 5G và edge computing để giảm độ trễ truyền dữ liệu. Phát triển các cảm biến sinh học (ví dụ: cảm biến vi sinh vật) cho lĩnh vực y tế và thực phẩm. Chuẩn hóa giao thức truyền thông (OPC UA, LoRaWAN) để tương thích đa nền tảng. Hợp tác với chính phủ và doanh nghiệp để triển khai hệ thống trên quy mô quốc gia, hướng tới đô thị thông minh toàn diện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Nghiên cứu một số cảm biến đo các thông số của môi trường 1.1 Cảm biến đo nhiệt độ 1.1 Khái niệm Trong tất cả các đại lượng vật lý, nhiệt độ là đại lượng được quan tâm nhiều nhất. Đó là vì nhiệt độ có vai trò quyết định trong nhiều tính chất của vật chất. Một trong những đặc điểm tác động của nhiệt độ là làm thay đổi một cách liên tục các đại lượng chịu sự ảnh hưởng của nó.

Tuy nhiên, để đo được trị số chính xác của một nhiệt độ là vấn đề không đơn giản, phần lớn các đại lượng vật lý đều có thể xác định một cách định lượng nhờ so sánh chúng với một đại lượng cùng bản chất. Nhiệt độ là đại lượng chỉ có thể đo gián tiếp trên cơ sở tính chất của vật phụ thuộc vào nhiệt độ. Để đo được trị số chính của nhiệt phải dùng cảm biến nhiệt độ. Để chế tạo các bộ cảm biến nhiệt độ người ta sử dụng nhiều nguyên lý khác nhau như các nhiệt điện trở, nhiệt ngẫu, phương pháp quang dựa trên phân bố phổ bức xạ nhiệt do dao động nhiệt, phương pháp dựa trên sự giãn nở của vật rắn, chất lỏng hoặc chất khí hoặc dựa trên tốc độ âm.2 Đo nhiệt độ bằng điện trở Trong các nhiệt điện trở Rt = f (to), có thể đo điện trở Rt để suy ra nhiệt độ to.

Nhiệt điện trở kim loại: Nhiệt điện trở kim loại có đặc điểm là quan hệ giữa điện trở của nó và nhiệt độ hầu như tuyến tính, tính lặp lại của quan hệ ấy rất cao nên thiết bị đơn giản. Đối với nhiệt điện trở Pt, tính lặp lại rất cao sai số ngẫu nhiên rất thấp (0.01%) cho nên có thể dùng đo nhiệt độ thấp, sai khác 0. Nhiệt điện trở đồng và Niken tính lặp lại không cao bằng nhiệt điện trở Pt nhưng giá thành rẻ. Quan hệ giữa nhiệt độ và nhiệt điện trở: 𝑅𝑡 = 𝑅0 (1 + αt + β𝑡2 + 𝛾𝑡3 ) Trong đó: β và 𝛾 trong phạm vi sử dụng với độ chính xác không cao thì coi như không đáng kể và quan hệ giữa Rt và to là tuyến tính.1 Nhiệt điện trở công nghiệp dùng Platin 1.

Gốm cách điện 3. Sứ cách điện 6. Cách điện chịu nhiệt 8. Vỏ bọc kim loại 9.

Xi măng -Ưu điểm: + Độ chính xác cao, phạm vi đo rộng + Độ ổn định theo thời gian cao, độ trôi hơn 0,1oC / năm + Tín hiệu điện áp ra lớn hơn loại cặp nhiệt điện + Độ tuyến tính điện trở rất tốt -Nhược điểm: + Giá thành cao, kích thước lớn + Không bền như cặp nhiệt trong môi trường rung động cao và va đập mạnh.3 Đo nhiệt độ bằng bán dẫn Nhiệt điện trở bán dẫn được chế tạo như những linh kiện điện tử. Vì vậy, giá trị của nó tại một nhiệt độ xác định không chính xác. Quan hệ giữa nhiệt độ 4 và điện trở không tuyến tính và không đồng đều giữa các điện trở với nhau. B 𝑅𝑡 = Aα 2 𝑇 Trong đó: A, B đều không ổn định, thường nằm trong khoảng : α = (-2.5% ÷ -4%) Hệ số nhiệt độ nhiệt điện trở bán dẫn có giá trị âm, có độ lớn gấp 6 – 10 lần nhiệt điện trở kim loại vì thế được dùng trong các mạch khống chế nhiệt độ, hoặc đo nhiệt độ trong phạm vi rất nhỏ.

Do kích thước nhỏ, có độ nhạy cao theo nhiệt độ , nên nhiệt điện trở bán dẫn cũng được dùng rộng rãi. Tuy nhiên, cũng do tính phi tuyến của nhiệt điện trở bán dẫn nên việc sử dụng có nhiều hạn chế, cần phải hiệu chỉnh phi tuyến Hình 1.2 một số loại nhiệt điện trở bán dẫn Nhiệt điện trở bán dẫn - Thermistor, được làm từ hỗn hợp các oxit bán dẫn đa tinh thể như: MgO, MgAl2O4, Mn2O3, Fe3O4, Co2O3, NiO. Để chế tạo nhiệt điện trở bán dẫn các bột oxit được trộn với nhau theo tỉ lệ thích hợp, sau đó chúng được nén định dạng và thiêu kết ở nhiệt độ 1000oC. Các dây nối kim loại được hàn 2 điểm trên bề mặt bán dẫn đã được phủ bằng một lớp kim loại, các nhiệt điện trở bán dẫn được chế tạo với nhiều hình dạng khác nhau (hình đĩa, hình trụ, hình vòng.) và phần tử nhay cảm có thể bọc một lớp bảo vệ hoặc để trần.

Đặc điểm chung của nhiệt điện trở bán dẫn là hầu hết có độ nhạy rất cao, cao hơn rất nhiều so với độ nhạy của điện trở kim loại. Độ ổn định phụ thuộc vào việc chế tạo và điều kiện sử dụng. Vỏ bọc của nhiệt điện trở sẽ bảo vệ nó không bị phá huỷ hoá học và tăng độ ổn định khi làm việc. Song trong quá trình 5 sử dụng nhiệt điện trở cần phải tránh những thăng giáng nhiệt độ đột ngột bởi vì điều này có thể dẫn tới làm rạn nứt vật liệu.4 Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt Nguyên lý Là loại cảm biến được thiết kế kiểu hai dây ra, còn được gọi là thermocouple.

Nó cấu tạo gồm hai dây dẫn là hai kim loại khác nhau và được chụm lại với nhau tạo thành cảm biến. Khi nhiệt độ thay đổi thì tín hiệu mV cũng thay đổi theo, từ đó bộ đọc quy ra giá trị nhiệt độ. Dựa trên hiện tượng nhiệt điện, nếu hai dây dẫn khác nhau nối với nhau tại hai điểm và một trong hai điểm đó được đốt nóng thì trong mạch sẽ xuất hiện một dòng điện gây bởi sức điện động gọi là sức điện động nhiệt ngẫu cho bởi: 𝐸𝑡 = 𝐾𝑇 (𝑡𝑛 − 𝑡𝑡𝑑 ) Trong đó :KT:Hệ số hiệu ứng nhiệt điện tn: Nh/độ đầu nóng, ttd: Nhđộ đầu tự do Quan hệ giữa sức điện động nhiệt ngẫu với hiệu nhiệt độ đầu nóng và đầu tự do được xem là tuyến tính. Tuy nhiên nếu dải đo quá rộng phải chia khoảng đo ra nhiều đoạn và mỗi đoạn có hệ số KT riêng (tuyến tính hoá từng đoạn).3 Sơ đồ cấu tạo cặp nhiệt điện trong công nghiệp 1.

Vỏ bảo vệ 2. Sứ cách điện 5. Hộp nối dây kín nước 6 1.2 Cảm biến đo độ ẩm Độ ẩm được định nghĩa là lượng hơi nước có trong không khí hoặc chất khí. Cảm biến đo độ ẩm là một thiết bị điện tử đo độ ẩm trong môi trường của nó và chuyển đổi các phát hiện của nó thành tín hiệu điện tương ứng.

Nguyên lý hoạt động: Cảm biến đo độ ẩm hoạt động dựa trên nguyên lí: sự hấp thụ hơi nước làm biến đổi tính chất của thành phần cảm nhận trong cảm biến làm thay đổi điện trở của cảm biến qua đó xác định được độ ẩm. Đối với một ẩm kế điện dung, không khí chảy vào giữa hai tấm kim loại. Sự thay đổi độ ẩm không khí tỷ lệ thuận với sự thay đổi điện dung giữa các bản.Trong nguyên lý đo độ ẩm điện trở, polymer hoặc sứ hấp thụ độ ẩm, sau đó ảnh hưởng đến điện trở suất của nó. Và được kết nối với một mạch trong đó độ ẩm ảnh hưởng đến điện trở của vật liệu.

Từ đó độ ẩm tương đối sau đó được xác định dựa trên sự thay đổi của dòng điện. Phân loại - Theo phương pháp đo + Cảm biến độ ẩm có thể được chia thành hai nhóm, vì mỗi loại sử dụng một phương pháp khác nhau để tính toán độ ẩm: + Cảm biến độ ẩm tương đối (RH) + Cảm biến độ ẩm tuyệt đối (AH) - Theo ứng dụng + Cảm biến độ ẩm đất + Cảm biến độ ẩm không khí 1.1 Cảm biến độ ẩm đất điện dung Cảm biến độ ẩm điện dung sử dụng hai điện cực để theo dõi điện dung (nghĩa là khả năng lưu trữ điện tích) của một dải kim loại mỏng đặt giữa chúng. Điện dung kim loại khác tăng hoặc giảm với tốc độ tỷ lệ thuận với sự thay đổi độ ẩm trong môi trường cảm biến. Sự khác biệt về điện tích (điện áp) được tạo ra bởi sự tăng độ ẩm sau đó được khuếch đại và gửi đến máy tính nhúng để xử lý.4 Cảm biến độ ẩm đất điện dung Cảm biến độ ẩm đất điện dung đầu ra analog Cảm biến độ ẩm đất arduino là loại cảm biến độ ẩm đất mới - cảm biến điện dung với độ bền và tuổi thọ cao hơn nhiều các loại cảm biến điện trở thông thường.

Cảm biến đo độ ẩm đất này hoạt động với điện áp 3.5V, đặc biệt nó hoạt động ngay cả trên bảng điều khiển Arduino 3. Chỉ cần sử dụng một máy tính thu nhỏ như Raspberry Pi chỉ cần một mô-đun chuyển đổi ADC (analog để tín hiệu số) để hoạt động. - Thông số kỹ thuật của cảm biến độ ẩm của đất: + Điện áp hoạt động: 3.5 VDC + Điện áp đầu ra: 0 ~ 3.0 VDC + Giao diện: PH2.54-3P + Kích thước: 98 x 23mm (LxW) + Khối lượng: 20 gram - Nguyên lý hoạt động của cảm biến độ ẩm đất kiểu điện dung: Mạch cảm biến sử dụng mạch tạo xung NE555 với tụ điện trong mạch để tính tần số là hai bản cực được thiết kế về hai mặt PCB. Khi ở môi trường ẩm, hơi nước bao quanh 2 bản cực như môi trường điện môi.

Mật độ hơi nước càng lớn thì hằng số điện môi càng cao dẫn tới tụ dung của mạch tạo tần số tăng nên tần số sẽ giảm xuống ( f = 1/(R.C) - tham khảo datasheet của NE555) và ngược lại. Tần số này đưa qua mạch lọc thông thấp sẽ xuất mức điện áp tương ứng với giá trị độ ẩm đất ở chân AOUT. - Cảm biến độ ẩm điện dung là loại có các đặc điểm sau: + Hằng số điện môi thay đổi tỷ lệ thuận với độ ẩm tương đối trong môi trường 8 + Hiệu ứng nhiệt không đáng kể. + Điện dung thay đổi từ 0,2-0,5pF cho mỗi 1% RH thay đổ 1.2 Cảm biến đo độ ẩm đất điện trở Bộ sản phẩm gồm một cảm biến độ ẩm đất và một module chuyển đổi với ngõ ra Analog - Digital.

Cảm biến độ ẩm đất hoạt động với 2 chế độ ngõ ra (Analog & Digital), trạng thái đầu ra mức thấp (0V), khi đất thiếu nước đầu ra sẽ là mức cao (5V).5 Cảm biến độ ẩm đất điện trở Hai đầu đo của cảm biến được cắm vào đất để phát hiện độ ẩm. Dùng dây nối giữa cảm biến và module chuyển đổi. Thông tin về độ ẩm đất sẽ được đọc về và gởi tới module chuyển đổi. Module chuyển đổi: Trong đó, biến trở đóng vai trò định ngưỡng so sánh với tín hiệu độ ẩm đất đọc về từ cảm biến.

Ngưỡng so sánh và tín hiệu cảm biến sẽ là 2 đầu vào của IC so sánh LM393. Khi độ ẩm thấp hơn ngưỡng định trước, ngõ ra của IC là mức cao (1), ngược lại là mức thấp (0).