Luận Văn Thạc Sĩ: Xây Dựng Hệ Đo Thông Số Môi Trường Đa Tín Hiệu

Luận văn thạc sĩ HUS trình bày hệ đo thông số môi trường đa tín hiệu, ứng dụng công nghệ hiện đại trong nghiên cứu và giám sát môi trường.

• Tác giả: Trần Thị Minh Phương
• Người hướng dẫn: TS. Đỗ Trung Kiên
• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến và điện tử
• Đề tài: Xây Dựng Hệ Đo Thông Số Môi Trường Đa Tín Hiệu
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Hệ thiết bị đo lường
• 1.2. Bộ thu thập số liệu (Data logger)
• 1.3. Một số đặc điểm số liệu và hệ thu thập số liệu
• 1.4. Một số bộ thu thập số liệu hiện nay
• 1.5. Thu thập số liệu thông qua webserver
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Các đại lượng đo và lựa chọn cảm biến
• 2.1.1. a) Giới thiệu
• 2.1.2. b) Lựa chọn cảm biến
• 2.2. Cảm biến nhiệt độ DS18B20
• 2.3. Lựa chọn cảm biến: Đo nồng độ khí CO2
• 2.4. Lựa chọn cảm biến: Cảm biến âm thanh
• 2.5. Lựa chọn cảm biến: Vi điều khiển
• 2.5.1. a) Giới thiệu về vi điều khiển
• 2.5.2. b) Giới thiệu về vi điều khiển PIC
• 2.5.3. c) Về vi điều khiển PIC 16F887A
• 2.6. Các thành phần khác trong mạch
• 2.7. IC thời gian thực RTC DS1307
• 2.8. Truyền, nhận dữ liệu đo
• 2.9. Xử lý số liệu và đưa lên Lan Server
• 2.10. Xây dựng hệ đo thông số môi trường đa tín hiệu
• 2.11. Mạch mô phỏng của hệ đo
• 2.12. Xây dựng thuật toán cho hệ đo
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
• 3.1. Kết quả xây dựng hệ đo
• 3.2. Kết quả số liệu thu thập từ hệ đo
• 3.3. Kết quả đưa số liệu lên Lan Server
• 3.4. Các khả năng ứng dụng trong thực tiễn
• 3.5. Tiềm năng, mở rộng và nâng cấp hệ thông
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về Hệ Đo Thông Số Môi Trường Đa Tín Hiệu

Hệ đo thông số môi trường đa tín hiệu là một công nghệ tiên tiến, cho phép thu thập và giám sát các thông số môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ khí và tiếng ồn. Công nghệ này không chỉ giúp cải thiện chất lượng cuộc sống mà còn hỗ trợ trong các nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghiệp. Việc xây dựng hệ thống này đòi hỏi sự kết hợp giữa các cảm biến hiện đại và công nghệ thông tin.

1.1. Định nghĩa và vai trò của hệ đo thông số môi trường

Hệ đo thông số môi trường là thiết bị sử dụng các cảm biến để thu thập dữ liệu về các yếu tố môi trường. Vai trò của hệ thống này rất quan trọng trong việc theo dõi và phân tích các biến đổi môi trường, từ đó đưa ra các biện pháp điều chỉnh kịp thời.

1.2. Lịch sử phát triển của công nghệ đo lường môi trường

Công nghệ đo lường môi trường đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển, từ các thiết bị đo cơ học đơn giản đến các hệ thống tự động hóa hiện đại. Sự phát triển này đã giúp nâng cao độ chính xác và khả năng thu thập dữ liệu trong thời gian thực.

II. Vấn đề và thách thức trong việc xây dựng hệ đo

Mặc dù công nghệ đo lường môi trường đã phát triển mạnh mẽ, nhưng vẫn còn nhiều thách thức cần giải quyết. Các vấn đề như độ chính xác của cảm biến, khả năng hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt và chi phí đầu tư là những yếu tố quan trọng cần xem xét.

2.1. Độ chính xác và độ tin cậy của cảm biến

Độ chính xác của cảm biến là yếu tố quyết định đến chất lượng dữ liệu thu thập. Các cảm biến cần được hiệu chuẩn định kỳ để đảm bảo độ tin cậy trong các ứng dụng thực tế.

2.2. Chi phí và khả năng tiếp cận công nghệ

Chi phí đầu tư cho hệ thống đo lường môi trường có thể cao, đặc biệt là đối với các thiết bị hiện đại. Việc phát triển các giải pháp tiết kiệm chi phí nhưng vẫn đảm bảo hiệu quả là một thách thức lớn.

III. Phương pháp xây dựng hệ đo thông số môi trường đa tín hiệu

Để xây dựng hệ đo thông số môi trường đa tín hiệu, cần áp dụng các phương pháp khoa học và công nghệ hiện đại. Việc lựa chọn cảm biến phù hợp và thiết kế hệ thống thu thập dữ liệu là rất quan trọng.

3.1. Lựa chọn cảm biến phù hợp cho từng thông số

Việc lựa chọn cảm biến cần dựa trên các yếu tố như độ chính xác, khả năng hoạt động và chi phí. Các cảm biến như DHT11 cho độ ẩm và DS18B20 cho nhiệt độ là những lựa chọn phổ biến.

3.2. Thiết kế hệ thống thu thập dữ liệu

Hệ thống thu thập dữ liệu cần được thiết kế sao cho có thể hoạt động độc lập và tự động. Việc sử dụng vi điều khiển và các giao thức truyền thông hiện đại sẽ giúp tối ưu hóa quá trình thu thập và xử lý dữ liệu.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hệ đo thông số môi trường

Hệ đo thông số môi trường đa tín hiệu có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực như nông nghiệp, y tế, và công nghiệp. Việc giám sát các thông số môi trường giúp cải thiện chất lượng sản phẩm và bảo vệ sức khỏe con người.

4.1. Ứng dụng trong nông nghiệp thông minh

Hệ thống đo lường giúp nông dân theo dõi điều kiện môi trường, từ đó điều chỉnh các yếu tố như tưới tiêu và bón phân, nâng cao năng suất cây trồng.

4.2. Ứng dụng trong y tế và sức khỏe

Việc giám sát các thông số như nồng độ khí CO2 và tiếng ồn trong bệnh viện giúp cải thiện môi trường điều trị, từ đó nâng cao chất lượng chăm sóc sức khỏe.

V. Kết luận và tương lai của hệ đo thông số môi trường

Hệ đo thông số môi trường đa tín hiệu đang ngày càng trở nên quan trọng trong việc giám sát và bảo vệ môi trường. Tương lai của công nghệ này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cải tiến và ứng dụng mới.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ đo lường

Công nghệ đo lường sẽ tiếp tục phát triển với sự xuất hiện của các cảm biến thông minh và hệ thống tự động hóa, giúp nâng cao độ chính xác và khả năng thu thập dữ liệu.

5.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu và phát triển

Nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực này là cần thiết để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về giám sát môi trường và bảo vệ sức khỏe con người.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa và biến đổi khí hậu diễn ra phức tạp, nhu cầu giám sát chất lượng không khí và vi khí hậu trở nên cấp thiết tại các phòng thí nghiệm, bệnh viện, nhà máy sản xuất và mô hình nhà kính nông nghiệp. Các giải pháp quan trắc thương mại ngoại nhập trên thị trường hiện nay như bộ MT100 của DataQ có giá thành lên tới 599 USD (tương đương hơn 13 triệu đồng), tiêu thụ công suất 38 VA và phụ thuộc hoàn toàn vào lưới điện xoay chiều AC, gây khó khăn lớn cho việc triển khai diện rộng tại các vùng xa hoặc các cơ sở có ngân sách hạn chế.

Xuất phát từ thực tiễn đó, luận văn tập trung giải quyết bài toán nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh một hệ thống đo thông số môi trường đa tín hiệu tự động, chi phí thấp nhưng vẫn đảm bảo độ tin cậy và tính ổn định cao. Mục tiêu trọng tâm của đề tài là tích hợp đồng thời nhiều cảm biến chuyên dụng để giám sát liên tục 4 thông số vật lý then chốt bao gồm nhiệt độ, độ ẩm không khí, cường độ âm thanh và nồng độ khí CO2. Toàn bộ dữ liệu được thu thập, xử lý theo thời gian thực 24/24 giờ bằng vi điều khiển và truyền trực tiếp lên máy chủ mạng cục bộ (LAN Server) phục vụ việc theo dõi từ xa.

Nghiên cứu được thực hiện tại Bộ môn Vật lý Vô tuyến và Điện tử, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội trong năm 2014. Đề tài mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc khi làm chủ toàn diện công nghệ thiết kế phần cứng và lập trình nhúng, giúp giảm hơn 70% chi phí chế tạo so với thiết bị ngoại nhập, đồng thời cung cấp tần số lấy mẫu 1 Hz ổn định, tạo nền tảng vững chắc để ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống nhà thông minh và quan trắc môi trường chuyên dụng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng tích hợp giữa lý thuyết biến đổi năng lượng điện hóa, lý thuyết truyền lan sóng âm và các chuẩn giao tiếp truyền thông kỹ thuật số trong kỹ thuật điện tử:

• Lý thuyết điện phân rắn và phương trình Nernst trong đo nồng độ khí CO2: Cảm biến MG811 hoạt động dựa trên pin điện phân rắn với cấu trúc màng mỏng Air, Au|NASICON||Carbonate|Au, air, CO2. Suất điện động (EMF) sinh ra trên hai điện cực tỷ lệ nghịch với logarit tự nhiên của áp suất riêng phần khí CO2 theo phương trình Nernst: $\text{EMF} = E_c - \frac{R \cdot T}{2F} \ln(P_{\text{CO2}})$, trong đó hằng số Faraday $F$ và nhiệt độ tuyệt đối $T$ quyết định tín hiệu điện áp đầu ra trong dải 30-50 mV ứng với nồng độ từ 350 ppm đến 10000 ppm.
• Lý thuyết xử lý tín hiệu âm thanh và khuếch đại thuật toán: Âm thanh lan truyền dưới dạng sóng dọc cơ học trong dải tần số nghe thấy 20 Hz - 20 kHz. Tín hiệu dao động áp suất không khí tác động lên màng micro điện dung làm biến thiên điện dung, sau đó được khuếch đại điện áp xấp xỉ 20 lần qua IC chuyên dụng LM386 với độ méo hài tổng chỉ 0.2% trước khi chuyển đổi sang tín hiệu số.
• Chuẩn giao tiếp kỹ thuật số và đồng bộ thời gian: Ứng dụng giao thức 1-Wire cho phép truyền nhận dữ liệu số trên 1 dây duy nhất với cảm biến DS18B20 và DHT11; giao tiếp I2C hai dây đồng bộ hóa dữ liệu thời gian thực từ IC RTC DS1307 sử dụng thạch anh chuẩn 32.768 kHz; và chuẩn truyền thông nối tiếp không đồng bộ UART chuyển đổi dữ liệu lên máy tính.
• Định lý lấy mẫu Nyquist-Shannon: Xác định tần số lấy mẫu tối ưu 1 Hz nhằm thu thập chính xác các biến thiên vật lý chậm của môi trường tự nhiên (tần số tín hiệu dưới 0.5 Hz) mà không gây quá tải bộ nhớ đệm và băng thông truyền tải.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa mô phỏng phần mềm, chế tạo mạch phần cứng thực nghiệm và kiểm chuẩn đối sánh đa kênh:

• Phương pháp thiết kế và mô phỏng mạch: Sử dụng phần mềm Proteus để tính toán, mô phỏng hoạt động chi tiết của vi điều khiển PIC16F887A (tốc độ xung nhịp 20 MHz, bộ nhớ Flash 8K x 14 bit, 8 kênh ADC 10-bit) cùng các khối cảm biến, mạch tạo nguồn ổn áp LM7805 (5V logic) và LM317 (cung cấp điện áp 6.1V với dòng đốt 200 mA cho cảm biến khí MG811).
• Phương pháp thu thập và xử lý mẫu thực nghiệm: Hệ thống tiến hành thu thập liên tục 86,400 mẫu dữ liệu mỗi ngày trong điều kiện phòng thí nghiệm tiêu chuẩn. Phương pháp chọn mẫu liên tục theo chu kỳ thời gian thực giúp ghi nhận đầy đủ sự dao động của các thông số môi trường trong các khung giờ khác nhau.
• Phương pháp truyền thông và hiển thị mạng cục bộ: Số liệu sau khi được vi điều khiển số hóa và đóng gói thành chuỗi ký tự theo định dạng chuẩn sẽ truyền qua cổng COM ảo tới máy tính bằng phần mềm Hercules, sau đó lưu trữ thành tệp văn bản và đẩy lên hệ thống Webserver nội bộ phát triển bằng ngôn ngữ HTML và PHP.
• Phương pháp kiểm chuẩn đối sánh: Đánh giá độ tin cậy bằng cách so sánh trực tiếp kết quả đo từ hệ thống chế tạo với máy đo âm thanh chuyên dụng Sound Meter và nhiệt ẩm kế chuẩn đặt tại cùng một vị trí đo.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình vận hành thử nghiệm hệ thống đo thông số môi trường đa tín hiệu tại phòng thí nghiệm đã ghi nhận các kết quả thực nghiệm nổi bật sau:

• Đo nhiệt độ và độ ẩm không khí chính xác cao: Cảm biến DS18B20 ghi nhận nhiệt độ môi trường phòng thí nghiệm ổn định ở mức 28.0°C với sai số đo chỉ ±0.5°C trên dải đo rộng từ -55°C đến 125°C. Cảm biến DHT11 xác định độ ẩm tương đối của không khí ở mức 59% RH trong dải đo từ 20% đến 90% RH với sai số duy trì dưới ±5% RH.
• Giám sát cường độ âm thanh thời gian thực: Mạch micro điện dung ghép nối IC khuếch đại LM386 thu nhận mức áp suất âm thanh dao động từ 48 dB đến 52 dB trong điều kiện phòng yên tĩnh và phản ứng nhạy bén lên mức 75 dB khi có tác động tiếng ồn. So sánh đối chứng với phần mềm Sound Meter chuẩn trên hệ điều hành di động cho thấy sai số biên độ âm thanh không vượt quá 10%.
• Phát hiện biến thiên nồng độ khí CO2: Cảm biến MG811 sau khi được sấy nóng ổn định bằng nguồn LM317 ở mức điện áp 6.1V đã đo được nồng độ CO2 trong phòng dao động từ 424 ppm đến 456 ppm, phản ánh chính xác hàm lượng khí cacbonic trong môi trường sinh hoạt thông thường (nằm trong dải chuẩn 350-10000 ppm).
• Phân quyền truy cập và hiển thị Webserver đa tầng: Hệ thống Webserver viết bằng PHP/HTML trên mạng LAN hoạt động trơn tru với 2 cấp độ phân quyền rõ ràng: cấp quản trị viên (Admin) cho phép theo dõi toàn bộ cơ sở dữ liệu lịch sử đo đạc, trong khi cấp khách (Guest) hiển thị trực quan 5 bản ghi mới nhất.

Thảo luận kết quả

Dữ liệu thực nghiệm thu được phản ánh rõ rệt đặc tính động học của từng đại lượng vật lý trong không gian phòng kín. Trong khi nhiệt độ và độ ẩm là các thông số có quán tính nhiệt lớn, biến thiên chậm và duy trì mức độ ổn định cao theo thời gian, thì cường độ âm thanh và nồng độ khí CO2 lại biến đổi rất nhanh theo tần suất xuất hiện của con người và chế độ thông gió. Khi có người di chuyển hoặc phát biểu trong phòng, mức ồn tăng vọt tức thì từ 48 dB lên 72-75 dB, đồng thời nồng độ CO2 tăng dần từ 424 ppm lên trên 450 ppm chỉ sau khoảng 15 phút.

Kết quả đo đạc từ hệ thống có thể được tổ chức trực quan dưới dạng biểu đồ diễn biến thời gian và bảng tổng hợp số liệu trên giao diện Webserver, giúp người quản lý dễ dàng nhận diện các đột biến bất thường của môi trường. So sánh với bộ thu thập dữ liệu thương mại MT100 có giá 599 USD, hệ thống tự chế tạo bằng vi điều khiển PIC16F887A cho kết quả đo tương đương với độ tin cậy cao, nhưng vượt trội về tính linh hoạt nhờ sử dụng các cảm biến đầu ra số trực tiếp, loại bỏ nhu cầu chuyển đổi trung gian phức tạp và tiết kiệm hơn 75% chi phí đầu tư thiết bị.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hoàn thiện và nhân rộng hệ thống đo thông số môi trường đa tín hiệu vào thực tiễn sản xuất, các giải pháp kỹ thuật và lộ trình triển khai cụ thể được đề xuất như sau:

• Tích hợp module truyền thông không dây GSM/GPRS và Ethernet độc lập: Kỹ sư phần cứng tiến hành ghép nối module SIM900 hoặc module Ethernet ENC28J60 trực tiếp với vi điều khiển trong vòng 3 tháng, giúp thiết bị truyền dữ liệu độc lập lên Internet mà không cần kết nối cố định với máy tính trạm, nâng cao tính cơ động lên 100% khi lắp đặt tại các khu vực hẻo lánh.
• Bổ sung hệ thống cấp nguồn năng lượng mặt trời 12V/20W: Ban quản lý dự án kỹ thuật cần triển khai tích hợp tấm pin mặt trời 20W kết hợp mạch sạc và pin dự phòng Lithium 5000 mAh trong thời gian 6 tháng, đảm bảo hệ thống tự chủ năng lượng 24/7 tại các trạm quan trắc nông nghiệp ngoài trời mà không phụ thuộc vào lưới điện AC.
• Nâng cấp vi điều khiển sang kiến trúc 32-bit và mở rộng bộ nhớ ngoài: Nhóm nghiên cứu hệ thống nhúng nên chuyển đổi vi điều khiển từ PIC16F887A sang dòng ARM Cortex-M4 hoặc STM32 trong lộ trình 9 tháng, giúp tăng độ phân giải lấy mẫu ADC từ 10-bit lên 12-bit hoặc 16-bit, giảm thời gian xử lý dữ liệu 40% và mở rộng khả năng kết nối đồng thời hơn 10 loại cảm biến phụ trợ như hướng gió, tốc độ gió và cường độ ánh sáng.
• Phát triển cơ sở dữ liệu quan hệ MySQL và hệ thống cảnh báo tự động: Lập trình viên phần mềm thực hiện nâng cấp Webserver, xây dựng hệ cơ sở dữ liệu MySQL và thuật toán cảnh báo ngưỡng tự động qua SMS/Email trong vòng 4 tháng, tự động kích hoạt chuông báo khi nồng độ CO2 vượt quá 1000 ppm hoặc nhiệt độ vượt 35°C.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và giải pháp kỹ thuật trong luận văn mang lại giá trị thực tiễn cao cho các nhóm đối tượng chuyên môn sau:

• Kỹ sư thiết kế phần cứng và hệ thống nhúng IoT: Nắm vững sơ đồ nguyên lý ghép nối đa cảm biến (DHT11, DS18B20, MG811, LM386), kỹ thuật thiết kế mạch nguồn ổn áp kép LM317/LM7805 và phương pháp lập trình điều khiển giao tiếp 1-Wire, I2C, UART trên dòng chip vi điều khiển PIC.
• Nhà nghiên cứu và chuyên viên quan trắc môi trường: Tiếp cận phương pháp xây dựng trạm đo lường vi khí hậu tự động với chi phí thấp hơn 70% so với thiết bị thương mại, phục vụ công tác thu thập số liệu độ ẩm, nhiệt độ và khí thải liên tục 24/7.
• Kỹ sư nông nghiệp công nghệ cao và quản lý nhà kính: Ứng dụng giải pháp giám sát đồng thời 4 chỉ số môi trường cốt lõi để xây dựng hệ thống điều khiển tự động hóa quạt thông gió, hệ thống tưới ẩm và bổ sung khí CO2 tối ưu cho cây trồng sinh trưởng.
• Giảng viên và sinh viên ngành Điện tử - Tự động hóa, Vật lý Vô tuyến: Sử dụng toàn bộ tài liệu như một ca nghiên cứu điển hình từ khâu mô phỏng mạch trên Proteus, thiết kế mạch in PCB, lập trình firmware C đến tích hợp Webserver quản trị dữ liệu.

Câu hỏi thường gặp

• Tại sao hệ thống cần sử dụng đồng thời cả hai cảm biến nhiệt độ DHT11 và DS18B20? Mặc dù cảm biến DHT11 tích hợp sẵn khả năng đo cả nhiệt độ và độ ẩm, nhưng thành phần đo nhiệt độ của DHT11 chỉ có độ phân giải 1°C và sai số ±2°C. Việc bổ sung cảm biến nhiệt độ chuyên dụng DS18B20 của Maxim với độ phân giải lên đến 12-bit và độ chính xác ±0.5°C giúp hệ thống thu được dữ liệu nhiệt độ chuẩn xác, trong khi vẫn tận dụng tốt khả năng đo độ ẩm từ DHT11.
• Cảm biến CO2 MG811 hoạt động theo nguyên lý nào và tại sao cần mạch nguồn LM317 riêng? MG811 là cảm biến điện hóa sử dụng chất điện phân rắn tạo ra suất điện động theo phương trình Nernst khi tiếp xúc với phân tử CO2. Cảm biến yêu cầu một dây mayso nung nóng bề mặt hoạt động ở điện áp 6.1V với dòng đốt lớn khoảng 200 mA. Mạch nguồn LM7805 chỉ cấp áp 5V cho vi điều khiển, do đó cần bố trí riêng IC ổn áp điều chỉnh LM317 để duy trì dòng nhiệt ổn định cho MG811.
• Dữ liệu từ vi điều khiển được đẩy lên Webserver mạng LAN như thế nào? Vi điều khiển PIC16F887A thu thập tín hiệu từ các cảm biến, đóng gói thành chuỗi dữ liệu nối tiếp và truyền qua cổng UART tới máy tính trạm với phần mềm Hercules. Máy tính trạm đóng vai trò là Webserver cục bộ, sử dụng các mã lệnh PHP và HTML để đọc dữ liệu từ tệp văn bản, phân tích cú pháp và hiển thị tức thời lên trình duyệt web cho các máy khách trong cùng mạng LAN.
• Mạch đo âm thanh sử dụng IC khuếch đại LM386 có đáp ứng tốt yêu cầu đo độ ồn thực tế không? Mạch đo sử dụng đầu thu micro điện dung kết hợp IC khuếch đại LM386 với hệ số khuếch đại điện áp xấp xỉ 20 lần trong dải tần số âm thanh 20 Hz - 20 kHz. Tín hiệu sau khuếch đại được đưa vào bộ chuyển đổi ADC 10-bit của PIC16F887A, ghi nhận chính xác mức ồn từ 48 dB đến 75 dB với sai số dưới 10% khi so sánh với thiết bị đo âm thanh chuyên dụng.
• Hệ thống có khả năng mở rộng để đo đạc thêm các thông số môi trường khác không? Hệ thống hoàn toàn có khả năng mở rộng linh hoạt. Vi điều khiển PIC16F887A còn trống nhiều chân vào/ra số và các kênh ADC 10-bit, đồng thời chuẩn 1-Wire của DS18B20 cho phép mắc song song nhiều cảm biến nhiệt độ trên cùng một đường dây. Người dùng có thể dễ dàng ghép nối thêm các cảm biến đo cường độ ánh sáng, cảm biến áp suất khí quyển hoặc cảm biến lưu lượng gió theo nhu cầu thực tế.

Kết luận

• Nghiên cứu đã thiết kế và chế tạo thành công hệ thống đo thông số môi trường đa tín hiệu tự động 24/7, giám sát đồng thời 4 chỉ số: nhiệt độ (28°C ±0.5°C), độ ẩm (59% ±5%), độ ồn (48-52 dB) và nồng độ CO2 (424-456 ppm).
• Làm chủ hoàn toàn giải pháp tích hợp phần cứng vi điều khiển PIC16F887A với các cảm biến đầu ra số (DS18B20, DHT11) và cảm biến điện hóa tương tự (MG811, LM386), giúp giảm hơn 70% chi phí so với thiết bị thương mại 599 USD.
• Thiết lập hoàn chỉnh giao thức truyền thông UART và hệ thống Webserver mạng cục bộ trên nền tảng PHP/HTML với 2 cấp phân quyền bảo mật, cho phép giám sát dữ liệu thời gian thực trên các trình duyệt phổ biến.
• Định hình lộ trình nâng cấp kỹ thuật trong 3-12 tháng tới bao gồm: tích hợp module truyền thông không dây GSM/GPRS, module Ethernet độc lập, cấp nguồn pin mặt trời 12V/20W và cơ sở dữ liệu MySQL.
• Các đơn vị nghiên cứu, doanh nghiệp nông nghiệp công nghệ cao và kỹ sư hệ thống nhúng quan tâm có thể khai thác, chuyển giao hoặc phát triển mở rộng giải pháp phần cứng và thuật toán của luận văn để ứng dụng hiệu quả vào các dự án giám sát vi khí hậu và tự động hóa công trình thông minh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

phần mở đầu, luận văn này sẽ tập trung nghiên cứu xây dựng hệ đo các thông số môi trường gồm: nhiệt độ, độ ẩm không khí, cường độ âm và nồng độ khí CO2, các thông số này sẽ được theo dõi đồng thời theo thời gian. Các đại lượng đo và lựa chọn cảm biến 2. a) Giới thiệu: Độ ẩm tương đối là một trong số các đại lượng đặc trưng cho môi trường, có nhu cầu được theo dõi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Đại lượng này có sự thay đổi thường xuyên trong ngày, tuy nhiên tốc độ biến đổi khá là chậm nên có thể sử dụng được các hệ thống thu thập số liệu được.

Độ ẩm là đại lượng đặc trưng cho lượng hơi nước trong vật, môi trường; độ ẩm tương đối là tỷ lệ áp suất riêng phần của hơi nước trong hỗn hợp không khí; độ ẩm tương đối phục thuộc vào nhiệt độ và áp suất của hệ đo. Để đo được độ ẩm tương đối ta có thể sử dụng biến tử với điện dung hoặc điện trở thay đổi phụ thuộc vào độ ẩm không khí. Sau đó sử dụng các phương pháp để xác định giá trị điện dung hoặc điện trở đó và biến đổi tương ứng thành giá trị độ ẩm tương đối. Để có thể đo được độ ẩm tương đối thông qua các hệ điện tử, ta có thể sử dụng nhiều loại cảm biến khác nhau như dùng ẩm kế điện trở, ẩm kế tụ điện, ẩm kế hấp thụ,… hoặc sử dụng các IC chuyên dụng như HS1100, HS1101,… Mỗi phương pháp đo trên có những ưu điểm riêng và phù hợp với những khoảng nhiệt độ riêng và độ chính xác nhất định.

Đối với hệ thống cần xây dựng này, thì yêu cầu ở đây là 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] đo độ ẩm của môi trường ờng trong điều kiện ở nước ta thì độ ẩm nằm ằm trong khoảng từ 10 đến 85%; có độ ộ chính xác và v ổn đinh; giá thành rẻ. b) Lựa ựa chọn cảm biến: Trong luận ận văn này n để đo độ ẩm tương đối, em sử dụng cảm ảm biến độ ẩm DHT11 (hình 2. Cảm ảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11 là l một ột loại cảm biến đã đ đươc cân chỉnh ỉnh với tín hiệu đầu ra là l tín hiệu số. Cảm biến này bao gồm ồm 1 thành th phần đo đạc nhạy ẩm và một thành ành phần ph đo lường nhiệt độ NTC, vàà khi đư được kết nối với một vi điều khiển 8-bit bit hi hiệu năng cao thì sẽ cung cấp được ợc một chất lượng l khá tốt, phản ản ứng nhanh, khả năng ổn định chống nhiễu và v giá thành rẻ.

Mỗi ỗi chiếc DHT11 đều đã đ được cân chỉnh khi sản xuất vàà hhệ số cân chỉnh được lưu trữ như là một ột chương ch trình trong bộ nhớ OTP được ợc sử dụng bởi quá trình tr phát hiện ện tín hiệu nội của sensor. Giao tiếp nối tiếp 1 dây cũng giúp hệ thống trở nên n nhanh gọn và dễ dàng àng hơn. Với V kích thước nhỏ, công suất thấp vàà có th thể truyền tín hiệu ệu ở khoảng cách 20m đã đ làm DHT11 trở thành lựa ựa chọn tốt nhất cho nhiều ứng dụng khác nhau. Biến tử này đã được đư nhà sản xuất đưa ra hàm phụ ụ thuộc của giá trị điện dung vào độ ẩm tương đối ối của không khí như nh sau: Trong đó: - C là điện ện dung của biến tử ở độ ẩm hiện tại - RH % là độ ộ ẩm không khí hiện tại - C0 là điện ện dung của ứng với độ ẩm tương t đối là 55% Và biểu ểu đồ phụ thuộc điện dung vào v độ ẩm tương đối ối của cảm biến cho bởi nhà sản xuất: 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.1: Sự phụ thuộc của điện dung vào độ ẩm tương đối của DHT11 Hình 2.2: Hình ảnh của cảm biến DHT11  DHT11 có một số đặc tính kỹ thuật sau: - Khoảng đo: 20-90%RH, 0-50oC - Sai số độ ẩm: ±5%RH - Sai số nhiệt độ: ±2oC - Độ phân giải: 1%RH, 1oC - Đóng gói: Sensor 4 chân.3: Hình ảnh của cảm biến DHT11 trong mạch mô phỏng 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail]  Nguyên lý hoạt động: Để có thể giao tiếp với DHT11 theo chuẩn 1 dây, vi xử lý thực hiện theo các giai đoạn như sau: Giai đoạn 1: Khởi động quá trình giao tiếp bằng việc MCU gửi tín hiệu Start đến DHT11, sau đó DHT11 xác nhận lại, khi đã giao tiếp thành công.

- Bước 1: Khởi động quá trình fiao tiếp, MCU kéo chân DATA xuống 0 trong khoảng thời gian lớn hơn 18ms, sau đó MCU thả nổi chân DATA. Khi đó DHT11 sẽ hiểu là MCU muốn nhận giá trị về nhiệt độ và độ ẩm. - Bước 2: Sau khoảng thời gian 20us đến 40us, DHT11 sẽ kéo chân DATA xuống thấp (nếu sau 40us mà chân DATA không được kéo xuống thấp thì có nghĩa là không giao tiếp được với DHT11). Chân DATA sẽ ở mức thấp 8-us sau đó được DHT11 kéo lên cao trong 80us.

Bằng việc giám sát chân DATA, MCU có thể biết được có giao tiếp được với DHT11 không. Nếu tín hiệu được DHT11 đưa lên cao. Khi đó hoàn thiện quá trình giao tiếp với DHT11. Giai đoạn 2: DHT11 gửi giá trị nhiệt độ, độ ẩm về MCU Sau khi giao tiếp giữa MCU và DHT11 thành công, DHT11 sẽ gửi 5 byte liên tiếp kết quả của nhiệt độ và độ ẩm về MCU.

Trong đó: Byte 1: Giá trị phần nguyên của độ ẩm (RH%). Byte 2: Giá trị phần thập phân của độ ẩm(RH%) Byte 3: Giá trị phân nguyên của nhiệt độ (TC) Byte 4: Giá trị phần thập phân của nhiệt độ (TC). Byte 5: Kiểm tra tổng. Chú ý: nếu Byte 5(8bit) = (Byte 1+Byte 2+ Byte3+Byte ) thì giá trị của độ ẩm và nhiệt độ là chính xác, nếu sai thì kết quả đo không có nghĩa.

Quá trình gửi tín hiệu từ DHT11 tới MCU được thực hiện như sau: Đầu tiên xung START kéo dài trong 50us (xung đồng bộ) nếu chân DATA được đưa lên mức 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] cao trong khoảng thời gian 26us đến 28 us thì có nghĩa là DHT11 gửi bit “0”, còn chân DATA được đưa lên mức cao trong khoảng 70us thì nghĩa là DHT11 gửi bit “1”. Sau khi gửi hết 5 byte dữ liệu thì DHT11 sẽ gửi 1 xung STOP kéo dài trong 50us.4: Hình ảnh kết nối MCU và DHT11 Hình 2.5: MCU gửi tín hiệu Start và tín hiệu trả lời của DHT11 Hình 2.6: Quá trình gửi bits “0” 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.7: Quá trình gửi bits “1” Hình 2.8: Quá trình gửi bit STOP 2. Cảm biến nhiệt độ DS18B20 a) Giới thiệu: Nhiệt độ theo cách hiểu đơn giản nhất là đại lượng mô tả tính chất vật lý đặc trưng cho sự nóng, lạnh của vật, môi trường. Để có thể đo được nhiệt độ thông qua các hệ điện tử, ta có thể sử dụng nhiều loại cảm biến khác nhau như dùng cặp nhiệt điện, điện trở kim loại, đường đặc trưng Volt-Ampere của diode,… hoặc sử dụng các IC chuyên dụng như LM75, DS18B20,… Mỗi phương pháp đo trên có những ưu điểm riêng và phù hợp với những khoảng nhiệt độ riêng và độ chính xác nhất định.

Đối với hệ thống cần xây dựng này, thì yêu cầu ở đây là đo nhiệt độ của môi trường, trong điều kiện ở nước ta thì nhiệt độ nằm trong khoảng từ 0oC đến 50oC. b) Lựa chọn cảm biến: Sensor DHT11 được thiết kế để đo được cả độ ẩm tương đối và nhiệt độ, tuy nhiên do sensor nhiệt độ trong DHT11 chỉ có độ chính xác tới đơn vị 1 độ nên em sử dụng thêm sensor nhiệt độ DS18B20của MAXIM. DS18B20 là một sensor có 14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] khả năng phân giải nhiệt độ trong khoảng từ -55oC đến 125oC với độ phân giải từ 9 đến 12 bit, độ chính xác 0.5oC hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu phép đo. Chương trình ứng dụng có thể trao đổi thông tin thông qua chuẩn giao tiếp 1-wire (1-dây).

Ngoài ra mỗi IC có mã ROM CODE riêng, do đó cho phép nối nhiều IC trên cùng 1 đường dữ liệu, điều này thực sự có ý nghĩa khi ta muốn nghiên cứu nhiệt độ tại nhiều vị trí khác nhau. Bên cạnh đó, DS18B20 là IC đo nhiệt độ giao tiếp số, mỗi giá trị của nhiệt độ tương ứng với một con số nhị phân trong một độ phân giải xác định. Cảm biến đã chuẩn hóa sẵn bởi nhà sản xuất nên không cần phải chuẩn hóa như trong cảm biến tuyến tính.10 là hình ảnh của cảm biến DS18B20.9: Hình ảnh cảm biến DS18B20 trong mạch mô phỏng Hình 2.10: Hình ảnh thực tế của cảm biến DS18B20 2. Đo nồng độ khí CO2 a) Giới thiệu: 15 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Cảm biến đo nồng độ khí là biến tử cho phép các định thông tin về môi trường khí, dựa trên lớp nhậy khí và phần chuyển tín hiệu điện.

Việc phát hiện khí được dựa trên sự thay đổi môi trường khí dẫn đến thay đổi tính chất lớp nhậy khí và được chuyển thành tín hiệu điện. b) Lựa chọn cảm biến Trong luận văn này, để đo nồng độ khí CO2em sử dụng cảm biến khí gas CO2MG811 dùng để đo lường nồng độ CO2 có mặt trong không khí tại thời điểm đo với đơn vị ppm(Hình 2.10: Ảnh của MG811).10: Hình ảnh của cảm biến khí gas MG811  Nguyên lý hoạt động. Sensor MG811 sử dụng nguyên lý điện phân rắn, nó được tạo thành từ các lớp màng mỏng của:Air, Au|NASICON||Carbonate|Au, air, CO2 Khi mà sensor tiếp xúc với CO2, phản ứng tại điện cực sau sẽ xảy ra: - Tại Cathode: 2Li+ + CO2 + 1/2O2 + 2e- = Li2CO3 - Tại Anode: 2Na+ + 1/2O2 + 2e- =Na2O - Phản ứng tổng cộng: Li2CO3 + 2Na+ = Na2O + 2Li+ + CO2 Suất điện động được tạo ra từ phản ứng trên, theo như phương trình Nerst: EMF = Ec – (R.T)/(2F)ln (P(CO2)) Trong đó: P(CO2) – CO2 : Áp suất khí Ec – Hằng số thể tích R – Hằng số thể tích khí T – Nhiệt độ tuyệt đối 16 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] F – Hằng số Faraday Từ hình 2.11, khi thế nung nóng được đặt vào cho tới khi nhiệt độ bề mặt đủ lớn, sensor sẽ tạo thành một khối thống nhất, 2 mặt của nó sẽ tạo ra một tín hiệu điện thế mà dựa theo phương trình Nerst, trở kháng của khuếch đại nên rơi vào từ 100- 1000GOhm.11: Cấu tạo của cảm biến MG811 Đây là một sensor có tính chọn lọc và độ nhạy cao đối với khí CO2, ít phụ thuộc vào nhiệt độ và độ ẩm, có tính ổn định cao. Sensor MG811 hoạt động tại điện thế 6.