Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Ô nhiễm không khí và sự biến đổi của các yếu tố vi khí hậu đang trở thành thách thức lớn đối với sức khỏe con người, quy hoạch đô thị và hoạt động sản xuất công nghiệp. Quá trình vận hành của các nhà máy, xí nghiệp cùng lượng phát thải từ phương tiện giao thông làm gia tăng đáng kể nồng độ bụi mịn và các hợp chất khí độc hại trong khí quyển. Việc theo dõi, đánh giá có hệ thống các thông số vật lý và hóa học của môi trường xung quanh là cơ sở bắt buộc để nhận diện mức độ suy thoái môi trường, cảnh báo sớm nguy cơ bệnh tật đối với cộng đồng và phục vụ công tác thanh tra, kiểm soát môi trường của các cơ quan quản lý nhà nước. Trong bối cảnh đó, đề tài "Xây dựng hệ thống đo các thông số của môi trường không khí" được sinh viên Đỗ Thanh Tùng thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Đoàn Hữu Chức tại Khoa Điện - Điện Tự động hóa, Trường Đại học Quản lý và Công nghệ Hải Phòng (năm 2023). Đồ án tiếp cận bài toán giám sát môi trường bằng giải pháp kỹ thuật tích hợp phần cứng cảm biến kỹ thuật số với nền tảng truyền thông nhúng và công nghệ kết nối vạn vật (Internet of Things - IoT).
Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được đặt ra trong đề tài bao gồm ba nội dung chính:
- Nghiên cứu tổng quan về cơ sở lý thuyết quan trắc môi trường không khí xung quanh, bao gồm các chỉ tiêu vật lý (nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, ánh sáng) và chỉ tiêu hóa học, vật chất dạng hạt gây ô nhiễm cùng các quy chuẩn giới hạn nồng độ cho phép.
- Nghiên cứu tổng quan về sự phát triển của công nghệ Internet of Things (IoT), chu kỳ kỳ vọng công nghệ, xu thế ứng dụng toàn cầu và định hướng đối với Việt Nam trong việc xây dựng các hệ thống giám sát tự động.
- Thiết kế, lựa chọn linh kiện phần cứng và thiết lập giao tiếp kỹ thuật giữa các module cảm biến (cảm biến ánh sáng BH1750, cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11), bộ vi điều khiển (Module Uno ESP8266 / Arduino) và thiết bị hiển thị (màn hình OLED SSD1306).
Đối tượng nghiên cứu của đồ án là cấu trúc phần cứng và phương thức truyền thông số của hệ thống đo đạc các thông số vi khí hậu môi trường. Phạm vi nghiên cứu về mặt không gian và đối tượng kỹ thuật tập trung vào mô hình đo đạc thử nghiệm cục bộ, sử dụng các linh kiện điện tử chuyên dụng giá thành thấp và các chuẩn truyền thông nối tiếp thông dụng trong công nghiệp và dân dụng.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khung lý thuyết của đồ án được cấu thành từ ba trụ cột: lý thuyết quan trắc chất lượng không khí, lý thuyết mạng kết nối vạn vật (IoT) và nguyên lý giao tiếp truyền thông nhúng. Trong lĩnh vực môi trường, tác giả sử dụng các định nghĩa tiêu chuẩn về quan trắc môi trường không khí xung quanh, phân loại chỉ số chất lượng không khí (AQI), đặc tính kích thước các hạt bụi mịn (PM10, PM2.5, PM1.0) và bảng nồng độ giới hạn phơi nhiễm đối với các khí ô nhiễm (CO, NOx, SO2, O3, Pb). Về phương diện IoT, đồ án tham chiếu định nghĩa nguyên bản của Kevin Ashton (Trung tâm Auto-ID, Viện Công nghệ Massachusetts - MIT), biểu đồ chu kỳ phát triển công nghệ Hype Cycle của Gartner và các báo cáo dự báo thị trường của IDC, Cisco, Rand Europe, Accenture. Về phương diện kỹ thuật điện tử, hệ thống dựa trên nguyên lý giao tiếp nối tiếp đồng bộ I2C (Inter-Integrated Circuit) và giao tiếp số 1-wire.
Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai trong đồ án gồm:
- Phương pháp phân tích, tổng hợp tài liệu kỹ thuật và số liệu thống kê: Tác giả hệ thống hóa các tiêu chuẩn kỹ thuật môi trường, các tài liệu đặc tính linh kiện (datasheet) từ nhà sản xuất chip bán dẫn và tổng hợp số liệu tăng trưởng kết nối IoT toàn cầu.
- Phương pháp thiết kế kỹ thuật hệ thống nhúng: Khảo sát cấu trúc vi mạch, tính toán mức điện áp hoạt động, thiết lập trở kéo đường truyền (pull-up resistor) và sơ đồ kết nối chân tín hiệu giữa vi điều khiển trung tâm với các module ngoại vi.
- Phương pháp thực nghiệm đo kiểm: Kết nối vật lý các linh kiện phần cứng trên bo mạch thử nghiệm để kiểm tra tính tương thích của bus giao tiếp I2C và 1-wire khi vận hành thu thập dữ liệu.
Nguồn dữ liệu sử dụng trong đồ án bao gồm: các báo cáo dự báo phát triển IoT giai đoạn 2013–2020 của IDC; báo cáo kinh tế của Gartner (2016), Ericsson (2015), Cisco (2011); số liệu định mức nồng độ chất ô nhiễm không khí; thông số kỹ thuật chi tiết của IC BH1750FVI, cảm biến DHT11, màn hình OLED SSD1306 và vi điều khiển ESP8266EX.
Thiết kế và triển khai
Hệ thống đo thông số môi trường không khí trong đồ án là một thiết kế kỹ thuật phần cứng hoàn chỉnh, tích hợp đa cảm biến qua các giao thức truyền thông nối tiếp tiêu chuẩn.
Kiến trúc phần cứng của hệ thống bao gồm ba khối chức năng chính:
- Khối xử lý trung tâm: Sử dụng Module Wifi Uno ESP8266 (trang bị vi điều khiển ESP8266EX của hãng Espressif Systems sản xuất, đóng gói module bởi AI-Thinker). Chip hỗ trợ Wi-Fi băng tần 2.4 GHz, đảm nhận nhiệm vụ khởi tạo tín hiệu giao tiếp, điều khiển đọc tín hiệu từ các cảm biến và truyền dữ liệu lên màn hình hiển thị.
- Khối cảm biến thu thập thông số môi trường:
- Cảm biến ánh sáng kỹ thuật số BH1750 (sử dụng IC BH1750FVI): Đo cường độ ánh sáng trực tiếp theo đơn vị Lux, tích hợp sẵn bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC) 16-bit, giao tiếp với vi điều khiển qua bus I2C.
- Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11: Tích hợp phần tử đo độ ẩm điện dung và một nhiệt điện trở hệ số nhiệt độ âm (NTC), có vi điều khiển 8-bit nội suy xuất dữ liệu số qua chuẩn giao tiếp 1 dây (1-wire).
- Khối hiển thị: Module màn hình OLED kích thước 0.91 inch, độ phân giải 128x32 điểm ảnh, điều khiển bởi chip driver SSD1306, giao tiếp qua bus I2C.
| Thiết bị / Linh kiện |
Chipset / Cấu tạo chính |
Chuẩn giao tiếp |
Điện áp hoạt động |
Thông số kỹ thuật đo lường |
| Cảm biến ánh sáng |
IC BH1750FVI |
I2C (SDA, SCL) |
2.4V – 3.6V (chuẩn 3.0V / 3.3V) |
Dải đo: 1 – 65.535 Lux; Sai số: ±20%; Dòng tiêu thụ: 0,12 mA |
| Cảm biến nhiệt - ẩm |
Cảm biến điện dung + NTC |
1-wire (1 chân Data) |
3V – 5V DC |
Độ ẩm: 20% – 90% RH (±5%); Nhiệt độ: 0°C – 50°C (±2°C); Tần số: 1 Hz |
| Màn hình hiển thị |
Driver SSD1306 (OLED 0.91") |
I2C (SDA, SCL) |
2.5V – 3.3V DC |
Độ phân giải: 128x32 điểm ảnh; Góc nhìn: >160°; Công suất: 0,03 W |
| Vi điều khiển |
ESP8266EX (Wi-Fi 2.4GHz) |
I2C, 1-Wire, GPIO |
3.3V DC |
Kết nối màn hình qua GPIO04 (SCL) và GPIO05 (SDA) |
Về công nghệ kết nối và giao thức truyền thông, hệ thống triển khai hai cơ chế:
- Giao thức I2C: Dùng để liên kết vi điều khiển với cảm biến BH1750 và màn hình OLED SSD1306. Bus I2C chỉ sử dụng 2 dây gồm đường dữ liệu nối tiếp (SDA) và đường xung nhịp (SCL). Tác giả thiết lập điện trở kéo lên (pull-up) giá trị 4,7 kΩ nối từ đường SDA và SCL lên nguồn Vcc để duy trì trạng thái mức cao khi bus rỗi. Vi điều khiển đóng vai trò Master phát tín hiệu điều kiện khởi động (Start), gửi địa chỉ nhận diện Slave (7-bit), bit Đọc/Ghi, nhận phản hồi ACK/NACK và gửi khung dữ liệu 8-bit trước khi phát điều kiện dừng (Stop).
- Giao thức 1-wire: Cảm biến DHT11 truyền dữ liệu về vi điều khiển qua một chân tín hiệu I/O duy nhất có gắn điện trở kéo lên 5 kΩ. Chuỗi dữ liệu số hoàn chỉnh gồm 40 bit truyền liên tục theo thứ tự: 8 bit phần nguyên độ ẩm + 8 bit phần thập phân độ ẩm + 8 bit phần nguyên nhiệt độ + 8 bit phần thập phân nhiệt độ + 8 bit kiểm tra chẵn lẻ (checksum).
Nội dung chính theo từng chương
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ
Chương 1 cung cấp nền tảng lý thuyết toàn diện về các yếu tố cấu thành môi trường không khí xung quanh, mục tiêu quan trắc và tác động tiêu cực của các tác nhân ô nhiễm:
- Khái niệm và mục tiêu quan trắc: Định nghĩa quan trắc không khí là quá trình theo dõi, giám sát có hệ thống các chỉ tiêu hóa học, vật lý nhằm phục vụ đánh giá mức độ ô nhiễm, kiểm soát nguồn thải, hỗ trợ công tác quy hoạch công nghiệp và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.
- Các thông số quan trắc: Phân định rõ thông số đo đạc tại hiện trường (nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió, bức xạ mặt trời, áp suất) và các thông số phòng thí nghiệm/chất ô nhiễm (CO, CO2, NO2, SO2, O3, bụi lơ lửng, bụi tổng số).
- Nhiệt độ và độ ẩm: Phân tích sự khác biệt giữa nhiệt độ môi trường và nhiệt độ phòng (khoảng tối ưu cho thiết bị máy tính vận hành là 15°C – 25°C tức 60°F – 75°F). Độ ẩm tương đối thích hợp cho con người là 40% – 70%, trẻ sơ sinh là 40% – 60%, và bệnh viện duy trì ở mức 55%; nếu độ ẩm vượt quá 70% sẽ tạo điều kiện cho vi khuẩn, nấm mốc phát triển, gây trơn trượt và làm hư hỏng thiết bị điện tử.
- Áp suất khí quyển: Trình bày công thức $P = F / S$ và quy đổi giữa các thang đo phổ biến: Pa, KPa ($1 \text{ KPa} = 1.000 \text{ Pa}$), Bar ($1 \text{ Bar} = 10^5 \text{ Pa}$), MPa ($1 \text{ MPa} = 1.000.000 \text{ Pa}$) và mmHg ($1 \text{ mmHg} = 133,322 \text{ N/m}^2$).
- Bụi mịn và chỉ số AQI: Phân loại chi tiết các loại bụi theo đường kính khí động học: PM10 ($2,5 – 10 \text{ }\mu\text{m}$), PM2.5 ($1,5 – 2,5 \text{ }\mu\text{m}$) và bụi siêu mịn PM1.0 ($< 1,0 \text{ }\mu\text{m}$). Chương này nhấn mạnh bụi mịn có khả năng thâm nhập sâu vào phế nang, đi vào hệ tuần hoàn máu, làm phát sinh các gốc tự do tấn công cấu trúc ADN và gây đột biến.
- Các chất gây ô nhiễm chính: Tổng hợp bảng số liệu nồng độ cho phép và tác hại đối với sức khỏe con người và môi trường sinh thái.
| Chất ô nhiễm |
Nồng độ tối đa chấp nhận được trong khí quyển |
Nguồn gốc chính |
Tác hại sức khỏe và môi trường |
| Cacbon monoxit (CO) |
35 ppm (1 giờ); 9 ppm (8 giờ) |
Khí thải ô tô, hỏa hoạn, công nghiệp |
Đau ngực, giảm thị lực, suy giảm thể chất và tinh thần; tạo sương mù |
| Oxit nitơ ($\text{NO}$ và $\text{NO}_2$) |
0,053 ppm (trung bình 1 năm) |
Khí thải ô tô, nhà máy phát điện |
Gây viêm và kích ứng đường thở; hủy hoại tán lá, tạo khói mù |
| Lưu huỳnh đioxit ($\text{SO}_2$) |
0,03 ppm (1 năm); 0,14 ppm (24 giờ) |
Đốt nhiên liệu hóa thạch, nhà máy điện |
Gây khó thở, kích phát hen suyễn; hình thành mưa axit phá hủy di tích |
| Ozon ($\text{O}_3$) |
0,075 ppm (8 giờ) |
Phản ứng quang hóa giữa $\text{NO}_x$ và VOC |
Suy giảm chức năng hô hấp, kích ứng phổi; cản trở quá trình hô hấp của cây |
| Vật chất dạng hạt (Bụi) |
$150 \text{ }\mu\text{g/m}^3$ (24 giờ với hạt $<10 \mu\text{m}$); $35 \text{ }\mu\text{g/m}^3$ (24 giờ với hạt $<2,5 \mu\text{m}$) |
Cháy rừng, công trường xây dựng, bụi đất |
Làm trầm trọng thêm hen suyễn, rối loạn nhịp tim; biến đổi độ pH nguồn nước |
| Chì (Pb) |
$0,15 \text{ }\mu\text{g/m}^3$ (trung bình 3 tháng); $1,5 \text{ }\mu\text{g/m}^3$ (trung bình hàng quý) |
Chế biến kim loại, đốt nhiên liệu, chất thải |
Suy giảm nhận thức, tổn thương thần kinh trẻ em, bệnh tim mạch ở người lớn |
CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ INTERNET OF THING (IOT)
Chương 2 tập trung phân tích bối cảnh phát triển của cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ tư gắn liền với công nghệ IoT:
- Khái niệm và nguồn gốc: Trình bày sự ra đời của khái niệm IoT từ bài thuyết trình năm 1999 của Kevin Ashton tại MIT và trích dẫn luận điểm năm 2009 về việc con người gặp hạn chế về độ chính xác, thời gian khi số hóa 50 petabyte dữ liệu trên Internet, từ đó khẳng định máy tính và cảm biến phải tự thu thập dữ liệu.
- Mô hình Hype Cycle của Gartner: Phân tích 5 giai đoạn phát triển công nghệ (Khởi động, Đỉnh điểm thổi phồng, Vùng lõm, Leo dốc làm rõ, Phát triển ổn định). Tác giả chỉ ra rằng IoT từng nằm ở đỉnh cao kỳ vọng và sẽ tiến dần đến trạng thái phát triển ổn định trong vòng 5–10 năm tiếp theo.
- Dự báo tăng trưởng quy mô thị trường: Dẫn chứng các số liệu kinh tế toàn cầu từ Rand Europe (tiềm năng 1,4 – 14,4 nghìn tỷ USD), Business Insider (đầu tư 6 nghìn tỷ USD đến năm 2020), Cisco (giá trị kinh tế tạo ra đạt 19.000 tỷ USD vào 2020), Gartner (đạt 26 tỷ thiết bị và doanh thu dịch vụ vượt 300 tỷ USD).
| Khu vực địa lý |
2013 |
2014 |
2015 |
2016 |
2017 |
2018 |
2019 |
2020 |
Tốc độ tăng trưởng kép (CAGR %) |
| Châu Á Thái Bình Dương |
2,8 |
3,6 |
4,4 |
5,4 |
6,4 |
7,6 |
8,9 |
10,1 |
20,1% |
| Trung Âu và Đông Âu |
0,3 |
0,3 |
0,4 |
0,5 |
0,6 |
0,7 |
0,8 |
0,8 |
15,0% |
| Mỹ Latinh |
0,2 |
0,2 |
0,3 |
0,2 |
0,4 |
0,4 |
0,5 |
0,6 |
17,0% |
| Trung Đông / Châu Phi |
0,3 |
0,4 |
0,4 |
0,5 |
0,5 |
0,7 |
0,7 |
0,8 |
15,0% |
| Bắc Mỹ |
3,1 |
3,8 |
4,5 |
5,2 |
5,9 |
6,5 |
7,0 |
7,5 |
13,5% |
| Tây Âu |
2,4 |
3,1 |
3,7 |
4,5 |
5,4 |
6,3 |
7,3 |
8,3 |
19,4% |
| Tổng cộng toàn cầu |
9,1 |
11,4 |
13,7 |
16,3 |
19,2 |
22,2 |
25,2 |
28,1 |
17,5% |
(Đơn vị tính số lượng cài đặt: Tỷ thiết bị kết nối IP; Nguồn trích dẫn: IDC 2014)
- Gợi suy đối với Việt Nam: Phân tích thách thức cốt lõi về chất lượng nguồn nhân lực phục vụ công nghệ cao. Tác giả kiến nghị nhà nước cần đổi mới chính sách giáo dục, tập trung đào tạo nguồn lao động có năng lực thích ứng, tư duy liên ngành và sáng tạo công nghệ trong các lĩnh vực trọng điểm như giao thông, đô thị thông minh và giám sát môi trường.
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Chương 3 trình bày các giải pháp kỹ thuật phần cứng phục vụ việc thiết kế trạm đo vi khí hậu:
- Giao tiếp I2C: Khảo sát chi tiết nguyên lý hoạt động của bus I2C. Phân tích cấu trúc khung bản tin bao gồm: điều kiện Start, khung địa chỉ 7-bit (hỗ trợ tối đa 128 thiết bị) hoặc 10-bit (hỗ trợ 1.024 thiết bị), bit R/W, bit ACK/NACK, các byte dữ liệu 8-bit và điều kiện Stop. Chương này làm rõ cấu hình nối ghép một Master với nhiều Slave cũng như cơ chế tránh xung đột bus trong hệ thống nhiều Master.
- Cảm biến ánh sáng BH1750: Phân tích cấu hình 5 chân (VCC, GND, SCL, SDA, ADDR). Cảm biến có dải đo từ 1 đến 65.535 Lux, mức tiêu thụ dòng cực thấp (0,12 mA), khả năng kháng nhiễu bức xạ hồng ngoại và phản hồi phổ ánh sáng tương đương mắt người.
- Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11: Trình bày cấu tạo gồm tụ ẩm điện dung và nhiệt điện trở NTC. Phân tích sơ đồ 4 chân, thông số dải đo nhiệt độ 0°C – 50°C (sai số ±2°C), độ ẩm 20% – 90% RH (sai số ±5% RH), dòng tiêu thụ 2,5 mA và chu kỳ quét mẫu 1 Hz. Phân tích định dạng dữ liệu nối tiếp 40-bit và sơ đồ định thời tín hiệu khởi động từ thiết bị chủ.
- Màn hình OLED SSD1306: Trình bày cấu tạo các lớp vật liệu hữu cơ (anot, catot, lớp dẫn, lớp phát quang) và nguyên lý phát quang điện tử. Module màn hình kích thước 0.91 inch có độ phân giải 128x32 điểm ảnh, công suất 0,03 W, hiển thị màu trắng hoặc xanh dương, giao tiếp I2C trực tiếp với vi điều khiển.
- Bộ điều khiển vi mạch ESP8266: Trình bày lịch sử phát triển dòng chip ESP8266EX do Espressif sản xuất (8/2014) và phương pháp kết nối vật lý với màn hình OLED SSD1306 qua các chân GPIO04 (SCL) và GPIO05 (SDA).
Kết quả và đóng góp
Về kết quả kỹ thuật, đồ án đã hoàn thành các mục tiêu đề ra về mặt thiết kế cấu trúc phần cứng hệ thống đo các thông số vi khí hậu môi trường:
- Thiết lập thành công sơ đồ ghép nối mạch phần cứng tích hợp đa cảm biến sử dụng vi điều khiển ESP8266, màn hình OLED 0.91 inch SSD1306, cảm biến ánh sáng BH1750 và cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11.
- Giải quyết kỹ thuật truyền thông đa thiết bị ngoại vi trên cùng bus I2C với 2 dây dẫn tín hiệu (SDA, SCL) kết hợp điện trở kéo lên 4,7 kΩ, đồng thời kết nối giao tiếp số 1-wire cho cảm biến DHT11 với trở kéo 5 kΩ.
- Tổng hợp thành công hệ thống dữ liệu định lượng về các quy chuẩn môi trường khí quyển, bao gồm ngưỡng giới hạn nồng độ các chất độc hại (CO, NOx, SO2, O3, Pb, bụi mịn) và số liệu thống kê dự báo thị trường IoT toàn cầu theo báo cáo của IDC (dự báo 28,1 tỷ thiết bị kết nối vào năm 2020 với tốc độ CAGR 17,5%).
Về mặt đóng góp, đề tài mang lại giải pháp xây dựng thiết bị giám sát môi trường không khí quy mô nhỏ gọn, chi phí thấp dựa trên các linh kiện và vi mạch bán dẫn phổ biến. Mô hình cho phép đo đạc trực tiếp các chỉ tiêu vi khí hậu tại chỗ (nhiệt độ, độ ẩm, độ rọi) mà không cần trang bị các thiết bị đo chuyên dụng đắt tiền. Đồng thời, đồ án đóng góp một tài liệu hệ thống hóa toàn diện, liên kết giữa kiến thức khoa học môi trường và kỹ thuật điều khiển tự động hóa.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của đồ án:
- Phạm vi đo lường của phần cứng thực tế mới dừng lại ở các chỉ số vi khí hậu cơ bản (nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng). Mặc dù Chương 1 đã phân tích rất chi tiết tác hại và quy chuẩn của các chất gây ô nhiễm nghiêm trọng như bụi mịn PM2.5, bụi siêu mịn PM1.0, khí độc CO, SO2, NOx, nhưng hệ thống phần cứng ở Chương 3 chưa tích hợp các cảm biến chuyên dụng để đo lường các thành phần hóa học này.
- Cảm biến DHT11 có giới hạn đo tương đối hẹp (chỉ đo được nhiệt độ 0°C – 50°C, độ ẩm 20% – 90% RH) với sai số còn lớn (±2°C đối với nhiệt độ và ±5% RH đối với độ ẩm).
- Tài liệu đồ án tập trung chủ yếu vào phần cứng, nguyên lý cấu tạo linh kiện và giao thức truyền thông, chưa trình bày chi tiết thuật toán mã nguồn phần mềm hoàn chỉnh và giao diện giám sát đám mây từ xa qua kết nối Wi-Fi của ESP8266.
Hướng nghiên cứu tiếp:
- Nâng cấp phần cứng cảm biến nhiệt độ - độ ẩm sang các dòng linh kiện có độ chính xác cao hơn như DHT22 (AM2302) hoặc các dòng cảm biến công nghiệp như SHT15, SHT71 như tài liệu đã liệt kê.
- Tích hợp thêm các module cảm biến đo nồng độ bụi mịn quang học (đo PM2.5, PM10) và các cảm biến điện hóa đo nồng độ khí độc (CO, NO2, SO2) nhằm hoàn thiện trạm quan trắc toàn diện theo tiêu chuẩn môi trường.
- Viết chương trình điều khiển hoàn thiện trên vi điều khiển ESP8266, thiết lập kết nối giao thức Internet (như MQTT hoặc HTTP) để đẩy dữ liệu lên máy chủ web hoặc ứng dụng điện thoại phục vụ việc theo dõi môi trường theo thời gian thực.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên các ngành Điện Tự động Công nghiệp, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Điện tử và Công nghệ Thông tin khi thực hiện các đồ án môn học hoặc khóa luận tốt nghiệp liên quan đến hệ thống nhúng và IoT.
Nội dung đồ án có giá trị tham khảo rõ rệt ở hai phần:
- Chương 1 là nguồn tài liệu tổng hợp tốt về định mức ô nhiễm, công thức tính áp suất và tác động y sinh của bụi mịn đối với sinh viên làm các đề tài kỹ thuật môi trường hoặc quan trắc thông minh.
- Chương 3 cung cấp tài liệu tra cứu kỹ thuật chi tiết về cấu hình chân, nguyên lý hoạt động, sơ đồ kết nối và biểu đồ thời gian của giao tiếp I2C, cảm biến BH1750, cảm biến DHT11 và màn hình OLED SSD1306, hỗ trợ trực tiếp cho quá trình thi công mạch điện tử thực nghiệm.
Câu hỏi thường gặp
1. Cảm biến DHT11 trong hệ thống có dải đo và sai số kỹ thuật như thế nào?
Theo thông số kỹ thuật được trình bày trong đồ án, cảm biến DHT11 hoạt động ở dải điện áp 3V – 5V DC, dòng tiêu thụ 2,5 mA. Cảm biến có dải đo độ ẩm từ 20% đến 90% RH với sai số ±5% RH, dải đo nhiệt độ từ 0°C đến 50°C với sai số ±2°C, tần số lấy mẫu tối đa là 1 Hz (1 giây một lần) và truyền dữ liệu theo khung bản tin 40-bit qua chuẩn giao tiếp số 1-wire.
2. Giao tiếp I2C được thiết kế trong đồ án có đặc điểm kỹ thuật gì?
Giao thức I2C trong hệ thống sử dụng hai đường dây gồm SDA (truyền dữ liệu) và SCL (truyền xung nhịp đồng bộ), có kết nối điện trở kéo lên 4,7 kΩ với nguồn Vcc. Giao thức này hỗ trợ phân định thiết bị bằng địa chỉ 7-bit (tối đa 128 thiết bị) hoặc 10-bit (tối đa 1.024 thiết bị), mỗi khung truyền 8-bit dữ liệu đều đi kèm một bit phản hồi ACK/NACK, cho phép một hoặc nhiều vi điều khiển Master điều khiển nhiều Slave trên cùng một bus.
3. Đặc tính đo lường của cảm biến ánh sáng BH1750 trong hệ thống ra sao?
Cảm biến BH1750 sử dụng IC BH1750FVI, hoạt động ở dải điện áp từ 2,4V đến 3,6V (thường dùng 3,0V/3,3V), dòng tiêu thụ thấp 0,12 mA. Module đo trực tiếp độ rọi ánh sáng trong khoảng từ 1 đến 65.535 Lux với độ chính xác ±20%, tích hợp sẵn bộ chuyển đổi ADC để xuất dữ liệu số qua bus I2C và có phổ cảm nhận quang học tương đương mắt người.
4. Module màn hình OLED SSD1306 được ghép nối với vi điều khiển ESP8266 qua các chân nào?
Module màn hình OLED kích thước 0.91 inch (128x32 điểm ảnh, công suất 0,03 W) sử dụng chip điều khiển SSD1306 giao tiếp qua chuẩn I2C. Trên bo mạch thực nghiệm, màn hình được kết nối với module vi điều khiển Uno ESP8266 qua 4 chân: chân cấp nguồn VCC nối chân 3V3, chân GND nối đất, chân xung clock SCL nối với chân GPIO04 và chân dữ liệu SDA nối với chân GPIO05.
5. Độ ẩm không khí bao nhiêu được tác giả xác định là tối ưu cho con người và nguy cơ khi độ ẩm vượt quá 70% là gì?
Theo nội dung Chương 1, độ ẩm không khí thích hợp cho môi trường sống của con người dao động trong khoảng 40% – 70%, riêng đối với trẻ sơ sinh là 40% – 60% và các bệnh viện thường duy trì ở mức 55%. Khi độ ẩm không khí tăng quá cao (trên 70%), môi trường sẽ kích thích vi khuẩn, nấm mốc phát triển mạnh, làm gia tăng các bệnh viêm nhiễm đường hô hấp, gây ẩm mốc vật dụng, trơn trượt sàn nhà và gây nguy cơ hư hỏng các thiết bị điện tử, y tế.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Xây dựng hệ thống đo các thông số của môi trường không khí" của sinh viên Đỗ Thanh Tùng đã hoàn thành việc nghiên cứu cơ sở lý thuyết quan trắc môi trường và xu thế phát triển công nghệ IoT toàn cầu. Tác giả đã thiết kế thành công cấu trúc phần cứng trạm đo vi khí hậu tích hợp các cảm biến BH1750, DHT11 và màn hình OLED SSD1306 với vi điều khiển ESP8266 qua các giao tiếp chuẩn I2C và 1-wire. Mặc dù còn hạn chế về dải đo vi khí hậu cơ bản và chưa tích hợp cảm biến khí độc hay bụi mịn thực tế, công trình đã thể hiện rõ tính khả thi trong việc xây dựng các thiết bị giám sát môi trường chi phí thấp, đóng vai trò là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho sinh viên chuyên ngành Điện Tự động Công nghiệp và các ngành kỹ thuật liên quan.
