Luận văn thạc sỹ - Thiết kế hệ thống đa cảm biến hỗ trợ xe robot tự hành

Vấn đề chất lượng môi trường Môi trường là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng cuộc sống của hàng triệu người. Hầu hết các chất ô nhiễm trong môi trường là kết quả của khí thải từ ô tô, xe tải, xe buýt, nhà máy, nhà máy lọc dầu và sự xuất hiện tự nhiên như núi lửa phun trào và cháy rừng. Bởi vì mọi người hít phải ô nhiễm môi trường, chúng phải chịu nhiều rủi ro về sức khỏe. Ô nhiễm môi trường có thể gây ung thư, chết sớm, rối loạn phát triển ở trẻ em, gây hại cho hệ thống sinh sản, dẫn đến các cơn hen suyễn hoặc gây ra ung thư phổi. Theo WHO, thế giới có 7 triệu người chết mỗi năm vì các bệnh liên quan đến ô nhiễm môi trường trong nhà và ngoài trời. Năm 2016, Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) đã thống kê Hà Nội có gần 300 ngày ô nhiễm môi trường mỗi năm và hơn 60.000 ca tử vong do đau tim, đột quỵ, ung thư phổi, bệnh phổi tắc nghẽn mạn tính có liên quan đến ô nhiễm không khí. Nó cũng có thể gây thở khò khè và ho, khó thở, có hại cho tim mạch hệ thống, tăng tính nhạy cảm với nhiễm trùng, đỏ mô phổi hoặc sưng tấy. Niên giám thống kê của Bộ Y tế năm đó kết luận, 10 bệnh mắc và 10 bệnh chết nhiều nhất tại các cơ sở y tế là nhóm bệnh nhiễm khuẩn đường hô hấp và tim mạch. Đến 2019, hàng loạt kỷ lục ô nhiễm môi trường được ghi nhận. Ngày 7/11, Sở Tài nguyên Môi trường Hà Nội công bố chỉ số chất lượng môi trường (AQI) trên 200 - mức ô nhiễm xấu, duy trì 4 ngày liên tiếp. Ngày 12/11, AQI trên 300 - mức nguy hại. Thành phố khuyến cáo người dân tránh thể dục ngoài trời buổi sáng, đóng cửa sổ và hạn chế ra đường. Nhiều trường học nội thành Hà Nội phải dừng mọi hoạt động ngoài trời do ô nhiễm môi trường kéo dài. Học sinh tập thể dục và vui chơi giữa giờ trong phòng kín, mở điều hòa từ 7h sáng. Đây không phải thực tế mới, khi từ năm 2018, Chỉ số hiệu suất môi trường (EPI) của Ngân hàng Thế giới xếp hạng chất lượng môi trường Việt Nam ở vị trí 159 trên 180 nước. Năm 2012, Việt Nam cũng đứng thứ 9 từ dưới lên ở bảng xếp hạng này. Hình 1.1. Tỷ lệ các loại bệnh do ô nhiễm không khí Nguồn: http://bachmai.gov.vn/tin-tuc-va-su-kien/y-hoc-thuong-thuc-menuleft-32/5889-o-nhiem-khong-khi-sat-nhan-tham-lang-trong-thanh-pho.html Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia (QCVN_05:2013/BTNMT) được thiết kế để kiểm soát và điều chỉnh ô nhiễm không khí. Nó bắt buộc các sở tài nguyên thực thi các quy định để bảo vệ công chúng khỏi ô nhiễm môi trường. Các trạm giám sát chất lượng môi trường tĩnh khác nhau được thiết lập tại các đô thị khác nhau và các địa điểm ngoại ô để giám sát ô nhiễm môi trường. Các chất ô nhiễm môi trường như sulfur dioxide (SO2), nitơ đioxit (NO2), cacbon monoxit (CO), ozon (O3), chì (Pb) và vật chất dạng hạt (PM10) là được đo lường và giám sát liên tục (hình 1.2). Hình 1.2 Các trạm giám sát chất lượng mối trường xung quanh tại Hà Nội Nguồn: Internet Mục đích chính của dữ liệu từ việc giám sát này trạm để xác định mức độ ô nhiễm môi trường mà mọi người tiếp xúc và giáo dục công chúng nếu mức độ ô nhiễm môi trường không lành mạnh tồn tại. Nhưng các trạm giám sát này chỉ bao gồm một phần nhỏ toàn bộ khu vực đông dân cư trong cả nước. Dựa trên đăng ký xe cơ giới, số lượng xe bao gồm ô tô và xe tải trên đường đã tăng 30% trong mười năm qua [1]. Chỉ riêng số lượng xe tải gần như tăng gấp đôi trong mười năm qua. Trung bình, một người đi làm dành hơn năm mươi hai phút đi du lịch mỗi ngày (hai chiều) và ở một số thành phố lớn, anh ấy / cô ấy dành hơn bốn giờ mỗi ngày (hai cách) bên trong xe [2]. Theo bộ giao thông vận tải Hoa Kỳ, tổng chiều dài của các con đường là bốn triệu dặm và 246.000.000 xe đi trên những con đường này [3]. Một số lượng đáng kể các cộng đồng được xây dựng xung quanh những con đường này. Các phương tiện cơ giới phát ra nhiều loại của các khí như Carbon Dioxide (CO2), Carbon Monoxide (CO), Nitrogen Oxit (NO / NO2), Vật chất hạt (PM10) và Ozone, là những sản phẩm phụ thoát ra từ hệ thống xả. Những khí thải này góp phần đáng kể vào việc ô nhiễm môi trường và khói bụi, đặc biệt là ở các thành phố lớn. Hơn hơn năm mươi ba nghìn người chết mỗi năm vì những chất ô nhiễm môi trường do xe cộ này gây ra [4]. Những người đi làm gặp phải tình trạng ô nhiễm môi trường ở mức cao, đặc biệt là Carbon Monoxide (CO) bên trong và ngoài xe (Hình 1.3). Hình 1.3. Tình trạng ô nhiễm môi trường trong giao thông tại Hà Nội Nguồn: Internet Các nghiên cứu được thực hiện bởi CQQLMT cho thấy CO bị phơi nhiễm khi đi lại ở các thành phố lớn như Hà Nội, Hồ Chí Minh, Bình Dương cao hơn ba lần so với các trạm cố định theo dõi các chỉ số trên. Mức độ CO [5]: Tùy thuộc vào tình trạng tắc nghẽn giao thông, biển báo dừng và điều kiện thời tiết, CO khả năng tiếp xúc bên trong xe rất thay đổi và một số người đi làm còn tiếp xúc với mức độ cao hơn CO. Cần có giám sát ô nhiễm môi trường theo thời gian thực chính xác dọc theo các tuyến đường tắc nghẽn và bên trong xe. Theo dõi thời gian thực và chia sẻ thông tin ô nhiễm môi trường sẽ giáo dục người đi làm về mức độ ô nhiễm mà họ phải tiếp xúc, và cuối cùng thúc đẩy cộng đồng để phát triển các chính sách và quy định nhằm đạt được một môi trường sạch hơn để chúng ta thở và sống.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Hà Nội - 2021

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Tiến Dũng

Hà Nội - 2021

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

DANH MỤC HÌNH VẼ 5

DANH MỤC BẢNG 7

LỜI CẢM ƠN 8

LỜI CAM ĐOAN 9

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ ROBOT TỰ HÀNH GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG 10

1.1 Vấn đề chất lượng môi trường 10

1.2 Hiện trạng giám sát chất lượng môi trường 13

1.3 Nhu cầu về thông tin chất lượng môi trường theo thời gian thực 15

1.4 Tình hình nghiên cứu hệ thống giám sát môi trường 18

1.5 Hệ thống robot giám sát môi trường 20

1.5.1 Kiến trúc phân lớp của robot tự hành 20

1.5.2 Dự án nghiên cứu thiết kế chế tạo robot hỗ trợ đa năng 22

1.6 Mục đích và phạm vi nghiên cứu 23

1.6.1 Mục đích nghiên cứu 23

1.6.2 Phạm vi nghiên cứu 24

1.7 Kết luận chương 24

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGUYÊN VẬT LIỆU 25

2.1 Cảm biến 25

2.1.1 Khái niệm 25

2.1.2 Đặc trưng cảm biến 26

2.1.3 Phân loại cảm biến 26

2.1.3.1 Phân loại theo nguồn năng lượng 26

2.1.3.2 Phân loại theo nguyên lý hoạt động 26

2.1.4 Một số cảm biến 27

2.1.4.1 Cảm biến nhiệt độ 27

2.1.4.2 Đầu dò khói 28

2.2 Cảm biến đo nồng độ bụi 29

2.2.1 Khái niệm Bụi 29

2.2.2 Một số cảm biến bụi 29

2.3 Cảm biến nồng độ khí CO 33

2.3.1 Khí CO 33

2.3.2 Một số cảm biến khí CO 34

2.3.2.1 Cảm biến CO MQ-7(DFROBOT) 34

2.3.2.2 Cảm biến CO MQ-7 35

2.4 Cảm biến nhiệt độ 36

2.4.1 Nhiệt độ 36

2.4.2 Cảm biến nhiệt độ 37

2.5 Cảm biến độ ẩm 37

2.5.1 Độ ẩm 37

2.5.2 Cảm biến độ ẩm 38

2.5.2.1 Nguyên lý đo độ ẩm 38

2.5.2.2 Phân loại cảm biến độ ẩm: 39

2.5.3 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm trên thị trường 39

2.5.3.1 Module cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT21 39

2.5.3.2 Module cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT22 40

2.5.3.3 Module cảm biến nhiệt độ, độ ẩm AM2315 41

2.5.3.4 Module cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 41

2.6 Màn hình LCD 42

2.6.1 Mạch Chuyển Đổi Giao Tiếp I2C Cho LCD 43

2.6.2 LCD 1602 kèm module I2C màu xanh lá 44

2.7 Mô-đun vi điều khiển và truyền thông ESP8266 44

2.8 Các giao thức 46

2.8.1 Giao thức truyền tải siêu văn bản 46

2.8.2 Giao diện lập trình ứng dụng 47

2.8.3 Giao thức truyền thông điệp 48

2.8.4 ThingSpeak 51

2.8.4.1 Định cấu hình tài khoản và kênh 51

2.8.4.2 Ghi dữ liệu vào kênh 52

2.8.4.3 Đọc dữ liệu từ kênh 53

2.9 Các chuẩn giao tiếp 53

2.9.1 Giao tiếp ngoại vi nối tiếp 53

2.9.2 Giao tiếp I2C 54

2.9.3 Giao tiếp UART 55

2.10 Mô-đun GPS 59

2.11 Kết luận chương 60

CHƯƠNG 3 THIẾT KỀ VÀ TRIỂN KHAI HỆ THỐNG ĐA CẢM BIẾN THU THẬP DỮ LIỆU HỖ TRỢ ROBOT TỰ HÀNH 61

3.1 Mục tiêu thiết kế 61

3.2 Tổng quan về thiết kế 62

3.3 Triển khai ứng dụng di động 64

3.4 Dịch vụ đám mây 64

3.5 Thiết kế mạch nguyên lý 66

3.6 Thiết kế mạch PCB 68

3.7 Gia công mạch điện tử và đóng hộp 70

3.8 Kết quả thử nghiệm 71

3.8.1 Thử nghiệm trên hệ thống di chuyển chậm 71

3.8.2 Thử nghiệm trên hệ thống di chuyển với tốc độ 10 km/h 73

3.8.3 Thử nghiệm trên hệ thống di chuyển với tốc độ 15km/h 75

3.9 Kết luận chương 77

Kết luận 78

Tài liệu tham khảo 79

PHỤ LỤC 82

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Tỷ lệ các loại bệnh do ô nhiễm không khí 11

Hình 1.2 Các trạm giám sát chất lượng mối trường xung quanh tại Hà Nội 11

Hình 1.3 Tình trạng ô nhiễm môi trường trong giao thông tại Hà Nội 12

Hình 1.4 Các trạm giám sát chất lượng môi trường ở Hà Nội 14

Hình 1.5 Kiến trúc phân lớp của robot 21

Hình 1.6 Robot iRobot Create 1 22

Hình 1.7 Cấu trúc điển hình của robot di động giám sát môi trường 22

Hình 1.8 Sơ đồ phân hệ chức năng của hệ thống đa cảm biến thu thập dữ liệu 23

Hình 2.1 Module cảm biến bụi PPD42NS 30

Hình 2.2 Module cảm biến bụi SDS011 30

Hình 2.3 Module cảm biến bụi PMS7003M/G7 31

Hình 2.4 Cấu tạo của cảm biến bụi GP2Y1010AU0F 32

Hình 2.5 Cảm biến khí CO MQ-7(DFROBOT) 34

Hình 2.6 Cảm biến CO MQ-7 35

Hình 2.7 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT21 40

Hình 2.8 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT22 40

Hình 2.9 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm AM2315 41

Hình 2.10 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 42

Hình 2.11 Sơ đồ chân Màn hình LCD 1602 Xanh Lá 42

Hình 2.12 Mạch chuyển đổi giao tiếp I2C 43

Hình 2.14 LCD 1602 kèm module I2C màu xanh lá 44

Hình 2.17 Bo mạch ESP8266 45

Hình 2.18 Sơ đồ chân của esp8266 45

Hình 2.19 Nguyên lý hoạt động của HTP 46

Hình 2.20 Bộ giao thức TCP/IP 47

Hình 2.21 Sự phát triển của MQTT 49

Hình 2.22 Vị trí của MQTT trong mô hình IoT 49

Hình 2.23 Giao tiếp SPI 54

Hình 2.24 Giao tiếp UART 55

Hình 2.25 Giao tiếp song song 56

Hình 2.26 Sơ đồ khối UART 57

Hình 2.27 Truyền thông UART 58

Hình 2.28 Giao diện UART 59

Hình 2.29 Modun định vị GPS NEO 6M 60

Hình 3.1 Thiết kế chức năng của hệ thống đa cảm biến thu thập dữ liệu 63

Hình 3.2 Kiến trúc ứng dụng Blynk hỗ trợ trên nền Android 65

Hình 3.3 Các module của hệ thống đa cảm biến 67

Hình 3.4 Mạch nguyên lý phân hệ cảm biến 67

Hình 3.5 Mạch nguyên lý giao tiếp nút nhấn 68

Hình 3.6 Mạch PCB mạch ESP32 dạng 2D 68

Hình 3.7 Mạch 3D của mạch ESP32 (mặt trên) 69

Hình 3.8 Mạch 3D của mạch ESP32 (mặt dưới) 69

Hình 3.9 Mạch cảm biến dạng 3D 70

Hình 3.10 Mạch nút nhấn dạng 3D 70

Hình 3.11 Mạch ESP32 hoàn thiện 70

Hình 3.12 Hoàn thiện triển khai chế tạo hệ thống đa cảm biến 71

Hình 3.14 Tuyến đường thử nghiệm di chuyển di chuyển chậm 71

Hình 3.15 Diễn biến chỉ số AQI ngày tại một số đô thị tháng 12/2020 72

Hình 3.16 Diễn biến trung bình 24 giờ thông số PM2.5 tại một số đô thị tháng 12/2020 và đầu tháng 1/2021 73

Hình 3.15 Tuyến đường thử nghiệm di chuyển với tốc độ 10 km/h 74

Hình 3.16 Tuyến đường thử nghiệm với tốc độ di chuyển 15km/h 75

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Kiếm soát cầu hình kênh bằng API REST 51

Bảng 2.2 Tạo và xóa kênh bằng API REST 52

Bảng 2.3 Ghi dữ liệu vào kênh API REST 52

Bảng 2.4 Ghi dữ liệu vào kênh API MQTT 52

Bảng 2.5 Đọc dữ liệu từ kênh API REST 53

Bảng 2.6 Đọc dữ liệu từ kênh API MQTT 53

Bảng 2.7 Thông số kĩ thuật của modun GPS NEO 6M 60

Bảng 3.1 Kết quả thử nghiệm khi di chuyển chậm 72

Bảng 3.2 Kết quả thử nghiệm khi hệ thống di chuyển với tốc độ 10 km/h 74

Bảng 3.3 Kết quả thử nghiệm với tốc độ di chuyển 15km/h 76

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tác giả xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn PGS TS NguyễnTiến Dũng vì hướng dẫn, khuyến khích tác giả trong nghiên cứu này Tác giả đã đượcgiới thiệu nghiên cứu lĩnh vực hệ thống nhúng cảm biến di động và cho cơ hội để xâydựng một mô hình có giá trị như một phần của luận văn Những nhận xét sâu sắc củathầy và cộng sự và những lời phê bình mang tính xây dựng ở các giai đoạn nghiên cứukhác nhau của đề tài đã kích thích suy nghĩ và giúp tác giả tập trung ý tưởng của mình

Thứ hai, tôi xin chân thành cảm ơn Bộ giáo dục và đào tạo đã tài trợ một phầncho nghiên cứu này trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu khoa học cấp bộ năm 2020-

2021 “Nghiên cứu thiết kế chế tạo rô bốt hỗ trợ phòng cháy chữa cháy trong các

tòa nhà thấp và trung tầng” mã số B2020_BKA-07 do PGS TS Nguyễn Tiến Dũng

làm chủ nhiệm, người đã hướng dẫn liên quan đến hiệu chuẩn cảm biến và xác định độchính xác

Tôi cũng muốn cảm ơn tcác phòng thí nghiệm của Cơ quan quản lý môi trường(CQQLMT) và các hướng dẫn của thành viên trong cơ quan đã giúp tôi đưa ra các đềxuất và ý tưởng trong quá trình khoanh vùng và hỗ trợ tinh thần cho tất cả thông qua

dự án này

Cuối cùng, tôi xin gửi lời tri ân và cảm ơn tới gia đình tôi, những người đã hỗtrợ trong suốt những năm học của tôi

Học viên Nguyễn Duy Hòa

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan tất cả các nội dung của Luận văn này hoàn toàn được hìnhthành và phát triển từ những quan điểm của cá nhân tôi Các số liệu và kết quả nghiêncứu có được trong Luận văn là hoàn toàn trung thực, kết quả nghiên cứu chưa được aicông bố trong các công trình trước đó

Học viên thực hiện

Nguyễn Duy Hòa

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ ROBOT TỰ HÀNH GIÁM

SÁT MÔI TRƯỜNG 1.1 Vấn đề chất lượng môi trường

Môi trường là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng cuộc sống củahàng triệu người Hầu hết các chất ô nhiễm trong môi trường là kết quả của khí thải từ

ô tô, xe tải, xe buýt, nhà máy, nhà máy lọc dầu và sự xuất hiện tự nhiên như núi lửaphun trào và cháy rừng Bởi vì mọi người hít phải ô nhiễm môi trường, chúng phảichịu nhiều rủi ro về sức khỏe Ô nhiễm môi trường có thể gây ung thư, chết sớm, rốiloạn phát triển ở trẻ em, gây hại cho hệ thống sinh sản, dẫn đến các cơn hen suyễnhoặc gây ra ung thư phổi Theo WHO, thế giới có 7 triệu người chết mỗi năm vì cácbệnh liên quan đến ô nhiễm môi trường trong nhà và ngoài trời

Năm 2016, Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) đã thống kê Hà Nội có gần 300 ngày

ô nhiễm môi trường mỗi năm và hơn 60.000 ca tử vong do đau tim, đột quỵ, ung thưphổi, bệnh phổi tắc nghẽn mạn tính có liên quan đến ô nhiễm không khí Nó cũng cóthể gây thở khò khè và ho, khó thở, có hại cho tim mạch hệ thống, tăng tính nhạy cảmvới nhiễm trùng, đỏ mô phổi hoặc sưng tấy Niên giám thống kê của Bộ Y tế năm đókết luận, 10 bệnh mắc và 10 bệnh chết nhiều nhất tại các cơ sở y tế là nhóm bệnhnhiễm khuẩn đường hô hấp và tim mạch

Đến 2019, hàng loạt kỷ lục ô nhiễm môi trường được ghi nhận Ngày 7/11, SởTài nguyên Môi trường Hà Nội công bố chỉ số chất lượng môi trường (AQI) trên 200 -mức ô nhiễm xấu, duy trì 4 ngày liên tiếp Ngày 12/11, AQI trên 300 - mức nguy hại.Thành phố khuyến cáo người dân tránh thể dục ngoài trời buổi sáng, đóng cửa sổ vàhạn chế ra đường Nhiều trường học nội thành Hà Nội phải dừng mọi hoạt động ngoàitrời do ô nhiễm môi trường kéo dài Học sinh tập thể dục và vui chơi giữa giờ trongphòng kín, mở điều hòa từ 7h sáng

Đây không phải thực tế mới, khi từ năm 2018, Chỉ số hiệu suất môi trường(EPI) của Ngân hàng Thế giới xếp hạng chất lượng môi trường Việt Nam ở vị trí 159trên 180 nước Năm 2012, Việt Nam cũng đứng thứ 9 từ dưới lên ở bảng xếp hạng này

Hình 1.1 Tỷ lệ các loại bệnh do ô nhiễm không khí Nguồn: http://bachmai.gov.vn/tin-tuc-va-su-kien/y-hoc-thuong-thuc-menuleft- 32/5889-o-nhiem-khong-khi-sat-nhan-tham-lang-trong-thanh-pho.html

Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia (QCVN_05:2013/BTNMT) được thiết kế để kiểmsoát và điều chỉnh ô nhiễm không khí Nó bắt buộc các sở tài nguyên thực thi các quyđịnh để bảo vệ công chúng khỏi ô nhiễm môi trường Các trạm giám sát chất lượngmôi trường tĩnh khác nhau được thiết lập tại các đô thị khác nhau và các địa điểmngoại ô để giám sát ô nhiễm môi trường Các chất ô nhiễm môi trường như sulfurdioxide (SO2), nitơ đioxit (NO2), cacbon monoxit (CO), ozon (O3), chì (Pb) và vậtchất dạng hạt (PM10) là được đo lường và giám sát liên tục (hình 1.2)

Hình 1.2 Các trạm giám sát chất lượng mối trường xung quanh tại Hà Nội

Nguồn: Internet

Mục đích chính của dữ liệu từ việc giám sát này trạm để xác định mức độ ônhiễm môi trường mà mọi người tiếp xúc và giáo dục công chúng nếu mức độ ô nhiễm

môi trường không lành mạnh tồn tại Nhưng các trạm giám sát này chỉ bao gồm mộtphần nhỏ toàn bộ khu vực đông dân cư trong cả nước.

Dựa trên đăng ký xe cơ giới, số lượng xe bao gồm ô tô và xe tải trên đường đãtăng 30% trong mười năm qua [1] Chỉ riêng số lượng xe tải gần như tăng gấp đôitrong mười năm qua Trung bình, một người đi làm dành hơn năm mươi hai phút đi dulịch mỗi ngày (hai chiều) và ở một số thành phố lớn, anh ấy / cô ấy dành hơn bốn giờmỗi ngày (hai cách) bên trong xe [2] Theo bộ giao thông vận tải Hoa Kỳ, tổng chiềudài của các con đường là bốn triệu dặm và 246.000.000 xe đi trên những con đườngnày [3]

Một số lượng đáng kể các cộng đồng được xây dựng xung quanh những conđường này Các phương tiện cơ giới phát ra nhiều loại của các khí như Carbon Dioxide(CO2), Carbon Monoxide (CO), Nitrogen Oxit (NO / NO2), Vật chất hạt (PM10) vàOzone, là những sản phẩm phụ thoát ra từ hệ thống xả Những khí thải này góp phầnđáng kể vào việc ô nhiễm môi trường và khói bụi, đặc biệt là ở các thành phố lớn Hơnhơn năm mươi ba nghìn người chết mỗi năm vì những chất ô nhiễm môi trường do xe

cộ này gây ra [4] Những người đi làm gặp phải tình trạng ô nhiễm môi trường ở mứccao, đặc biệt là Carbon Monoxide (CO) bên trong và ngoài xe (Hình 1.3)

Mức độ CO [5]: Tùy thuộc vào tình trạng tắc nghẽn giao thông, biển báo dừng

và điều kiện thời tiết, CO khả năng tiếp xúc bên trong xe rất thay đổi và một số người

đi làm còn tiếp xúc với mức độ cao hơn CO Cần có giám sát ô nhiễm môi trường theo

thời gian thực chính xác dọc theo các tuyến đường tắc nghẽn và bên trong xe Theo dõithời gian thực và chia sẻ thông tin ô nhiễm môi trường sẽ giáo dục người đi làm vềmức độ ô nhiễm mà họ phải tiếp xúc, và cuối cùng thúc đẩy cộng đồng để phát triểncác chính sách và quy định nhằm đạt được một môi trường sạch hơn để chúng ta thở vàsống

1.2 Hiện trạng giám sát chất lượng môi trường

Các văn bản pháp luật về tiêu chuẩn môi trường sạch yêu cầu CQQLMT đặtTiêu chuẩn chất lượng môi trường cho sáu tiêu chí gây ô nhiễm không khí thường thấy[6] Chúng là vật chất hạt, ôzôn tầng mặt đất, cacbon monoxit, oxit lưu huỳnh, oxitnitơ và chì Vật chất dạng hạt (PM2.5 / PM10): Các hạt có thể được chia thành hainhóm chính dựa trên kích thước, các hạt lớn hơn được gọi là PM10 (2,5 đến 10micromet) và các hạt nhỏ hơn được gọi là PM2.5 (nhỏ hơn 2,5 micromet) PM10 chủyếu tạo thành bụi bẩn, bụi và khói từ nhà máy và đường xá, trong khi PM2.5 bao gồmkim loại và các hợp chất hữu cơ độc hại từ ô tô và gia công kim loại

PM2.5, nhẹ hơn, có thể ở trong không khí lâu hơn và bay xa hơn PM10 Khinào chúng ta hít thở không khí, bất kỳ hạt nào có trong không khí cũng được hít vào và

dễ dàng đi vào đường hô hấp hệ thống Bởi vì PM2.5 được tạo thành những thứ độc hạihơn (như kim loại nặng và chất gây ung thư hợp chất hữu cơ), PM2.5 có thể gây ảnhhưởng xấu đến sức khỏe hơn PM10 lớn hơn Phơi nhiễm vật chất dạng hạt dẫn đến cácảnh hưởng đến sức khỏe như hen suyễn, ho, thở khò khè, hô hấp và bệnh tim mạch và

cả ung thư phổi

Ôzôn (O3): Ôzôn được tìm thấy ở mặt đất và ở các vùng trên của khíquyển Ôxít

Nitơ (NO / NO2) phản ứng với các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC) tạo raôzôn ở mặt đất cấp độ Các khu vực ấm hơn với lưu lượng truy cập gia tăng và cácngành công nghiệp tạo ra mức mặt bằng cao hơn khí quyển Ozone khi hít phải có thểgây kích ứng đường hô hấp, gây ho và giảm dung tích phổi

Carbon Monoxide (CO): Các chu trình đốt cháy của xăng trong xe có động cơthải ra khí độc, không màu, không mùi Khi con người hít phải khí CO, nó sẽ ngăn

không cho oxy tiếp cận não và tim và làm giảm khả năng vận chuyển oxy trongmáu Đôi khi, quá mức mức carbon monoxide thậm chí có thể gây tử vong.

Sulfur Dioxide (SO2): Các phương tiện cơ giới và nhà máy điện thải ra SO2 khichúng đốt cháy lưu huỳnh- chứa nhiên liệu như dầu diesel Khi hít phải, nó gây ra cácbệnh về đường hô hấp như co thắt đường thở và các triệu chứng hen suyễn

Chì: Ô tô thải ra chì khi không sử dụng xăng không pha chì Tiếp xúc với chìtăng lên nguy cơ đột quỵ và đau tim và rối loạn phát triển cho trẻ em Theo “Nghiêncứu Gánh nặng Toàn cầu của Bệnh tật, Thương tật và Các Yếu tố Nguy cơ cho năm2010” [7], ô nhiễm không khí ngoài trời đã góp phần gây ra 3,2 triệu ca tử vong trêntoàn cầu trong năm 2010, tăng từ tám trăm ngàn chỉ mười năm trước Như việc sử dụng

ô tô ở các nước đang phát triển như Ấn Độ và Trung Quốc đang phát triển với tốc độngày càng cao, tác giả cho rằng tác động của ô nhiễm không khí đối với sức khỏe conngười ngày càng trở nên tồi tệ hơn trong tương lai gần

Với những lo ngại ngày càng tăng về tác động của ô nhiễm môi trường đối vớisức khỏe, CQQLMT được yêu cầu giám sát và đánh giá mức độ ô nhiễm môi trườngtrên cả nước Có khoảng 35 trạm giám sát các trạm được thiết lập trên khắp Hà Nội,nơi giám sát ô nhiễm môi trường như một phần nhiệm vụ của Sở Tài Nguyên MôiTrường

Hình 1.4 Các trạm giám sát chất lượng môi trường ở Hà Nội

Thiết lập một hệ thống đa cảm biến thu thập dữ liệu cố định và bảo trì các trạm

đó là đắt tiền và đòi hỏi nhiều chi phí bảo trì vì các chất gây ô nhiễm môi trường cầnđược lấy mẫu, được đo lường, ghi lại, phân tích và chia sẻ trong một thời gian dài và

nó cần bao hàm một khu vực địa lý Thông thường các trạm giám sát ô nhiễm môitrường như vậy được đặt xung quanh các khu vực ô nhiễm môi trường đáng kể như cácngành công nghiệp và các khu vực có mật độ dân số cao như các thành phố lớn Nhưngcách tiếp cận của việc có các trạm giám sát ô nhiễm môi trường cố định, cố định cómột hạn chế nghiêm trọng khi tác giả muốn xác định mức độ phơi nhiễm ô nhiễm môitrường bên ngoài các khu vực được bao phủ bởi các nhà ga

Các phương pháp khác nhau được sử dụng tại các trạm tĩnh để đo độ ô nhiễmmôi trường Một trong chúng là lấy mẫu tự động trong đó các mẫu được đo thời gianthực bằng cách sử dụng chất phát quang hóa học, Phương pháp huỳnh quang UV, hấpthụ IR hoặc quang phổ hấp thụ quang vi sai Dữ liệu được thu thập từ các địa điểmgiám sát khác nhau và ghi lại để phân tích thêm Phương pháp khác là lấy mẫu chủđộng trong đó một lượng môi trường đã biết được bơm qua bộ lọc hoặc bộ thu hóa chấttrong một khoảng thời gian và sau đó mẫu được phân tích trong phòng thí nghiệm Nóichung, nồng độ của một chất ô nhiễm trong môi trường có thể được ước tính bằng cách

đo độ hấp thụ tia hồng ngoại Nhưng hầu hết thời gian, nồng độ chất ô nhiễm môitrường rất thấp, ngoại trừ carbon monoxide (CO), kỹ thuật đo lường không được ápdụng Do đó, hầu hết các phép đo ô nhiễm môi trường các kỹ thuật liên quan đến việcloại bỏ chất ô nhiễm khỏi môi trường bằng cách tận dụng thiên nhiên với tỷ lệ cao sựkhuếch tán của các chất khí trong môi trường Cách dễ nhất để tách chúng là cho khí điqua một bề mặt nơi một thành phần của chất ô nhiễm môi trường được loại bỏ hoặchấp thụ bởi phản ứng hóa học thành một chất không bay hơi thành phần có thể đượcước tính bằng phân tích hóa học tiếp theo

Sự thay đổi ô nhiễm môi trường rất năng động, thay đổi gần như hàng giờ hoặcthậm chí thường xuyên hơn Môi trường các mẫu và phép đo ô nhiễm tiếp theo chỉ đơngiản là cung cấp cho nhóm nghiên cứu ảnh chụp nhanh về chỉ số môi trường ô nhiễmtại một thời điểm nhất định và địa điểm nhất định Mặc dù các mô hình phân tán khácnhau có thể được sử dụng để ước tính nồng độ của các chất ô nhiễm môi trường khichúng phân tán ra khỏi nguồn phát thải (ví dụ ô tô và Xe tải), các mô hình như vậy phụthuộc vào dữ liệu đo lường động như tốc độ gió, nhiệt độ, mưa / sương mù, v.v và dữ

liệu địa hình Sử dụng mô hình phân tán là tốn kém cho động phản hồi cho người đilàm và có giá trị rất hạn chế đối với một người đi làm trung bình bằng ô tô, trên conđường Người đi lại sẽ yêu cầu một thiết bị đo liên tục các chất ô nhiễm môi trường vàanh ấy / cô ấy sẽ cần giải thích các kết quả đọc là không thực tế và nó không kinh tế cóthể mở rộng Vì vậy, chúng ta cần một cách tiếp cận và mô hình để đo lường mức độ ônhiễm môi trường theo thời gian thực tại các địa điểm mà một người đi làm đã đi lại vàchia sẻ thông tin này với những người khác không có máy giám sát ô nhiễm môitrường.

1.3 Nhu cầu về thông tin chất lượng môi trường theo thời gian thực

Con người cần hệ thống cảm biến môi trường chính xác, nhẹ, dễ mang theo và

có thể giám sát nhiều loại chất ô nhiễm không khí (CO, NO2 và SO2) Nó phải là đủnhạy cảm và sẵn sàng phân biệt nhanh chóng nồng độ các mức độ ô nhiễm không khínhư Carbon Monoxide trong thời gian ngắn nhất có thể tưởng tượng được Tương tựnhư vậy, mô-đun cảm biến cần ghi lại các chỉ số đo khí áp như nhiệt độ, áp suất, độ

ẩm, v.v Mô-đun cảm biến cần chắc chắn và được trang bị pin có thể dễ dàng sạc bằng

bộ sạc trên ô tô Nó cần phải có Wifi hoặc giao tiếp không dây tiết kiệm năng lượnghơn và có thể truyền thông số đọc màn hình trực tiếp đến một thiết bị từ xa như máytính xách tay hoặc thiết bị thông minh Thiết bị cần phải có thiết bị GPS hoặc Thiết bịthông minh phải được trang bị cơ chế GPS để xác định điều phối vị trí địa lý Thiết bịhoặc thiết bị thông minh cần ghi lại những lần đọc này bằng dấu thời gian và có thểlưu dữ liệu vào bộ nhớ cache trong một khoảng thời gian khi kết nối Internet khôngkhả dụng Khi Internet kết nối khả dụng, nó cần phải đồng bộ hóa dữ liệu càng sớmcàng tốt với dịch vụ phụ trợ và dọn dẹp lên bất kỳ thông tin được lưu trong bộ nhớcache Quá trình đồng bộ hóa cần diễn ra nhanh nhất có thể để hoạt động dữ liệu giámsát có sẵn cho các thành viên cộng đồng khác

Trong luận án của mình, tác giả thu hẹp trọng tâm của mình vào việc giám sát

và chia sẻ các-bon Mức độ ô nhiễm Monoxide (CO) Mọi người cần quan tâm đến mức

độ ô nhiễm môi trường, đặc biệt là những người bị rối loạn hô hấp, các vấn đề về tim

và những người đã tiếp xúc với nguy hiểm mức độ ô nhiễm không khí như CarbonMonoxide (CO) cần phải theo dõi để tiếp xúc với sự ô nhiễm không khí Các tác dụngphụ của ô nhiễm không khí là không thể đảo ngược, đặc biệt là đối với Carbon

Monoxide (CO), vì vậy nếu bị phơi nhiễm ở một số mức nhất định, chúng ta cần cảnhgiác về bất kỳ mức độ phơi nhiễm bổ sung nào để giảm khả năng xảy ra bất kỳ rủi rosức khỏe nào khác Phơi nhiễm CO lớn hơn có thể dẫn đến tăng mức độ độc hại trong

hệ thần kinh, mạch máu và tim, có thể dẫn đến tử vong cuối cùng Mức độ ô nhiễmkhông khí cao hơn gây kích thích đường thở và gây ra các đợt cấp của bệnh hensuyễn Nó sẽ thực sự có lợi cho nhóm người dễ bị tổn thương như vậy để có một hệthống cảnh báo thời gian thực chủ động giám sát ô nhiễm không khí mức độ và thôngbáo cho người sử dụng về mức độ phơi nhiễm độc tố không khí nguy hiểm Hầu hếtchúng ta đều cho rằng việc thực thi của bộ chuyển đổi xúc tác trên xe cơ giới giúpgiảm mức CO và các chất ô nhiễm có hại khác xung quanh chúng ta Nhưng khi bắtđầu lạnh, chúng ta có ấn tượng sai về không khí sạch hơn, vì CO không mùi, màu íthơn, trong thời tiết lạnh, trong quá trình khởi động lạnh, bộ chuyển đổi xúc tác khônghiệu quả, dẫn đến mức độ phơi nhiễm nguy hiểm chẳng hạn như có thể hơn trăm ppm

CO Nó cần tối thiểu năm phút để bộ chuyển đổi xúc tác được làm ấm để có hiệuquả Ngoài ra, trong tình huống tắc nghẽn giao thông, không khí hút trực tiếp hút từống xả của các ô tô liền kề Đề xuất trong luận án này sẽ giúp giáo dục những người đilàm về mức độ có hại của CO Những người đi làm có ý thức về sức khỏe có thể sửdụng các hệ thống như vậy để lập kế hoạch cho các tuyến đường thay thế sạch sẽ hơn,chọn thời gian đi làm khác nhau trong ngày, sử dụng phương tiện giao thông côngcộng, sử dụng tổng số xe tăng và từ đó giảm thiểu mức độ ùn tắc giao thông trong giờcao điểm Thông tin này cũng có thể cho phép quy hoạch thành phố, thành lập ngành

và quyết định vị trí của các ngành mới, quy định các chính sách và hỗ trợ trong quyếtđịnh đặt trường học và cộng đồng dân cư về phát triển cộng đồng mới các kế hoạch

Phép đo ô nhiễm môi trường xung quanh hiện tại liên quan đến việc đo lườngmột chất ô nhiễm môi trường cụ thể hiện diện trong môi trường trước mắt CQQLMT

có một phương pháp tham chiếu cụ thể để đo từng chất ô nhiễm môi trường Ví dụ,Carbon Monoxide (CO) yêu cầu một tia hồng ngoại không phân tán liên tục cảm biến(NDIR), là một thiết bị quang phổ được sử dụng để phát hiện mức CO bằng cách hấpthụ bước sóng cụ thể trong ánh sáng hồng ngoại (IR) Vật chất dạng hạt (PM2.5 vàPM10) được đo bằng trọng lực lấy mẫu lọc Những thiết bị như vậy đắt tiền và được sửdụng tốt nhất trong điều kiện phòng thí nghiệm Hơn thế nữa, hướng dẫn chi tiết hoặcthu thập mẫu tự động, phân tích mẫu, ghi dữ liệu, phân tích dữ liệu, mô hình dữ liệu và

các kỹ thuật dự báo ô nhiễm là cần thiết để tạo ra cảnh báo và cảnh báo thông báo vềmức độ quá mức của các chất ô nhiễm không khí trong môi trường Các thiết bị vàphân tích phức tạp như vậy mô hình nằm ngoài tầm với của một người đi lại thôngthường trên đường Điều này tạo ra nhu cầu về chi phí thấp,

Hệ thống theo dõi chất lượng môi trường thuận tiện mà robot tự hành có thể dễdàng thu thập và chia sẻ dữ liệu Cảm biến khí điện hóa cung cấp một giải pháp thaythế để đo lường và phát hiện có hại khí trong khí quyển với chi phí thấp Cảm biếnđiện hóa hoạt động bằng cách phản ứng với khí cụ thể bằng cách tạo ra một tín hiệuđiện, tỷ lệ với nồng độ khí Một cảm biến điện hóa thường bao gồm một điện cực cảmnhận và một điện cực đếm cách nhau bằng một lớp chất điện phân mỏng Khí ô nhiễmkhông khí cụ thể đi qua một lỗ mao dẫn nhỏ và khuếch tán qua hàng rào kỵ nước đểmột lượng khí thích hợp được phép phản ứng với điện cực cảm biến để tạo ra tín hiệuđiện cần thiết bằng phản ứng oxy hóa hoặc khử với vật liệu điện cực được phát triểncho một loại khí cụ thể Cảm biến điện hóa có thể được sử dụng để đo CarbonMonoxide (CO), Nitrogen oxide (NO / NO2), Ozone (O3) và Sulfur dioxide (SO2).Cảm biến điện hóa lý tưởng phù hợp để theo dõi ô nhiễm môi trường theo thời gianthực vì tính di động và tiêu thụ điện năng thấp Có vô số thiết bị theo dõi khí đơn hoặc

đa khí, sử dụng điện hóa cảm biến, có sẵn trên thị trường tiêu dùng để sử dụng cánhân Dễ dàng thao tác bật hoặc tắt, các màn hình khí này hiển thị mức ô nhiễm môitrường trên màn hình LCD Chúng tiêu thụ ít điện năng hơn và có thể kéo dài đến hainăm hoạt động và chi phí chỉ vài trăm đô la Mỹ Một khả thi tùy chọn dành cho người

đi làm là mua những thiết bị theo dõi khí này và giữ chúng bên trong xe Những mànhình này có thể cảnh báo hành khách ngay lập tức về việc tiếp xúc với môi trường độchại có nồng độ cao hơn chất ô nhiễm như Carbon Monoxide Hiện không có cách nàođáng tin cậy để chia sẻ và cảnh báo người khác những người đi làm có thể dự định sửdụng cùng một lúc những con phố tắc nghẽn Tác giả cần một giải pháp trong đó một

số người đi làm có máy theo dõi môi trường cá nhân trong ô tô của họ có thể chia sẻ dữliệu ô nhiễm môi trường với những người bạn đồng hành

Với việc sử dụng rộng rãi thiết bị thông minh, tiềm năng thu thập và chia sẻ làrất lớn dữ liệu ô nhiễm môi trường giữa những người dùng Những thiết bị thông minhnày ngày nay, tích hợp với một loạt các các cảm biến nhúng như GPS, máy gia tốc, labàn kỹ thuật số, máy ảnh và con quay hồi chuyển Những thiết bị thông minh cũng có

khả năng giao tiếp với các thiết bị bên ngoài bằng Wifi năng lượng thấp công nghệ,cho phép một loạt các ứng dụng cảm biến trong các lĩnh vực môi trường nhận thức, sứckhỏe, giao thông và giáo dục Cảm biến khí di động, chi phí thấp, kết hợp với kết nốicủa thiết bị thông minh cung cấp một giải pháp lý tưởng để xây dựng một mô hình cảmbiến ô nhiễm di động có thể dễ dàng sử dụng để xây dựng một cộng đồng xã hội gồmnhững người đi làm thu thập và chia sẻ dữ liệu chất lượng môi trường.

Có rất nhiều thách thức trong việc thiết lập một hệ thống đa cảm biến thu thập

dữ liệu theo thời gian và chia sẻ thông tin Có nhiều loại khác nhau máy theo dõi ônhiễm môi trường cá nhân được thiết kế cho một số loại khí như carbon monoxidehoặc cạc-bon đi-ô-xít Nhiều loại thiết bị di động có sẵn từ các nhà cung cấp khác nhaunhư Apple (Android), Google (Android), Microsoft (Windows Mobile), v.v

Chọn chất lượng môi trường phù hợp giám sát giao diện hỗ trợ cho thiết bịthông minh robot tự hành là một quyết định khó khăn Một lượng lớn dữ liệu cảm biếncần được quản lý, lọc và phổ biến trong thời gian thực Bất kỳ thiết kế nào của hệthống đa cảm biến thu thập dữ liệu chất lượng nên xem xét các dữ liệu được đo nhằmmục đích đánh giá ô nhiễm ảnh hưởng đến sức khỏe người dân Tác giả cần nắm bắtthông tin liên quan trong việc tiếp cận con người tiếp xúc với các chất ô nhiễm về quy

mô thời gian, vị trí địa lý, điều kiện thời tiết địa phương Tiêu chuẩn hóa và hài hòachất lượng dữ liệu cảm biến và các mô hình tham chiếu rất quan trọng trong việc traođổi và giải thích kết quả Dữ liệu thô được đo lường được chuyển đổi thành thông tinhữu ích nhắm mục tiêu trợ giúp cho con người điều hành, giám sát robot tự hành làmviệc

1.4 Tình hình nghiên cứu hệ thống giám sát môi trường

Do lỗ hổng lớn trong mạng lưới giám sát ô nhiễm môi trường tĩnh trên mặt đất,

có một cần thiết để có được dữ liệu chất lượng môi trường chi tiết Nhiều nỗ lực đãđược thực hiện để sử dụng thiết bị di động cảm biến để đạt được mục tiêu này Nghiêncứu Giám sát Xe buýt Trường học [25] được thực hiện tại Đại học California cùng vớiNRDC (Hội đồng Quốc phòng Tài nguyên Quốc gia) nêu bật các mối nguy hiểm vềsức khỏe đối với học sinh khi chúng tiếp xúc với các chất ô nhiễm diesel Nó cũngnhấn mạnh nhu cầu cấp thiết về giám sát lưu động chất lượng môi trường vì khí thảidiesel là chất gây ung thư đã biết và là nguyên nhân của các bệnh đường hô hấp Một

nghiên cứu thú vị đã được thực hiện bởi CQQLMT [18] để đo lường nồng độ chất ônhiễm môi trường trong và ngoài cabin xe tải Tuy nhiên, nghiên cứu đã sử dụng phép

đo các kỹ thuật liên quan đến việc thu thập các mẫu không khí trong xe tải và sau đóphân tích chúng trong phòng thí nghiệm để lấy các giá trị chất lượng môi trường thực

tế Thiết lập được sử dụng trong các nghiên cứu này được thực hiện trên xe tải cố địnhtrong một khoảng thời gian cố định Luận án này đề xuất một mô hình vượt qua tháchthức thu thập mẫu khí trong túi và sau đó được phân tích để tìm mức ô nhiễm bằngcách sử dụng khí điện hóa cảm biến Mạng cảm biến không dây để theo dõi mức độphơi nhiễm chất ô nhiễm cá nhân [19], chất lượng không khí trong nhà [17] và các địađiểm nguy hiểm [24] cũng đã được đề xuất Để thu hẹp khoảng cách giữa giai đoạn lấymẫu và giai đoạn phân tích, các nhà nghiên cứu đã giới thiệu các phương pháp giámsát bằng cách sử dụng cảm biến hàng hóa, có thể cung cấp ô nhiễm theo thời gian thực

dữ liệu Nghiên cứu N-smarts [20] và CommonSense do UC Berkeley và Intel đồngthực hiện tập trung vào việc thu thập dữ liệu chất lượng môi trường bằng cách gắn cáccảm biến vào thiết bị di động có hỗ trợ GPS Nó cũng nêu bật những thách thức khácnhau với chất lượng dữ liệu cảm biến từ các đơn vị cảm biến di động được nối mạngchẳng hạn như can thiệp vào hành vi của người dùng, phạm vi vị trí, độ chính xác củahiệu chuẩn và các khía cạnh xã hội của cảm biến di động và tác động đến hành vi củacông dân Một mô hình tùy chỉnh đã được xây dựng cho mục đích này học Những môhình như vậy không có sẵn cho người dùng quan tâm đến việc theo dõi dữ liệu chấtlượng môi trường

Do đó, công việc của tác giả tập trung vào việc sử dụng các cảm biến chấtlượng môi trường bán sẵn trên thị trường sẽ đảm bảo áp dụng và sử dụng tốt hơn môhình đề xuất của tác giả Công việc cũng đã được thực hiện để đánh giá các vấn đềthiết kế của bảng cảm biến đối với chất lượng môi trường giám sát [16] Những tháchthức trong việc bảo vệ quyền riêng tư của những người tham gia cảm nhận cá nhân đã

đã nghiên cứu [22, 23] Một khung phần mềm để thu thập dữ liệu bằng thiết bị thôngminh đã được trình bày trong [21] Chất lượng môi trường [27], một dự án được tổchức trên Xively (trước đây là Pachube/COSM) đã giới thiệu một nền tảng cảm biến ônhiễm cá nhân Hệ thống chất lượng môi trường có thể được lắp đặt ở một số vị trí gầnnhà để giám sát mức độ ô nhiễm môi trường cố định Công việc của tác giả đề xuấtmột mô hình di động và có thể được sử dụng trên ô tô để cung cấp dữ liệu chất lượng

môi trường theo thời gian thực tại tất cả các địa điểm mà người dùng đã di chuyển.OpenSense [12], một dự án do EPFL và ETH Zurich, Thụy Sĩ điều hành, nhằm mụcđích nghiên cứu tính khả thi lắp đặt cảm biến trên nóc xe buýt và xe điện, tận dụng lợithế của công cộng hiện có các phương tiện vận chuyển để tạo thành một mạng lướirộng khắp các điểm thu thập dữ liệu chất lượng môi trường di động Mạng lưới cảmbiến ô nhiễm tương tự đã được thử nghiệm trên các xe buýt ở thành phố Sharjah, UAE[14] Luận án của tác giả nhằm mục đích mang lại khả năng giám sát chất lượng môitrường tương tự cho tất cả những người đi làm trong phương tiện cá nhân của họ, có thểgiúp cung cấp thông tin chất lượng môi trường chi tiết cho người dùng

Dự án Hàng không [13] là một thử nghiệm xã hội, công cộng, trong đó mọingười được mời sử dụng máy bay di động thiết bị giám sát để khám phá các khu vựclân cận và môi trường đô thị của họ về ô nhiễm và hóa thạch điểm nóng đốt nhiênliệu Teco Envboard [15] tập trung vào thiết kế nền tảng cảm biến với thương mại rakhỏi kệ cảm biến cho carbon monoxide, carbon dioxide, ozone và nitơ oxit cho dự áncảm biến đô thị / có sự tham gia Một cách tiếp cận thú vị khác được thảo luận trong[26], trong đó; các các phép đo chất lượng môi trường trong thời gian thực và lịch sửđược sử dụng để suy ra chất lượng môi trường hạt mịn trong thành phố Các kỹ thuậthọc tập tương tự có thể được áp dụng cho dữ liệu do ô nhiễm thiết bị di động của tácgiả thu thập mô hình cảm biến để dự đoán sự phân tán của các chất ô nhiễm và chấtlượng môi trường ở các khu vực có các thiết bị giám sát hoạt động Không có sẵn

1.5 Hệ thống robot giám sát môi trường

Robot đang được phát triển và sử dụng như một công cụ thu thập dữ liệu cơ bảncho môi trường giám sát để đáp ứng các tiêu chuẩn được thiết lập bởi cơ quan quản lý

An toàn và Vệ sinh lao động Giám sát các yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm, mức CO, v.v.làmối quan tâm lớn đối với các doanh nghiệp, tổ chức giáo dục và tổ chức y tế vì nó cóthể ảnh hưởng đáng kể đến sức khỏe, sự thoải mái, hạnh phúc và năng suất của các cánhân Cảm biến thu thập dữ liệu có thể cung cấp thông tin cần thiết về Chất lượng môitrường trong nhà cho các nhà thiết kế và đội bảo trì để thực hiện các biện pháp khắcphục để đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn lao động Hơn nữa, robot giám sát môi trườngvới máy móc và cảm biến tự động có thể thay thế con người để thu thập dữ liệu trongmôi trường nguy hiểm Để giải quyết các vấn đề về yếu tố môi trường, tác giả đã làm

việc theo nhóm để thiết kế, chế tạo và thử nghiệm Hệ thống rô bốt di động để giám sát

và lập bản đồ dữ liệu từ cảm biến môi trường trong các kịch bản được xác định rõ ràngtrong tòa nhà

1.5.1 Kiến trúc phân lớp của robot tự hành

Hệ thống rô bốt giám sát môi trường bao gồm Đơn vị đo lường quán tính (IMU)được hỗ trợ bởi bộ mã hóa trên cơ sở Robot để xác định vị trí của Robot và Kinect @Microsoft Inc.camera để phát hiện các đối tượng và chướng ngại vật trên quỹ đạo Các

hệ thống được đề xuất cũng bao gồm Hệ điều hành Robot (ROS) và phần cảm biếngiám sát môi trường ROS được sử dụng để lập bản đồ và bản địa hóa rô bốt di động.Ngăn xếp điều hướng trong ROS được sử dụng cho hoạt động tự động của robot để dichuyển qua một con đường được xác định trước để lập bản đồ dữ liệu từ các cảm biếnmôi trường

Phần cảm biến bao gồm cảm biến độ ẩm, nhiệt độ cảm biến và một cảm biến đểphát hiện sự hiện diện của các khí khác nhau như CO, metan, và khí ga Nghiên cứunày trình bày về thiết kế, chế tạo, lập trình và thực hiện một robot nền tảng để theo dõinhững thay đổi của môi trường Đề tài này cũng giới thiệu một cách tiếp cận cho phéphọc viên làm việc theo nhóm để phát triển hệ thống phần cứng / phần mềm

Hình 1.5 Kiến trúc phân lớp của robot

Trong Hình 1.6 trình bày cấu trúc điển hình của hệ robot phát triển theo mụcđích giám sát môi trường Robot được trang bị máy ảnh Kinect 3D Microsoft màu đenđược gắn trên đỉnh của Robot Máy tính xách tay đã được gắn ngay trên iRobot Create

1 Có ba cảm biến nhiệt độ được gắn kết nối với các cổng tương tự của Ardunio Uno.Cảm biến độ ẩm và cảm biến CO được gắn trên một bo mạch chính phía sau máy ảnhKinect 3D Microsoft Pin cho Kinect 3D Microsoftcamera, cảm biến độ ẩm, cảm biến

CO và Ardunio Uno được đặt trên đầu robot

Hình 1.6 Robot iRobot Create 1

1.5.2 Dự án nghiên cứu thiết kế chế tạo robot hỗ trợ đa năng

Trong khuôn khổ thực hiện dự án thiết kế chế tạo robot tự hành hỗ trợ đa năng cókiến trúc đề xuất như hình 1.6

Hình 1.7 Cấu trúc điển hình của robot di động giám sát môi trường

a) Phân hệ cảm biến: gồm hai loại cảm biến được tích hợp

chấp hành

LiDAR/RealSense: là cảm biến chính, có nhiệm vụ thu thập hình ảnh môitrường hoạt động, cung cấp dữ liệu độ sâu Đây là những loại cảm biến mạnh mẽ nhấthiện nay

Cảm biến mở rộng: là các loại cảm biến tích hợp để hỗ trợ việc dẫn đường chorobot trong những tình huống khẩn cấp hoặc đặc thù Nó có thể là cảm biển va chạm,cảm biến vị trí… Ngoài ra có thể tích hợp không hạn chế các cảm biến thu thập dữ liệumôi trường như nhiệt độ, khí ga, khí CO, khí SO2, khói, bụi…

b) Phân hệ điều khiển:

Gồm các bộ điều khiển hoặc máy tính nhúng Trong trường hợp tích hợp cảmbiến mở rộng thì cần thiết sử dụng một hoặc nhiều vi điều khiển để tính toán và truyền

dữ liệu tới máy tính nhúng Nhiệm vụ của máy tính nhúng là lý dữ liệu từ cảm biếnhình ảnh LiDAR hoặc RealSense để đưa ra đường đi tối ưu cho robot Các dữ liệuđường đi dùng để ánh xạ thành các tập lệnh để đièu khiển cơ cấu chấp hành thông qua

bộ vi điều khiển thứ thứ hai Ngoài ra máy tính nhúng cần hỗ trợ giao tiếp với thiết bịngoại vi như màn hình, chuột và bàn phím

c) Phân hệ chấp hành:

Bao gồm các module cần thiết tạo ra chuyển động theo ý muốn cho robot Đó là

vi điều khiển, mạch đièu khiển công suất động cơ, và các động cơ Mỗi động cơ cần córiêng mạch điểu khiển và nó được lựa chọn dựa vào tính toán công suất tối thiểu Việc

sử dụng động cơ có tích hợp sẵn bộ encoder là một kinh nghiệm tốt

d) Phân hệ ngoại vi:

Thực hiện các tương tác với robot thông qua giao tiếp tiêu chuẩn với máy tínhnhúng Nó bao gồm nhưng không bị giới hạn các thiết bị ngoại vi cơ bản như bànphím, chuột và màn hình

1.6 Mục đích và phạm vi nghiên cứu

1.6.1 Mục đích nghiên cứu

Trong dự án này, tác giả tham gia thực hiện triển khai phần hệ thống đa cảmbiến gồm các Cảm biến mở rộng kết nối với Vi điều khiển 1 trong phân hệ điều khiển(hình 1.7) Ngoài ra, nghiên cứu này cũng phát triển thêm phân hệ truyển thông ứngdụng công nghệ IoT Toàn bộ dữ liệu thu thập sẽ được gửi tới máy chủ ở xa Một hoặcnhiều thiết bị thông minh như điện thoại di động có thể theo dõi dữ liệu hoặc điềukhiển hệ thống giám sát môi trường từ xa cũng thông qua sự hỗ trợ của máy chủ (Hình1.8)

Hình 1.8 Sơ đồ phân hệ chức năng của hệ thống đa cảm biến thu thập dữ liệu

Mục đích của luận văn này là nghiên cứu, phân tích xây dựng hệ thống giám sátchất lượng môi trường bằng các cảm biến di động để tạo điều kiện cho thời gian thựcgiám sát chất lượng môi trường và truyền thông tin cho người giám sát, điều hành

1.6.2 Phạm vi nghiên cứu

Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn này, tác giả trình bày một cách tiếp cậnhiệu quả hơn bằng cách sử dụng cảm biến một số thông số cơ bản môi trường, có côngsuất thấp dễ sở hữu kết hợp với công nghệ thiết bị thông minh robot tự hành kết nối vớicác dịch vụ dữ liệu dựa trên đám mây có thể mở rộng Mô hình cảm biến bao gồm cảmbiến điện hóa, bộ vi điều khiển và bộ phát Wifi sử dụng để kết nối vào thiết bị thôngminh để xuất bản dữ liệu cảm biến Mô hình của tác giả sử dụng thiết bị thông minhhiện có khả năng lưu trữ và nhân rộng dữ liệu hiệu quả tới các máy chủ đám mây từ

xa Người dùng có thể không chỉ thu thập mà còn chia sẻ dữ liệu ô nhiễm thời gianthực có giá trị như vậy với người khác Tác giả hy vọng nó sẽ giúp kiểm soát chấtlượng môi trường tốt hơn

Luận án của tác giả liên quan đến việc tạo ra một ứng dụng Android dễ sử dụng

có thể được sử dụng để xem mức độ ô nhiễm ở mức đường phố hiện tại của vị trí ngườidùng hiện tại Nếu người dùng đang có một cá nhân máy theo dõi ô nhiễm môi trường,

nó có thể được đăng ký và sử dụng để thu thập và chia sẻ dữ liệu ô nhiễm môi trườngvới các thành viên cộng đồng khác Giám sát ô nhiễm môi trường di động có thể được

sử dụng để tăng cường hệ thống đa cảm biến thu thập dữ liệu Cảm biến môi trường diđộng có thể được sử dụng để cải thiện độ chính xác tổng thể của phép đo ô nhiễm môitrường mà dữ liệu hiện tại không có sẵn Một ví dụ tốt được đánh giá cao các tuyếnđường ùn tắc trong thời gian cao điểm đi lại Nó sẽ được sử dụng để đo ô nhiễm môitrường trong môi trường khép kín bên trong các phương tiện cơ giới Khi chi phí của

truyền thông máy chủ Phân hệ

điều khiển

Thiết bị thông minh

cảm biến khí điện hóa và thông minh thiết bị ít hơn và vì mức độ tiêu thụ điện năng vàtính toán thấp, tác giả có thể dễ dàng nhận ra sự thích ứng thực tế của cộng đồng trựctuyến cảm biến chất lượng môi trường di động như vậy.

1.7 Kết luận chương

Như vậy tác giả đã trình bày được tính cấp thiết của bài toán giám sát môitrường Từ đó đặt vấn đề cần giải quyết cụ thể là xây dựng hệ thống đa cảm biến giámsát môi trường theo định hướng hỗ trợ robot tự hành Tuy nhiên hệ thống cần xây dựngcũng không bị hạn chế khi mở rộng bài toán tích hợp trên các hệ thống thông minhkhác Tiếp theo, tác giả đặt phạm vi nghiên cứu của đề tài trong khuôn khổ thời gianthực hiện luận văn và trong bối cảnh tham gia cùng các cộng sự làm việc tại phòng thínghiệm của trường đại học Bách Khoa Hà Nội

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGUYÊN VẬT LIỆU

Chương này trình bày lý thuyết về cảm biến, module về các cảm biến, các loạigiao tiếp, vi xử lý được sử dụng để xây dựng hệ thống quan sát thu thập dữ liệu môitrường Các vật liệu được trình bày trong chương này được lựa chọn theo định hướngphù hợp với hệ thống đa cảm biến thu thập dữ liệu môi trường di động, có khả năng hỗtrợ các thiết bị thông minh như robot tự hành, nhưng không giới hạn khả năng hoànthiện thành một hệ thống đa cảm biến thu thập dữ liệu cầm tay hoặc tích hợp trên cácphương tiện, hệ thống khác

Trong chương này, tác giả đề xuất giám sát chất lượng môi trường thông quacác cảm biến di động, công suất thấp, chi phí thấp, được thiết kế để lấy mẫu các chất ônhiễm không khí như carbon mono-oxide, môi trường nhiệt độ, độ ẩm và áp suấtkhông khí và giao tiếp qua Wifi với thiết bị thông minh

2.1 Cảm biến

2.1.1 Khái niệm

Bộ cảm biến là thiết bị điện tử cảm nhận những trạng thái hay quá trình vật lý,

hóa học hay sinh học của môi trường cần khảo sát, và biến đổi thành tín hiệu điện đểthu thập thông tin về trạng thái hay quá trình đó

Thông tin được xử lý để rút ra tham số định tính hoặc định lượng của môitrường, phục vụ các nhu cầu nghiên cứu khoa học kỹ thuật hay dân sinh và gọi ngắngọn là đo đạc, phục vụ trong truyền và xử lý thông tin hay trong điều khiển các quátrình khác

Cảm biến thường được đặt trong các vỏ bảo vệ tạo thành đầu thu hay đầu

dò (Test probe), có thể có kèm các mạch điện hỗ trợ, và nhiều khi trọn bộ đó lại đượcgọi luôn là "cảm biến" Tuy nhiên trong nhiều văn liệu thì thuật ngữ cảm biến ít dùngcho vật có kích thước lớn Thuật ngữ này cũng không dùng cho một số loại chi tiết,như cái núm của công tắc bật đèn khi mở tủ lạnh, dù rằng về mặt hàn lâm núm này làmviệc như một cảm biến

Có nhiều loại cảm biến khác nhau và có thể chia ra hai nhóm chính:

1 Cảm biến vật lý: sóng điện từ, ánh sáng, tử ngoại, hồng ngoại, tia X, tia

gamma, hạt bức xạ, nhiệt độ, áp suất, âm thanh, rung động, khoảngcách, chuyển động, gia tốc, từ trường, trọng trường,

2 Cảm biến hóa học: độ ẩm, độ PH, các ion, hợp chất đặc hiệu, khói,

3 Cảm biến sinh học: đường glucose huyết, DNA/RNA, protein đặc hiệu cho các

loại bệnh trong máu, vi khuẩn, vi rút

2.1.2 Đặc trưng cảm biến

Một cảm biến được sử dụng khi đáp ứng các tiêu chí kỹ thuật xác định

 Độ nhạy: Gia số nhỏ nhất có thể phát hiện

 Mức tuyến tính: Khoảng giá trị được biến đổi có hệ số biến đổi cố định

 Dải biến đổi: Khoảng giá trị biến đổi sử dụng được

 Ảnh hưởng ngược: Khả năng gây thay đổi môi trường

 Mức nhiễu ồn: Tiếng ồn riêng và ảnh hưởng của tác nhân khác lên kết quả

 Sai số xác định: Phụ thuộc độ nhạy và mức nhiễu

 Độ trôi: Sự thay đổi tham số theo thời gian phục vụ hoặc thời gian tồn tại(date)

 Độ trễ: Mức độ đáp ứng với thay đổi của quá trình

 Độ tin cậy: Khả năng làm việc ổn định, chịu những biến động lớn của môitrường như sốc các loại

 Điều kiện môi trường: Dải nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, làm việc được

Có sự tương đối trong tiêu chí tùy thuộc lĩnh vực áp dụng Các cảm biến ở các thiết

bị số (digital), tức cảm biến logic, thì độ tuyến tính không có nhiều ý nghĩa

2.1.3 Phân loại cảm biến

2.1.3.1 Phân loại theo nguồn năng lượng

Cảm biến chủ động và cảm biến bị động phân biệt ở nguồn năng lượng dùng cho phép biến đổi lấy từ đâu

1 Cảm biến chủ động không sử dụng điện năng bổ sung để chuyển sang tín hiệu

điện Điển hình là cảm biến áp điện làm bằng vật liệu gốm, chuyển áp suấtthành điện tích trên bề mặt Các antenna cũng thuộc kiểu cảm biến chủ động

2 Cảm biến bị động có sử dụng điện năng bổ sung để chuyển sang tín hiệu điện.

Điển hình là các photodiode khi có ánh sáng chiếu vào thì có thay đổi của điệntrở tiếp giáp bán dẫn p-n được phân cực ngược Các cảm biến bằng biếntrở cũng thuộc kiểu cảm biến bị động

Phân loại thì như vậy nhưng một số cảm biến nhiệt độ kiểu lưỡng kim dường nhưkhông thể xếp hẳn vào nhóm nào, nó nằm vào giữa

2.1.3.2 Phân loại theo nguyên lý hoạt động

1 Cảm biến điện trở: Hoạt động dựa theo di chuyển con chạy hoặc góc quay

của biến trở, hoặc sự thay đổi điện trở do co giãn vật dẫn

2 Cảm biến cảm ứng:

 Cảm biến biến áp vi phân: Cảm biến vị trí (Linear variable differentialtransformer, LVDT)

 Cảm biến cảm ứng điện từ: các antenna

 Cảm biến dòng xoáy: Các đầu dò của máy dò khuyết tật trong kim loại,của máy dò mìn

 Cảm biến cảm ứng điện động: chuyển đổi chuyển động sang điệnnhư microphone điện động, đầu thu sóng địa chấn trên bộ (Geophone)

3 Cảm biến điện dung: Sự thay đổi điện dung của cảm biến khi khoảng cách hay

góc đến vật thể kim loại thay đổi

4 Cảm biến điện trường (FET): Sự thay đổi của điện trường ngoài dẩn đến sự

thay đổi của cường độ dòng điện bên trong cảm biến

5 Cảm biến từ giảo (magnetoelastic): ít dùng.

6 Cảm biến từ trường: Cảm biến hiệu ứng Hall, cảm biến từ trường dùng vật

liệu sắt từ, dùng trong từ kế

7 Cảm biến áp điện: Chuyển đổi áp suất sang điện dùng gốm áp điện như titanat

bari, trong các microphone thu âm, hay ở đầu thu sóng địa chấn trong nước(Hydrophone) như trong các máy Sonar

8 Cảm biến quang: Các cảm biến ảnh loại CMOS hay cảm biến

CCD trong camera, các photodiode ở các vùng phổ khác nhau dùng trong nhiềulĩnh vực Ví dụ đơn giản nhất là đầu dò giấy trong khay của máy in làmbằng photodiode Chúng đang là nhóm đầu bảng được dùng phổ biến, nhỏ gọn

và tin cậy cao

9 Cảm biến huỳnh quang, nhấp nháy: Sử dụng các chất phát quang thứ cấp để

phát hiện các bức xạ năng lượng cao hơn, như các tấm kẽm sulfua

10 Cảm biến điện hóa: Các đầu dò ion, độ pH,

11 Cảm biến nhiệt độ: Cặp lưỡng kim, hoặc dạng linh kiện bán dẫn.

2.1.4 Một số cảm biến

2.1.4.1 Cảm biến nhiệt độ

Cảm biến nhiệt độ như Pt 56Ω, Pt 100Ω, cảm biến nhiệt độ hay còn gọi là cannhiệt, cặp nhiệt điện, nhiệt điện trở là cảm biến được sử dụng để đo nhiệt độ, khi nhiệt

độ thay đổi thì các cảm biến sẽ đưa ra một dạng tín hiệu mà từ tín hiệu này các bộ đọc

sẽ đọc được và quy ra nhiệt độ

Cảm biến nhiệt độ còn được gọi với rất nhiều tên khác như: cảm biến đo nhiệt

độ, sensor nhiệt độ, sensor cảm biến nhiệt độ, dây cảm biến nhiệt độ, dây dò nhiệt,cảm biến nhiệt độ công nghiệp, bộ cảm biến nhiệt độ, thiết bị cảm biến nhiệt độ…

2.1.4.2 Đầu dò khói

Đầu dò khói thường được đặt trong một vỏ nhựa hình đĩa đường kính 150 mm(6 in) và dày 25 mm (1 in), nhưng hình dáng có thể thay đổi tùy theo nhà sản xuấthoặc dòng sản phẩm Nó giúp phát hiện các vụ cháy Các máy dò khói làm việc bằngcách:

 Quang điện: dùng LED phát sáng chiếu qua buồng thử và thu nhậnbằng photodiode để xác định mức trong suốt Nó phản ứng tốt với khói trước khicháy thật

 Ion hóa: Dùng nguồn phóng xạ như Americi Am241 ion hóa buồng khí, để cáchạt khói nếu có sẽ nhiễm điện và tụ lại

 Cả hai cách trên để tăng độ tin cậy

2.1.4.3 Cảm biến tốc độ

Cảm biến tốc độ - bộ mã hóa quang học là đĩa mã trên có khắc vạch mà ánh sáng cóthể đi qua được Phía sau đĩa mã đặt phototransistor chịu tác dụng của một nguồnsáng Động cơ và đĩa mã được gắn đồng trục, khi quay ánh sáng chiếuđến phototransistor lúc bị ngăn lại, lúc không bị ngăn lại làm cho tín hiệu ở cực colecto

là một chuỗi xung Trên đĩa mã có khắc hai vòng vạch, ngoài A trong B có cùng sốvạch, nhưng lệch 90° (vạch A trước B là 90°) Nếu đĩa mã quay theo chiều kim đồng

hồ thì chuỗi xung B sẽ nhanh hơn chuỗi xung A là ½ chu kỳ và ngược lại Thiết bị đotốc độ như DC Tachometer, AC Tachometer, Optical Tachometer

2.1.4.3 Cảm biến mức chất lỏng

Cảm biến mức chất lỏng (Level sensor) hiện mức chất lỏng hoặc chất rắn lỏng hóa baogồm bùn, vật liệu dạng hạt và bột thể hiện bề mặt tự do phía trên Các chất chảy về cơbản trở thành nằm ngang trong các thùng chứa chúng (hoặc các ranh giới vật lý khác)

do trọng lực trong khi hầu hết các chất rắn khối lượng lớn ở một góc đặt lại đến đỉnh.Chất cần đo có thể ở trong một thùng chứa hoặc có thể ở dạng bể chứa tự nhiên nhưsông hồ Phép đo mức có thể là giá trị liên tục hoặc điểm Cảm biến mức liên tục đomức trong một phạm vi xác định và xác định chính xác lượng chất ở một nơi nhấtđịnh, trong khi cảm biến mức điểm chỉ cho biết chất đó ở trên hay dưới điểm cảmnhận Nói chung các mức phát hiện sau là quá cao hoặc thấp

2.1.4.4 Cảm biến áp suất

Cảm biến áp suất là loại cảm biến chuyên dùng để đo áp suất, áp lực trong các bồnchứa hay đường ống dẫn khí, hơi, hay chất lỏng Nhiệm vụ của chúng là giám sát ápsuất hay áp lực Và chuyển những thông tin đó về màn hình hiển thị hay bộ điều khiểndưới dạng tín hiệu 4-20mA Cảm biến áp suất có nhiều loại như: cảm biến áp suất âm,cảm biến chênh áp, cảm biến áp suất tương đối, cảm biến tuyệt đối Dải hoạt động cóthể từ giá trị áp âm đến 0 và đến giá trị áp dương Đơn vị của cảm biến áp suất thườngdùng là bar Một số nơi, nhà sản xuất dùng đơn vị PSI

2.1.4.5 Biến áp xoay

Biến áp xoay (quay) dùng để biến đổi điện áp của cuộn sơ cấp hoặc góc quay của cuộn

sơ cấp thành tín hiệu ra tương ứng với chúng Biến áp xoay sin, cos để đo góc quaycủa rôto, trên đặt cuộn sơ cấp, thành điện áp tỉ lệ thuận với sin hay cos của góc quay

đó Biến áp xoay tuyến tính biến đổi độ lệch góc quay của rôto thành điện áp tỉ lệtuyến tính

2.1.4.6 Con quay

Con quay 3 bậc tự do và con quay 2 bậc tụ do được sử dụng làm các bộ cảm biến đosai lệch góc và đo tốc độ góc tuyệt đối trong các hệ thống ổn định đường ngắm của cácdụng cụ quan sát và ngắm bắn

2.2 Cảm biến đo nồng độ bụi

2.2.1 Khái niệm Bụi

Bụi là tên chung cho các hạt chất rắn có đường kính nhỏ cỡ vài micrômet đếnnửa milimet, tự lắng xuống theo trọng lượng của chúng nhưng vẫn có thể lơ lửng trongkhông khí một thời gian sau

Bụi đến từ đâu? Bụi có thể được tạo thành từ một số thứ như từ tế bào da chết,mẩu thức ăn, phấn hoa và thậm chí là các hạt đá không gian Vị trí của bụi ở đâuthường quyết định thành phần của nó

Bụi nhà có thể có nhiều tế bào da trong đó, trong khi bụi trong xe của bạn cóthể chứa nhiều mảnh vụn đường Rõ ràng, bụi trong nhà bao gồm các thành phần khácnhau so với bụi ngoài trời, nhưng tác động của cả hai thường giống nhau Một số bụingoài trời đến từ ngoài vũ trụ - thổi khắp hành tinh Trên thực tế, bụi có thể chứa bất

kỳ số lượng hạt nào, bất kể nguồn gốc bí ẩn của nó

Nói một cách đơn giản, nó chứa bất cứ thứ gì có thể vỡ thành các hạt rất nhỏ cóthể di chuyển được bằng dòng không khí Và, vì các luồng không khí đủ mạnh có thể

di chuyển các vật thể, nên bụi có thể sinh ra từ bất cứ đâu và xuất hiện mọi chỗ Bụimịn là một loại bụi đặc biệt nguy hiểm với sức khỏe con người Bụi mịn là các loại hạtbụi có kích thước siêu nhỏ chỉ khoảng 2,5 micron các hạt bụi này xam nhập vào cơthể vào hệ hô hấp gây ra các bệnh nguy hiểm, ảnh hương đến sức khỏe con người

2.2.2 Một số cảm biến bụi

Trên thị trường có rất nhiều loại cảm biến bụi, sau đây là một số loại thôngdụng:

 Module cảm biến bụi PPD42NS(SEEED)

Module cảm biến bụi PPD42NS dùng để đo chất lượng môi trường trong

môi trường bằng cách đo nồng độ bụi Mức độ hạt vật chất (mức độ PM) trongkhông khí được đo bằng cách đếm thời gian xung thấp (thời gian LPO) trong mộtđơn vị thời gian nhất định Thời gian LPO tỷ lệ thuận với nồng độ PM

Hình 2.1 Module cảm biến bụi PPD42NS

- Phát hiện hạt bụi có đường kính tối thiểu; 1μmm

- Dải nồng độ phát hiện được: 0 ~ 28.000 / 0 ~ 8000 chiếc / lít /chiếc / 0.01cf

- Đầu ra PWM

 Module cảm biến bụi SDS011

Cảm biến bụi quang học này có thể đo chất lượng môi trường rất chính xácbằng cách đo các hạt không khí hoặc bụi dựa trên phát hiện laser, có thể nhận đượcnồng độ hạt trong khoảng từ 0,3 đến 10um trong không khí, nó kết nối với đầu ra

kỹ thuật số và quạt tích hợp là ổn định và đáng tin cậy

Hình 2.2 Module cảm biến bụi SDS011

Thông số kĩ thuật:

- Điện áp: 4.7 – 5.3V DC

- Công suất tiêu thụ: 70mA ± 10mA (khi hoạt động), <4mA (chế độ ngủ củalaser và quạt)

- Phạm vi đo: 0.0-999.9 g/m3

- Đầu ra PM2.5 và PM10

- Tuổi thọ của Laser: lên tới 8000 giờ (hoạt động liên tục)

- Dòng tối đa: 100mA

- Phạm vi nhiệt độ hoạt động: -20 ~ 500C

- Kích thước: 71x70x23 mm

 Module cảm biến bụi PMS7003M/G7

PMS7003 là một loại cảm biến nồng độ bụi kỹ thuật số mà có thể dùng để đo

nồng độ bụi trong không khí, PMS7003 sẽ đo nồng độ bụi và đưa ra đầu ra củamạch dưới dạng tín hiệu số (digital), sản phẩm sử dụng tán xạ của laser sau đó thuthập tán xạ của ánh sáng theo mức độ nhất định và có được sự thay đổi của tán xạcủa ánh sánh, sau cùng số liệu được đưa vào vi xử lí để tính toán dựa theo lý thuyếtMIE

Hình 2.3 Module cảm biến bụi PMS7003M/G7

 Module cảm biến bụi GP2Y1010AU0F

Module cảm biến bụi GP2Y1010AU0F được sản xuất bởi hãng SHARP, được sử

dụng để nhận biết nồng độ bụi trong không khí, nguyên lý hoạt động dựa trên LEDphát hồng ngoại tích hợp bên trong cảm biến bụi, khi có bụi vào thì sẽ bị khúc xạ, làmgiảm đi cường độ tia hồng ngoại ==> điện áp thay đổi

Hình 2.4 Cấu tạo của cảm biến bụi GP2Y1010AU0F

Cảm biến được cấu tạo từ 3 thành phần chính: IR LED, Phototransistor và Amplifier.Nguyên lý hoạt động: Ở đây ta thấy sẽ có 02 bộ phận dùng để truyền và nhận hồngngoại (IR LED và Phototransistor) 02 bộ phận này được đặt chệch gốc với nhau Khi

có bụi bay vào, tia hồng ngoại từ IR LED sẽ bị dội vào Phototransistor, lúc này điện áp

từ phototransistor sẽ được đưa đến mạch khuếch đại (Amplifier) và xuất ra chân Vo.Theo datasheet, một lần đo của cảm biến sẽ mất khoảng 10ms để đo Trong 10ms sẽcó:

0.32ms: Trong khoảng thời gian này, IR LED sẽ được bật lên va chúng ta tiến

hành đọc giá trị Tuy nhiên, chỉ được phép đọc giá trị sau 0.28ms Vậy nhữngviệc chúng ta cần làm trong 0.32ms này đó là:

- Bật IR LED

- Delay 0.28ms

- Tắt IR LED

- Delay 0.04ms

9.680ms: Thời gian này cảm biến sẽ nghỉ không làm gì cả.

Tài liệu mô tả cho biết, ta có thể tìm được nồng độ bụi trong không khí bằng quy đổi

vpd: Giá trị điện áp tương ứng với 1 giá trị digital

vRef: Giá trị điện áp cấp cho cảm biến (5.0 hoặc 3.3).

Sau khi đã có vpd, ta chỉ cần nhân với giá trị ADC đọc từ chân Vo của cảm biến là cóthể tính ra được điện áp

Vậy là sau khi có điện áp, ta có thể dễ dàng tính ra được nồng bộ bụi trong không khí:

dustDensity = (Vo*vpd)/0.5

Tuy nhiên, bằng những phép kiểm thử thực tế, người ta thấy rằng giá trị này khôngđúng như thực tế Giá trị đo được không trùng với bảng tham chiếu mà nhà sản xuấtđưa ra Vì vậy người ta dùng phương pháp Linear equation để tìm ra được phươngtrình cho phép tham chiếu kết quả gần đúng như nhà sản xuất đưa ra

Cacbon monoxit, công thức hóa học là CO, là một chất khí không màu, không

mùi, bắt cháy và có độc tính cao Nó là sản phẩm chính trong sự cháy không hoàn toàncủa cacbon và các hợp chất chứa cacbon

Có nhiều nguồn sinh ra cacbon monoxit Khí thải của động cơ đốt trong tạo rasau khi đốt các nhiên liệu gốc cacbon có chứa cacbon monoxit, đặc biệt với nồng độcao khi nhiệt độ quá thấp để có thể thực hiện việc ôxi hóa trọn vẹn cáchydrocacbon trong nhiên liệu thành nước (dạng hơi) và cacbon dioxit, do thời gian có

thể tồn tại trong buồng đốt là quá ngắn và cũng có thể là do không đủ lượng oxy cầnthiết Thông thường, việc thiết kế và vận hành buồng đốt sao cho có thể giảm lượng

CO là khó khăn hơn rất nhiều so với việc thiết kế để làm giảm lượng hydrocacbonchưa cháy hết Cacbon monoxit cũng tồn tại với một lượng đáng kể trong khói thuốc

lá Trong gia đình, khí CO được tạo ra khi các nguồn nhiên liệu như xăng, hơi đốt, dầuhay gỗ không cháy hết trong các thiết bị dùng chúng làm nhiên liệu như xe máy, ô tô,

lò sưởi và bếp lò v.v Khí cacbon monoxit có thể thấm qua bê tông hàng giờ sau khi xe

cộ đã rời khỏi ga-ra

Cacbon monoxit là cực kỳ nguy hiểm, do việc hít thở phải một lượng quá lớn

CO sẽ dẫn tới thương tổn do giảm oxy trong máu hay tổn thương hệ thần kinh cũngnhư có thể gây tử vong Nồng độ chỉ khoảng 0,01% cacbon monoxit trong không khícũng có thể là nguy hiểm đến tính mạng

2.3.2 Một số cảm biến khí CO

Một số loại cảm biến trên thị trường:

2.3.2.1 Cảm biến CO MQ-7(DFROBOT)

CẢM BIẾN KHÍ CO MQ7 (DFROBOT) là cảm biến bán dẫn có khả năng

phát hiện khí carbon monoxide có nồng độ từ 20 đến 2000 ppm Vật liệu tạo ra cảmbiến là từ chất SnO2, có độ dẫn điện thấp trong không khí sạch Cảm biến có độnhạy cao và thời gian đáp ứng nhanh Có 2 dạng tín hiệu ngõ ra là analog và digital

Cảm biến khí CO MQ-7 là cảm biến bán dẫn có giá rẻ có khả năng phát hiện

khí carbon monoxide có nồng độ từ 10 đến 1000 ppm Vật liệu tạo ra cảm biến là

từ chất SnO2, có độ dẫn điện thấp trong không khí sạch Có độ nhạy cao và thời gianđáp ứng nhanh Có 2 dạng tín hiệu ngõ ra là analog và digital Cảm biến có thể hoạtđộng được ở nhiệt độ từ: -20 độ C đến 50 độ C và tiêu thụ dòng khoảng 150mA tại 5V.Tuổi thọ cao, chi phí thấp