Xây dựng hệ thống cảnh báo môi trường trong tòa nhà (cháy, độ ẩm)

Với những ưu điểm vượt trội trên, luận văn tập trung nghiên cứu, xây dựng hệ thống cảnh báo cháy, độ ẩm cao trong tòa nhà sử dụng các công nghệ không dây như: ISM, GSM, Wi-Fi, Bluetooth,

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

PHẠM ANH VŨ

XÂY DỰNG HỆ THỐNG CẢNH BÁO MÔI TRƯỜNG

TRONG TÒA NHÀ (CHÁY, ĐỘ ẨM)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

PHẠM ANH VŨ

XÂY DỰNG HỆ THỐNG CẢNH BÁO MÔI TRƯỜNG

TRONG TÒA NHÀ (CHÁY, ĐỘ ẨM)

Chuyên ngành: Đo lường và các hệ thống điều khiển

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

LỜI CAM ĐOAN

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 3

3 Đối tượng nghiên cứu 3

4 Phạm vi nghiên cứu 3

5 Phương pháp nghiên cứu 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC CẢM BIẾN ĐỘ ẨM, CẢM BIẾN CHÁY 4

1.1 Cảm biến độ ẩm (Humidity sensor) 4

1.1.1 Cảm biến độ ẩm điện dung (Capacitive humidity sensor) 6

1.1.2 Cảm biến độ ẩm điện trở (Resistive humidity sensor) 7

1.1.3 Cảm biến độ ẩm dẫn nhiệt (Thermal Conductivity Humidity Sensor) 9

1.2 Cảm biến khói (Smoke sensor) 12

1.2.1 Cảm biến khói ion hoá (Ionization detector) 13

1.2.2 Cảm biến khói quang điện (Photoelectric Smoke Detector) 14

1.2.3 Cảm biến khói quang dạng tia (Projected Beam Detector) 16

1.2.4 Cảm biến khói lắp trên đường ống (Duct smoke detector) 19

1.2.5 Đầu báo khói độ nhạy cao (Aspirating Smoke Detector hoặc Air Sampling Detector - ASD) 20

CHƯƠNG 2 MỘT SỐ PHƯƠNG THỨC TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY 22

2.1 Tổng quan 22

2.2.2 Tin nhắn ngắn SMS 24

2.2.3 Wi-Fi 25

2.2.4 ZigBee 27

2.2.5 Bluetooth 29

CHƯƠNG 3 TỔNG QUAN VỀ CÁC MODULE SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG 32

3.1 Module xử lý trung tâm 32

3.1.1 Giới thiệu chung về chip ARM 32

3.1.2 Giới thiệu tổng quan Cortex-M3 33

3.1.3 Khối MPU STM32F103 34

3.2 Module Hiển thị và phím bấm 37

3.2.1 Hình dáng và kích thước 37

3.2.2 Chức năng các chân 38

3.3 Module truyền tin GSM 38

38

3.3.2 Cấu trúc mạng GSM 39

3.3.3 Giới thiệu Module GSM SIM908 40

3.3.4 Tập lệnh AT 42

3.4 Module nguồn 42

3.5 Vi điều khiển PIC 45

3.5.1 Giới thiệu về vi điều khiển PIC 45

3.5.2 Giới thiệu PIC 16F1823 47

3.6 Module cảm biến độ ẩm 49

3.7 Module cảm biến khói 50

3.8 Module truyền, nhận dữ liệu không dây Wireless 50

CHƯƠNG 4 CÁC BƯỚC XÂY DỰNG HỆ THỐNG 55

4.1 Xây dựng phần cứng của hệ thống 55

4.3.1 Phần mềm vẽ mạch hệ thống Protel 99 se 57

4.3.2.Phần mềm nạp vào điều khiển hệ thống 58

CHƯƠNG 5 TÍCH HỢ 61

5.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống 61

5.2 Mô hình truyền dữ liệu của hệ thống 62

5.3 Sơ đồ nguyên lý 63

5.3.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống trung tâm 63

5.3.2 Sơ đồ nguyên lý của module cảm biến và wireless 67

5.4 Thuậ 72

ối xử lý trung tâm 72

ối Cảm biến độ ẩm, khói, module Wireless 73

5.5 Phần cứng hệ thống 74

5.6 Phần mềm hệ thống 76

5.7 Cài đặt hệ thống cảnh báo trong tòa nhà 79

5.7.1 Lắp đặt module đo độ ẩm 81

5.7.2 Lắp đặt module báo khói 84

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 86

6.1 Các kết quả đạt được 86

6.2 Các kết quả chưa đạt được 86

6.3 Khó khăn gặp phải trong quá trình làm luận văn 87

6.4 Định hướng phát triển trong tương lai 87

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO i

PHỤ LỤC iii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan:

1 Những nội dung trong luận văn này là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn trực tiếp của GS TS Phạm Thị Ngọc Yến

2 Mọi tham khảo dùng trong luận văn đều được trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên công trình, thời gian, địa điểm công bố

3 Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

4 Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian trá, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Tác giả luận văn (Ký và ghi rõ họ tên)

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AC Alternating Current- Dòng xoay chiều

ADC Analog-to-Digital Converter-Bộ biến đổi tương tự - số

ARM Advanced RISC Machine- Cấu trúc ARM

ASD Aspirating Smoke Detector-Cảm biến khói độ nhạy cao kiểu

nephelomet CCK Complementary Code Keying-Điều chế mã bù

CPS Capacitive Sensing – cổng vào cảm biến điện dung của PIC DAC Digital-to-Analog Converter- Bộ biến đổi số- tương tự

DC Direct current- Dòng điện một chiều

DMA Direct Memory Access-Truy cập bộ nhớ trực tiếp

GPRS General Packet Radio Service-Dịch vụ chuyển mạch gói

FCC Federal Communications Commission-Ủy ban Truyền thông

Liên bang

GSM Global System for Mobile Communications-Thông tin di động

GSM I2S Integrated Interchip Sound- Chuẩn giao tiếp âm thanh I2S I2C Inter-Integrated Circuit- Giao diện I2C

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers-Tổ chức các kỹ

sư điện tử và điện ISM Industrial Scientific Medical – Băng tần ISM

IrDA Infrared Data Access- Truy cập hồng ngoại

KXLTT Khối Xử Lý Trung Tâm

LAN Local Area Network- Mạng LAN

LCD Liquid Crystal Display- Màn hiển thị tinh thể lỏng

LED Light Emitting Diode-Điod phát quang

LOS Line of Sight-Tầm nhìn thẳng

NLOS None Line of Sight- Ngoài tầm nhìn thẳng

OFDM Orthogonal Frequency-Division Multiplexing- Điều chế OFDM nRF nRF24L01

PC Personal Computer- Máy tính cá nhân

PCB Printed Circuit Board- Mạch in

PDA Personal Digital Assistant- Máy tính cầm tay PDA

PIC Programmable Intelligent Computer- Vi điều khiển PIC

PWM Pulse Width Modulation- Điều chế độ rộng xung

RF Radio Frequency- Tần số vô tuyến điện

SDIO Secure Digital Input Output-Vào ra có bảo mật

SIM Subscriber identity module- Thẻ SIM

SPI Serial Peripheral Interface- Giao diện truyền thông nối tiếp

UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter- Bộ thu phát dị bộ Wi-Fi Wireless Fidelity - Mạng không dây

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Bảng hiển thị thông số quan trọng của cảm biến độ ẩm 5

Bảng 1.2 Độ nhạy tiêu chuẩn của cảm biến khói 13

Bảng 2.1 Các dải tần số phổ biến của ISM 23

Bảng 3.1 Chức năng các chân của LCD 38

Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật chung của PIC16F1823 47

Bảng 3.3 Chức năng của các chân module nRF24L01+ 53

Bảng 4.1 Danh sách linh kiện phần cứng 56

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Hình ảnh cảm biến độ ẩm 4

Hình 1.2 Cấu trúc cơ bản của cảm biến điện dung 6

Hình 1.3 Cảm biến điện trở 7

Hình 1.4 Cấu trúc của cảm biến điện trở 7

Hình 1.5 Tương quan giữa cảm biến điện trở với độ ẩm ở 25°C 8

Hình 1.6 Tương quan giữa cảm biến điện trở và độ ẩm 9

Hình 1.7 Cảm biến độ ẩm dẫn nhiệt 9

Hình 1.8 Sơ đồ mạch của cảm biến độ ẩm dẫn nhiệt 10

Hình 1.9 Mối tương quan giữa độ ẩm và đầu ra của cảm biến độ ẩm dẫn nhiệt 11

Hình 1.10 Hình ảnh cảm biến khói 12

Hình 1.11 Cấu tạo đầu báo khói ion 14

Hình 1.12 Cấu tạo đầu báo khói quang 14

Hình 1.13 Đầu báo beam dạng thu - phát 16

Hình 1.14 Đầu báo beam dạng phản xạ 17

Hình 1.15 Đầu báo tia báo động khi khói che khuất một phần tia hồng ngoại 17

Hình 1.16 Đám cháy được phát hiện bởi đầu báo beam 18

Hình 1.17 Hoạt động của đầu báo beam phản xạ 19

Hình 1.18 Đầu báo Duct 19

Hình 1.19 Hệ thống ASD 20

Hình 3.1 Mô hình giao tiếp vi điều khiển ARM STM32 32

Hình 3.2 Các thành phần chính của vi xử lý Cortex-M3 33

Hình 3.3 Hình ảnh chip vi điều khiển ARM STM32F103VET6 34

Hình 3.4 Sơ đồ khối chip vi điều khiển ARM STM32F103VET6 35

Hình 3.5 Sơ đồ chân của LCD 37

Hình 3.6 Mô hình hệ thống GSM 39

Hình 3.7 Mô hình hệ thống thông tin di động tế bào 40

Hình 3.8 Hình ảnh Module sim908 41

Hình 3.9 Sơ đồ kết nối Sim908 với MCU 42

Hình 3.10 Sơ đồ hoạt động của khối nguồn mạch chính 43

Hình 3.11 Sơ đồ hoạt động của khối nguồn mạch Wireless 43

Hình 3.12 IC nguồn LM2576 chân dán 44

Hình 3.13 Sơ đồ cấu tạo bên trong của LM2576 44

Hình 3.14 sơ đồ khối của PIC16F1823 48

Hình 3.15 Sơ đồ bố trí chân của PIC16F1823 49

Hình 3.16 Hình ảnh cảm biến độ ẩm 49

Hình 3.17 Hình ảnh cảm biến khói 50

Hình 3.18 Sơ đồ khối module nRF24L01+ 52

Hình 3.19 Sơ đồ bố trí chân (nhìn từ trên xuống) của module nRF24L01+ 52 Hinh 3.20 Sơ đồ chân module nRF24L01 54

Hình 4.1 Phần mềm thiết kế Protel 99se 57

Hình 4.2 Lập trình Keil cho ARM 58

Hình 4.3 MPLAB IDE và các thành phần hỗ trợ 59

Hình 4.4 Chu trình thiết kế của MPLAB 60

Hình 5.1 Sơ đồ tổng thể hệ thống 62

Hình 5.2 Mô hình truyền dữ liệu của thiết bị 62

Hình 5.3 Sơ đồ nguyên lý của hệ thốngtrung tâm 63

Hình 5.4 Sơ đồ nối dây module Wireless 63

Hình 5.5 Sơ đồ nối dây module Sim908 65

Hình 5.6 Sơ đồ nối dây module LCD 66

Hình 5.7 Sơ đồ nguồn hệ thống 66

Hình 5.8 Sơ đồ nguyên lý của module cảm biến và Wireless 67

Hình 5.9 Sơ đồ nguyên lý mạch đo độ ẩm 67

Hình 5.10 Module cảm biến điện dung 68

Hình 5.11 Sơ đồ nguyên lý mạch đo độ ẩm và báo khói 69

Hình 5.12 Sơ đồ nguyên lý mạch nRF24L01 70

Hình 5.13 Hình ảnh Module cảm biến và Wireless 74

Hình 5.14 Sơ đồ mạch in module cảm biến và Wireless 75

Hình 5.15 Bo mạch chính của hệ thống 75

Hình 5.16 Module 2 báo độ ẩm 100% RH và có khói 76

Hình 5.17 Hai module 1 và 2 báo độ ẩm 100% RH 77

Hình 5.18 Tin nhắn cảnh báo trên điện thoại di động 78

Hình 5.19 Hình ảnh tổng quan hệ thống 78

Hình 5.20 Bố trí hệ thống cảnh báo trong tòa nhà 80

Hình 5.21 Bố trí hệ thống cảnh báo trong 1 tầng nhà 80

Hình 5.22 Sương mù dày đặc làm tòa nhà Keangnam “mất ngọn” 81

Hình 5.23 Trời nồm 81

Hình 5.24 Mốc trên sensor máy ảnh 81

Hình 5.25 Vị trí lắp đặt module cảm biến ẩm 82

Hình 5.27 Máy chụp cắt lớp giá 5,5 tỷ đồng 83

Hình 5.28 Cháy dữ dội tại một tòa nhà 84

Hình 5.29 Module báo khói ở hành lang 84

Hình 5.30 Sơ đồ bố trí vị trí lắp đặt cảm biến khói trong phòng ở 85

Hình 5.31 Sơ đồ bố trí vị trí lắp đặt cảm biến khói trong phòng làm việc 85

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Là một quốc gia nhiệt đới, Việt Nam quanh năm có nhiệt độ cao và độ ẩm lớn Cùng với khí hậu nhiệt đới gió mùa, trời nồm, độ ẩm cao dẫn đến sàn nhà đọng nước, trơn trượt có thể làm cho trẻ em và người già bị ngã, gây chấn thương Ngoài việc độ ẩm cao ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người như kích thích trực tiếp niêm mạc đường thở dẫn đến các triệu chứng ho, hắt hơi, khó thở, làm tăng mức độ trầm trọng của một số bệnh đường hô hấp mạn tính như bệnh phổi tắc nghẽn mạn tính, hen phế quản Độ ẩm cao tạo điều kiện thuận lợi cho các vi khuẩn, vi rút, nấm mốc phát triển, dẫn đến tăng nguy cơ mắc các bệnh nhiễm trùng đường hô hấp (bệnh viêm mũi họng cấp tính, viêm phế quản cấp, viêm phổi), nhiễm trùng đường tiêu hóa, một số bệnh ngoài da và gia tăng tình trạng dị ứng Độ ẩm cao còn làm chập, cháy điện (chập, cháy điện là nguyên nhân lớn nhất gây hỏa hoạn ở nước ta năm 2014), làm hỏng các thiết bị điện tử, quang học, các đồ vật bằng gỗ, gây mốc tường…

Ngoài việc phải đối phó với độ ẩm môi trường cao, gây thiệt hại về sức khỏe

và vật chất cho người dân, việc đối phó với cháy, nổ và phòng cháy chữa cháy đã trở thành mối quan tâm hàng đầu không chỉ ở nước ta mà ở hầu hết các nước trên thế giới Tính chung trong 10 tháng đầu năm 2014, cả nước đã xảy ra 2.078 vụ cháy, nổ nghiêm trọng, làm 92 người chết và 138 người bị thương Thiệt hại do cháy, nổ gây ra ước tính khoảng 590 tỷ đồng Để hạn chế tối đa thiệt hại về người

và của do cháy, nổ gây ra, tốt nhất là công tác phòng chống cháy, nổ Hàng năm, các cơ quan, trường học, lực lượng phòng cháy, chữa cháy thường xuyên tổ chức diễn tập các phương án phòng cháy, chữa cháy Chính phủ quy định thủ trưởng các đơn vị phải trực tiếp làm trưởng ban phòng cháy, chữa cháy của đơn vị mình… Điều này một lần nữa chứng tỏ tầm quan trọng của việc phòng cháy, chữa cháy, nhất là với hiện tượng nóng lên toàn cầu nói chung và độ ẩm môi trường cao nói riêng mà nước ta đang phải đối mặt hiện nay Đồng thời với sự phát triển nhanh chóng và ứng dụng rất rộng rãi của công nghệ thông tin vào đời sống, sản xuất Các

hệ thống cảnh báo môi trường (cháy, độ ẩm…) là hết sức cần thiết, nó mang lại nhiều lợi ích không chỉ về kinh tế, bảo đảm tài sản cho nhân dân, cơ quan, nhà máy… mà còn đem lại tính mạng, sự an toàn và sức khỏe cho mọi người

Các hệ thống cảnh báo môi trường này đã được nghiên cứu và triển khai trong vài thập niên trước Các hệ thống báo động, báo cháy, chữa cháy tự động ngày nay phát huy vai trò quan trọng trong việc phát hiện sớm các sự cố, đề phòng rủi ro, giảm thiểu chi phí cho các doanh nghiệp; đẩy nhanh quá trình công nghiệp hoá - hiện đại hoá đất nước

Hiện nay các hệ thống tương tự tại Việt Nam đều do nước ngoài lắp đặt hoặc các đơn vị trong nước tích hợp bằng ghép nối các phần mua sẵn (phần cứng

và phần mềm) do vậy giá thành cao, chi phí lắp đặt, bảo trì nâng cấp cao Để lắp đặt hệ thống báo cháy cho một tòa nhà 9 tầng, mỗi tầng có 4 phòng, mỗi phòng cần 1 cảm biến báo cháy, kinh phí theo báo giá của các công ty lắp đặt hệ thống báo cháy tại Hà nội tháng 3 năm 2015 là 500 triệu đồng Nếu không tính kinh phí của thiết bị trung tâm và các đường dây nối từ trung tâm lên các tầng, kinh phí trung bình cho một cảm biến sau khi lắp đặt là 8 triệu đồng Giả thiết cần lắp hệ thống báo cháy cho 1 tòa nhà 10 tầng, mỗi tầng có 20 căn hộ, mỗi căn hộ có 4 phòng, kinh phí tối thiểu cần để lắp đặt cho 800 cảm biến khói là 6,4 tỷ đồng Kinh phí này quá lớn và không khả thi đối với điều kiện kinh tế ở Việt Nam Vì vậy chủ động thiết kế, chế tạo hệ thống trong nước sẽ cho phép giảm giá thành, từ

đó tạo điều kiện cho các doanh nghiệp đầu tư cho hệ thống này để nâng cao hiệu quả hoạt động Đặc biệt với việc ứng dụng các kỹ thuật mạng không dây mới nhất vào các hệ thống sẽ giúp phần làm giảm giá thành và chi phí hoạt động của hệ thống cũng như có những ưu điểm vượt trội về số lượng các điểm đo nên có thể thu thập được rất nhiều thông tin hữu ích mà các hệ truyền thống không thể có được Ngoài ra, các hệ thống sử dụng công nghệ không dây còn có các ưu điểm khác: Tăng khả năng cạnh tranh ở tính di động và độ linh hoạt; Giảm chi phí bảo trì công trình, chi phí dịch vụ; Có thể truy cập dữ liệu không phụ thuộc vào kết nối mạng trong nhà và ngoài trời; Cắt giảm 90% chi phí cáp, chi phí và thời gian lắp đặt so với các mạng hữu tuyến

Với những ưu điểm vượt trội trên, luận văn tập trung nghiên cứu, xây dựng

hệ thống cảnh báo cháy, độ ẩm cao trong tòa nhà sử dụng các công nghệ không dây như: ISM, GSM, Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee … Hệ thống này sẽ sớm phát hiện các hiện tượng khói, độ ẩm tăng cao vượt ngưỡng, thông qua hệ thống mạng không dây gửi tin cảnh báo đến điện thoại di động của cá nhân, đơn vị chức năng

Luận văn thực hiện tiến hành nghiên cứu tổng quan về nguyên lý làm việc của các cảm biến độ ẩm, báo khói, một số các giao thức truyền tin không dây phổ biến Nghiên cứu và phát triển một hệ thống thiết bị có khả năng phát hiện có khói hay độ

ẩm cao ở các vị trí khác nhau, truyền các thông số môi trường đo được về trung tâm bằng công nghệ không dây, trung tâm tiến hành xử lý thông tin, nếu phát hiện ra các thông số nhận được vượt ngưỡng cho phép, trung tâm sẽ truyền thông tin cảnh báo đến các thuê bao điện thoại di động của những người quản lý

2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu, phát triển hệ thống thiết bị phát hiện hỏa hoạn, độ ẩm cao trong tòa nhà; Truyền thông tin trong tòa nhà và thông tin cảnh báo đến điện thoại di động sử dụng công nghệ không dây

3 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận văn tập trung vào hệ thống cảnh báo môi trường sử dụng công nghệ không dây, đặc biệt là ISM và GPS

4 Phạm vi nghiên cứu

Luận văn nghiên cứu tổng quan các cảm biến cháy, độ ẩm và các kiến trúc vi điều khiển PIC, ARM, module Wireless Từ đó đề xuất thiết kế và xây dựng hệ thống bao gồm các module thu thập dữ liệu, xử lý trung tâm, truyền tin và hiển thị…

5 Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng các phương pháp nghiên cứu: phương pháp tham khảo tài liệu; phương pháp tham khảo ý kiến chuyên gia; phương pháp tổng hợp và phân tích hệ thống; phương pháp thực nghiệm…

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC CẢM BIẾN ĐỘ ẨM, CẢM BIẾN CHÁY

1.1 Cảm biến độ ẩm (Humidity sensor)

Hình 1.1 Hình ảnh cảm biến độ ẩm

Độ ẩm là sự hiện diện của nước trong không khí Lượng hơi nước trong không khí có thể ảnh hưởng đến con người cũng như nhiều quy trình sản xuất trong ngành công nghiệp Sự có mặt của hơi nước cũng ảnh hưởng khác nhau về vật lý, hóa học, và các quá trình sinh học Cảm biến độ ẩm đo độ ẩm trong các ngành công nghiệp có vai trò rất quan trọng bởi nó có thể ảnh hưởng đến chi phí kinh doanh của sản phẩm cũng như sức khỏe và an toàn của các nhân viên Trong ngành công nghiệp bán dẫn, độ ẩm cần được kiểm soát đúng cách và theo dõi trong quá trình chế biến nước Trong các ứng dụng y tế, kiểm soát độ ẩm cần thiết cho các thiết bị hô hấp, tiệt trùng, chế biến dược phẩm, và các sản phẩm sinh học Kiểm soát độ ẩm cũng rất cần thiết trong lọc khí hóa học, máy sấy, lò nướng, giấy và dệt may Trong nông nghiệp, đo độ ẩm rất quan trọng để bảo vệ rừng (phòng chống sương), giám sát độ ẩm của đất, vv… Ngoài ra kiểm soát độ ẩm cũng cần thiết cho môi trường sống trong các tòa nhà, … Trong tất cả các ứng dụng, cảm biến độ ẩm được sử dụng để cung cấp dấu hiệu phát hiện sự bất thường của độ ẩm trong môi trường

Đơn vị thường được sử dụng để đo độ ẩm:

- Độ ẩm tương đối(RH), hàm đặc trưng cho nhiệt độ và phụ thuộc vào nhiệt

- Độ ẩm tuyệt đối (Dew/Frostpoint - D /FPT): đặc trưng cho áp lực của không khí nhưng không phụ thuộc vào nhiệt độ Chúng thường được sử dụng như một chỉ số của hơi nước trong quá trình nhiệt độ cao, chẳng hạn như sấy công nghiệp

Tương ứng với các đơn vị đo độ ẩm thì trên thi trường cảm biến độ ẩm cũng được chia làm 2 loại:

- Cảm biến độ ẩm tương đối (RH);

- Cảm biến độ ẩm tuyệt đối

Bảng 1.1 cho các thông số quan trọng của các loại cảm biến độ ẩm:

Chất hoạt

động Nhựa đất sét

Nhựa dẻo nóng

Nhựa dẻo nóng

Khối dẻo nóng

Khối AlO3

Sợi LiCl

Chất nền Ceramic or

Silicon

Ceramic or Silicon

Polyester or mylar film

N/A N/A Ceramic

3 min to 5 min Khoảng

Bảng 1.1 Bảng các thông số quan trọng của các cảm biến độ ẩm

Nguyên tắc cảm biến: Đo độ ẩm có thể được thực hiện bằng ẩm kế khô và ướt, bóng đèn, ẩm kế điểm sương và ẩm kế điện tử Thường được sử dụng nhất là

ẩm kế điện tử và được gọi là cảm biến độ ẩm

Cảm biến độ ẩm có thể được phân chia thành ba loại:

- Cảm biến điện dung;

- Cảm biến điện trở;

- Cảm biến độ ẩm dẫn nhiệt

1.1.1 Cảm biến độ ẩm điện dung (Capacitive humidity sensor)

Cảm biến độ ẩm dựa trên nguyên tắc này bao gồm một vật liệu điện môi hút

ẩm kẹp giữa một cặp điện cực tạo thành một tụ điện nhỏ Hầu hết các cảm biến điện dung sử dụng một loại nhựa polymer hoặc làm vật liệu điện môi với hằng số điện môi điển hình khác nhau, từ 2 đến 15 Trong trường hợp không có độ ẩm, hằng số điện môi của vật liệu điện môi hút ẩm và hình dạng cảm biến xác định giá trị của điện dung;

Ở nhiệt độ bình thường(25oC), hằng số điện môi của hơi nước có giá trị khoảng 80, lớn hơn nhiều so với hằng số điện môi của vật liệu cảm biến Vì vậy, sự hấp thụ hơi nước bằng những kết quả cảm biến làm tăng cảm ứng điện dung;

Ở điều kiện cân bằng, lượng ẩm trong vật liệu hút ẩm phụ thuộc vào cả nhiệt

độ môi trường xung quanh và áp suất hơi nước Điều này cũng đúng đối với các vật liệu điện môi hút ẩm được sử dụng trên bộ cảm biến

Theo định nghĩa, độ ẩm tương đối là một hàm của nhiệt độ môi trường xung quanh và áp suất hơi nước Vì vậy có một mối quan hệ giữa độ ẩm tương đối, lượng

ẩm trong các bộ cảm biến và cảm ứng điện dung Mối quan hệ này điều chỉnh các hoạt động của một công cụ độ ẩm điện dung Trên hình 1.2 cho cấu trúc cơ bản của cảm biến điện dung

Hình 1.2 Cấu trúc cơ bản của cảm biến điện dung

Trên bề mặt nhôm, điện cực thấp được làm bằng vàng, bạch kim hoặc vật liệu khác Một lớp nhựa polymer như PVA được tích trên các điện cực Lớp này sẽ cảm nhận độ ẩm Trên phim polymer này, lớp vàng được tích để hoạt động như điện

cực Các điện cực cũng cho phép hơi nước đi qua nó, vào lớp cảm biến Hơi vào hoặc rời khỏi lớp cảm biến hút ẩm cho đến khi lượng hơi cân bằng với không khí xung quanh hoặc gas Do đó loại cảm biến điện dung về cơ bản là một tụ điện có lớp phim polymer như điện môi cảm nhận độ ẩm

1.1.2 Cảm biến độ ẩm điện trở (Resistive humidity sensor)

Hình 1.3 Cảm biến độ ẩm điện trở

Cảm biến độ ẩm loại điện trở lấy những thay đổi trong giá trị điện trở của phần tử cảm biến để đáp ứng với sự thay đổi về độ ẩm Hình 1.3 cho hình các cảm biến độ ẩm điện trở Hình 1.4 cho hình cấu trúc cơ bản của cảm biến độ ẩm điện trở

Hình 1.4 Cấu trúc của cảm biến độ ẩm điện trở

Một màng dẫn dày làm bằng kim loại quý như vàng, bạch kim được in và nung khô trong hình dạng của chiếc lược để tạo thành một điện cực Sau đó, một phim nhựa polymer được áp lên các điện cực; phim sẽ cảm nhận độ ẩm qua các ion

di chuyển dẫn đến thay đổi trở kháng

Sự thay đổi trở kháng thường tỷ lệ nghịch với hàm mũ của độ ẩm Hình 1.5 cho sự tương quan giữa cảm biến điện trở và độ ẩm ở 25o

C

Hình 1.5 Tương quan giữa cảm biến điện trở với độ ẩm ở 25°C

Cảm biến điện trở bao gồm các điện cực kim loại quý hoặc kết tủa trên một

bề mặt bằng các kỹ thuật cản quang hoặc các điện cực trên nhựa hoặc thủy tinh hình trụ Bề mặt được phủ một lớp muối hoặc polymer dẫn điện Khi bị giải phóng hoặc

bị treo trong một chất kết dính lỏng nó có chức năng như một phương tiện để phân lớp cảm biến Ngoài ra, các chất nền có thể được chế bằng hóa chất kích hoạt như axit Các cảm biến hấp thụ hơi nước và các nhóm chức năng ion được tách ra, dẫn đến sự gia tăng tính dẫn điện Thời gian đáp ứng cho hầu hết các cảm biến điện trở dao động từ 10 đến 30s cho một bước thay đổi 63% Phạm vi trở kháng của các yếu

tố điện trở điển hình thay đổi từ 1 k đến 100 M

Hầu hết các cảm biến điện trở sử dụng điện áp kích thích đối xứng AC không

có thành phần DC để ngăn chặn sự phân cực của cảm biến Kết quả là dòng điện được chuyển đổi và sửa chữa một tín hiệu điện áp DC cho rộng thêm, khuếch đại, tuyến tính, hoặc chuyển đổi A /DR (xem hình 1.6)

Hình 1.6 Tương quan giữa cảm biến điện trở và độ ẩm

Ưu điểm của bộ cảm biến độ ẩm điện trở là chúng có thể thay thế lẫn nhau, thường là trong vòng ± 2% RH, điều này cho phép các mạch điều khiển tín hiệu điện tử được hiệu chỉnh bởi một điện trở tại một điểm cố định RH Điều này loại bỏ

sự cần thiết phải tiêu chuẩn hóa độ ẩm hiệu chuẩn Độ chính xác của cảm biến độ

ẩm điện trở đơn lẻ có thể được xác định bằng cách kiểm tra trong một căn phòng hiệu chuẩn RH hoặc bằng một hệ thống DA trên máy tính tham chiếu đến môi trường kiểm soát độ ẩm tiêu chuẩn Nhiệt độ hoạt động trên lý thuyết của cảm biến điện trở dao động từ -40 ° C đến 100 ° C

Trong môi trường khu dân cư và thương mại, tuổi thọ của các cảm biến này

là hơn 5 năm, nhưng tiếp xúc với hơi hóa chất và chất gây ô nhiễm khác như sương dầu có thể dẫn đến bị hỏng Nhược điểm của một số cảm biến điện trở là xu hướng thay đổi giá trị khi tiếp xúc với các chất hòa tan trong nước Cảm biến độ ẩm điện trở phụ thuộc đáng kể vào nhiệt độ khi được đặt trong môi trường biến động nhiệt

độ lớn(> 10 ° F)

1.1.3 Cảm biến độ ẩm dẫn nhiệt (Thermal Conductivity Humidity Sensor)

Hình 1.7 Cảm biến độ ẩm dẫn nhiệt

Cảm biến độ ẩm dẫn nhiệt đo độ ẩm tuyệt đối bằng cách định lượng sự khác biệt giữa độ dẫn nhiệt của không khí khô và không khí có hơi nước Để đo độ ẩm tuyệt đối ở nhiệt độ cao, cảm biến độ ẩm dẫn nhiệt thường được sử dụng Chúng khác nhau về nguyên tắc điều hành từ điện trở và điện dung cảm biến Cảm biến độ

ẩm tuyệt đối ở bên trái và ở giữa; phòng nhiệt điện trở ở bên phải Khi không khí khô, nó có khả năng tản nhiệt lớn hơn, ví dụ như khí hậu sa mạc Ở Sa mạc, trời nóng vào ban ngày, nhưng vào ban đêm nhiệt độ xuống nhanh do khí quyển khô Đối với khí hậu ẩm ướt thì nhiệt không hạ nhanh vào ban đêm do hơi nước trong khí quyển giữ lại nhiệt

Cảm biến độ ẩm dẫn nhiệt (hoặc cảm biến độ ẩm tuyệt đối) bao gồm hai phần

tử hợp hệ số nhiệt độ âm (NTC) được nối trong một mạch cầu; một phần tử được đóng gói trong nitơ khô và phần tử khác được tiếp xúc với môi trường (xem hình 1.8)

Hình 1.8 Sơ đồ mạch của cảm biến độ ẩm dẫn nhiệt

Trong các cảm biến độ ẩm dẫn nhiệt, hai điện trở nhiệt kết hợp được sử dụng trong một mạch cầu DC Một cảm biến được đóng gói trong nitơ khô và một cảm biến khác được tiếp xúc với môi trường xung quanh Điện áp đầu ra mạch cầu tỷ lệ thuận với độ ẩm tuyệt đối

Khi dòng điện đi qua các điện trở nhiệt, điện trở nhiệt làm tăng nhiệt độ lớn hơn 200°C Nhiệt tiêu tán từ nhiệt điện trở kín lớn hơn nhiệt điện trở tiếp xúc do sự khác biệt về sự dẫn nhiệt của hơi nước so với khí nitơ khô Do nhiệt lượng tiêu tán theo nhiệt độ, sự khác biệt về trở kháng của điện trở nhiệt là tỉ lệ thuận với độ ẩm tuyệt đối (xem hình 1.9)

Hình 1.9 Mối tương quan giữa độ ẩm và đầu ra

của cảm biến độ ẩm dẫn nhiệt

Tín hiệu đầu ra của cảm biến độ ẩm dẫn nhiệt theo nhiệt độ hoạt động Đầu ra tối đa ở nhiệt độ 600°C; ở 200°C đầu ra xuống 70% Mạng lưới điện trở đơn giản cho điện áp ra trong khoảng 0-130g / m3 ở 60°C Hiệu chuẩn được thực hiện bằng cách đặt các cảm biến độ ẩm trong không khí tự nhiên hoặc khí nitơ và điều chỉnh không ở đầu ra Cảm biến độ ẩm tuyệt đối rất bền, hoạt động ở nhiệt độ lên đến 575°F (300°C)

và có khả năng kháng hơi hóa chất do được xây dựng từ các vật liệu trơ như thủy tinh, vật liệu bán dẫn cho điện trở nhiệt, nhựa chịu nhiệt độ cao hoặc nhôm

Ưu điểm của cảm biến độ ẩm dẫn nhiệt là nó đáp ứng với bất kỳ loại khí có tính chất nhiệt khác với nitơ khô; điều này sẽ ảnh hưởng đến các phép đo Cảm biến

độ ẩm tuyệt đối thường được sử dụng trong các thiết bị như máy sấy quần áo, lò vi sóng và lò hơi nước phun Ứng dụng công nghiệp bao gồm lò sấy gỗ; máy móc thiết

bị để sấy dệt may, giấy, hóa chất và các chất rắn; sản xuất dược phẩm; nấu ăn; mất nước và thực phẩm Bởi vì một trong những sản phẩm phụ của quá trình đốt cháy và hoạt động tế bào nhiên liệu là hơi nước, sử dụng cảm biến độ ẩm tuyệt đối để theo dõi hiệu quả của những phản ứng này được đặc biệt quan tâm

Nói chung, cảm biến độ ẩm tuyệt đối cung cấp độ phân giải lớn hơn ở nhiệt

độ lớn hơn 200°F so với các cảm biến điện dung và điện trở, và có thể được sử dụng

trong các ứng dụng mà các cảm biến này không hoạt động được Độ chính xác điển hình của một bộ cảm biến độ ẩm tuyệt đối là 3g/m3; chuyển đổi khoảng ± 5% RH ở 40°C và ± 0.5% RH ở 100°C Như vậy, sự tiến bộ nhanh chóng trong công nghệ bán dẫn, phương pháp thổi ion, và lớp phủ gốm / silicon, đã tạo ra các bộ cảm biến

độ ẩm có độ chính xác cao và có sức đề kháng với hóa chất và chất gây ô nhiễm vật

lý Các cảm biến điện trở, điện dung, nhiệt và dẫn nhiệt đều cung cấp các lợi thế riêng biệt Cảm biến điện trở có thể hoán đổi, có thể sử dụng cho các địa điểm từ xa, chi phí thấp Cảm biến điện dung cho dải đo rộng Cảm biến dẫn nhiệt hoạt động tốt trong môi trường ăn mòn và ở nhiệt độ cao Tùy vào điều kiện môi trường đều có thể lựa chọn các cảm biến phù hợp

1.2 Cảm biến khói (Smoke sensor)

Hình 1.10 Hình ảnh cảm biến khói

Cảm biến khói thường đặt trong một vỏ nhựa hình đĩa có đường kính khoảng

100 mm (4 inch) hoặc 150 mm (6 inch), nhưng hình dạng có thể thay đổi tuỳ theo nhà sản xuất hoặc dòng sản phẩm (hình 1.10)

Cảm biến khói được đấu nối với trung tâm báo cháy bằng dây 2 lõi hoặc 4 lõi:

- Cảm biến 2 dây là cảm biến được cấp nguồn và truyền tín hiệu trên cùng

01 đôi dây (2 dây) Thường sử dụng nguồn DC 24V;

- Cảm biến 4 dây là cảm biến được cấp nguồn riêng với đường tín hiệu Hai dây cấp nguồn (DC 12V hoặc DC 24V) và hai dây tín hiệu loại thường hở (NO) hoặc thường đóng (NC)

Hệ thống báo cháy chuyên dụng chủ yếu dùng loại cảm biến 2 dây với điện

áp 24V DC

Độ nhạy của cảm biến khói: là đơn vị đo lường tiêu chuẩn dùng để xác định

độ nhạy của cảm biến khói Độ nhạy là hiệu ứng mà khói làm giảm tầm nhìn của của đầu dò Độ nhạy càng lớn thì nồng độ khói càng nhiều Bảng 1.2 cho độ nhạy tiêu chuẩn của các cảm biến khói

Độ nhạy tiêu chuẩn của cảm biến khói Loại cảm biến Độ nhạy (Obscuration Level)

Ionization – ion hoá 2.6–5.0% obs/m 0.8–1.5% obs/ft

Photoelectric – quang điện 6.5–13.0% obs/m 2–4% obs/ft

Aspirating – độ nhạy cao 0.005–20.5% obs/m 0.0015–6.25% obs/ft

Bảng 1.2 Độ nhạy tiêu chuẩn của cảm biến khói 1.2.1 Cảm biến khói ion hoá (Ionization detector)

Cảm biến khói ion hoá (còn gọi là báo khói ion) sử dụng một chất đồng vị phóng xạ như Americium 241 (nguồn phát hạt alpha – α) để tạo ra sự ion hoá trong không khí

Cảm biến khói ion có độ nhạy cao trong giai đoạn cháy rực (khói không nhìn thấy) hơn so với cảm biến khói quang, trong khi cảm biến khói quang lại phát hiện tốt những đám cháy trong giai đoạn đầu âm ỉ

Buồng thu khói (smoke chamber) hay còn gọi là buồng ion hoá (ionization chamber) có cấu tạo đặc biệt để bụi và côn trùng khó lọt vào được, nhưng khói có thể dễ dàng đi vào

Trong buồng thu khói có một lượng nhỏ chất phóng xạ Americium 241 và 2 điện cực (hình 1.11) Chất phóng xạ sản sinh ra các ion mang điện trong không khí Một điện thế được đặt giữa 2 điện cực làm cho các ion dịch chuyển về các điện cực khác dấu tạo thành một dòng điện trong mạch của cảm biến

Hình 1.11 Cấu tạo đầu báo khói ion

Nếu có một số phần tử của khói chui vào buồng ion hoá, các ion sẽ kết hợp với các phần tử khói làm giảm dòng điện giữa 2 điện cực Một mặt phát hiện sự suy giảm dòng điện và phát tín hiệu báo động Ở trạng thái báo động, đèn LED trên cảm biến sẽ sáng đồng thời tín hiệu sẽ được chuyển về trung tâm báo cháy

Cảm biến ion có giá thành sản xuất rẻ hơn so với cảm biến khói quang, nhưng dễ gây ra hiện tượng báo giả, nó chỉ thích hợp với đám cháy có các hạt khói quá nhỏ (khói không nhìn thấy được)

1.2.2 Cảm biến khói quang điện (Photoelectric Smoke Detector)

Cảm biến khói quang điện hay còn gọi là cảm biến khói quang bao gồm một nguồn sáng nhỏ (LED phát hồng ngoại), một thấu kính hội tụ ánh sáng thành chùm tia và một cảm biến quang điện (photoelectric hoặc photodiode) đặt lệch góc với chùm tia hồng ngoại

Tất cả các thành phần trên đây được đặt trong một buồng quang học (optical chamber) hay còn gọi là buồng khói Hình 1.12 mô tả cấu tạo căn bản của cảm biến khói quang

Hình 1.12 Cấu tạo đầu báo khói quang

Buồng quang học (1) có cấu tạo đặc biệt để ánh sáng bên ngoài không thể lọt vào được, nhưng khói có thể dễ dàng đi vào Bên ngoài của buồng quang học có một lớp lưới để ngăn bụi và côn trùng chui vào bên trong

Trong trường hợp bình thường (không có khói), chùm tia sáng được tạo ra từ đèn phát hồng ngoại (5) đi theo đường thẳng không đến được đầu cảm biến quang (4)

Khi có khói vào bên trong buồng quang học ngang qua đường đi của chùm tia hồng ngoại, một số tia sáng bị khuyếch tán bởi các hạt khói đi đến đầu cảm biến quang (4) và kích hoạt báo động Khi đó, mạch điện sẽ chuyển tín hiệu hồng ngoại (quang) thành tín hiệu điện (báo động) Ở trạng thái báo động, đèn LED trên cảm biến sẽ sáng đồng thời tín hiệu sẽ được truyền về tủ báo cháy

Cảm biến khói quang phát hiện tốt đám cháy âm ỉ nhưng phản ứng chậm hơn cảm biến ion với đám cháy bùng phát nhanh, những thử nghiệm và nghiên cứu cho thấy cảm biến khói quang đáp ứng được tất cả các loại cháy và có tuổi thọ cao hơn

Ngày nay, một số cảm biến khói quang hiện đại có độ nhạy rất cao, bao trùm phạm vi của cảm biến khói ion và có thể thay thế hoàn toàn cho cảm biến ion Ví dụ cảm biến khói của Hochiki có độ nhạy từ 0.5-3.8%/ft, trong khi độ nhạy tiêu chuẩn của cảm biến ion là 0.8–1.5% obs/ft và của cảm biến quang là 2–4% obs/ft

So sánh giữa cảm biến khói quang và báo ion:

- Cảm biến quang điện đáp ứng nhanh hơn (thường là 30 giây hoặc hơn) trong giai đoạn âm ỉ trước khi thành ngọn lửa Khói trong giai đoạn âm ỉ thường tạo

ra các hạt đốt lớn giữa 0.3 và 10 micron;

- Cảm biến ion hoá đáp ứng nhanh hơn (thường là 30-60 giây) trong giai đoạn lửa bùng cháy (rực lửa) Khói trong giai đoạn rực lửa thường tạo ra các hạt đốt nhỏ – giữa 0.01 và 0.3 micron;

- Ngoài ra cảm biến ion hoá hoạt động yếu trong môi trường có luồng gió mạnh, và vì điều này cảm biến quang điện là tin cậy hơn để phát hiện khói trong cả 2 trường hợp cháy âm ỉ và cháy rực lửa Tháng 6/2006, Australasian Fire & Emergency Service Authorities Council, cơ quan đại diện cao nhất cho các tổ chức cứu hỏa Australia và New Zealand tuyên bố: “báo khói ion hóa không thể hoạt động

trong thời gian để cảnh báo đủ sớm cho người cư ngụ thoát khỏi đám cháy âm ỉ”;

- Đầu ion phát hiện tốt đám cháy không có khói (khói không nhìn thấy được);

- Sự hiện diện của chất phóng xạ Americium-241 trong cảm biến ion hoá, có nghĩa rằng tất cả các cảm biến khi hết thời gian hoạt hoạt động phải được xử lý để tránh tạo thành mối nguy hại đối với môi trường Vì vậy, một số nước đã cấm sử dụng cảm biến khói ion;

- Cảm biến khói quang dễ dàng trong việc sửa chữa bảo trì, đầu báo ion có chất phóng xạ nên không thể mở buồng ion để vệ sinh, sửa chữa được;

- Đầu ion sẽ báo giả nếu được lắp đặt tại nơi có luồng khí mạnh thổi qua;

- Cảm biến khói quang có tuổi thọ cao hơn cảm biến khói ion

1.2.3 Cảm biến khói quang dạng tia (Projected Beam Detector)

Các cảm biến như mô tả ở phần trên gọi là cảm biến khói điểm (spot detector)

Với khu vực bảo vệ có diện tích lớn, trần cao nơi mà cảm biến khói điểm khó lắp đặt và bảo trì, ví dụ như phòng tập thể dục, giảng đường sẽ dùng cảm biến khói quang dạng tia (cảm biến beam) Có 2 loại cảm biến khói tia: loại thu – phát và loại phản xạ

- Cảm biến khói tia loại thu– phát: gồm một đầu phát (T) và một đầu thu (R) tia hồng ngoại riêng biệt lắp đối diện với nhau trong khu vực cần bảo vệ (hình 1.13)

Hình 1.13 Đầu báo beam dạng thu - phát

- Cảm biến khói tia loại phản xạ: gồm một cảm biến kết hợp bộ phận phát và

bộ phận thu trong cùng một vỏ và tấm phản xạ lắp đối diện với cảm biến trong khu vực cần bảo vệ (hình 1.14)

Hình 1.14 Đầu báo beam dạng phản xạ

Chiều dài bảo vệ của đầu beam là khoảng cách giữa đầu thu và đầu phát, hoặc giữa cảm biến và tấm phản xạ

Đầu báo beam hoạt động dựa trên nguyên tắc làm mờ ánh sáng (light obscuration) Ở điều kiện môi trường sạch, không có khói, chùm tia hồng ngoại từ đầu phát (Transmiter) sẽ đến bộ phận cảm nhận ánh sáng đặt tại đầu thu (Reveiver) với cường độ 100%

Cảm biến beam được điều chỉnh độ nhạy theo mức được thiết lập sẵn, tính theo tỷ lệ phần trăm của độ nhạy hoàn toàn chùm tia chứ KHÔNG phải theo tỷ lệ nồng độ của khói Mức độ nhạy này, được xác định bởi nhà sản xuất, phụ thuộc vào chiều dài bảo vệ của cảm biến Ví dụ: Khi đặt cảm biến có độ nhạy 25%, có nghĩa là khi 25% tín hiệu của tia bị làm mờ bởi khói, cảm biến sẽ chuyển sang tình trạng báo động

Khi có cháy, khói từ đám cháy bay lên đi vào khu vực bảo vệ, cắt ngang đường hồng ngoại của cảm biến sẽ làm suy giảm tín hiệu hồng ngọai tới đầu thu Khi độ làm mờ đạt tới ngưỡng báo động được đặt trước, cảm biến sẽ phát một tín hiệu báo động cháy (hình 1.15)

Hình 1.15 Đầu báo tia báo động khi khói che khuất một phần tia hồng ngoại

Nếu đầu thu hoàn toàn không nhận được tia hồng ngoại (đầu phát bị hư, hoặc đứt dây, hoặc tia hồng ngọai bị che khuất 100%,…) cảm biến sẽ phát tín hiệu báo lỗi (trouble) để tránh báo giả

Sự thay đổi chậm của độ che mờ xảy ra, do bẩn hoặc bụi trên thấu kính của cảm biến, sẽ được bù trừ bởi một mạch vi điều khiển với chức năng giám sát liên tục cường độ tín hiệu và định kỳ hiệu chỉnh ngưỡng báo động và báo lỗi Khi mạch

tự bù trừ của cảm biến đạt đến ngưỡng giới hạn của nó, cảm biến sẽ phát tín hiệu báo lỗi, dấu hiệu yêu cầu dịch vụ bảo trì

Khoảng cách bảo vệ của đầu beam từ vài mét đến 100 mét (hoặc nhiều hơn, tuỳ thuộc vào nhà sản xuất), do vậy cảm biến dạng beam rất phù hợp để bảo vệ ở những nơi có diện tích lớn, tầm nhìn không bị che khuất

Theo NFPA72, cảm biến beam có thể bảo vệ một diện tích có chiều dài tối

đa 100 m (330 ft) và khoảng cách theo chiều ngang (với tia hồng ngoại ở giữa) tối

đa 18 m (60 ft), tương đương 1,800 m2 (19,800 sqft), trong khi đầu khói điểm có diện tích bảo vệ tối đa 83m2 (900 sqft)

Theo BS5839 part 1: Đầu khói điểm có đường kính bảo vệ tối đa 7.5 m, khoảng cách tối đa giữa 2 cảm biến là 10.5 m tương đương diện tích 110.25m2 Cảm biến beam cho phép bảo vệ một diện tích có chiều dài tối đa 100 m và chiều ngang (với tia hồng ngoại ở giữa) tối đa 15m, tương đương diện tích bảo vệ 1,500 m2 (hình 1.16, 1.17)

Hình 1.16 Đám cháy được phát hiện bởi đầu báo beam

Hình 1.17 Hoạt động của đầu báo beam phản xạ

1.2.4 Cảm biến khói lắp trên đường ống (Duct smoke detector)

Cảm biến Duct cung cấp khả năng phát hiện sớm khói và sản phẩm cháy có trong không khí di chuyển theo đường ống của hệ thống HVAC (HVAC là chữ viết tắt tiếng Anh của: H = Heating – Hệ thống sưởi ấm; V = Ventilation – Hệ thống thông gió; AC = Air Conditioning – Hệ thống điều hòa không khí Hình 1.18)

Hình 1.18 Đầu báo Duct

Có 2 ống nhỏ được lắp nhô vào bên trong đường ống của hệ thống HVAC, một ống có các lỗ khoan theo chiều dọc lắp ngược hướng dòng khí chuyển động để thu không khí đưa vào cảm biến Duct được gọi là ống lấy mẫu (Sampling Tube), ống còn lại đưa không khí ra khỏi cảm biến (Exhaust Tube)

Một cảm biến khói lắp bên trong đầu duct có nhiệm vụ phát hiện khói và phát tín hiệu báo động về trung tâm báo cháy hoặc thông qua các relay điều khiển các lá chắn (Damper) của hệ thống HVAC hoặc các thiết bị khác

1.2.5 Đầu báo khói độ nhạy cao (Aspirating Smoke Detector hoặc Air Sampling Detector - ASD)

Cảm biến khói độ nhạy cao - ASD hay còn gọi là VESDA dùng cho các khu vực quan trọng đòi hỏi báo cháy có độ nhạy rất cao, nơi mà nguồn lửa rất khó phát hiện, yêu cầu chỉ một lượng khói rất mỏng phải được phát hiện ngay

Một hệ thống ASD bao gồm một thiết bị dò khói trung tâm có khả năng thu hút không khí bằng máy hút khí và một mạng ống nhỏ lắp trong khu vực cần bảo

vệ Các lỗ mẫu (Sampling Point) được khoan vào mỗi ống trong theo khoảng cách phù hợp Không khí sau đó liên tục bị hút vào hệ thống đường ống thông qua các lỗ, hướng tới thiết bị dò trung tâm để phân tích và kiểm tra (hình 1.19)

Khác với các cảm biến khói thông thường, hệ thống ASD phân tích không khí trong thời gian thực Thiết kế của ASD cho phép thu thập mẫu không khí / khói thông qua hệ thống đường ống và dẫn về bộ cảm biến trung tâm

Độ nhạy cao cùng với chủ động thu thập mẫu khói cho phép phát hiện cháy ở giai đoạn rất sớm Điều này cực kỳ quan trọng trong những trường hợp môi trường

có ngóc ngách làm loãng khói và che khuất xung quanh

Hình 1.19 Hệ thống ASD

ASD phù hợp cho các môi trường yêu cầu phát hiện khói có độ nhạy rất cao

và nhanh chóng Điều này làm cho ASD rất phù hợp khi lắp trong phòng sạch sẽ, khu vực chứa hàng hoá quan trọng, dễ hư hỏng do cháy, phòng điện tử Thông thường, cảm biến khói điểm bình thường sẽ phát hiện sự nguy hiểm quá muộn, vì khói thường không đạt đến trần nhà nhanh chóng, đủ cho cảm biến khói phát hiện ra đám cháy kịp thời

Hệ thống mạng lưới đường ống có thể lắp ẩn nên phù hợp trong môi trường yêu cầu thẩm mỹ như văn phòng, căn hộ và phòng khách sạn Yếu tố này cũng làm cho nó thích hợp tại các địa điểm nơi mà cảm biến điểm có thể bị phá hoặc bị tháo mất

Độ nhạy cao không có nghĩa rằng ASD không thể được sử dụng trong môi trường bụi hoặc bẩn miễn là quá trình thiết kế, lắp đặt và bảo trì phù hợp Hầu hết các sản phẩm ASD có thể thích nghi cho một phạm vi rộng của môi trường và ứng dụng – từ cả không gian hạn chế và không gian mở tới môi trường sạch hay bẩn nhất, bao gồm cả telecom, phòng kiểm soát, xử lý chất thải, khai thác mỏ và nhiều hơn nữa

Trong hệ thống này ta dùng cảm biến khói quang điện không dây có thể dò những hạt khói nhìn thấy được phát ra từ đám cháy Có nắp bảo vệ, các tiếp điểm không phân cực, có tín hiệu báo cho biết cảm biến bị tháo ra bất hợp lệ, dòng giám sát thấp

CHƯƠNG 2 MỘT SỐ PHƯƠNG THỨC TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY

2.1 Tổng quan

Ngày nay, xã hội phát triển mạnh mẽ, kĩ thuật ngày càng hiện đại nên nhu cầu về trao đổi thông tin, giải trí, nhu cầu về điều khiển thiết bị từ xa ngày càng cao Những hệ thống dây cáp phức tạp lại không thể đáp ứng tốt nhu cầu này, nhất

là ở những khu vực chật hẹp, những nơi xa xôi, trên các phương tiện vận chuyển Vì thế công nghệ không dây ra đã và đang phát triển mạnh mẽ, tạo rất nhiều thuận lợi cho con người trong đời sống hàng ngày Kĩ thuật không dây phục

vụ rất nhiều nhu cầu khác nhau của con người, từ nhu cầu làm việc, học tập đến các nhu cầu giải trí như chơi game, xem phim, nghe nhạc,… Với các nhu cầu đa dạng

và phức tạp đó, kĩ thuật không dây đã đưa ra rất nhiều chuẩn với các đặc điểm kĩ thuật khác nhau để có thể phù hợp với từng nhu cầu, mục đích và khả năng của người sử dụng như ISM, GSM, WLAN với chuẩn 802.11, Zigbee, OpenAir, UWB, Bluetooth,…

Do vậy việc lựa chọn kĩ thuật nào phù hợp nhất cho ứng dụng của mình là thách thức lớn mà chúng ta cần phải giải quyết

2.2 Lựa chọn phương thức

Như đã nêu ở trên, với sự bùng nổ của công nghệ, các phương thức truyền tín hiệu không dây đã xuất hiện rất phổ biến và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống Mỗi chuẩn kĩ thuật đều có những ưu, khuyết điểm riêng của nó Sau đây là các phương thức thường được sử dụng hiện nay:

2.2.1 Băng tần ISM 2.4 GHz

Gần đây, tần số vô tuyến trong băng tần ISM đã được sử dụng cho các mục đích truyền thông, khoa học và y tế (bao gồm hệ thống sưởi tần số vô tuyến quá trình, lò vi sóng, và điện máy y tế) Tại Mỹ, hiệp hội FCC lần đầu tiên tạo ra sự mở rộng phổ giá trị trong bằng tần ISM với các quy ước phù hợp vào 9/5/1985

Các dải tần số phổ biến của ISM được liệt kê ở bảng 2.1:

Băng tần ISM Năng lượng tối thiểu

Bảng 2.1 Các dải tần số phổ biến của ISM

Các băng tần ISM 900 MHz rất hẹp và điều này làm hạn chế tốc độ dữ liệu tối đa Thông thường các ứng dụng như SCADA và RFID sử dụng băng tần 900 MHz vì yêu cầu tốc độ dữ liệu thấp hơn so với các ứng dụng được tìm thấy trong các dải tần số GHz 2,4-5 Tuy nhiên, tần số 900 MHz là tốt hơn so với tần số 2,4 GHz khi truyền qua các vật cản như cây, hoa lá (trên các Line of Sight (LOS)) Các băng tần 2,4 GHz sẽ hấp thụ nước trong cây và lá cây gây thiệt hại đường dẫn của

truyền 2,4 GHz Chính vì thế băng tần 900 MHz thường được sử dụng trong các ứng dụng Non-Line-Of-Sight (NLOS)

Đối với người dùng là gia đình và doanh nghiệp thương mại thì băng tần 2.4 GHz được sử dụng cho Wi-Fi, Bluetooth, điện thoại không dây, máy in, bàn phím, chuột và bộ điều khiển chơi game ứng dụng… Các ứng dụng thoại, video và dữ liệu được sử dụng trong các hệ thống 2.4 GHz yêu cầu tốc độ dữ liệu cao hơn (lên đến

300 Mbps cho các ứng dụng chuẩn 802.11n) Băng tần này được sử dụng bởi tất cả các thiết bị wireless dựa theo chuẩn 802.11, 802.11b và 802.11g, được xem là băng tần được sử dụng khá phổ biến FCC định nghĩa ra băng tần ISM 2.4 GHz là dãy tần

số từ 2.4000 GHz đến 2.5000 GHz (hay 2.4500 GHz ± 50 MHz) Các thiết bị wireless LAN thực sự chỉ sử dụng dãy tần số từ 2.4000 GHz đến 2.4835 GHz Lý

do chính cho sự giới hạn này là do FCC chỉ định nghĩa ra công suất cho phép các thiết bị wireless hoạt động trong dãy trên trong băng tần ISM 2.4 GHz mà thôi

Tuy nhiên, khi có tình trạng quá tải xảy ra, tín hiệu mạng Wi-Fi có thể yếu hoặc không làm việc Với trường hợp này, băng tần 5 GHz là lựa chọn tốt nhất liên kết truyền dẫn để kết nối mạng Wi-Fi

Các băng tần 5 GHz thường được sử dụng trong các ứng dụng Wi-Fi thương mại Nó có thể được sử dụng như một truyền dẫn kết nối hai hệ thống 2.4 GHz Băng tần 5 GHz cũng được sử dụng cho tiêu chuẩn 802.11ac mới nổi mà sẽ cung cấp lên đến 1,3 Gbps của dữ liệu không dây thông qua Ngoài ra 802.11n cũng có thể sử dụng tần số 5 GHz

2.2.2 Tin nhắn ngắn SMS

Dịch vụ tin nhắn ngắn SMS (Short Message Services) là một giao thức viễn thông cho phép gửi các thông điệp dạng văn bản ngắn (không quá 160 kí tự), SMS

là một thành phần dịch vụ tin nhắn của điện thoại, web, hoặc các hệ thống thông tin

di động Nó sử dụng giao thức truyền thông chuẩn để trao đổi tin nhắn văn bản ngắn trên đường dây cố định hoặc các thiết bị điện thoại di động

Tin nhắn SMS được sử dụng rộng rãi với ước tính khoảng 3,5 tỷ người dùng, chiếm khoảng 80% của các thuê bao điện thoại di động vào cuối năm 2010 Trong

năm 2010, 6.1 nghìn tỷ (6.1 × 1012) tin nhắn SMS được gửi đi, trung bình có 193.000 tin nhắn SMS trong một giây Tin nhắn SMS đã trở thành một ngành công nghiệp thương mại lớn, có thu nhập 114.6 tỷ US$ trên toàn cầu trong năm 2010, giá trung bình cho một tin nhắn SMS là 0,11 US$

Các sóng vô tuyến sử dụng cho Wi-Fi gần giống với các sóng vô tuyến sử dụng cho thiết bị cầm tay, điện thoại di động và các thiết bị khác Nó có thể chuyển

và nhận sóng vô tuyến, chuyển đổi các mã nhị phân 1 và 0 sang sóng vô tuyến và ngược lại

Tuy nhiên, sóng Wi-Fi có một số khác biệt so với các sóng vô tuyến khác ở chỗ:

- Chúng truyền và phát tín hiệu ở tần số 2.5 GHz hoặc 5 GHz Tần số này cao hơn so với các tần số sử dụng cho điện thoại di động, các thiết bị cầm tay và truyền hình Tần số cao hơn cho phép tín hiệu mang theo nhiều dữ liệu hơn

- Chúng dùng chuẩn 802.11:

o Chuẩn 802.11b là phiên bản đầu tiên trên thị trường Đây là chuẩn chậm nhất và rẻ tiền nhất, và nó trở nên ít phổ biến hơn so với các chuẩn khác 802.11b phát tín hiệu ở tần số 2.4 GHz, nó có thể xử lý đến 11 Mbps, và nó sử dụng mã CCK (complimentary code keying)

o Chuẩn 802.11g cũng phát ở tần số 2.4 GHz, nhưng nhanh hơn so với chuẩn 802.11b, tốc độ xử lý đạt 54 Mbps Chuẩn 802.11g nhanh hơn vì nó sử dụng mã OFDM (orthogonal frequency-division multiplexing), một công nghệ mã hóa hiệu quả hơn

o Chuẩn 802.11a phát ở tần số 5 GHz và có thể đạt đến 54 Mbps Nó cũng sử

dụng mã OFDM Những chuẩn mới hơn sau này như 802.11n còn nhanh hơn chuẩn 802.11a, nhưng 802.11n vẫn chưa phải là chuẩn cuối cùng

o Chuẩn 802.11n cũng phát ở tần số 2.4 GHz, nhưng nhanh hơn so với chuẩn 802.11a, tốc độ xử lý đạt 300 Mbps

Wi-Fi có thể hoạt động trên cả ba tần số và có thể nhảy qua lại giữa các tần

số khác nhau một cách nhanh chóng Việc nhảy qua lại giữa các tần số giúp giảm thiểu sự nhiễu sóng và cho phép nhiều thiết bị kết nối không dây cùng một lúc

Nhiều ứng dụng và các thiết bị hỗ trợ Wi-Fi bao gồm mạng gia đình, PDA, điện thoại di động, hệ điều hành, cần điều khiển trò chơi và các loại thiết bị điện tử tiêu dùng Wi-Fi cũng được tích hợp trong nhiều ứng dụng công nghiệp Công nghệ này gần đây đã hiện diện cả trong mạng di động, tại những khu vực mà nhà mạng muốn giảm tải lưu lượng dữ liệu trên đường truyền thoại Công nghệ Wi-Fi hiện nay đã được tích hợp trong các con chip hoặc các module có sẵn, khoảng cách xa nhất lên đến 100 m trong điều kiện không chắn sóng Đây là một lựa chọn tuyệt vời cho nhu cầu cần khoảng cách xa và tốc độ cao

Bất kỳ sản phẩm nào được kiểm tra và phê duyệt là "Wi-Fi Certified" của Wi-Fi Alliance đều tương thích với nhau, ngay cả khi chúng được sản xuất từ các nhà sản xuất khác nhau

Ưu nhược điểm của phương thức truyền tín hiệu bằng Wi-Fi

Ưu điểm:

- Sự tiện lợi: truyền tải không dây Wi-Fi cũng như truyền tải thông thường

Nó cho phép người dùng truy xuất tài nguyên mạng ở bất kỳ nơi đâu trong khu vực được triển khai (nhà hay văn phòng) Cùng với sự gia tăng số người sử dụng máy tính xách tay (laptop), đó là một điều rất thuận lợi;

- Khả năng di động: Với sự phát triển của phương thức truyền tín hiệu không dây công cộng, người dùng có thể truy cập Internet ở bất cứ đâu Chẳng hạn ở các quán Cafe, người dùng có thể truy cập Internet không dây miễn phí;

- Hiệu quả: Người dùng có thể duy trì kết nối mạng khi họ đi từ nơi này đến nơi khác;

- Thiết kế hệ thống mạng thu thập tín hiệu xác định vị trí vật cho người khiếm thị;

- Triển khai: Việc thiết lập phương thức truyền tín hiệu không dây ban đầu chỉ cần ít nhất 1 access point Trong khi đó, với phương thức dùng cáp, phải tốn thêm chi phí và có thể gặp khó khăn trong việc triển khai hệ thống cáp ở nhiều nơi trong tòa nhà;

- Khả năng mở rộng: phương thức truyền tín hiệu không dây Wi-Fi có thể đáp ứng tức thì khi gia tăng số lượng người dùng mà không cần phải gắn thêm cáp

- Độ tin cậy: Vì sử dụng sóng vô tuyến để truyền thông nên việc bị nhiễu, tín hiệu bị giảm do tác động của các thiết bị khác (lò vi sóng…) là không tránh khỏi Làm giảm đáng kể hiệu quả hoạt động của mạng;

- Tốc độ: Tốc độ truyền (1- 125 Mbps) rất chậm so với phương thức sử dụng cáp (100 Mbps đến hàng Gbps)

2.2.4 ZigBee

Zigbee là một giao thức được xây dựng theo chuẩn IEEE 802.15.4 Giao thức này được tạo ra nhằm phục vụ cho những ứng dụng yêu cầu giá thành và công suất thấp nhưng phải có khả năng linh động trong phạm vi rộng Chuẩn Zigbee được phát triển và xúc tiến bởi hãng Zigbee Alliance, với sự hỗ trợ từ hơn 200 công ty trên thế giới như: SIEMENS, ATMEL, NI, NEC, TEXAS INSTRUMENTS, EPSON

Về bản chất Zigbee cũng một chuẩn giao tiếp không dây như những chuẩn không dây khác: UWB, Wi-Fi, IrDA, 3G, Bluetooth nhưng nó mang những đặc tính kỹ thuật và đặc tính vật lý riêng và do đó sẽ chỉ phù hợp với một mảng ứng

dụng nhất định Chuẩn Zigbee có đặc điểm là phạm vi hoạt động hẹp, tốc độ truyền Zigbee thích hợp cho các sensor không dây và chuyên dùng cho các ứng dụng giám sát, điều khiển

ZigBee hoạt động dựa trên một nhóm nhiều giao thức được thiết kế để có thể

sử dụng được trong nhiều cấu trúc mạng vô tuyến như điểm-điểm, đơn điểm-đa điểm, dạng nhánh hay hình sao Đặc trưng chính của nó là khả năng tạo ra những mạng lưới cảm biến giám sát quy mô lớn Và quan trọng là, nó có thể quản lý tới

65000 node mạng

Những phiên bản ZigBee công suất thấp được sử dụng trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe như hệ thống theo dõi bệnh nhân từ xa hoặc các ứng dụng tương tự Một profile thuộc lĩnh vực chiếu sáng được dùng cho các hệ thống đèn LED và mạch điều khiển Ngoài ra còn có một profile của ZigBee sử dụng sóng RF điều khiển từ xa thay thế hồng ngoại cho TV gia dụng và các thiết bị khác ZigBee cũng được sử dụng trong công nghệ tự động tại nhà máy và có thể được dùng trong M2M (machine-to-machine) và IoT (Internet of Things)

Ưu nhược điểm của phương thức truyền tín hiệu bằng Zigbee

Ưu điểm:

- Zigbee có cấu trúc đơn giản, tiết kiệm năng lượng Một nốt mạng trong mạng Zigbee có khả năng hoạt động từ 6 tháng đến 2 năm chỉ với nguồn là hai pin AA;

- Phạm vi hoạt động của Zigbee là 10-75 m;

- Zigbee sử dụng cấu hình chủ-tớ cơ bản phù hợp với mạng hình sao tĩnh trong đó các thiết bị giao tiếp với nhau thông qua các gói tin nhỏ Loại mạng này cho phép tối đa tới 254 nút mạng

Nhược điểm:

- Zigbee có tốc độ truyền dữ liệu không cao Tốc độ truyền của Zigbee là

250 Kbps tại 2.4 GHz, 40 Kbps tại 915MHz và 20 Kbps tại 868 MHz;

- Lỗi ở một điểm chính có thể gây ra lỗi cho toàn hệ thống;

- Chưa có đầy đủ các thiết bị để có thể phát triển