Nghiên cứu xây dựng hệ quan trắc khí thải giao thông sử dụng mạng cảm biến không dây

Luận văn này trình bày các thông tin về mạng cảm biến không dây, những đặc tính của mạng và nghiên cứu về các kiến trúc mạng thường được sử dụng để từ đó tìm ra giải pháp phù hợp cho kiế

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS Trần Quốc Tuấn

TS Lê Quang Thảo

Hà Nội - 2021

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn “Nghiên cứu xây dựng hệ quan trắc khí thải giao thông sử dụng mạng cảm biến không dây” là công trình nghiên cứu do chính

tôi − học viên Đinh Thị Hải, chuyên ngành Vật lý vô tuyến và điện tử, khoa Vật lý, trường Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội hoàn thành dưới sự hướng dẫn của TS Trần Quốc Tuấn và TS Lê Quang Thảo 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 Nếu bản luận văn này được sao chép từ bất kỳ tài liệu nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước đơn vị đào tạo và pháp luật

Hà Nội, ngày 20 tháng 12 năm 2020

Học Viên

Đinh Thị Hải

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thiện luận văn, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn của tôi là TS Trần Quốc Tuấn và TS Lê Quang Thảo Trong suốt quá trình thực hiện luận văn, các thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ để tôi có thể hoàn thành luận văn của mình

Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy cô giáo trong Bộ môn Vật lý Vô tuyến, Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội đã truyền đạt cho tôi những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong quá trình học tập

và nghiên cứu

Tôi xin cảm ơn đến các cán bộ quản lý thiết bị, máy móc thuộc danh mục thiết

bị bảng A được trang bị tại Bộ môn Vật lý Vô tuyến, Khoa Vật lý Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội

Tôi cũng bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp, những người

đã ủng hộ và động viên giúp đỡ tôi trong thời gian làm luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Học viên: Đinh Thị Hải

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 3

1.1 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây 3

1.2 Đặc tính của mạng cảm biến không dây 4

1.2.1 Linh hoạt trong thiết kế 4

1.2.2 Khả năng tự tổ chức tốt 5

1.2.3 Giao tiếp trong mạng cảm biến 5

1.2.4 Năng lượng tiêu thụ 5

1.2.5 Chi phí sản xuất 6

1.3 Node cảm biến và thành phần của node cảm biến 6

1.3.1 Cảm biến 6

1.3.2 Bộ vi xử lý 6

1.3.4 Bộ thu phát 8

1.3.5 Năng lượng trong node cảm biến 9

1.4 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây 9

1.4.1 Ứng dụng trong quân sự 10

1.4.2 Ứng dụng vào môi trường 11

1.4.3 Ứng dụng chăm sóc sức khỏe 12

1.4.4 Ứng dụng vào các thiết bị trong nhà 12

1.4.5 Ứng dụng trong công nghiệp 13

1.4.6 Ứng dụng trong nông nghiệp 13

1.5 Kiến trúc của mạng cảm biến không dây 13

1.5.1 Mục tiêu kiến trúc mạng cảm biến không dây 13

1.5.2 Xác định ứng dụng mạng cảm biến không dây 14

1.5.3 Xác định các xu hướng công nghệ 14

1.5.4 Tối ưu hóa thiết kế 14

1.5.5 Kiểu mạng đơn bước và đa bước 14

1.5.6 Các kiểu cấu trúc mạng 15

1.6 Mô hình giao thức của mạng cảm biến không dây 16

1.6.1 Giao thức tầng ứng dụng 17

1.6.2 Giao thức tầng truyền tải 17

1.6.3 Giao thức tầng mạng 18

1.6.4 Giao thức tầng liên kết dữ liệu 18

1.6.5 Giao thức tầng vật lý 20

1.6.6 Khối quản lý năng lượng 21

1.6.7 Khối quản lý di động 21

1.6.8 Khối quản lý nhiệm vụ 21

CHƯƠNG 2 KHẢO SÁT CẢM BIẾN KHÍ THẢI GIAO THÔNG 23

2.1 Ô nhiễm không khí 23

2.2 Ô nhiễm không khí do khí thải giao thông 23

2.3 Ảnh hưởng của khí thải giao thông đến sức khỏe con người 25

2.4 Quy chuẩn khí thải giao thông 25

2.5 Các loại cảm biến đánh giá ô nhiễm trong không khí 26

2.5.1 Cảm biến điện hóa 26

2.5.2 Cảm biến xúc tác 27

2.5.3 Cảm biến hồng ngoại 27

2.5.4 Cảm biến bán dẫn 28

2.6 Cảm biến MICS 6814 29

2.6.1 Mô đun cảm biến 29

2.6.2 Nguyên lý hoạt động 29

2.6.3 Đặc tính thành phần cảm biến của MICS 6814 30

2.6.4 Hiệu chuẩn cảm biến MICS 6814 33

Kết luận chương 2 34

CHƯƠNG 3 Xây dỰNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY QUAN TRẮC KHÍ THẢI GIAO THÔNG 35

3.1 Kiến trúc tổng thể của hệ thống 36

3.1.1 Node cảm biến 37

3.2 Vi điều khiển họ AVR của Atmel 41

3.3 Mô đun nRF24L01 42

3.4 Sơ đồ thuật toán 48

3.4.1 Thuật toán hoạt động của node cảm biến 48

3.4.2 Thuật toán hoạt động ở khối xử lý trung tâm 50

3.5 Vận hành thử 52

Kết luận chương 3 52

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 53

4.1 Bố trí hệ quan trắc 54

4.2 Hoạt động ở node cảm biến 54

4.3 Hoạt động của khối xử lý trung tâm 55

4.4 Kết quả thực nghiệm 56

Kết luận chương 4 59

KẾT LUẬN CHUNG 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

PHỤ LỤC 64

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

ACK Acknowledgement Tín hiệu sử dụng trong truyền thông số

để đảm bảo dữ liệu được nhận ADC Analog Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự - số

CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm

ISM Industrial, Scientific and

Medical

Chuẩn công nghiệp, nghiên cứu khoa học và y tế

LCD Liquid Crystal Display Màn hiển thị tinh thể lỏng

WSN Wireless sesor network Mạng cá nhân không dây tốc độ thấp MAC Media Access Control Điều khiển truy cập đường truyền MCU Microcontroller unit Đơn vị vi xử lý trung tâm

RF Radio frequency Bộ thu phát sóng vô tuyến

RISC Reduced Instruction Set

Computer Cấu trúc tập hợp lệnh rút gọn

SPI Serial Peripheral Interface Giao tiếp ngoại vi nối tiếp

MEMS Micro Electro Mechanical

CMOS Complementary

Metal-Oxide-Semiconductor Công nghệ điều chế mạch tích hợp GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

TADAP Task Assignment and Data

Advertisement Protocol

Giao thức nhiệm vụ và quảng cáo dữ liệu

SQDDP Sensor Query and Data

Dissemination Protocol Giao thức truy vấn và phân bổ dữ liệu

TDMA Time Division Multiple

Access Đa kết nối phân chia theo khe thời gian

CSMA Carrier Sense Multiple

AQI Air Quality Index Chỉ số chất lượng không khí

GPRS General Packet Radio

GSM Global System for Mobile

Communications Hệ thống thông tin di động toàn cầu

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Bảng thông số tiêu chuẩn khí thải Euro 4 26

Bảng 2.2 Thông số kĩ thuật của phần tử cảm biến CO 31

Bảng 2.3 Thông số kĩ thuật của phần tử cảm biến NO2 32

Bảng 2.4 Thông số kĩ thuật của phần tử cảm biến NH3 32

Bảng 3.1 Các tính năng của bộ thu phát vô tuyến nRF24L01 44

Bảng 3.2 Chức năng các chân của nRF24L01 47

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây 4

Hình 1.2 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây 10

Hình 1.3 Kiểu mạng đơn bước 15

Hình 1.4 Kiểu mạng đa bước 15

Hình 1.5 Mô hình giao thức của WSN 17

Hình 2.1 Nguyên lý hoạt động của MICS 6814 30

Hình 2.2 Đặc trưng của cảm biến thành phần CO 31

Hình 2.3 Đặc trưng của cảm biến thành phần NO2 32

Hình 2.4 Đặc trưng của cảm biến thành phần NH3 33

Hình 3.1 Sơ đồ tổng quan của hệ thống 36

Hình 3.2 Sơ đồ node cảm biến 37

Hình 3.3 Hình ảnh thực tế của node cảm biến 38

Hình 3.4 Sơ đồ khối của khối xử lý trung tâm 39

Hình 3.5 Hình ảnh thực tế của khối xử lý trung tâm 40

Hình 3.6 Hình ảnh mô đun nRF24L01 mini 43

Hình 3.7 Sơ đồ khối mô đun nRF24L01 44

Hình 3.8 Tính đa nhận của nRF24L01 45

Hình 3.9 Sơ đồ chân nRF24L01 46

Hình 3.10 Sơ đồ thuật toán của node cảm biến 49

Hình 3.11 Sơ đồ thuật toán của trạm trung tâm 51

Hình 4.1 Hình ảnh thực nghiệm của node cảm biến 55

Hình 4.2 Tọa độ nơi quan trắc 55

Hình 4.3 Hình ảnh hoạt động của khối xử lý trung tâm 56

Hình 4.4 Đánh giá nồng độ khí thải giao thông đo theo giờ tại node 1 57

Hình 4.5 Đánh giá nồng độ khí thải giao thông theo giờ tại node 2 57

Hình 4.6 Đánh giá nồng độ khí thải giao thông theo ngày tại node 1 58

Hình 4.7 Đánh giá nồng độ khí thải giao thông theo ngày tại node 2 58

Hình 4.8 Hình ảnh tải dữ liệu lên Web Server 59

MỞ ĐẦU

Cùng với sự ra đời của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 là sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kĩ thuật, công nghệ thông tin, vi mạch điện tử Những sự phát triển này đã mang đến những thay đổi lớn trong mọi lĩnh vực nhất là trong nghiên cứu khoa học Không chỉ vậy, nó còn có tác động to lớn đến cuộc sống hàng ngày của chúng ta

Trong bối cảnh phát triển của khoa học kĩ thuật như vậy, việc lựa chọn và ứng dụng những thành tựu tiến bộ vào nghiên cứu, sản xuất là yếu tố quyết định đến

sự thành công Xu hướng cách mạng công nghiệp 4.0 mà yếu tố cốt lõi là trí tuệ nhân tạo (AI-Artificial Intelligence), Internet vạn vật (IoT- Internet of Things) và dữ liệu lớn (big data) đang được tận dụng tối đa trong các hệ thống tự động hóa và trao đổi dữ liệu tăng hiệu quả làm việc và tiết kiệm chi phí

Với những tính chất và đặc điểm vượt trội, mạng cảm biến không dây đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau Nó cho phép thực hiện nhiệm vụ thu thập dữ liệu trên cả phạm vi rộng và hẹp, hay trong những môi trường nguy hiểm mà con người hay những mạng có dây truyền thống khó tiếp cận Hiện nay, chúng ta có thể dễ dàng thấy ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong các lĩnh vực như quân sự, y tế, nông nghiệp, công nghiệp, an ninh

Mạng cảm biến không dây thường bao gồm một vài hoặc một số lượng lớn các node cảm biến có kích thước vật lý nhỏ, chi phí sản xuất thấp liên kết với nhau tạo thành một cấu trúc mạng cho một ứng dụng cụ thể Năng lượng cung cấp cho hoạt động của mạng cảm biến không dây chủ yếu là nguồn pin dự trữ có sẵn Hơn nữa, mạng cảm biến không dây có khả năng thu thập, lưu trữ, xử lý và truyền thông tin bên trong mạng và ra bên ngoài cho người dùng

Một số ứng dụng đòi hỏi mạng cảm biến không dây phân bố một cách độc lập, trong phạm vi rộng, ở những môi trường khắc nghiệt mà con người khó tiếp cận Ngoài ra, chúng cần duy trì hoạt động trong thời gian dài Do đó, để thực hiện nhiệm vụ một cách hoàn hảo, mạng cảm biến không dây cần đảm bảo về độ tin cậy, tính linh hoạt, năng lượng và kiến trúc mạng

Luận văn này trình bày các thông tin về mạng cảm biến không dây, những đặc tính của mạng và nghiên cứu về các kiến trúc mạng thường được sử dụng để từ

đó tìm ra giải pháp phù hợp cho kiến trúc mạng ứng dụng trong hệ quan trắc khí

thải giao thông Hệ sẽ thu thập chính xác, theo dõi các thông số khí thải do các phương tiện giao thông thải vào môi trường với mạng cảm biến không dây gồm một vài node cảm biến với nguồn năng lượng dự trữ có sẵn

Cấu trúc của luận văn gồm:

Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây

Nội dung cơ bản của chương này là giới thiệu chung về mạng cảm biến không dây, chỉ ra các đặc tính của mạng cảm biến không dây, node cảm biến, thành phần chính của một node cảm biến và những ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong thực tế, kiến trúc mạng cảm biến không dây

Chương 2: Khảo sát cảm biến khí thải giao thông

Trong chương này, luận văn sẽ trình bày về tình hình ô nhiễm không khí do khí thải giao thông, tìm hiểu những đặc tính, nguyên lý hoạt động của cảm biến khí thải giao thông MICS 6814

Chương 3: Xây dựng mạng cảm biến không dây quan trắc khí thải giao thông, xây dựng từng phần và tổng quan hệ thống, đưa ra sơ đồ thuật toán hoạt động của từng khối

Chương 4: Kết quả thực nghiệm

Nội dung chương 4 trình bày các kết quả thực nghiệm đo nồng độ khí thải

NO2, CO, NH3 trong không khí

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Sự phát triển nhanh chóng của vi điện tử, máy tính, công nghệ truyền thông cùng vời cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 đã tạo điều kiện cho mạng cảm biến không dây ngày càng phát triển và được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống hàng ngày Với thiết kế không dây, linh hoạt khi triển khai, đa chức năng khi hoạt động

và chi phí sản xuất thấp, mạng cảm biến không dây đã mang lại những hiệu quả tích cực trong nghiên cứu và sản xuất

1.1 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây [4]

Mạng cảm biến không dây có thể được định nghĩa là mạng không dây tự định cấu hình, không có cơ sở hạ tầng và có khả năng theo dõi các điều kiện vật lý hoặc môi trường, chẳng hạn như nhiệt độ, âm thanh, rung động, áp suất, chuyển động hoặc chất ô nhiễm Nó bao gồm hàng trăm cảm biến một hoặc đa chức năng liên kết không dây với nhau trong một mạng được thiết kế cụ thể để theo dõi và giám sát các đối tượng vật lý

Các node cảm biến này còn được gọi là mote Thành phần chính của một node cảm biến bao gồm bộ vi xử lý, bộ nhớ, bộ thu phát và một hoặc một vài cảm biến, và bộ nguồn Các node cảm biến trong mạng cảm biến không dây sẽ giao tiếp với nhau nhờ sóng vô tuyến qua bộ thu nhận dữ liệu Từ đó, nhận và truyền dữ liệu đến các node trong mạng cũng như giao tiếp với người dùng qua các kênh truyền thông như Internet hay thông tin vệ tinh

Với đặc tính vượt trội sử dụng kết nối không dây của nó, mạng cảm biến không dây được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như thương mại, công nghiệp, nông nghiệp, giao thông, quân sự [4] Hơn nữa, nó cũng là giải pháp tối ưu

để đo đạc, đánh giá các thông số vật lý, môi trường trong những tình huống mà con người khó hoặc không tiếp cận được

Hình 1.1 Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây

1.2 Đặc tính của mạng cảm biến không dây

Đặc điểm của mạng cảm biến không dây là yếu tố quan trọng giúp nó được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau Hơn nữa, mạng cảm biến không dây thường được thiết kế và xây dựng để đo nhiều thông số cùng lúc theo thời gian thực [9] Do đó, cần xem xét và nghiên cứu những đặc điểm của mạng cảm biến không dây để sử dụng chúng cho hiệu quả Dưới đây là một số đặc tính chính của mạng cảm biến không dây

1.2.1 Linh hoạt trong thiết kế

Mạng cảm biến không dây được xây dựng trên hàng trăm thậm chí hàng ngàn các node cảm biến Tùy thuộc từng ứng dụng cụ thể, mục đích sử dụng và phạm vi giám sát mà kích thước của các mạng, và thiết kế của chúng khác nhau Ví

dụ, phạm vi giám sát hẹp không yêu cầu số lượng lớn các node mạng, hay với mạng cảm biến ứng dụng trong lĩnh vực quân sự, trên chiến tuyến thì cần đảm bảo sự an toàn cho node mạng Do đó, chúng cần được thiết kế đơn giản, có khả năng chịu được ảnh hưởng của môi trường

Để giảm kích thước vật lý của mạng cảm biến không dây, có thể sử dụng các công nghệ chế tạo vật liệu hệ vi cơ điện tử tiên tiến như công nghệ MEMs Với công nghệ này cùng với các kĩ thuật sản xuất khác có thể tạo ra những mạng cảm biến không dây có kích thước rất nhỏ cỡ micro hoặc thậm chí là nanomet Điều này cho phép mạng cảm biến không dây thực hiện đa dạng những ứng dụng và góp phần giám giá thành lắp đặt cũng như tiết kiệm năng lượng tiệu thụ trên các thành phần của mạng cảm biến [22]

1.2.2 Khả năng tự tổ chức tốt

Đây là một trong những ưu điểm tuyệt vời của mạng cảm biến không dây, nó

có thể duy trì hoạt động bình thường, ngay cả khi một vài node cảm biến bị lỗi hoặc không hoạt động giúp thông tin từ các node cảm biến được truyền liên tục mà không bị gián đoạn Vì vậy, mạng cảm biến không dây mang lại hiệu quả hoạt động cao khi ứng dụng trong những môi trường dễ bị tác động bởi môi trường hoặc những ứng dụng yêu cầu thời gian hoạt động dài Ngoài ra, các nút cảm biến trong mạng có khả năng tự tổ chức, chúng có thể tự điều chỉnh cho phù hợp với thuật toán phân tán và hình thành mạng tự động [9]

1.2.3 Giao tiếp trong mạng cảm biến

Các node cảm biến trong mạng cảm biến giao tiếp với nhau bằng kênh sóng

vô tuyến không dây có đường truyền ngắn và phạm vi hẹp Có thể dùng kênh giao tiếp hai chiều hoặc một chiều

1.2.4 Năng lượng tiêu thụ

Năng lượng trong mạng cảm biến không dây chủ yếu bị tiêu thụ bởi node cảm biến, ngoài ra nó còn được dùng cho các bộ phận khác như bộ thu phát tín hiệu, bộ tính toán, truyền thông, lưu trữ, và một phần năng lượng sẽ bị thất thoát ra ngoài môi trường trong quá trình hoạt động Trong khi đó, mỗi mạng cảm biến không dây thường chứa nhiều node cảm biến, do đó nó yêu cầu một lượng năng lượng đáng kể Nguồn năng lượng cung cấp cho hoạt động của mạng cảm biến không dây chủ yếu lấy từ pin dự trữ có sẵn Trong khi đó, việc thay thế pin trong quá trình hoạt động gần như là không thể nhất là với những mạng được thiết kế và xây dựng để giám sát trong các môi trường nguy hiểm, hoặc những nơi mà con người khó tiếp cận

Chính vì vậy, khi thiết kế mạng cảm biến không dây cần có những giải pháp hạn chế sự tiêu thụ năng lượng ở các node, sự mất mát năng lượng ra bên ngoài để duy trì năng lượng cho toàn bộ mạng cảm biến hoạt động trong thời gian dài Ví dụ như

có thể sử dụng pin mặt trời ở những phạm vi giám sát có nhiều ánh năng mặt trời, hoặc sử dụng pin sạc được hoặc pin điện thoại là nguồn cấp năng lượng cho các node như vậy có thể sử dụng nhiều hơn một lần pin này Bên cạnh đó giải pháp đưa

ra để sử dụng năng luợng mạng sao cho hiệu quả như giảm công suất đường truyền

ứng dụng trên một mạng, cho phép các node mạng tạm ngừng hoạt động khi không truyền dữ liệu, khi không truyền thông tin sẽ dừng phát sóng vô tuyến [23,1]

1.2.5 Chi phí sản xuất

Do mạng cảm biến không dây chứa số lượng lớn cảm biến nên để giảm chi phí cho toàn bộ mạng cần giảm chi phí ở node cảm biến Có thể cắt giảm chi phí bằng cách tối ưu trong khâu thiết kế mạng và sử dụng những phần mềm, công nghệ

ưu việt khi chế tạo mạng cảm biến

1.3 Node cảm biến và thành phần của node cảm biến

Node cảm biến không dây là một thiết bị nhúng có ít nhất một bộ vi xử lý, một nguồn điện, bộ nhớ và một hoặc một số cảm biến Các nút cảm biến không chỉ chịu trách nhiệm thu thập và xử lý dữ liệu, mà còn lưu trữ, quản lý và tổng hợp dữ liệu từ các nút cảm biến khác Vì thế, nút cảm biến có thể được coi là một thiết bị đầu cuối hoặc một bộ định tuyến trong mạng cảm biến không dây [24] Mỗi WSN thường bao gồm nhiều node cảm biến, chúng có thể có những nhiệm vụ giống hoặc khác nhau tùy thuộc vào mục đích sử dụng

1.3.1 Cảm biến

Các cảm biến sẽ được tích hợp vào các node cảm biến để theo dõi, thu thập các thông số môi trường theo mục đích xây dựng mạng cảm biến như nhiệt độ, độ ẩm, khói bụi, âm thanh, ánh sáng, sự di chuyển, nhịp tim

Cảm biến dựa trên MEMS đã tìm thấy sử dụng tốt trong các nút cảm biến Cảm biến là thành phần cấu tạo nên mạng cảm biến, mỗi mạng cảm biến thường bao gồm

từ một vài đến hàng trăm node cảm biến liên kết không dây với nhau thành các mạng

1.3.2 Bộ vi xử lý

Một thành phần quan trọng khác, được gọi là vi điều khiển hay còn được gọi là

bộ vi xử lý, nó thường được tích hợp với bộ nhớ flash, RAM, bộ chuyển đổi tương

tự sang kỹ thuật số, và I / O kỹ thuật số trên một mạch tích hợp Sự tích hợp chặt chẽ như vậy khiến chúng trở nên lý tưởng để sử dụng trong các hệ thống nhúng sâu như WSN Khi lựa chọn vi điều khiển cho ứng dụng mạng cảm biến không dây, chúng ta cần xem xét một số yếu tố như tiêu thụ năng lượng, yêu cầu điện áp, chi phí, hỗ trợ cho các thiết bị ngoại vi và số lượng các thành phần bên ngoài được yêu

Các bộ vi điều khiển khác nhau có mức tiêu thụ điện năng rất khác nhau Ví dụ như vi điều khiển 8 bit hoặc 16 bit có mức tiêu thụ điện năng khác nhau trong khoảng 0,25 đến 2,5 mA trên mỗi MHz

Trong quá trình ngủ, không thực hiện nhiệm vụ, CPU vẫn tiêu thụ một mức năng lượng nhất định để duy trì hoạt động của các thành phần khác như bộ nhớ Mức tiêu thụ hiện tại ở chế độ ngủ thay đổi từ 1 µA đến 50 µA giữa các họ CPU Vì CPU dự kiến sẽ không hoạt động nên 99,9% thời gian, sự khác biệt 50x µA như vậy

có thể có tác động đáng kể hơn đến hiệu suất vi mô hơn mA sự khác biệt về mức tiêu thụ điện năng tối đa

Bên cạnh mức tiêu thụ năng lượng ở chế độ ngủ, cũng cần quan tâm đến thời gian thực hiện thao tác vào / thoát chế độ ngủ Thời gian di chuyển giữ 2 chế độ thức và ngủ có thể mất 6 µs ~ 10 ms Độ trễ đánh thức được sử dụng để khởi động

và ổn định đồng hồ hệ thống Càng nhanh CPU có thể vào hoặc rời khỏi chế độ nghỉ, node cảm biến càng tiết kiệm được nhiều năng lượng Trên thực tế, bởi nhanh chóng thức dậy, chúng ta có thể đặt một node cảm biến vào chế độ ngủ ngay cả trong một khoảng thời gian rất ngắn không hoạt động Đối với ví dụ, trong quá trình truyền tin nhắn, bộ điều khiển có thể vào chế độ nghỉ giữa mỗi bit quá trình lây truyền Mức tiêu thụ dòng điện hoạt động của bộ điều khiển giảm do thời gian ngủ lâu hơn

Hiệu suất của CPU cũng phụ thuộc vào dải điện áp hoạt động WSN truyền thống bộ vi điều khiển hoạt động trong khoảng từ 2,7V đến 3,3 V Gần đây, các thế

hệ CPU công suất thấp mới có thể thậm chí hoạt động trên 1,8 V Các ứng dụng WSN cần khả năng chịu điện áp rộng

Trong mạng cảm biến không dây, bộ vi xử lý cần thực thi các giao thức truyền thông không dây và thực hiện xử lý dữ liệu cục bộ Những hoạt động đó không cần CPU tốc độ cao Đó là lý do tại sao hầu hết các CPU WSN có tốc độ nhỏ hơn 4M Hz Để chọn tốc độ CPU thích hợp, chúng ta cần biết lượng phân tích dữ liệu cảm biến và xử lý trong mạng phải được thực hiện CPU phải có khả năng đáp ứng thời hạn theo thời gian thực mà quá trình xử lý dữ liệu yêu cầu Một số CPU WSN có thể tự động thay đổi tần số hoạt động Sức mạnh CMOS tiêu dùng tuân theo phương trình:

P = CV 2 F

Do đó, tần số CPU cao hơn mang lại nhiều năng lượng tiêu thụ hơn Nhưng thời gian thực hiện COU tỷ lệ nghịch với tần số Đó là, cao hơn tần số làm cho chương trình chạy nhanh hơn, đồng thời tiết kiệm năng lượng Do đó, khó có thể nói rằng năng lượng hệ thống sẽ thay đổi rất nhiều bằng cách tăng hoặc giảm tần số CPU [4,10]

Sự khác biệt giữa bộ nhớ flash và SRAM: (1) Công nghệ đèn flash có mật độ cao hơn SRAM Ví dụ, bộ nhớ flash có thể có mật độ lưu trữ 150 KB trên milimét vuông trong quy trình 25 micron [AMD03] Trong khi bản ghi mật độ SRAM gần đây của Intel là 60 KB trên milimét vuông sử dụng quy trình 90 nm [Intel02] (2)

Từ quan điểm tiêu thụ năng lượng, flash là một công nghệ lưu trữ bền bỉ đòi hỏi không có năng lượng để duy trì dữ liệu Tuy nhiên, SRAM đòi hỏi nhiều năng lượng hơn để giữ lại dữ liệu thời gian, nhưng không đòi hỏi nhiều năng lượng cho hoạt động lưu trữ ban đầu (3) Theo quan điểm thời gian, một thao tác ghi flash cần

4 µs để hoàn thành so với 0,7µs cho SRAM - cả hai đều tiêu thụ 15 mA Do đó, nếu chúng ta cần lưu trữ dữ liệu trong thời gian dài thì sử dụng flash sẽ hiệu quả hơn thay vì SRAM [10]

1.3.4 Bộ thu phát

Máy thu phát vô tuyến có trách nhiệm truyền và nhận gói tin trong không trung Do sự phức tạp của truyền thông không dây, thu phát cần phải chứa nhiều mô đun chức năng như mô đun điều chế, tổng hợp tần số, chuyển đổi tần số, lọc và có thể có một số chức năng khác do đó sẽ tiêu thụ một phần đáng kể năng lượng trong một node cảm biến Chiến lược tiết kiệm năng lượng đơn giản nhất là tắt bộ thu phát càng nhiều càng tốt và chỉ bật khi cần thiết Một số ví dụ về tiêu thụ năng lượng ở bộ thu phát như bộ thu phát CC2420 phổ biến là 52,2 mW trong chế độ truyền dẫn (TX), 56,4 mW ở chế độ nhận (RX) và 3 μW ở chế độ ngủ Là một bộ thu phát tích hợp với tiêu chuẩn IEEE 802.15.4, MRF24J40 tiêu thụ nhiều năng

lượng hơn ở cả ba trạng thái: 69 mW ở chế độ TX, 57 mW ở chế độ RX và 6 μW khi ngủ [6,4] Ngoài ra mô đun thu phát sóng vô tuyến NRF24L01 cũng được sử dụng rất nhiều trong các ứng dụng của mạng cảm biến không dây Bộ thu phát nRF24L01 là bo mạch thiết kế cho giải pháp truyền dữ liệu không dây, sử dụng chip thế hệ mới nhất nRF24L01+ của hãng Nordic's, sử dụng dải tần số 2,4 - 2,5 GHz ISM, hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu 250 Kbps, 1 Mbps và 2 Mbps, với tốc độ 250 Kbps hoặc 1 Mbps, nRF24L01 chiếm băng thông 1 MHz trong dải ISM 2.400-2.4835 GHz

1.3.5 Năng lượng trong node cảm biến

Hầu hết các node cảm biến trong mạng cảm biến không dây duy trì hoạt động nhờ nguồn pin dự trữ có sẵn, và nguồn pin này có giới hạn Quá trình truyền

dữ liệu ở node cảm biến tiêu tốn nhiều năng lượng nhất, do đó cần có những giải pháp truyền thông sao cho hiệu quả để tiết kiệm năng lượng Ngoài ra, năng lượng cũng được dùng cho các bộ phận khác như vi xử lý, bộ nhớ, chế độ ngủ [1]

1.4 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây ngày càng trở nên phổ biến nhờ tính linh hoạt và

sự hiệu quả của nó Nó được ứng dụng trong hầu hết các lĩnh vực trong cuộc sống hàng ngày

Sự xuất hiện của mạng cảm biến không dây đã kích hoạt những nghiên cứu sâu rộng về nhiều khía cạnh đặc biệt là ứng dụng của nó trong cuộc sống Khả năng ứng dụng của mạng cảm biến không dây từ lâu đã được thảo luận với sự nhấn mạnh vào các ứng dụng tiềm năng mà mạng cảm biến truyền thống không thực hiện được Mạng cảm biến không dây có thể bao gồm nhiều loại cảm biến khác nhau bao gồm địa chấn, từ, nhiệt, hình ảnh, hồng ngoại, âm thanh, và radar, có thể giám sát các thông số môi trường, điều kiện xung quanh như: nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, tốc độ, hướng, chuyển động, ánh sáng, mức độ tiếng ồn, sự hiện diện hay vắng mặt của một

số loại vật thể, và mức độ co dãn cơ học trên các đối tượng Chính vì vậy mạng cảm biến không dây có rất nhiều ứng dụng từ giám sát an ninh quốc gia, các tài nguyên, các mối đe dọa tiềm ẩn, giám sát trên mặt đất và cả dưới nước, thu thập thông tin về quốc phòng, giám sát môi trường, thời tiết và phân tích khí hậu và dự báo cho đến theo dõi sức khỏe con người, điều khiển các thiết bị điện trong nhà Ứng dụng của mạng cảm biến không dây ngày càng tăng, tuy nhiên có thể phân chúng thành năm

Hình 1.2 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây

1.4.1 Ứng dụng trong quân sự

Mạng cảm biến không dây là một phần không thể tách rời của các lệnh quân

sự, kiểm soát, truyền thông, máy tính thông minh, giám sát, trinh sát và nhắm mục tiêu Việc triển khai nhanh chóng, tự tổ chức, và đặc tính chịu lỗi của mạng cảm biến không dây làm cho chúng trở thành một kỹ thuật cảm biến đầy tiềm năng trong lĩnh vực quân sự Vì các mạng cảm biến không dây được triển khai với số lượng nút cảm biến lớn và chi phí thấp nên sự hủy hoại của một số nút bởi hành động thù địch không ảnh hưởng đến hoạt động quân sự nhiều như sự phá hủy của một cảm biến truyền thống, làm cho mạng cảm biến không dây được sử dụng phổ biến trên chiến trường Một số ứng dụng quân sự của mạng cảm biến không dây như giám sát lực lượng, thiết bị và đạn dược; giám sát chiến trường; trinh sát lực lượng đối kháng và địa hình; xác định mục tiêu; đánh giá thiệt hại trận chiến; và phát hiện tấn công hạt nhân, sinh học và hóa học

Hệ thống phát hiện bắn tỉa Boomerang là một ứng dụng cụ thể của mạng cảm biến không dây trong lĩnh vực quân sự, được phát triển để dò tìm vị trí bắn tỉa một cách chính xác Nó được sử dụng trong quân đội, cơ quan thực thi pháp luật Ứng dụng này đã được thực hiện thông qua hai kiến trúc khác biệt Hệ thống đếm số bao

gồm một mảng micro và có thể được gắn trên một chiếc xe hoặc trên người lính Hệ thống sử dụng các cảm biến âm thanh thụ động để phát hiện đạn đang đến Âm thanh thu được từ micrô được xử lý để ước tính vị trí tương đối của người bắn súng, các cảm biến gắn trên xe có thể phát hiện súng ngay cả khi di chuyển Hệ thống Boomerang rất hữu ích trong các khu vực chiến tranh [4]

1.4.2 Ứng dụng vào môi trường

Khả năng tự tổ chức của mạng cảm biến không dây được ứng dụng rất nhiều trong lĩnh vực môi trường Một số ứng dụng môi trường của mạng cảm biến không dây bao gồm theo dõi các chuyển động của chim, động vật nhỏ, và côn trùng; giám sát các điều kiện môi trường ảnh hưởng đến cây trồng và gia súc; thủy lợi; thăm dò hành tinh; phát hiện hóa học / sinh học; nông nghiệp chính xác; quan trắc sinh học; phát hiện cháy rừng; nghiên cứu khí tượng hoặc địa vật lý; phát hiện lũ; lập bản đồ sinh học của môi trường; và nghiên cứu ô nhiễm

Lũ lụt là một hiện tượng thiên tai mà con người phải đối mặt hàng năm, nó gây ra những thiệt hại nghiêm trọng về người và tài sản Thách thức chính với các

hệ thống cảnh báo lũ hiện có là cần sự tham gia của nhân viên để giám sát liên tục mực nước ở các lưu vực sông Ứng dựng khả năng tự tổ chức khai thác, thống kê xử

lý dữ liệu của mạng cảm biến không dây có thể gải quyết khó khăn này Một hệ thống như vậy đã được phát triển tại MIT và được thử nghiệm tại Honduras, nơi lũ lụt thường xuyên ảnh hưởng đáng kể đến đời sống đô thị

Theo dõi lũ lụt đòi hỏi các nút mạng cảm biến phải được phân bố trên diện tích lớn Xem xét phạm vi truyền thông hạn chế của các cảm biến riêng lẻ, một cấu trúc liên kết hai lớp được sử dụng với ba loại cảm biến khác nhau được tích hợp ở tầng dưới của mạng để đo lượng mưa, nhiệt độ không khí và dữ liệu dòng chảy nước Đây là các dữ liệu cần thiết để đưa ra cảnh báo lũ Mỗi bộ cảm biến nằm sát tạo thành một nhóm và được kết nối với các nút tính toán bậc hai nơi xử lý dữ liệu thu được, sau đó thông báo cho tầng thứ ba, nghĩa là các trung tâm điều khiển, trong trường hợp có khả năng lũ lụt Nhìn chung, có bốn loại nút khác nhau được sử dụng trong hệ thống Mỗi nút có cùng một hệ thống cơ sở bao gồm một vi điều khiển và một máy thu phát nhưng các board mạch được thay đổi tùy thuộc vào chức năng của chúng

Ngoài ra, mạng cảm biến không dây còn được sử dụng để phát hiện cháy

về các nguy cơ cháy rừng, trượt lở đất, mạng cảm biến không dây đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống quan trắc tại các vùng có nguy cơ cao Bên cạnh đó, mạng cảm biến không dây cũng tham gia vào công tác dự báo thời tiết, các trạm quan trắc với các cảm biến theo dõi các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm không khí, lượng mưa, sương, gió sẽ thu thập và chuyển dữ liệu về trạm thu nhận thông qua các giao thức truyền nhận chẳng hạn như qua Internet

Dữ liệu được đưa về máy chủ định kỳ theo ngày, tháng, hoặc năm, sau đó xử

lý, phân tích, khai thác số liệu, kết hợp, kết nối, bổ sung giữa mạng địa phương với mạng lưới quan trắc, dự báo rộng của Trung tâm Khí tượng Thủy văn Quốc gia để

dự báo thời tiết khu vực một cách chính xác

1.4.3 Ứng dụng chăm sóc sức khỏe

Sự phát triển của các thiết bị y sinh cấy ghép và tích hợp các cảm biến thông minh làm cho việc sử dụng mạng cảm biến không dây cho các ứng dụng y sinh học mạng lại những hiệu quả tích cực Một số ứng dụng về sức khoẻ của mạng cảm biến không dây là cung cấp các giao diện cho người tàn tật; giám sát bệnh nhân; chẩn đoán; quản lý thuốc trong bệnh viện; theo dõi các hoạt động và các quá trình nội tại của côn trùng hoặc các sinh vật nhỏ; giám sát dữ liệu sinh lý con người; và theo dõi và giám sát các bác sĩ và bệnh nhân trong bệnh viện [4]

Mạng cảm biến không dây cũng được sử dụng trong các tình huống phản ứng khẩn cấp để tự động theo dõi và đánh giá các dấu hiệu quan trọng của thương vong Nền tảng miTag đã được phát triển bao gồm một số bộ cảm biến y khoa như GPS, đo oxy, huyết áp, nhiệt độ, và điện tim Sử dụng các bộ cảm biến này, nhân viên cấp cứu có thể theo dõi các dấu hiệu quan trọng của thương vong trong một vụ tai nạn Kiến trúc miTag bao gồm hai tầng mạng Tầng thứ nhất là một mạng cảm biến cơ thể bao gồm các cảm biến khác nhau và tầng thứ hai là một mạng lưới tiếp sức bao gồm các nút phân phát bởi những phản hồi tại hiện trường Theo đó, một mạng lưới đặc biệt có thể được hình thành nhanh chóng để thu thập thông tin thương vong từ nhiều phía trong một thiên tai hoặc tai nạn

1.4.4 Ứng dụng vào các thiết bị trong nhà

Với sự tiến bộ của công nghệ, các nút cảm biến thông minh và thiết bị truyền động có thể được tích hợp trong các thiết bị như máy hút bụi, lò vi sóng, tủ lạnh, ti

vi Những nút cảm biến bên trong các thiết bị này có thể tương tác với nhau và với

mạng bên ngoài thông qua Internet hoặc vệ tinh Chúng cho phép người dùng dễ dàng quản lý thiết bị trong nhà cục bộ và từ xa Theo đó, mạng cảm biến không dây cho phép kết nối các thiết bị khác nhau để thuận tiện khi kiểm soát

1.4.5 Ứng dụng trong công nghiệp

Ứng dụng của mạng cảm biến khôgn dây trong lĩnh vực công nghiệp chủ yếu giám sát hoạt động cúa các hệ thống, máy móc, kiểm tra chất lượng sản phẩm, giám sát môi trường làm việc Có thể sử dụng mạng cảm biến không dây phát hiện môi trường độc hại, các vật liệu nguy hiểm, phát hiện sớm những sai sót trong sản phẩm Ngoài ra mạng cảm biến không dây cũng góp phần tham gia vào hệ thống điều

khiển, vận hành hoạt động các hệ thống điều khiển

1.4.6 Ứng dụng trong nông nghiệp

Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong lĩnh vực nông nghiệp là một giảp pháp tuyệt vời giúp nâng cao năng suất lao động, cắt giảm chi phí, tận dụng được sức mạnh của khoa học kĩ thuật Hiện nay, mạng cảm biến không dây được sử dụng rộng rãi trong các hoạt động trồng trọt, chăn nuôi, chăm sóc và thu hoạch sản phẩm

Với Việt Nam, nông nghiệp vẫn là một trong những ngành trọng điểm, góp phần không nhỏ trong sự phát triển kinh tế Trong khi đó, sản xuất nông nghiệp ở nước ta chịu ảnh hưởng nặng nề bởi thời tiết và khí hậu Ngoài ra, hoạt động canh tác và thu hoạch còn thô sơ, chưa linh hoạt nhất là với những quy mô nhỏ và vừa Tuy nhiên, những năm gần đây, cùng với sự phát triển của khoa học, kỹ thuật, mạng cảm biến không dây đã được ứng dụng trong nông nghiệp thông quá các hệ thống như giám sát các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triển của cây trồng, hay hệ thống tự động tưới nước, hệ thống tự động thu hoạch quả chín Hơn nữa, ứng dụng của mạng cảm biến không dây mang lại những hiệu quả tuyệt vời cho mô hình trồng cây trong nhà kính, tăng năng suất, tiết kiệm sức lao động và hạn chế sâu bệnh [4]

1.5 Kiến trúc của mạng cảm biến không dây

1.5.1 Mục tiêu kiến trúc mạng cảm biến không dây

Với đặc điêm và tính chất của nó, mạng cảm biến không dây được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau Tuy nhiên, tùy thuộc vào từng ứng dụng cụ thể mà các mạng cảm biến được thiết kế và xây dựng khác nhau sao linh hoạt các cơ

chế, hiệu quả và dễ sử dụng Để làm được điều đó, cần có mục tiêu thiết kế kiến trúc mạng rõ ràng [9]

Một số, mục tiêu quan trọng của kiến trúc mạng cảm biến không dây như sau

1.5.2 Xác định ứng dụng mạng cảm biến không dây

Trước khi xây dựng kiến trúc mạng cảm biến không dây, cần xác định chính xác mục đích, phạm vi của ứng dụng để từ đó định lượng phần cứng, cơ chế hoạt động và phần mềm sử dụng sao cho hợp lý, chính xác và tiết kiệm

1.5.3 Xác định các xu hướng công nghệ

Với sự phát triển nhanh như vũ bão của công nghệ như hiện nay, việc cập nhật xu hướng công nghệ là vô cùng cần thiết Dựa trên những công nghệ đang có

và sắp có để thiết kế phần cứng sao cho hiệu quả và tận dụng được tối đa tài nguyên

mà công nghệ đó mang lại Trong khi đó, mạng cảm biến không dây được biết là không đồng nhất và có hệ thống phức tạp, do đó cần xem xét chi phí thiết kế và các hạn chế để tìm ra giải pháp phù hợp nhằm tối ưu hóa công suất hoạt động

1.5.4 Tối ưu hóa thiết kế

Do năng lượng cung cấp cho các node cảm biến bị hạn chế nhất là với những ứng dụng yêu cầu thời gian hoạt động dài nên cần phải thiết kế mạng theo cách tối

ưu hóa mà có thể tận dụng tối đa cảm biến và sử dụng tài nguyên tối thiểu

1.5.5 Kiểu mạng đơn bước và đa bước

Mạng đơn bước đơn giản là từ node con ta có thể gửi dữ liệu trực tiếp về node cơ sở, mạng loại này thường là mạng nhỏ Thông thường, mạng đơn bước được coi là trường hợp đặc biệt của mạng đa bước khi xem xét trên một phạm vi nhỏ

Trong trường hợp trên phạm vi lớn, dữ liệu không thể gửi trực tiếp từ node con về node cơ sở thì dữ liệu sẽ được gửi qua các node trung gian trước khi tới node

cơ sở nên nó được gọi là kiểu mạng đa bước Việc sử dụng node trung gian giúp giảm công suất

Hình 1.3 Kiểu mạng đơn bước

Hình 1.4 Kiểu mạng đa bước

Như vậy các nút con ngoài nhiệm vụ thu nhận dữ liệu còn phải chuyển tiếp

dữ liệu về trạm cơ sở Tuy truyền đa bước có thể giải quyết bài toán về khoảng cách nhưng lại gặp phải vấn đề là sử dụng năng lượng hiệu quả, và xung đột khi có quá nhiều nút có yêu cầu gửi dữ liệu tới một trạm để chuyển tiếp, ví dụ trong một topo mạng phổ biến dạng cây, dạng lưới thì những nút càng gần trạm gốc thì càng phải chuyển tiếp nhiều gói tin Để nâng cao hiệu suất trong truyền đa bước thường người

ta can thiệp bằng thuật toán định tuyến, hoặc dựa trên việc nút truyển tiếp lưu và xử

lý nhiều gói tin thành một khung dữ liệu mới trước khi chuyển tiếp đi [21]

1.5.6 Các kiểu cấu trúc mạng

Có 2 kiểu cấu trúc mạng cơ bản là cấu trúc phẳng và cấu trúc tầng

Cấu trúc phẳng: có kiến trúc đơn giản hơn, các node có khả năng truyền dữ liệu

trực tiếp đến bộ thu nhận dữ liệu trung gian Ưu điểm của nó là hoạt động của mạng không bị ảnh hưởng khi một vài node bị hỏng Tuy nhiên có có thể gây quá tải nếu mạng có một số lượng lớn các node cảm biến Do vậy thường được thực hiện để giám sát các đại lượng đơn lẻ ít có sự biến đổi như thời gian, tần số với số lượng

node không quá nhiều [21]

Cấu trúc phân tầng: Trong cấu trúc phân tầng, các cụm được tạo ra giúp các tài

nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu đến một node định sẵn Trong cấu trúc, mỗi node có một mức xác định, thực hiện các nhiệm vụ đã định sẵn Do đó, chức năng giữa các node như thu thập dữ liệu, tính toán, phân phối là không giống nhau Mạng cảm biến xây dựng theo cấu trúc tầng mang lại hiệu quả hơn so với cấu trúc phẳng

vì những lý do sau

+ Cấu trúc tầng giúp giảm chi phí cho mạng cảm biến vì nó có thể định vị các tài nguyên ở vị trí hoạt động hiệu quả nhất Khi triển khai phần cứng thống nhất, mỗi nút chỉ cần một lượng tài nguyên tối thiểu để thực hiện tất cả các nhiệm vụ mà không yêu cầu một lượng lớn các node cảm biến riêng lẻ Do đó, sẽ giảm chi phí lắp đặt cho toàn hệ thống

+ Mạng cấu trúc tầng có thời gian tồn tại lâu hơn vì với những ứng dụng yêu cầu mạng cảm biến hoạt động trong thời gian dài thì các node tiêu thụ ít năng lượng sẽ duy trì hoạt động lâu hơn và hiệu quả hơn

+ Ngoài ra, việc nghiên cứu các mạng cấu trúc tầng mang đến nhiều triển vọng tìm

ra các giải pháp để khắc phục vấn đề khi phạm vi mạng lớn sẽ không làm giảm thông lượng của các node cảm biến [21]

Tuy nhiên cả 2 cấu trúc này đều cần một số lượng các node trung gian nhất định, điều này ít nhiều làm tổn thất năng lượng do đó việc truyền trực tiếp từ các nút đến các trạm gốc là cần thiết

Tóm lại, sử dụng cấu trúc tầng để xây dựng mạng cảm biến không dây có thể đạt được tương thích giữa các chức năng trong mạng, và hiện nay cũng đang có rất nhiều mô hình tìm kiếm địa chỉ trong mạng cấu trúc tầng

1.6 Mô hình giao thức của mạng cảm biến không dây

Độ tin cậy và khả năng tiết kiệm năng lượng là quan trọng với sự phát triển của một giao thức mạng để hỗ trợ các ứng dụng khác nhau của mạng cảm biến

không dây Kiến trúc phần mềm phổ biến nhất cho mạng cảm biến không dây là theo mô hình OSI Tuy nhiên một mạng cảm biến không dây cơ bản cần năm lớp: lớp ứng dụng, lớp vận chuyển, lớp mạng, lớp liên kết dữ liệu và lớp vật lý và ba tác

vụ quản lý: quản lý công suất, quản lý di chuyển, quản lý nhiệm vụ [4,22]

Hình 1.5 Mô hình giao thức của WSN

1.6.1 Giao thức tầng ứng dụng

Tùy theo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm ứng dụng khác nhau có thể được xây dựng và sử dụng ở lớp ứng dụng Hiện nay có ba giao thức lớp ứng dụng quan trọng là giao thức quản lý cảm biến SMP, giao thức phân nhiệm vụ và quảng cáo số liệu TADAP, giao thức truy vấn cảm biến và phổ biến số liệu SQDDP Tất

cả các giao thức lớp ứng dụng này đều là những vấn đề nghiên cứu có tính mở

1.6.2 Giao thức tầng truyền tải

Kết nối TCP được sử dụng để liên lạc giữa nút quản lý của người sử dụng và nút thu nhận (Sink) và một giao thứ lớp giao vận phù hợp với môi trường mạng cảm biến được sử dụng cho truyền thông giữa nút thu nhận và các nút cảm biến Kết quả

là truyền thông giữa nút người sử dụng và nút thu nhận có thể sử dụng giao UDP hoặc TCP thông qua Internet hoặc qua vệ tinh Mặt khác, việc truyền thông giữa nút thu nhận và các nút cảm biến chỉ sử dụng hoàn toàn các giao thức kiểu như UDP, bởi vì các nút cảm biến có bộ nhớ hạn chế

1.6.3 Giao thức tầng mạng

Bao gồm các giao thức định tuyến như SPIN, Rumor, LEACH, PEGASIS,

Có thể chia các giao thức định tuyến ra làm 03 nhóm Data-Centric, Hierarchical, Location-based Các giao thức định tuyến ở tầng mạng trong WSN đều được thiết

kế khác với các giao thức định tuyến truyền thống Với mục tiêu tối ưu hiệu quả hoạt động của mạng, tiết kiệm tối đa năng lượng, không cản trở sự cộng tác của các nút mạng

1.6.4 Giao thức tầng liên kết dữ liệu [9]

Lớp liên kết dữ liệu liên quan đến việc truyền dữ liệu giữa hai node chia sẻ cùng một liên kết Vì là mạng không dây nên để truyền hiệu quả dữ liệu cần được kiểm soát và quản lý

Giao thức MAC đóng một vai trò quan trọng trong mạng lưới tiết kiệm năng lượng vì nó trực tiếp điều khiển đơn vị truyền thông không dây chính là thành phần tiêu tốn năng lượng nhiều nhất ở nút cảm biến

Hoạt động của các giao thức MAC dựa trên các thông số có sẵn được lập trình theo thời gian sao cho mỗi trạng thái làm việc của nút cảm biến được tính toán chính xác để tránh những va chạm không cần thiết hay các vấn đề nút ẩn để tiết kiệm năng lượng Thông thường một chương trình TDMA được sử dụng, trong đó thời gian được phân chia có định kì và được gán cho các nút Mỗi nút có thể truy cập từ nhiều kênh khác nhau thực hiện các nhiệm vụ như truyền, nhận, nghe dựa trên lập trình sẵn có

Một giao thức TDMA được biết đến là TRAMA, trong đó thời gian được chia làm 2 phần, một khoảng thời gian cho truy cập ngẫu nhiên và một khoảng thời gian cho truy cập được thiết lập trước Khoảng thời gian truy cập ngẫu nhiên thiết lập thông tin 2 chiều ở khu vực lân cận khi truy cập kênh có sự cạnh tranh Khoảng thời gian cho truy cập được thiết lập để xây dựng một lịch trình va chạm ngẫu nhiên Sau đó, thuật toán sẽ quyết định truyền và nhận ở các nút dựa trên thông tin khu vực lân cận, các nút khác được duy trì ở chế độ năng lượng thấp Như vậy năng lượng tiêu thụ giảm cả ở quá trình va chạm ngẫu nhiên cả trong chiến lược bảo trì năng lượng

μ-MAC là một giao thức dựa trên lịch biểu tương tự như TRAMA cũng có quá trình tranh chấp và không tranh chấp Năng lượng được tiết kiệm trong quá

trình va chạm khi các nút ngủ, độ tin cậy và độ trễ gói tin có thể ở mức chấp nhận được Tuy nhiên, thường xuyên xảy ra tranh chấp khi truyền tin có thể gây thất thoát năng lượng, vì vậy hiệu suất năng lượng không thể đảm bảo nếu μ-MAC được sử dụng trong một môi trường mạng năng động và thường xuyên thay đổi

Giao thức dựa trên sự liên kết và TDMA, có thể làm giảm tiêu thụ năng lượng bằng cách liên kết tạo sự đồng bộ trên lịch truyền / nhận dữ liệu và buộc các thiết bị khác về chế độ ngủ hoặc nghe nhàn rỗi Trong DEE-MAC, một vòng tuần hoàn được khởi chạy để chọn nút nguồn dựa trên mức năng lượng và sau khi lựa chọn thành công, nút nguồn sẽ xây dựng lịch trình TDMA để chỉ định dữ liệu đến các nút thông qua bộ thu phát vô tuyến Nút có dữ liệu sẽ được thiết lập về chế độ hoạt động trong khi những nút khác vẫn ở trạng thái ngủ hoặc nghe nhàn rỗi Tuy nhiên, ở giao thức này, quá trình cạnh tranh để lựa chọn nút nguồn có thể gây thất thoát năng lượng

Các giao thức MAC dựa trên sự cạnh tranh đang được sử dụng phổ biến trong các mạng cảm biến không dây với cơ chế truy cập kênh ngẫu nhiên và linh hoạt giảm mất mát năng lượng khi va chạm B-MAC (Berkeley MAC) một trong những giao thức nổi tiếng nhất dựa trên giao thức MAC, được thiết kế dựa trên cơ chế CSMA đặc biệt dành cho các mạng cảm biến không dây năng lượng thấp Để giảm tiêu thụ năng lượng, BMAC cung cấp đánh giá kênh rõ ràng (CCA), chương trình backoff của CSMA và ACK tùy chọn cho máy phát để có hiệu quả xử lý các điều kiện mạng Tại máy thu, một cơ chế nghe điện năng thấp (LPL) được sử dụng

để đạt được một chu kỳ nhiệm vụ thấp, do đó các nút cảm biến thức dậy theo định

kỳ để kiểm tra các hoạt động kênh Nếu phát hiện có hoạt động, nút cảm biến được đánh thức trong một khoảng thời gian cụ thể cho gói tin tới và sau đó trở lại trạng thái ngủ Nếu không nhận được gói tin nào thì sau một khoảng thời gian chờ nút cũng trở lại trạng thái ngủ để bảo toàn năng lượng

S-MAC (Sensor-MAC) là một giao thức phổ biến khác dựa trên sự cạnh tranh, nó được xây dựng dựa trên định kỳ chu kỳ nhiệm vụ buộc các nút về trạng thái ngủ thay vì nghe nhàn rỗi để bảo tồn năng lượng Lịch trình được thiết lập giữa các nút làm cho chúng tổ chức dưới dạng một cụm ảo bằng phương tiện trao đổi là các gói SYNC Trong S-MAC, quá trình truy cập kênh được chia thành hai phần: trong khoảng thời gian đầu tiên (giai đoạn nghe) các nút trao đổi các gói tin SYNC

và một số gói tin kiểm soát để xây dựng một chương trình kết nối nhằm tránh xung

đột Truyền dữ liệu thực giữa các nút tương quan diễn ra trong giai đoạn thứ 2 (đối với các nút khác không liên quan chúng sẽ ngủ trong khoảng thời gian này) Theo

kế hoạch đã được xây dựng, bộ thu nhận dữ liệu trung gian và nút nguồn liên quan thức dậy để truyền thông đồng thời, trong khi các nút khác ở chế độ ngủ chờ đến giai đoạn nghe tiếp theo

1.6.5 Giao thức tầng vật lý

Lớp vật lý cung cấp giao diện truyền bit trên môi trường truyền thông vật lý Nó chịu trách nhiệm tương tác với lớp MAC, thực hiện truyền nhận và điều chế tín hiệu Sự tương tác giữa lớp vật lý và lớp MAC là một vấn đề quan trọng Lỗi tại lớp vật lý cao và thời gian thay đổi nhiều trong một môi trường không dây Lớp MAC tương tác với lớp vật lý để phát hiện và sửa lỗi Các tương tác khác bao gồm chia sẻ thông tin truyền dẫn và kênh với lớp MAC để đạt được hiệu quả cao hơn và tận dụng được tài nguyên

Đối với mạng cảm biến không dây, giảm thiểu tiêu thụ năng lượng và tối đa hóa tuổi thọ mạng bắt đầu ở lớp vật lý Tại lớp vật lý, năng lượng được sử dụng trong hoạt động mạch vô tuyến điện và truyền dòng bit Năng lượng được sử dụng

để chạy mạch vô tuyến được cố định trong khi năng lượng để truyền tải dữ liệu có thể thay đổi Có một sự cân bằng giữa truyền tải và lỗi Lựa chọn đúng công suất truyền tải là cần thiết để giảm thiểu tổn thất năng lượng và để mạng vận hành hiệu quả hơn

Các lớp vật lý trong một mạng cảm biến không dây phải có năng lượng hiệu quả Thiết kế lớp vật lý bắt đầu với việc thiết kế bộ thu phát vô tuyến Việc thiết kế hoặc lựa chọn một bộ thu phát vô tuyến là rất quan trọng vì chúng có thể tác động đến hiệu năng của lớp giao thức Bộ thu phát vô tuyến là thành phần tiêu tốn năng lượng nhất trong node cảm biến nên cần giảm thiểu năng lượng chỉ đủ để thực hiện chức năng của nó và giao tiếp Giảm thiểu mức tiêu thụ năng lượng ở lớp vật lý đòi hỏi phải có mạch năng lượng và tối ưu được năng lượng truyền tải Mạch năng lượng có thể được giảm thiểu với giảm thời gian thức và thời gian khởi động Thời gian khởi động ngắn hơn sẽ tiết kiệm lượng năng lượng tiêu thụ Ngoài ra, một số giải pháp khắc phục nhược điểm của lớp vật lý cũng được đề xuất như lựa chọn băng thông hay các sơ đồ điều chế phù hợp để tiết kiểm điện năng tiêu thụ Trong tương lai, để nâng cao hiệu quả làm việc của lớp vật lý đòi hỏi các bộ thu phát vô

tuyến với công suất thấp, các kĩ thuật siêu băng rộng, các sơ đồ điều chế đơn giản nhằm giảm sự đồng bộ hóa và sự tiêu hao năng lượng

1.6.6 Khối quản lý năng lượng

Quản lý cách cảm biến sử dụng nguồn năng lượng của nó Nút cảm biến có thể tắt bộ phận nhận sau khi nhận một bản tin từ một trong các nút lân cận Ngoài

ra, khi mức năng lượng của nút cảm biến thấp, nút cảm biến sẽ thông báo tới tất cả các nút lân cận rằng mức năng lượng của nó đã thấp nên nó không thể tham gia vào việc định tuyến và chuyển tiếp cho các bản tin Năng lượng còn lại được dự trữ cho việc cảm biến và gửi thông điệp

1.6.7 Khối quản lý di động

Có nhiệm vụ phát hiện và đăng ký sự chuyển động của các node Các node duy trì việc theo dõi xem đâu là node lân cận của chúng Với việc nhận biết được các nút cảm biến lân cận, nút cảm biến có thể cân bằng giữa nhiệm vụ và năng lượng sử dụng

1.6.8 Khối quản lý nhiệm vụ

Cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến giữa các node trong một vùng quan tâm Không phải tất cả các node cảm biến đều thực hiện nhiệm vụ cảm nhận ở cùng một thời điểm Một vài nút cảm biến thực hiện nhiệm vụ nhiều hơn các nút khác tuỳ theo mức năng lượng của chúng Những khối quản lý này rất cần thiết, như vậy, các nút cảm biến có thể làm việc cùng với nhau để có hiệu quả về năng lượng, có thể định tuyến số liệu trong một mạng cảm biến di động và chia sẻ tài nguyên giữa các nút cảm biến Nếu không, mỗi nút cảm biến sẽ chỉ làm việc một cách đơn lẻ [8] Kết luận chương 1

Trong chương 1, luận văn đã trình bày tổng quan về mạngcảm biến không dây, các đặc tính riêng của mạng cảm biến không dây như thiết kế linh hoạt đa dạng, hoạt động mạnh mẽ, khả năng tự tổ chức tốt, năng lượng tiêu thụ trong mảng cảm biến

và chi phí sản xuất Ngoài ra, luận văn cũng nêu ra các thành phần và vai trò của node cảm biến, những ứng dụng quan trọng của mạng cảm biến không dây trong những lĩnh vực khác nhau cũng được trình bày trong chương 1 này của luận văn Thêm vào đó, luận văn cũng tìm hiều những thông tin về kiến trúc của mạng cảm biến không dây, các lớp giao thức của mạng Trong tương lai, phạm vi ứng dụng

thiết kế và xây dựng mạng cảm biến không dây cần lưư ý đến các yếu tố như chi phí lắp đặt, thiết kế phần cứng, hoạt động phần mềm, môi trường, năng lượng tiêu thụ

để mạng hoạt động hiệu quả và mang lại kết quả tốt Để xây dựng được ứng dụng của mạng cảm biến không dây áp dụng quan trắc khí thải giao thông, trong nội dung chương tiếp theo, luận văn sẽ tìm hiểu về các kiểu mạng, kiến trúc phần cứng và kiến trúc phần mềm trong mạng cảm biến không dây

CHƯƠNG 2 KHẢO SÁT CẢM BIẾN KHÍ THẢI GIAO THÔNG

Trong chương này, luận văn sẽ tìm hiểu về ô nhiễm không khí do khí thải giao thông, nghiên cứu về cảm biến khí thải giao thông MICS 6814 để đánh giá nồng độ các khí thải do các phương tiện giao thông thải ra trong không khí

2.1 Ô nhiễm không khí [19]

Ô nhiễm không khí là sự thay đổi lớn trong thành phần của không khí hoặc có sự xuất hiện của các khí lạ làm cho không khí không sạch, có mùi khó chịu, giảm tầm nhìn xa, gây bệnh cho con người và sinh vật

Có rất nhiều nguồn gây ô nhiễm không khí và có thể chia thành 2 nguồn chính là nguồn tự nhiên và nguồn nhân tạo

- Nguồn tự nhiên

+ Do hoạt động phun ra nham thạch nóng của núi lửa tạo ra một lượng lớn khói bụi và các khí khác Hơn nữa, vì được phun từ trên cao nên không khí chứa bụi lan tỏa bay đi rất xa

+ Cháy rừng cũng là một trong những nguyên nhân dẫn đến ô nhiễm không khí, các đám cháy mang theo nhiều khói bụi và tạo ra một số chất gây ô nhiễm + Sự phân hủy của xác động thực vật trong tự nhiên tạo ra các khí sunfua, nitrat làm giảm chất lượng không khí

- Nguồn nhân tạo

+ Các hoạt động công nghiệp, đốt cháy nhiên liệu tạo ra một lượng lớn khí độc như CO2, SO2

+ Hoạt động sinh hoạt của con người

+ Khí thải do các phương tiện giao thông

2.2 Ô nhiễm không khí do khí thải giao thông

Có nhiều nguyên nhân dẫn đến ô nhiễm môi trường không khí, ở những đô thị lớn áp lực ô nhiễm chủ yếu do hoạt động giao thông vận tải, hoạt động xây dựng, hoạt động công nghiệp, sinh hoạt của dân cư và xử lý chất thải Trong đó, ô nhiễm không khí ở đô thị do các hoạt động giao thông vận tải chiếm tỉ lệ khoảng 70% (Bộ Giao thông vận tải, 2010), với sự phát thải của các khí CO, NO2, NH3 Thời gian gần đây, chỉ số AQI (chất lượng không khí) ở các đô thị lớn liên tục ở mức trung bình và xấu

Theo phòng Kiểm định xe cơ giới, Cục Đăng kiểm Viêt Nam cho biết, hiện toàn quốc có khoảng hơn 50 triệu xe máy đang lưu thông, chiếm đến 95% số lượng xe cơ giới và thải ra 80 - 90% khí CO, HC, 50% lượng NOx trong tổng lượng phát thải xe

cơ giới Các đô thị lớn như Hà Nội và TP HCM có lượng xe máy tập trung đông, chiếm khoảng 1/4 lượng xe cả nước và có mức gây ô nhiễm từ xe máy khá cao [19,

xe máy (tăng hơn 6%) Trong 10 năm từ năm 2010, tăng thêm hơn 4 triệu phương tiện giao thông [16]

Còn theo Phó Trưởng phòng CSGT Hà Nội, tính đến Quý 1/2019, CSGT Hà Nội phải quản lý 6.649.596 phương tiện Trong đó có 739.731 ôtô, 5.761.436 xe máy và

xe máy điện là 148.429 chiếc Đánh giá tổng hợp 2014 - 2019 cho thấy, trong năm

2017, số lượng phương tiện tăng 5,3%, đến năm 2018 tăng 4,2% và năm 2019 so với 2018 đã tăng 1,5% Theo số liệu phương tiện được phòng CSGT thống kê, xe máy đang chiếm đến 86% lượng phương tiện đang tham gia giao thông ở Hà Nội [15]

Cùng với sự gia tăng của các phương tiện tham gia giao thông thì mật độ các phương tiện giao thông lớn, chất lượng các loại phương tiện giao thông kém và hệ thống đường giao thông chưa tốt dẫn đến lượng khí thải do các phương tiện giao thông có xu hướng tăng Các phương tiện giao thông ở Việt Nam bao gồm nhiều chủng loại, nhiều xe đã qua nhiều năm sử dụng nên có chất lượng kém thải một lượng lớn nồng độ khí thải Hầu hết những loại xe ô tô cũ và xe máy đang lưu hành đều không có bộ kiểm soát khí thải ra môi trường Trong khi đó, nhiều người tham gia giao thông tại Việt Nam còn chưa có thói quen bảo dưỡng phương tiện định kỳ theo khuyến cáo của nhà sản xuất Các phương tiện giao thông sau một thời gian sử dụng hệ thống phun xăng sẽ bị hở ra, xăng có nguy cơ bốc cháy Đặc biệt, nhiều phương tiện cũ nát, hết niên hạn sử dụng vẫn tham gia giao thông, không chỉ đe dọa đến sự an toàn tính mạng cho người tham gia giao thông mà còn gây ảnh hưởng

nghiêm trọng đến chất lượng không khí của các đô thị, đe dọa đến sức khỏe và cuộc sống của người dân

Với những loại xe có niên hạn sử dụng trên 5 năm nếu không bảo dưỡng thường xuyên, lượng khí CO phần lớn vượt gấp 2 lần tiêu chuẩn thông thường Trong khi

đó, phần lớn các xe gắn máy ở nước ta không được bảo dưỡng thường xuyên

2.3 Ảnh hưởng của khí thải giao thông đến sức khỏe con người [15]

Không chỉ gây ô nhiễm không khí, gây ra các hiện tượng thời tiết xấu như sương

mù, mưa axit, cản trợ sự lưu thông của các phương tiện mà các khí thải giải thông còn ảnh hưởng đến sức khỏe của chính những người tham gia giao thông và những người dân sinh sống trong khu vực đó

- Oxit cacbon (CO) là chất khí không màu, không mùi, khi hít phải với nồng

độ khoảng 200 mg/m3 trong 2-3 giờ có thể dẫn đến ngộ độc khí gây ra các hiện tượng như ngạt thở, đau đầu, buồn nôn, choáng váng và có thể dẫn đến bất tỉnh

- Ôxit Nitơ (NOx) là chất khí độc hại ảnh hưởng đến đuờng hô hấp của con người Nó cũng là khí không mùi, không vị Trong không khí, ôxit Nitơ kết hợp với hydrocacbon (CnHn) trong khí thải của các phương tiện dưới tác dụng của ánh nắng mặt trời và tạo nên chất oxy hóa do ánh sáng Khi đó độc

tố tăng lên vài lần so với chất ban đầu gây ra dấu hiệu cảm cúm nhẹ khi bị ngộc độc chất khí này Nếu hít phải một lượng lớn chất này trong thời gian dài thì tình trạng cảm cúm sẽ nặng hơn, thậm chí dẫn đến hiện tượng buồn nôn và đau đầu, và trầm trọng hơn có thể ảnh hưởng đến tính mạng

- Tương tự như các chất trên NH3 cũng là chất gây nguy hại cho sức khỏe con người khi tiếp xúc trong thời gian dài Tổ chức Quản lý An toàn và Sức khỏe nghề nghiệp Mỹ (OSHA) quy định, giới hạn thời gian phơi nhiễm NH3 trong không khí xung quanh tối đa 15 phút khi ở nồng độ 35 ppm (thể tích), 8 giờ

ở nồng độ 25 ppm Khi hít phải NH3 nồng độ cao có thể bị tổn thương phổi, thậm chí tử vong Tại Việt Nam, nồng độ NH3 cho phép trong không khí xung quanh là 0,2 mg/m3

2.4 Quy chuẩn khí thải giao thông [16]

Ở Việt Nam, tiêu chuẩn khí thải giao thông được áp dụng theo tiêu chuẩn Euro Đây là tiêu chuẩn được các nước thành viên EU thông qua và áp dụng, nó bao gồm

những định mức về nồng độ của các loại khí sinh ra trong quá trình xe hoạt động như nitrogen oxide (NOx), hydrocarbons (HC), carbon monoxide (CO) and particulate matter (PM)

Theo đó, từ năm 2017 đến nay, xe gắn máy và xe ô tô khi sản xuất phải đạt tiêu chuẩn Euro 4 mới được đưa ra thị trường tiêu thụ [16]

Loại động cơ Yêu cầu về nộng độ

các chất trong khí thải

Thông tin bổ sung

tiêu chuẩn Euro 4 được yêu câu lắp thêm các bộ lọc hạt vật chất PM và oxit nito (NOx)

HC -1,0g/km NOx -0,08

PM không giới hạn

Diesel

CO -0,05g/km HC+NOx -0,3g/km NOx -0,25g/km

PM -0,025g/km

Bảng 2.1 Bảng thông số tiêu chuẩn khí thải Euro 4

2.5 Các loại cảm biến đánh giá ô nhiễm trong không khí [12]

Để đánh giá được mức độ ô nhiễm trong không khí, việc quan trọng cần làm là xây dựng thiết bị giám sát chất lượng không khí và lựa chọn cảm biến phù hợp Có nhiều dòng cảm biến được sử dụng để đo nồng độ ô nhiễm không khí, và mỗi loại

có những ưu, nhược điểm riêng, và một dòng cảm biến sẽ không phù hợp với tất cả các loại khí cần đo và mục đích ứng dụng Do đó, cần biết được những đặc tính của các công nghệ cảm biến khác nhau để lựa chọn loại cảm biến phù hợp với các khí

và mục đích của ứng dụng

2.5.1 Cảm biến điện hóa

Các cảm biến điện hóa là loại cảm biến thường được dùng để phát hiện và đo nồng

độ các loại khí độc hại ở mức ppm và khí ôxy ở mức phần trăm thể tích (% vol) Nó hoạt động bằng cách phản ứng với chất phân tích và tạo ra tín hiệu điện, dựa trên nguyên tắc của dòng cảm biến Amperometric, phát hiện các ion trong một dung

dịch dựa trên dòng điện hoặc sự thay đổi dòng điện, tạo ra một dòng điện tỷ lệ tuyến tính với nồng độ khí Nguyên tắc đằng sau cảm biến amperometric là đo lường mối quan hệ giữa cường độ dòng điện và điện áp (U/I) trong một tế bào điện hóa ở trạng thái không cân bằng

Ưu điểm: Cảm biến điện hóa có thể được sử dụng trong một dải nhiệt độ rộng (-20

° đến + 50 ° C là phổ biến) Đây là dòng cảm biến có kích thước nhỏ gọn, thường có tuổi thọ dài (1-3 năm), đòi hỏi ít năng lượng và đáp ứng tốt

Nhược điểm: Các dòng điện dễ gặp phải hiện tượng nhiễu chéo khi dưới sự ảnh

hưởng của các loại khí khác

2.5.2 Cảm biến xúc tác

Cảm biến xúc tác hay còn được gọi là cảm biến hạt xúc tác, là dòng cảm biến đáng tin cậy và phổ biến thường được dùng để phát hiện và đo khí và hơi dễ cháy như như mêtan, từ 0-100% LEL Nó có thể được cấu hình để phát hiện khí mêtan trên với nồng độ từ 0–5% thể tích Công nghệ cảm biến này cũng đã được chứng minh là

có thể đo lường nồng độ của Hydro

Khi khí dễ cháy đi vào cảm biến nó sẽ xảy ra phản ứng trên phần tử detector (D) có chứa chất xúc tác và nhạy cảm với các khí dễ cháy, gây ra sự gia tăng nhiệt độ và làm thay đổi điện trở của cảm biến Ngoài ra nó sẽ có một phần tử bù trơ (C) không cho khí cháy trên đó Một mạch cầu Wheatstone được hình thành với cả hai phần tử

C và D, và một biến trở (VR) được sử dụng để duy trì trạng thái cân bằng của mạch cầu trong không khí sạch Khi có khí dễ cháy, chỉ có điện trở của phần tử detector

sẽ tăng lên, gây ra sự mất cân bằng trong mạch cầu, do đó tạo ra tín hiệu điện áp đầu ra (Vout) Giá trị điện áp đầu ra tỷ lệ thuận với nồng độ của khí dễ cháy, từ đó

có thể xác định được nồng độ khí nhờ đo giá trị đầu ra của điện áp

Ưu điểm: Đáng tin cậy, ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và độ ẩm, độ ổn định và tuổi

thọ cao

Nhược điểm: Nó không phù hợp để đánh giá trong môi trường có nồng độ oxy dưới

10% thể tích hoặc có mức độ ô nhiễm cao Một số khí có thể làm giảm độ nhạy của

nó hoặc làm hỏng khả năng phục hồi của lớp xúc tác bên ngoài Ngoài ra, các cảm biến xúc tác có mức tiêu thụ năng lượng cao, gây ra hạn chế khi tích hợp vào các máy dò cầm tay

2.5.3 Cảm biến hồng ngoại

Cảm biến hồng ngoại (IR) có khả năng hoạt động trong một phạm vi nhiệt độ rộng, điều kiện độ ẩm cao và cả trong môi trường khí trơ Đây là dòng cảm biến được sử dụng khá phổ biến trong các hệ thống quan trắc hiện nay để đo nồng độ của các khí

dễ cháy

Cảm biến hồng ngoại (IR) phát hiện khí dựa trên sự hấp thụ năng lượng của các

phải phù hợp với tần số của dao động Dải bước sóng thường được sử dụng để đo khí dễ cháy gần 3,33μm (micromet) hoặc 3,4μm

Nồng độ của khí cần đo được tính toán dựa trên cường độ tín hiệu thu được từ cảm biến theo định Luật Bia-Lambert Theo định luật này, cường độ của tín hiệu tỷ lệ thuận với cường độ của chùm tia hồng ngoại Ngoài việc được sử dụng phát hiện khí dễ cháy cảm biến hồng ngoại DNIR cũng được thiết kế để phát hiện Carbon Dioxide (CO2) với nồng độ từ 0–5% thể tích

Ưu điểm: Có thể phát hiện khí trong môi trường khí trơ, thường được thiết kế để đo

một loại khí cụ thể Ngoài ra, nó có thể phát hiện khí ở nồng độ rất thấp, và có phí vận hành bảo trì thấp, ít bị ảnh hưởng bởi các yếu tố gây ức chế hoặc ngộ độc như cảm biến xúc tác

Nhược điểm: Loại cảm biến này không phát hiện và đo đạc được nồng độ của các

khí mà phân tử của nó không hấp thụ photon ở dải bước sóng cận hồng ngoại như Hydro, Acetylene

2.5.4 Cảm biến bán dẫn

Cảm biến bán dẫn phát hiện khí bằng phản ứng hóa học diễn ra khi khí tiếp xúc trực tiếp với cảm biến Nó thường sử dụng vật liệu SnO2 để phát hiện các khí Cảm biến bán dẫn thường được sử dụng để phát hiện hydro, oxy, hơi rượu và các khí độc hại như carbon monoxide Một trong những ứng dụng phổ biến nhất cho cảm biến bán dẫn là cảm biến carbon monoxide Do đó, nó thường được sử dụng để đo nồng độ cồn trong hơi thở

Ưu điểm: Có khả năng hoạt động tốt ở môi trường có độ ẩm thấp Có thể phát hiện

được nhiểu loại khí, bao gồm cả khí dễ cháy, chi phí thấp

Nhược điểm: Độ chính xác và phạm vi đo tổng thể của cảm biến bị hạn chế, dễ bị

ảnh hưởng bởi nồng độ của oxy, nhiệt độ và độ ẩm không khí

Trước những thách thức mà khí thải giao thông gây ra cho môi trường không khí, sức khỏe con người cũng như tình trạng tăng nhanh của các phương tiện giao

thông và chưa kiểm soát triệt để lượng khí thải giao thông thì cần có giải pháp khắc phục tình trạng này Giải pháp mà luận văn đưa ra là xây dựng hệ thống quan trắc các khí thải giao thông bao gồm CO, NO2, NH3 giúp các cơ quan chức năng có thêm cơ sở để kiểm soát khí thải của các phương tiện giao thông và từ đó có những giải pháp để giảm thiểu khí thải giao thông

Để đánh giá nồng độ các khí do các phương tiện giao thông thải vào không khí, luận văn sử dụng cảm biến MICS 6814

2.6 Cảm biến MICS 6814

2.6.1 Mô đun cảm biến

MICS 6814 là cảm biến MEMS thường được sử dụng nhằm mục đích phát hiện ô nhiễm khí thải giao thông sử dụng công nghệ với sự kết hợp của các oxit kim loại với công nghệ bán dẫn trong đó oxit kim loại là các hạt nano được sử dụng trong hầu hết các công nghệ chế tạo vi mạch Hệ thống cơ khí vi mô (MEMS) chủ yếu sử dụng oxit kim loại trong chế tạo để giảm kích thước và tiêu thụ điện năng MICS 6814 từ công nghệ cảm biến SGX là một loại cảm biến Metal Oxide sử dụng Zinc Oxide làm phần tử cảm biến [3]

2.6.2 Nguyên lý hoạt động

Nó bao gồm oxit kẽm không cho phép bất kỳ dòng điện nào đi qua, khi oxy nguyên chất đi qua nó đóng vai trò như một điện trở vô cực Khi bất kỳ khí bị ô nhiễm đi vào cảm biến sẽ có một dòng điện chạy qua và tỷ lệ thuận với nồng độ của khí đi vào Bằng cách có các phần tử cảm biến khác nhau (phần tử gia nhiệt), sẽ đo được nồng độ của các khí khác nhau MICS 6814 tích hợp ba yếu tố cảm biến khác nhau trong một thiết bị, nó có thể đo các khí như carbon monoxide, nitrous dioxide, amoniac Phần tử gia nhiệt hoặc chất nền (RS) kết hợp với điện trở tải (RL) tạo thành một bộ phân áp Phần tử gia nhiệt đóng vai trò và hoạt động như một biến trở

sự giảm dần của nồng độ khí Điện áp đầu ra xoay thay đổi tỉ lệ với điện trở của cảm biến thành phần Phần tử cảm biến RS là điện trở có thể thay đổi và RO là giá trị điện trở đo trong quá trình hiệu chuẩn Tỷ số giữa điện trở thay đổi (RS) với điện trở ban đầu (RO) cho chúng ta biết nồng độ của các mức khí Mỗi phần tử cảm biến

có điện trở thay đổi và điện trở hiệu chuẩn của riêng nó, tạo ra các mức tỷ lệ khác