Đang tải... (xem toàn văn)
SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HÀ NỘITRƯỜNG THPT NGUYỄN TRÃI – THƯỜNG TÍN
ĐỀ TÀI DỰ THI KHOA HỌC, KỸ THUẬTDÀNH CHO HỌC SINH TRUNG HỌC CẤP THÀNH PHỐ
1 Nguyễn Minh Ngọc - Nhóm trưởng
- Lớp 11A1, trường THPT Nguyễn Trãi - Thường Tín2 Nguyễn Tuấn Hưng
- Lớp 11A1, trường THPT Nguyễn Trãi - Thường Tín
GIÁO VIÊN PHỤ TRÁCH
- Nguyễn Thị Thu Hà.
- Trường: THPT Nguyễn Trãi – Thường Tín
Trang 2MỤC LỤC
PHẦN I: LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1
1.1 Lí do chọn đề tài 1
1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1
1.3 Câu hỏi nghiên cứu: 1
1.4 Giả thuyết nghiên cứu 1
PHẦN II: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 2
2.1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu 2
2.2 Điểm mới và tính sáng tạo 2
PHẦN III: QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ 3
3.2.2 Chế tạo thử nghiệm một điểm Node 6
3.2.3 Nguồn năng lượng cấp cho trạm quan trắc 8
3.2.4 Linh kiện điện tử trong hệ thống 9
Trang 3DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Mô hình hệ thống trạm quan trắc cảnh báo cháy rừng Hình 1.2: Giới thiệu về Lora.
Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý Gateway Hình 3.2: Mạch gateway mô phỏng Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý một điểm Node
Hình 3.4: Mạch một điểm Node mô phỏng
Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý bộ sạc sử dụng thuật toán MPPT Hình 3.6: Sơ đồ kết nối các khối trong hệ thống MPPT Hình 3.7: Mô hình gateway thực tế
Hình 3.8: Mô hình Node 1 và Node 2 thực tế.
Hình 3.9: Số liệu của các điểm Node gửi về gateway tải từ Web
Hình 3.10: Màn hình máy tính hiển thị số liệu tại thời điểm diễn tập kịch bản cháy rừng
DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1: Danh sách điểm Gateway
Bảng 3.2: Danh sách linh kiện hai điểm node
Trang 4PHẦN I: LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI1.1 Lí do chọn đề tài
Ô nhiễm không khí là một trong những vấn đề nghiêm trọng nhất ở các đô thị, đặc biệt là tại các nước đang phát triển Theo những nghiên cứu gần đây, việc phơi nhiễm bụi có nồng độ trung bình năm vượt quá 50 µg/m3 tại 126 thành phố trên thế giới có thể là nguyên nhân của khoảng 130 nghìn ca tử vong sớm
Chất lượng không khí nói chung và không khí đô thị nói riêng chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố Các nguồn khí thải trong đô thị như công nghiệp, giao thông, sinh hoạt, xây dựng có thể làm suy giảm chất lượng không khí Tuy nhiên, nếu trong thành phố có nhiều cây xanh, và diện tích mặt nước (hồ, ao, sông) lớn thì chất lượng không khí cũng được cải thiện phần nào.
Ở Hà Nội chưa bị ô nhiễm không khí nghiêm trọng bởi các chất ô nhiễm khác Tuy nhiên chất lượng môi trường không khí ở Hà Nội có thể bị suy giảm dưới các áp lực về dân số, công nghiệp, giao thông Vì vậy việc nghiên cứu, đánh giá tổng hợp chất lượng môi trường không khí có tính đến tổng hợp các yếu tố trên là cần thiết.
Từ những lý do trên, nhóm tác giả chọn tên đề tài: “Máy cảnh báo và lọc không khí tại hộ gia đình”.
1.2 Mục tiêu nghiên cứu
- Đánh giá chất lượng môi trường không khí do ảnh hưởng của các loại nguồn thải gây ra cho vực gia đình theo các kịch bản khác nhau
- Nghiên cứu, xây dựng phương pháp đánh giá tổng hợp chất lượng môi trường không khí có tính đến các yếu tố giảm nhẹ ô nhiễm, làm cơ sở cho việc làm sạch chất lượng môi trường không khí.
1.3 Câu hỏi nghiên cứu:
Sử dụng trạm quan trắc cảnh báo cháy rừng ứng dụng công nghệ LoRa có cảnh báo được sớm các vụ cháy rừng.
1.4 Giả thuyết nghiên cứu:
Nếu vận dụng trạm quan trắc cảnh báo cháy rừng ứng dụng công nghệ lora sẽ đưa ra cảnh báo dài hạn và tức thời cháy rừng, gửi thông tin đo đạc về trung tâm với khoảng cách xa có mức độ chính xác tương đối cao.
PHẦN II: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU2.1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu.
Để nâng cao năng lực phòng cháy chữa cháy rừng, Cục Kiểm lâm, Chi cục Kiểm lâm, Ban quản lý rừng, đã tiến hành lắp đặt hệ thống trạm khí tượng quan trắc thời tiết phục vụ dự báo, cảnh báo dài hạn nguy cơ cháy rừng Đây là một trong những ứng dụng công nghệ tự động và thiết bị tiên tiến trong quan trắc khí
1
Trang 5tượng với các yếu tố là: Nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, lượng mưa, hướng gió, tốc độ gió Hệ thống bao gồm: thiết bị lắp đặt tại trạm cố định hoạt động tự động, máy chủ được cài đặt phần mềm quản trị dữ liệu, và các đối tượng sử dụng thông tin dự báo, cảnh báo nguy cơ cháy rừng Hệ thống các trạm quan trắc hiện nay đang sử dụng các cách truyền thông như: Cổng RS232: nối dây trực tiếp bộ datalogger với máy tính, nhanh chóng tiện lợi tốc độ cao đảm bảo không bị ảnh hưởng bởi thời tiết; Wifi: kết nối không dây phạm vi gần; Radio: kết nối phạm vi xa hơn (hơn 1km); Modem PSTN: truyền dữ liệu thông qua mạng dây điện thoại; GSM: truyền thông qua hệ thống thông tin di động toàn cầu; GPRS: truyền thông qua hệ thống thông tin di động toàn cầu với tốc độ cao hơn so với GSM; Vệ tinh: phục vụ việc truyền thông tin ở những vùng sâu vùng xa Tuy nhiên các phương thức truyền thông trên vẫn còn những mặt hạn chế về chi phí, không gian hoặc cần nhiều năng lượng để vận hành, trong khí đó cách thức truyền thông bằng công nghệ LoRa đang được phát triển với nhiều ưu điểm nổi bật Công nghệ LoRa là một giao thức không dây mới được thiết kế để truyền thông tầm xa, năng lượng thấp Một phần của phổ LoRa sử dụng thể hiện ít nhiễu điện từ, do đó tín hiệu có thể kéo dài một khoảng cách xa, thậm chí đi qua các tòa nhà, với rất ít năng lượng, giảm chi phí khi ứng dụng trong các sản phẩm công nghệ Vì vậy, trong đề tài này, nhóm tác giả
nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm “trạm quan trắc cảnh báo cháy rừng ứng dụng công nghệ Lora” nâng cao khả năng và mức độ truyền tín hiệu, rút ngắn thời gian
cảnh báo khả năng cháy rừng, giảm năng lượng vận hành cho hệ thống và chi phí lắp đặt.
2.2 Điểm mới và tính sáng tạo
- Chưa có trạm quan trắc và cảnh báo cháy rừng ứng dụng công nghệ LoRa trong thực tiễn.
- Sử dụng công nghệ LoRa trong hệ thống có ưu điểm truyền dữ liệu xa nhất với công suất tiêu thụ thấp nhất Thông qua các gateway, dữ liệu có thể truyền về trung tâm (không giới hạn khoảng cách địa lý) thông qua mạng 4G hoặc thông qua Internet.
- Sử dụng nguồn pin năng lượng mặt trời kết hợp với bộ sạc dùng thuật toán MPPT đảm bảo hệ thống luôn hoạt động ổn định ngay cả nơi không có hệ thống điện lưới quốc gia.
- Tiết kiệm tối đa chi phí đầu tư ban đầu và chi phí duy trì hoạt động - Có thể nhận kết quả dữ liệu ở bất kì đâu chỉ cần có internet.
- Kết hợp giữa đo đạc thông số khí tượng đưa ra cảnh báo dài hạn và tức thời khi có nguy cơ xảy ra cháy.
PHẦN III: QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ.3.1 Cơ sở lí thuyết.
3.1.1 Trạm quan trắc cảnh báo cháy rừng.3.1.1.1 Khái quát về trạm quan trắc cảnh báo cháy rừng
2
Trang 6Trạm quan trắc cảnh báo cháy rừng là hệ thống các thiết bị quan trắc môi trường không khí xung quanh để thu thập các thông tin liên quan tới yếu tố gây cháy rừng như: Nhiệt độ, độ ẩm, lượng mưa, áp suất, hướng gió, vận tốc gió, khói…xử lí và đưa ra tín hiệu cảnh báo
3.1.1.2 Sơ đồ nguyên lí trạm quan trắc cảnh báo cháy rừng
Hình 1.1: Mô hình hệ thống trạm quan trắc cảnh báo cháy rừng Mô hình lấy Gateway làm trung tâm để xây dựng, Gateway được xây dựng bằng module ESP8266 CP2102, module LoRa Ra-02 và LCD 1602, có nhiệm vụ là chờ tiếp nhận dữ liệu LoRa từ các Node cảm biến (Node CO2, Node Temp, Node Light, Node Anemometer), xử lý hiển thị LCD 1602 và publish chúng lên broker, sau đó được đẩy lên Server hoặc phần mềm điều khiển (C# Winform) Node cảm biển, cụ thể ở đây là Node CO2, Temp, Light, Anemometer được xây dựng bằng vi điều khiển Arduino Nano 3.0 328 Mini FT232, module LoRa Ra-02, LCD 1602 và cảm biến COZIR-AX-5000, cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT 11, cảm biến tốc độ gió Nhiệm vụ là đọc giá trị CO2, Temp, Light, Anemometer và truyền dữ liệu LoRa tới Gateway.
Gateway kết nối với Server hoặc phần mềm thông qua phương thức MQTT, đây là phương thức truyền nhanh, với tốc độ băng thông thấp, … Chúng có dạng publish/subscribe Khi nhận được dữ liệu LoRa từ Node cảm biến Gateway xử lý dữ liệu và publish lên broker một message thông qua một topic, lúc này Server hoặc phần mềm sẽ subscribe topic đó và lắng nghe liên tục message từ topic đó, chỉ cần có một dữ liệu gửi lên từ Gateway, lập tức Server và phần mềm sẽ cập nhật giá trị mới theo message đã nhận được, ngược lại, khi Server hoặc Gateway publish dữ liệu, Gateway sẽ subscribe và lắng nghe chúng, nếu có message gửi về từ Server hoặc phần mềm, lập tức Gateway nhận được và chuyển thành dữ liệu LoRa và truyền đi tức thời tới Node điều khiển (Node Relay).
Server được xây dựng trên nền tảng Node.js và phần mềm được xây dựng trên nền tảng C# NET Tất cả đều đã có thư viện MQTT hỗ trợ.
3
Trang 73.1.2 Công nghệ Lora3.1.2.1 Khái quát về công nghệ Lora.
LoRa được nghiên cứu và phát triển bởi Cycleo và sau này được mua lại bởi công ty Semtech năm 2012 Với công nghệ này, chúng ta có thể truyền dữ liệu với khoảng cách lên hàng km mà không cần các mạch khuếch đại công suất, từ đó giúp tiết kiệm năng lượng tiêu thụ khi truyền/nhận dữ liệu Do đó, LoRa có thể được áp dụng rộng rãi trong các ứng dụng thu thập dữ liệu như sensor network trong đó các sensor node có thể gửi giá trị đo đạc về trung tâm cách xa hàng km và có thể hoạt động với battery trong thời gian dài trước khi cần thay pin.
Hình 1.2: Giới thiệu về Lora.
3.1.2.2 Nguyên lý hoạt động
LoRa sử dụng kỹ thuật điều chế gọi là Chirp Spread Spectrum Có thể hiểu nguyên lý này là dữ liệu sẽ được băm bằng các xung cao tần để tạo ra tín hiệu có dãy tần số cao hơn tần số của dữ liệu gốc (cái này gọi là chipped), sau đó tín hiệu cao tần này tiếp tục được mã hoá theo các chuỗi chirp signal (là các tín hiệu hình sin có tần số thay đổi theo thời gian, có 2 loại chirp signal là up-chirp có tần số tăng theo thời gian và down-chirp có tần số giảm theo thời gian, và việc mã hoá theo nguyên tắc bit 1 sẽ sử dụng up-chirp, và bit 0 sẽ sử dụng down-chirp) trước khi truyền ra anten để gửi đi.
Theo Semtech công bố thì nguyên lý này giúp giảm độ phức tạp và độ chính xác cần thiết của mạch nhận để có thể giải mã và điều chế lại dữ liệu, hơn nữa LoRa không cần công suất phát lớn mà vẫn có thể truyền xa vì tín hiệu Lora có thể được nhận ở khoảng cách xa ngay cả độ mạnh tín hiệu thấp hơn cả nhiễu môi trường xung quanh.
Băng tần làm việc của LoRa từ 430MHz đến 915MHz cho từng khu vực khác nhau trên thế giới:
430MHz cho châu Á 780MHz cho Trung Quốc
433MHz hoặc 866MHz cho châu Âu 915MHz cho USA
4
Trang 8Nhờ sử dụng chirp signal mà các tín hiệu LoRa với các chirp rate khác nhau có thể hoạt động trong cùng 1 khu vực mà không gây nhiễu cho nhau Điều này cho phép nhiều thiết bị LoRa có thể trao đổi dữ liệu trên nhiều kênh đồng thời (mỗi kênh cho 1 chirprate).
Các khái niệm SpreadingFactor, CodingRate sẽ được giới thiệu ở phần tiếp theo Ở đây chúng ta chỉ tập trung vào các dữ liệu trong 1 radio packet của LoRa, bao gồm:
Preamble: Là chuỗi binary để bộ nhận detect được tín hiệu của LoRa packet trong không khí
Header: chứa thông tin về size của Payload cũng như có PayloadCRC hay không Giá trị của Header cũng được check CRC kèm theo
Payload: là dữ liệu ứng dụng truyền qua LoRa
Payload: giá trị CRC của Payload Nếu có PayloadCRC, LoRa chip sẽ tự kiểm tra dữ liệu trong Payload và báo lên nếu CRC hoạt động hay không.
3.2 Quy trình thiết kế, chế tạo mô hình trạm quan trắc cảnh báo cháy rừng ứng dụng công nghệ LoRa.
3.2.1 Chế tạo mạch Gateway
Gateway là một trong những thiết bị quan trọng nhất trong mô hình, nó có nhiệm vụ truyền nhận dữ liệu từ các Node, sau đó dữ liệu sẽ được gửi lên hoặc nhận về từ Server thông qua MQTT, chúng ta cần phải có một vi điều khiển có khả năng xử lý tốt và có hỗ trợ truyền thông mạng Internet Sau khi đưa ra nhiều phương án thử nghiệm, tác giả thấy module ESP32 hoàn toàn đáp ứng được những yêu cầu về trên
Sơ đồ nguyên lý của Gateway được chia thành 6 khối có nhiệm vụ như sau: Khối ESP32 CORE: Đây là khối xử lý trung tâm của Gateway sử dụng module ESP32-WROOM-32
Khối LORA: Đây là khối truyền nhận dữ liệu không dây LoRa sử dụng module LoRa Ra-01
Khối USB TO UART: Đây là khối chuyển đổi USB sang UART để nạp chương trình hoặc giao tiếp với máy tính sử dụng IC CH340G
Khối KEY: Đây là khối nút nhấn điều khiển, bao gồm nút SETTING cho phép cài đặt WiFi và nút RESET cho phép đặt lại Gateway
Khối LCD: Đây là khối hiển thị chính của Gateway sử dụng màn hình LCD 162 giao tiếp I2C
5
Trang 9Khối POWER: Đây là khối nguồn chính cung cấp cho toàn mạch Gateway sử dụng 2 IC nguồn là AMS1117 và LM2576, AMS1117 có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp sang 3.3V khi chúng ta sử dụng nguồn từ USB và tương tự LM2576 cũng chuyển đổi điện áp sang 3.3V khi chúng ta sử dụng nguồn thông qua Jack DC
Trong khối USB TO UART có sử dụng mạch Auto Program sử dụng 2 transistor S8050, khi chân DTR mức 0 và RTS mức 1, lúc này chân IO0 của ESP32 được kéo xuống mức 0, và ESP32 sẽ vào chế độ nạp chương trình thông qua UART.
Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý Gateway
Hình 3.2: Mạch gateway mô phỏng
3.2.2 Chế tạo thử nghiệm một điểm Node.
Trạm quan trắc sẽ đo đạc các thông số về nhiệt độ, độ ẩm trong không khí Khi kết hợp với khả năng cảnh báo cháy rừng nhóm tác giả tích hợp thêm điểm Node đo về nồng độ CO hướng gió sẽ thuận lợi cho việc cảnh áo cũng như dự 2, đoán hướng đám cháy có thể lan ra phục vụ cho công tác phòng và chữa cháy Cấu tạo các điểm Node gốm phần cứng là các linh kiện, phần mềm viết chương trình cho Kit điều khiển Về phần cứng cơ bản các điểm Node giống nhau chỉ khác nhau về các cảm biến Phần mềm sẽ viết chương trình riêng cho từng điểm Node Vì vậy
6
Trang 10nhóm tác giả sẽ giới thiệu đại diện một điểm Node trong báo cáo Sản phẩm sẽ chế tạo đầy đủ để thử nghiệm.
Chế tạo thử nghiệm node CO2
Node CO2 là một trong những thiết bị đầu cuối trong hệ thống, chúng có nhiệm vụ đo nồng độ CO và gửi dữ liệu về Gateway.2
Sơ đồ nguyên lý của Node CO2 được chia thành 6 khối có nhiệm vụ như sau:
Khối ATMEGA328 CORE: Đây là khối xử lý trung tâm của Node CO2 sử dụng vi điều khiển ATMega328, bên trong là các mạch tối thiểu để cho vi điều khiển họ AVR này hoạt động
Khối LORA: Đây là khối truyền nhận dữ liệu không dây LoRa sử dụng module LoRa Ra-01
Khối FTDI: Đây là khối kết nối với module FTDI 232RL để giao tiếp với máy tính thông qua UART
Khối COZIR: Đây là khối kết nối với cảm biến CO2 COZIR-AX-5000 Khối LCD: Đây là khối hiển thị chính của Gateway sử dụng màn hình LCD 162 giao tiếp I2C
Khối POWER: Đây là khối nguồn chính cung cấp cho toàn mạch Node CO2 sử dụng IC nguồn là LM2576, LM2576 có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp sang 3.3V khi chúng ta sử dụng nguồn thông qua Jack DC
Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý một điểm Node
7
Trang 11Hình 3.4: Mạch một điểm Node mô phỏng
3.2.3 Nguồn năng lượng cấp cho trạm quan trắc.
Trạm quan trắc sử dụng nguồn năng lượng từ mặt trời và pin dự phòng Hệ thống pin mặt trời ứng dụng thuật toán MPPT sẽ dò tìm điểm cực đại nhờ vào bộ Vi điều khiển ATMega328P trên kit Arduino Xử dụng bộ ADC (Analog Digital Convert) của vi điều khiển đo điện áp, dòng điện của pin mặt trời và thiết bị lưu trữ (Pin, Ăc quy, Tải…) Vi điều khiển sẽ liên tục thay đổi Duty (chu kỳ của độ rộng xung PWM)) để điều khiển độ mở của các Mosfet công xuất để điều chỉnh điện áp, trong quá trình thay đổi vi điều khiển luôn cập nhật giá trị dòng điện đưa về từ bộ ADC và sẽ chọn ra chu kỳ xung kích sao cho dòng sạc thiết bị lưu trữ là lớn nhất Ở hệ thống này, năng lượng được lưu trữ tại Ắc-quy vì thế công suất sẽ đạt cực đại khi dòng sạc là lớn nhất (do điện áp Ắc-quy khá ổn định) Do đó hệ thống pin mặt trời cung cấp năng lượng cho hệ thống trạm quan trắc luôn ổn định không phụ thuộc và lưới điện quốc gia.
Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý bộ sạc sử dụng thuật toán MPPT
8