ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN TUẤN THÀNH NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG HỆ ĐO CẢNH BÁO Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ TRONG TÒA NHÀ LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG HÀ NỘI - 2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN TUẤN THÀNH NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG HỆ ĐO CẢNH BÁO Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ TRONG TÒA NHÀ Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện tử, Truyền thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60520203 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS-TS TRẦN ĐỨC TÂN HÀ NỘI - 2016 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy PGS-TS Trần Đức Tân hướng dẫn, cung cấp tài liệu, thiết bị giúp đỡ nhiệt tình cho trình thực hoàn thành đề tài: “Nghiên cứu, xây dựng hệ đo cảnh báo ô nhiễm không khí tòa nhà” Tôi xin chân thành cảm ơn đến thầy cô khoa Điện Tử Viễn Thông bạn giúp đỡ góp ý cho thời gian qua để hoàn thành đề tài Tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, người quan tâm tạo điều kiện tốt cho trình học tập để hoàn thành khóa học thời hạn Hà Nội, ngày tháng năm 2016 Học viên cao học Trần Tuấn Thành LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan khóa luận “Nghiên cứu, xây dựng hệ đo cảnh báo ô nhiễm không khí tòa nhà” thầy PGS.TS Trần Đức Tân trực tiếp hướng dẫn Các nội dung nghiên cứu, kết luận văn trung thực chưa công bố hình thức trước Tôi không chép tài liệu hay công trình nghiên cứu người khác để làm luận văn Nếu phát có gian lận xin hoàn toàn chịu trách nhiệm nội dung luận văn Trong luận văn này, sử dụng số tài liệu tham khảo nêu nguồn gốc danh mục Tài Liệu Tham khảo Hà Nội, ngày tháng năm 2016 Học viên thực Trần Tuấn Thành MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT/ GIẢI THÍCH Ý NGHĨA DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .6 DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ 10 1.1 Tình hình ô nhiễm môi trường không khí 10 1.2 Các nguồn phát thải 12 1.3 Tác hại ô nhiễm không khí 13 CHƯƠNG 2: CÁC HỆ THỐNG ĐO Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ .14 2.1 Các phương pháp đánh giá dự đoán ô nhiễm môi trường không khí 14 2.2 Hệ thống giám sát ô nhiễm không khí dựa phản ứng oxit thiếc [5] 14 2.2.1 Cấu trúc hệ thống cảm biến 15 2.2.2 Các bước chuẩn bị 15 2.2.3 Phát khí O3 17 2.3 Hệ thống giám sát khí O3 qua điện thoại [6] 20 2.3.1 Cấu trúc phần cứng 20 2.3.2 Cấu trúc phần mềm 21 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN PHẦN CỨNG CỦA HỆ ĐO DỰA TRÊN TÍCH HỢP CẢM BIẾN ĐO KHÍ CACBON MONOXIT(CO) 22 3.1 Giới thiệu chung 22 3.2 Cơ sở xây dựng hệ thống 23 3.2.1 Mạng cảm biến không dây (WSN) [7] 23 3.2.2 Module DRF1605H anten [9] 26 3.2.3 Thiết bị cảm biến MQ-7[8] 29 3.2.4 Thiết bị cảm biến nhiệt độ LM35 [10] 32 3.2.5 Arduino UNO R3[11] 32 3.2.6 Nguồn lượng sử dụng 33 3.3 Xây dựng hệ thống .34 KẾT LUẬN 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 PHỤ LỤC: CODE CẤU HÌNH COORDINATOR 50 KÝ HIỆU VIẾT TẮT/ GIẢI THÍCH Ý NGHĨA Kí hiệu WHO EPI AQI WSN RF MAC MMSN ID NTP RBS TPSN FTSP UART Ý nghĩa World Health Organization / tổ chức y tế giới Environmental Performance Index / số lực quản lý môi trường Air quality index / số chất lượng không khí Wireless sensor networks / mạng cảm biến không dây Radio frequency / tần số vô tuyến Media Access Control / điều khiển truy cập môi trường Multi-Frequency Media Access Control / điều khiển truy cập môi trường đa tần số Identification / xác thực Network Time Protocol / giao thức đồng thời gian mạng Reference Broadcasts / đồng hóa phát sóng tham khảo Timing-sync Protocol for Sensor Networks/ giao thức đồng thời gian cho mạng cảm biến Flooding Time Synchronization Protocol / giao thức đồng lụt thời gian Universal Asynchronous Receive-Transmit / truyền nhận liệu không đồng DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1: Bảng đánh giá mức độ AQI (Nguồn: Internet) 11 Bảng 2: Các bước đo trước thí nghiệm [5] 16 Bảng 1: Thời gian truyền liệu kiểu transparent [9] 28 Bảng 2: Đặc điểm cảm biến MQ-7 [8] 29 Bảng 3: Kết đo đạc vị trí 39 Bảng 4: Kết đo đạc vị trí 40 Bảng 5: Kết đo đạc vị trí 40 Bảng 6: Kết đo đạc vị trí 40 Bảng 7: Kết đo đạc vị trí 41 Bảng 8: Kết đo đạc vị trí 41 Bảng 9: Tỷ lệ truyền liệu 45 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1: Ô nhiễm môi trường Hà Tĩnh(Nguồn: Internet) 10 Hình 2: Ô nhiễm làng nghề (Nguồn: Internet) 11 Hình 3: Ô nhiễm môi trường phương tiện giao thông(Nguồn:Internet) 12 Hình 4: Ô nhiễm môi trường hoạt động sản xuất công nghiệp (Nguồn:Internet) 13 Hình 5: Ô nhiễm môi trường hoạt động sản xuất nông nghiệp (Nguồn:Internet) 13 Hình 1: Sơ đồ hệ thống cảm biến [5] 15 Hình 2: Tín hiệu lối chuẩn môi trường không khí [5] 16 Hình 3: Tín hiệu lối môi trường không khí có khí O3 [5] 17 Hình 4: Phát 2ppm khí NO2 nhiệt độ 4000C [5] 17 Hình 5: Phát 50ppm khí NO nhiệt độ 4000C [5] 18 Hình 6:Phát 100ppm khí CO nhiệt độ 4000C [5] 18 Hình 7:Phát 1% khí CH4 nhiệt độ 4000C [5] 19 Hình 8:Phát khí NO2 O3 mẫu thử khí gây ô nhiễm [5] 19 Hình 9: Hệ thống giám sát khí O3 qua điện thoại HTC [6] 20 Hình 10: Giao diện phần mềm [6] 21 Hình 11:Phần mềm giám sát nồng độ khí O3 qua điện thoại [6] 21 Hình 1: Mạng cảm biến không dây[7] 23 Hình 2: Module DRF1605H (Nguồn: Internet) 26 Hình 3: Truyền liệu từ Coordinator tới nút [9] 27 Hình 4: Truyền liệu từ nút tới Coordinator [9] 27 Hình 5: Cảm biến MQ-7[8] 29 Hình 6: Cấu trúc cảm biến MQ-7[8] 29 Hình 7: Sơ đồ cấu tạo MQ-7[8] 30 Hình 8: Đặc điểm độ nhạy cảm biến MQ-7 với loại khí [8] 30 Hình 9:Sự phụ thuộc MQ-7 vào nhiệt độ độ ẩm [8] 31 Hình 10: Chu kỳ điều khiển điện áp cho cuộn sấy [8] 31 Hình 11: Cảm biến nhiệt độ LM35 [10] 32 Hình 12: Board Arduino UNO R3[11] 32 Hình 13: Pin 33 Hình 14: Hình ảnh thực tế Coordinator 34 Hình 15: Hình ảnh thực tế nút cảm biến 34 Hình 16: Sơ đồ mạng kết nối hệ thống 35 Hình 17: Khoảng cách Coordinator vị trí đặt nút cảm biến 35 Hình 18: Vị trí Coordinator 36 Hình 19: Vị trí 36 Hình 20: Vị trí 37 Hình 21: Vị trí 3(sàn tầng 6) 37 Hình 22: Vị trí 38 Hình 23: Vị trí 38 Hình 24: Vị trí 39 DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ Đồ thị 1: Sự thay đổi thông số vị trí 42 Đồ thị 2: Sự thay đổi thông số vị trí 42 Đồ thị 3: Sự thay đổi thông số vị trí 43 Đồ thị 4: Sự thay đổi thông số vị trí 43 Đồ thị 5: Sự thay đổi thông số vị trí 44 Đồ thị 6: Sự thay đổi thông số vị trí 44 LỜI MỞ ĐẦU Ngày tình trạng ô nhiễm không khí giới Việt Nam vấn đề quan tâm đặc biệt Ô nhiễm môi trường không khí có tác động xấu đến sức khỏe người, đặc biệt tác nhân chủ yếu gây bệnh liên quan đến đường hô hấp như: viêm họng, viêm phế quản, viêm phổi, ho đẩy nhanh trình lão hóa gây bệnh khác suy nhược thần kinh, bệnh tim mạch làm giảm tuổi thọ người Ngoài tác động tới đời sống sức khỏe người, ô nhiễm môi trường ảnh hưởng đến hệ sinh thái tự nhiên nguyên nhân gây nên biến đổi khí hậu toàn cầu, chất gây ô nhiễm không khí gây tượng lắng đọng mưa axit, hủy hoại hệ sinh thái tự nhiên, ảnh hưởng tới công trình xây dựng làm cho nhiệt độ bề mặt trái đất tăng lên dẫn tới hàng loạt tác động xấu tới môi trường tự nhiên Ô nhiễm không khí nhà mức báo động cao Phần lớn thời gian sống làm việc nhà,trong khu chung cư, văn phòng kín với nhiều thiết bị văn phòng gây ô nhiễm, tác nhân gây tới 50% bệnh lý người Để nghiên cứu mức độ ô nhiễm tòa nhà nước ta - viện Khoa học Kỹ thuật Bảo hộ Lao động thực nghiên cứu nhằm đo đạc, đánh giá thông số môi trường văn phòng tòa nhà nội thành Hà Nội với đặc điểm văn phòng có kết cấu kín, kết nghiên cứu cho thấy nồng độ CO2 không khí trung bình 860ppm (nơi cao 940ppm) nồng độ Formaldehyde 0,023 ppm(nơi cao 0,046ppm) nồng độ ozone 0,067ppm (cao 0,091ppm) Mặc dù khảo sát văn phòng nên chưa thể đánh giá cách xác chất lượng không khí cung cấp cho thông tin sơ chất lượng không khí tòa nhà Ô nhiễm không khí nguyên nhân gây bệnh hàng đầu với bệnh hô hấp,ung thư tỉ lệ tử vong cao thứ sau bệnh thuốc lá, chế độ ăn uống bệnh béo phì gây ra, theo công bố WHO - năm 2012 có triệu ca tử vong liên quan tới ô nhiễm không khí toàn cầu Trong 3.3 triệu ca tử vong bắt nguồn từ ô nhiễm nhà, tập trung quốc gia có thu nhập thấp trung bình Đông Nam Á Tây Thái Bình Dương Ý nghĩa khoa học thực tiễn Hiện Việt Nam chưa có tiêu chuẩn để đánh giá chất lượng môi trường không khí nhà Vì cần có nghiên cứu để từ đưa tiêu chuẩn chất lượng không khí nhà, vào đánh giá cách xác chất lượng không khí, từ có biện pháp giải cụ thể để hạn chế ảnh hưởng tiêu cực ô nhiễm không khí gây sức khỏe người Ngoài cần có hệ thống đo đạc cách định kỳ thường xuyên có khả cảnh báo tới người cách kịp thời, tránh cố đáng tiếc xảy vụ việc ngộ độc khí độc BigC Garden(14/3/2015) Luận văn xây dựng hệ thống hoàn thiện mạng cảm biến không dây nút mạng tích hợp cảm biến nhiệt độ cảm biến đo khí Hệ thống hoạt động tình có cố điện (luận văn cho phép tính toán lượng tiêu thụ từ tính toán thời gian sống nút mạng) Dữ liệu từ mạng cảm biến không dây đưa lên webserver mà người quản trị giám sát an toàn không khí tòa nhà chỗ truy cập internet Hệ thống triển khai thực nghiệm cho kết khả quan 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Bộ Tài nguyên Môi trường (2013), Báo cáo môi trường Quốc gia (2013) Môi trường không khí, Hà Nội [2] Hoàng Văn Bính (2002), Độc chất học công nghiệp dư phòng nhiễm độc Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [3] Lê Trung Thắng (2007), Vi điều khiển AVR ATmega128, Đại học khoa học tự nhiên TP Hồ Chí Minh, TP Hồ Chí Minh Tiếng Anh [4] Yale Center for Environmental Law & Policy, Yale University Yale Data Driven Environmental Group, Yale University Yale-NUS College Center for International Earth Science Information Network, Columbia University In collaboration with the World Economic Forum With support from Samuel Family Foundation McCall MacBain Foundation (2016) GLOBAL METRICS FOR THE ENVIRONMENT - The Environmental Performance Index ranks high-priority environmental issues New Haven, Connecticut,U.S [5] Th Becker, St Mühlberger, Chr.Bosch-v Braunmühl, G Müller, Th Ziemann, K.V Hechtenberg, Air pollution monitoring using tin-oxide-based microreactor systems DaimlerChrysler AG, Research and Technology, Postfach 80 04 65, D-81663 München, Germany [6] David Hasenfratz, Olga Saukh, Silvan Sturzenegger, and Lothar Thiele Computer Engineering and Networks Laboratory (2012) , Participatory Air Pollution Monitoring Using Smartphones, ETH Zurich, Switzerland [7] John A Stankovic(2006),Wireless Sensor Networks, Department of Computer Science University of Virginia Charlottesville, Virginia 22904 [8] HANWEI ELECTRONICS CO , LTD, TECHNICAL DATA MQ-7 GAS SENSOR [9] DTK Electronics, Zigbee Module User Guide -DRF Series [10] Texas Instruments LM35 Precision Centigrade Temperature Sensors (Rev G) [11] Arduino R3 UNO Overview https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno [12] ATmega128/L Datasheet – Atmel https:// www.atmel.com/images/doc2467.pdf [13] Chinh D.Nguyen, Tan D.Tran, Nghia D.Tran, Tue Huu Huynh & Duc T.Nguyen.(2015) Flexible and efficient wireless sensor networks for detecting rainfall-induced landslides International Journal of Distributed Sensor Networks, 2015, 238 [14] Tran Duc-Tan, Nguyen Dinh-Chinh, Tran Duc-Nghia, Ta Duc-Tuyen (2015) Development of a Rainfall-Triggered Landslide System using Wireless Accelerometer Network International Journal of Advancements in Computing Technology, 7(5), 14 [15] Duc-Tuyen T., & Duc-Tan T (2013) Efficient and reliable GPS-based wireless ad hoc for marine search rescue system In Multimedia and Ubiquitous Engineering (pp 911-918) Springer Netherlands  ... GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN TUẤN THÀNH NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG HỆ ĐO CẢNH BÁO Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ TRONG TÒA NHÀ Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện tử, Truyền thông Chuyên ngành: Kỹ thuật... Tuấn Thành LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan khóa luận Nghiên cứu, xây dựng hệ đo cảnh báo ô nhiễm không khí tòa nhà thầy PGS.TS Trần Đức Tân trực tiếp hướng dẫn Các nội dung nghiên cứu, kết luận văn... VỀ Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ 10 1.1 Tình hình ô nhiễm môi trường không khí 10 1.2 Các nguồn phát thải 12 1.3 Tác hại ô nhiễm không khí 13 CHƯƠNG 2: CÁC HỆ THỐNG ĐO Ô NHIỄM