Thiết kế và chế tạo vệ tinh FIMO CANSAT

Thiết kế và chế tạo vệ tinh FIMO CANSAT
Ngô Xuân Trường, Nguyễn Văn Hải, Trần Trung Kiên, Đỗ Thành Công, Hà Đức Văn, Lưu Quang Thắng, Lưu Việt
Hưng, Bùi Quang Hưng, Ngũn Thị Nhật Thanh
Trung tâm Cơng nghệ tích hợp liên ngành Giám sát hiện trường,
Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội
144 Xuân Thủy, Cầu Giấy, Hà Nội, Việt Nam
, , , , ,
, , ,
trình chế tạo và phóng vệ tinh CANSAT cũng tương tự như một
vệ tinh ứng dụng thực tiễn. Đầu tiên, CANSAT được thiết kế,
chế tạo và kiểm thử tại mặt đất. Sau đó, CANSAT được đặt trong
tên lửa mơ hình và phóng lên độ cao từ 150-300m; Do phóng ở
độ cao thấp nên CANSAT rời khỏi tên lửa sẽ không đi vào quỹ
đạo Trái Đất mà sẽ rơi xuống mặt đất. Trong quá rơi, CANSAT
sẽ thực hiện nhiệm vụ của mình và gửi tín hiệu về trạm mặt đất.
Dưới trạm mặt đất thu nhận tín hiệu từ CANSAT và sử dụng dữ
liệu cho các hoạt động đánh giá, phân tích sau này. Hiện nay, ơ
nhiễm khơng khí đang là một vấn đề khá nghiêm trọng, cấp thiết.
Bên cạnh việc phá hủy hệ sinh thái động vật, thực vật, ô nhiễm
không khí cịn gây ra các ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe
của con người, gây nên các bệnh về đường hơ hấp, tim mạch.
Việc giám sát chất lượng khơng khí khơng chỉ được người dân
quan tâm mà cịn có các nhà khoa học, các nhà lãnh đạo nhằm
đưa ra các biện pháp, chính sách phù hợp, kịp thời. Do đó, chúng
tôi chế tạo, thiết kế vệ tinh CANSAT với mục tiêu giám sát chất
lượng ơ nhiễm khơng khí, cụ thể là đo đạc nồng độ bụi mịn, nồng
độ CO, các thơng số khí tượng (nhiệt độ, độ ẩm, áp suất) trong
khơng khí sử dụng các cảm biến giá rẻ. Đây là những chất gây ơ
nhiễm khơng khí chủ ́u ở mặt đất và gây hại cho sức khỏe con
người. Quá trình thiết kế, chế tạo, kiểm thử và phóng vệ tinh
CANSAT giúp đem lại những kiến thức cơ bản về lĩnh vực hàng

không vũ trụ (thiết kế, cấu tạo vệ tinh, quy trình phóng, hoạt
động, …), đây là nền tảng cho các bài toán thực tiễn sau này.

Abstract: Ngày nay, vệ tinh đã và đang vai trò quan trọng trong
nhiều lĩnh vực cuộc sống. Vệ tinh có nhiều loại, nhiều kích thước
được sử dụng cho các mục đích khác nhau. CANSAT là một loại
vệ tinh cỡ nhỏ có kích thước bằng lon nước được sử dụng cho mục
đích giáo dục. Trong bài báo này, chúng tôi sẽ trình bày phương
pháp thiết kế và chế tạo vệ tinh FIMO CANSAT, quá trình kiểm
thử và phóng vệ tinh. Vệ tinh FIMO CANSAT được chế tạo với
mục đích giám sát chất lượng khơng khí, một trong những vấn đề
cấp thiết và đang được quan tâm hiện nay. Các cảm biến trong vệ
tinh được kiểm thử trong các điều kiện môi trường khác nhau. Vệ
tinh có khả năng đo nhiệt độ , độ ẩm, bụi mịn (PM 1/2.5/10), CO và
truyền thông tốt với trạm mặt đất trong khoảng cách 300m. Trong
thực nghiệm, vệ tinh đã hoạt động ởn định từ lúc phóng tên lửa mô
hình đến khi vệ tinh rơi chạm đất, dữ liệu thu được từ vệ tinh có
độ chính xác tương đối, phản ánh sự thay đổi môi trường thực tế
theo độ cao. Ngoài ra, phần mềm giám sát hoạt động CANSAT
cũng sẽ được giới thiệu trong bài báo.
Keywords: Vệ tinh; CANSAT; chất lượng không khí;

I.

GIỚI THIỆU

Hiện nay, vệ tinh đã và đang đóng vai trị rất quan trọng trong
nhiều lĩnh vực kinh tế, chính trị, xã hội, quân sự... Một số vệ tinh
được sử dụng để thám hiểm các hành tinh mới, khám phá vũ trụ.
Các vệ tinh có quỹ đạo quanh Trái Đất thường được sử dụng

trong hoạt động viễn thơng, cung cấp tín hiệu cho các thiết bị di
động, tivi, máy tính…; cung cấp tín hiệu định vị, chỉ đường cho
các phương tiện di chuyển. Ngoài ra, các vệ tinh quan sát Trái
Đất cung cấp thông tin khoa học phục vụ cho các hoạt động
nghiên cứu, giám sát những biến động, biến đổi trên bề mặt Trái
Đất cũng như trong khí quyển. Một số vệ tinh chuyên dụng được
sử dụng với mục đích qn sự, quốc phịng. Vịng đời cơ bản
của vệ tinh bao gồm: thiết kế, chế tạo và kiểm thử tại mặt đất;
sau đó vệ tinh được gắn vào tên lửa đẩy và phóng vào vũ trụ; khi
tên lửa đạt tới một độ cao nhất định, vệ tinh rời khỏi tên lửa, hoạt
động và gửi tín hiệu về trạm mặt đất. Dữ liệu nhận được sau đó
được xử lý và sử dụng cho các mục đích khác nhau. Có rất nhiều
loại vệ tinh và kích thước của chúng cũng rất đa dạng. Những
loại vệ tinh cỡ lớn (large class) thường có trọng lượng từ 1 tấn
trở lên, trong khi những loại vệ tinh cỡ nhỏ hiện nay
(cubesat\microsat) chỉ nặng khoảng 1kg với kích thước bằng
khối lập phương cạnh 10x10x10 cm. Ở Việt Nam, công nghệ
chế tạo vệ tinh vẫn đang là một lĩnh vực mới và đặt ra nhiều
thách thức với các nhà nghiên cứu khoa học.

Trong quá trình thiết kế và chế tạo vệ tinh CANSAT, chúng
tôi đã phải đối mặt với nhiều thách thức và khó khăn. Đầu tiên,
kích thước của vệ tinh chế tạo yêu cầu nhỏ, tương tự như kích
thước của một vỏ lon. Để đặt vừa vào thân tên lửa mơ hình,
CANSAT có kích thước tối đa: 12cm x Ø70. Tiếp theo, dữ liệu
truyền từ vệ tinh đến trạm mặt đất yêu cầu theo thời gian thực,
cần có một phần mềm giám sát và hiển thị trong quá trình bay
của vệ tinh đến khi tiếp đất. Ngoài ra, trong q trình phóng, vệ
tinh nằm trong thân tên lửa sẽ có hiện tượng rung lắc mạnh, ảnh
hưởng đến hoạt động của các thiết bị bên trong. Vệ tinh rơi từ

độ cao 150-300 m xuống mặt đất, trong khoảng thời gian từ 30s
đến 1 phút, trong khoảng thời gian này cần đảm bảo tín hiệu
truyền tải giữa vệ tinh với trạm mặt đất ổn định. Khi vệ tinh rời
khỏi tên lửa sẽ bung dù, cần tính tốn kích thước dù và ước lượng
khối lượng của vệ tinh sao cho hợp lý, đảm bảo vệ tinh tiếp đất
an toàn. Năng lượng cung cấp cho vệ tinh cần đảm bảo đầy đủ,
để vệ tinh hoạt động bình thường, ổn định trong tất cả các quá
trình từ khi bắt đầu đặt vệ tinh vào thân tên lửa mơ hình cho đến
khi vệ tinh rơi chạm đất, ước tính khoảng 25-30 phút. Cuối cùng,
kinh phí sử dụng để chế tạo vệ tinh còn hạn chế.

CANSAT là vệ tinh cỡ nhỏ, kích thước chỉ bé bằng lon nước,
được sử dụng trong mục đích giáo dục cơng nghệ vũ trụ. Quy

60


Để giải quyết, khắc phục những thách thức và khó khăn nêu
trên, chúng tôi lựa chọn sử dụng phương pháp nghiên cứu, chế
tạo vệ tinh CANSAT sử dụng các cảm biến giá rẻ cho mục tiêu
giám sát chất lượng không khí. Mục tiêu của vệ tinh CANSAT
chỉ phóng lên ở độ cao thấp và rơi xuống đất nên điều kiện mơi
trường trên cao và dưới mặt đất có sự tương đồng nhất định,
không xuất hiện trường hợp thời tiết đặc thù (như đối với vệ tinh
thực tiễn), do đó việc sử dụng các cảm biến giá rẻ để chế tạo vệ
tinh là phù hợp. Trong những năm gần đây, việc sử dụng cảm
biến giá rẻ để giám sát chất lượng khơng khí đã thu hút được
quan tâm của nhiều cộng đồng nghiên cứu trên thế giới. Năm
2014, P.Kumar và các cộng sự đã trình bày tổng quan về xu
hướng sử dụng cảm biến giá rẻ trong giám sát chất lượng khơng

khí, phân tích các nghiên cứu liên quan và chỉ ra tính khả quan
của hướng tiếp cận này [1]. Năm 2016, Sayali C. Bhagwat và
các cộng sự đã sử dụng các cảm biến giá rẻ MQ4 (đo khí CO),
MQ9 (đo khí CO2) và LM35 (đo nhiệt độ) để giám sát chất lượng
khơng khí ở các khu cơng nghiệp [2].

Hình 1 mơ tả mơ hình thiết kế sơ bộ cấu trúc vệ tinh
CANSAT và trạm thu mặt đất. Vệ tinh CANSAT bao gồm ba
thành phần chính là phần dù và phần thân chứa bộ xử lý trung
tâm và các cảm biến quan trắc ơ nhiễm khơng khí cũng như bộ
phận truyền thông với trạm mặt đất.
Phần thân của vệ tinh CANSAT bao gồm: MCU (Mirco
control unit) Arduino Mega 2560 R3 là bộ xử lý trung tâm, kết
nối tới MCU là các cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm (DHT22), cảm
biến nồng độ bụi (PMS5004), cảm biến nồng độ CO (MQ-7),
cảm biến áp suất (BMP180) và cảm biến GPS (GPS Neo-7).
Ngoài ra MCU cịn kết nối tới module truyền thơng NRF24L01
có chức năng gửi dữ liệu thu được từ các cảm biến trên vệ tinh
đến trạm mặt đất.
Tại trạm mặt đất sử dụng Arduino Uno là bộ xử lý trung tâm,
kết nối với module NRF24L01 để thu dữ liệu từ vệ tinh. Arduino
Uno được kết nối đến máy tính để xử lý và lưu trữ dữ liệu.
A. Vệ tinh CANSAT
Vệ tinh được chia làm 3 phần chính: phần 1 bao gồm dù và
vỏ; phần 2 bao gồm bộ xử lý trung tâm, các cảm biến và khung
CANSAT; phần cuối cùng là bộ phát tín hiệu và nguồn.

Cụ thể, chúng tơi sử dụng các cảm biến PMS5003 để đo nồng
độ bụi mịn PM1, PM2.5, PM10 , cảm biến DHT22 để đo nhiệt độ,
độ ẩm, cảm biến CO-MQ7 đo nồng độ CO, cảm biến BMP180

để đo áp suất khơng khí và mơ đun GPS NEO-7 để định vị vị trí
vệ tinh. Truyền thơng giữa CANSAT và trạm mặt đất sử dụng
mô đun NRF24-L01 đảm bảo truyền thông ổn định trong phạm
vi khoảng cách 150-300m. Dù được chế tạo dựa trên các tính
tốn lý thút và được thử nghiệm để đảm bảo vệ tinh tiếp đất
an toàn. Vỏ ngoài vệ tinh được thiết kế và chế tạo bằng công
nghệ in 3D, các bộ phận của vệ tinh được gắn kết với nhau chắc
chắn. Vệ tinh sử dụng pin ANSMANN 9V làm nguồn chính đảm
bảo cung cấp năng lượng ổn định trong thời gian dài. Sau khi
chế tạo vệ tinh CANSAT, chúng tôi phát triển phần mềm giám
sát quá trình bay của vệ tinh với các chức năng: hiển thị dữ liệu
thu được từ vệ tinh theo thời gian thực, hiển thị quỹ đạo rơi của
vệ tinh, tính tốn và hiển thị chỉ số chất lượng khơng khí AQI và
cuối cùng là tạo báo cáo kết quả sau quá trình bay của vệ tinh.

Phần 1, dù có đường kính 45cm, hình bát giác đều, cắt từ tấm
vải dù vng, cắt lỡ trịn ở giữa với đường kính 8cm. Việc cắt lỡ
trịn giúp cho CANSAT rơi ổn định, tránh chao đảo khi gặp gió
to. Dây buộc dù là loại dây nhỏ, gọn, chắc chắn, độ dài bằng 1.25
x đường kính dù. Dùng 1 miếng nhựa hình trịn đục 8 lỗ để luồn
dây dù qua và buộc với cansat để chống rồi dây dù. Tốc độ rơi
ước tính của CANSAT khi có dù là khoảng 6m/s. Vỏ CANSAT
thiết kế trên phần mềm Sketchup [3] để in 3D có dạng hình trụ
với kích thước: đường kính đáy 7 cm x chiều cao 11.5 cm, được
mơ tả ở hình 2. Mặt trong của vỏ có gờ chữ U để gắn phần lõi
CANSAT chắc chắn. Xung quanh và đáy vỏ có các lỡ lục giác
để khơng khí có thể đi vào các cảm biến.

Cấu trúc bài báo như sau: sau khi giới thiệu vấn đề ở phần I,
chúng tơi sẽ trình bày thiết kế và cấu tạo của vệ tinh CANSAT

ở phần II. Phần III sẽ giới thiệu về phần mềm giám sát hoạt động
của vệ tinh. Việc thử nghiệm hoạt động của vệ tinh và trạm mặt
đất sẽ được trình bày ở phần IV. Tiếp theo phần V sẽ trình bày
kết quả trong lần phóng thật với tên lửa mơ hình. Phần VI là kết
luận, bài học kinh nghiệm và hướng phát triển tương lai.
II.

Hình 2. Hình dạng dù và thiết kế vỏ CANSAT

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VỆ TINH FIMO CANSAT

Phần 2, bộ xử lý trung tâm MCU Arduino Mega 2560 sử
dụng chip ATMEGA 16U2, có xung nhịp 16MHz, với 54 chân
digital, 16 chân analog, 4 bộ giao tiếp UART, 1 bộ giao tiếp I2C,
sử dụng nguồn 7-9V để đảm bảo khả năng kết nối và điều khiển
với nhiều cảm biến. [4]. Arduino Mega 2560 có dạng hình chữ
nhật với kích thước 10.2 x 5.3 cm, shield Arduino Mega 2560
(Hình 3) có kích thước tương tự như Arduino Mega nên cả 2
được ghép với nhau tạo thành một khối hộp chữ nhật (khung của
CANSAT), đặt thẳng đứng và vừa khít ở trong vỏ. Các cảm biến
của vệ tinh CANSAT (Hình 4) sẽ được kết nối và lắp ráp vào 2
mặt trên khối Arduino Mega 2560 + Shield sao cho phù hợp với
thể tích khoang chứa cịn lại của vỏ CANSAT. Cụ thể, cảm biến
nồng độ bụi mịn PMS5003, nguồn pin và cảm biến nồng độ khí
CO MQ-7 được gắn ở một mặt, còn các cảm biến nhiệt độ độ
ẩm DHT-22, mô đun GPS NEO-7, mô đun truyền thông được
gắn ở mặt cịn lại. Cảm biến áp suất BMP 180 có kích thước nhỏ

Hình 1. Kiến trúc vệ tinh CANSAT và trạm thu mặt đất

61


nên được gắn ở khe hở trống mặt trong giữa Arduino Mega và
Shield (Hình 6a, 6b). Các bộ phận cảm biến và khung CANSAT
được gắn với nhau bằng keo chắc chắn, đảm bảo không bị tách
rời khi vệ tinh va đập với mặt đất.

(a)

Cuối cùng là bộ phát tín hiệu sóng vơ tún và pin. Bộ truyền
phát tín hiệu sóng vơ tún có nhiệm vụ liên lạc giữa CANSAT
và trạm thu mặt đất, giúp cho việc gửi các thông số quan trắc và
tình trạng vệ tinh về trạm mặt đất. Nhóm thực hiện lựa chọn mơ
đun truyền phát tín hiệu nRF 24L01 + PA +LNA (Hình 5a) vì
nó có giá thành rẻ, phù hợp trong khoảng cách truyền thông từ
150 -300m. Mơ đun có tần số hoạt động từ 2.4 - 2.525GHz, sử
dụng điện áp 3.3-5V và có tốc độ truyền dữ liệu 250Kbps 2Mbps. Module NRF24L01 gồm 8 pin và giao tiếp với MCU
qua giao tiếp SPI (Serial Peripheral Bus) [10]. Dữ liệu được gửi
từ mô đun truyền thông tới trạm mặt đất mỡi giây 1 lần. Nhóm
lựa chọn pin ANSMANN 9v (Hình 5b) để cung cấp năng lượng
cho vệ tinh hoạt động.

(b)

Hình 3. (a) Shield Arduino Mega 2560, (b) Arduino Mega 2560

Cảm biến nồng độ bụi min PMS5003 đo được nồng độ bụi
PM1, PM2.5, PM10 trong khoảng giá trị 5-500 μg/m3 với thời gian
cập nhật dữ liệu khoảng 10s. Cảm biến gồm 8 chân (pin) giao

tiếp với bộ xử lý trung tâm (MCU) thông qua cổng nối tiếp Serial
[5]. Dữ liệu gửi về MCU là một khung dữ liệu (dataframe) có độ
dài 32 byte với một số byte đầu và cuối đã được quy ước từ
trước. Chương trình trên MCU sẽ kiểm tra khung dữ liệu, nếu
hợp lệ thì sẽ trích xuất dữ liệu PM1, PM2.5, PM10 trong khung dữ
liệu đó. Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT 22 có giới hạn đo nhiệt
độ từ -40 - 80°C và độ ẩm từ 0 – 99.9% và sai số đo là 0.5°C và
2%. Cảm biến có 3 chân được sử dụng là chân nguồn 5V, chân
nối đất và chân dữ liệu . Dữ liệu được cập nhật 2s/lần và truyền
dưới dạng tín hiệu số (digital) có độ dài 40 bit/lần truyền: 16 bit
đầu chứa giá trị độ ẩm tương đối, 16 bit sau chứa giá trị nhiệt độ,
8 bit cuối là checksum. Chương trình trên MCU sử dụng thư viện
hỗ trợ đọc giá trị nhiệt độ, độ ẩm từ cảm biến DHT22 [6]. Cảm
biến CO-MQ7 đo nồng độ khí CO trong phạm vi 10-1000 ppm,
nguồn điện cung cấp cho cảm biến là 5V. Cảm biến sử dụng 3
chân gồm: chân nối nguồn 5V, chân nối đất và chân dữ liệu; dữ
liệu được cập nhật 1s/lần và truyền dưới dạng tín hiệu tương tự
(analog), chương trình trên MCU sẽ đọc giá trị này và chuyển về
giá trị nồng độ CO [7]. Mô đun GPS NEO-7 sử dụng nguồn điện
từ 3.3 -5V với độ chính xác GPS là 2.5m. Module GPS NEO-7
gồm 6 pin và kết nối đến MCU thông qua cổng nối tiếp Serial
[8]. Khi mô đun GPS nhận được tín hiệu từ vệ tinh, dữ liệu sẽ
được truyền về MCU gồm các thông như tọa độ, độ cao, thời
gian. Dữ liệu về GPS được cập nhật 1s/lần. Cảm biến áp suất
BMP180 đo giá trị trong khoảng 300 - 1100 hPa với sai số 0.02
hPa và sử dụng nguồn 3V. Cảm biến gồm 4 chân và giao tiếp
với MCU thông qua giao tiếp I2C [9]. Dữ liệu cảm biến được
cập nhật 1s/lần.

(a)

Hình 5. (a) Mơ đun truyền thơng, (b) pin ANSMANN

Hình 6 gồm một số hình ảnh về FIMO CANSAT sau khi đã
lắp ráp thành cơng.

(a)

(b)

(d)

(b)

(c )

Hình 6. (a)(b) Phần lõi thiết bị của CANSAT, (c) FIMO CANSAT hoàn thiện

B. Trạm thu
Trạm thu bao gồm 2 phần chính: bộ xử lý trung tâm và
module truyền thơng (bộ thu tín hiệu). Bộ điều kiển trung tâm
MCU Arduino Uno R3 [11] kết nối trực tiếp với máy tính thơng
qua giao tiếp Serial, điều khiển bộ thu tín hiệu để nhận dữ liệu
từ CANSAT gửi về. Bộ thu tín hiệu sóng vơ tún sử dụng một
module truyền thơng tín hiệu nRF 24L01 + PA + LNA tương tự
như bộ phát tín hiệu trên CANSAT. Mỡi giây ở trạm thu nhận
được một gói tin truyền từ vệ tinh.
III.

(a)

(b)

PHÁT TRIỂN PHẦN MỀM

C. Các chức năng của phần mềm
Chức năng theo dõi dữ liệu theo thời gian thực: Từ các dữ
liệu quan trắc môi trường nhận từ vệ tinh, bao gồm các thông số:
nhiệt độ, độ ẩm tương đối, nồng độ bụi (PM1, PM2.5, PM10), nồng
độ khí CO, chương trình vẽ ra biểu đồ biến thiên giá trị theo thời
gian của thơng số đó, cập nhật biểu đồ theo thời gian thực dựa
vào thời gian đọc dữ liệu của bản ghi chứa các thông số này. Từ
các dữ liệu vị trí vệ tinh bao gồm: vĩ độ, kinh độ, độ cao của vệ
tinh so với mặt đất, chương trình hiển thị vị trí trong khơng gian

(c)

(e)

Hình 4. (a) Cảm biến PMS5003, (b) Cảm biến DHT22, (c) Cảm biến COMQ7, (d) Cảm biến BMP180, (e) Cảm biến GPS Neo-7

62


của vệ tinh trên bản đồ 3 chiều, cũng như vẽ lại lộ trình di chuyển
của vệ tinh theo thời gian thực.

đường, do trong mơi trường có nhiều xe cộ đi lại và
ảnh hưởng từ cơng trình đang thi cơng nên nồng độ
PM2.5 và PM10 phải cao hơn ở trong phịng, có thể

vượt ngưỡng.
- Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT22: Đo nhiệt độ và độ
ẩm trong phòng, so sánh với nhiệt độ, độ ẩm của dự
báo thời tiết, yêu cầu chênh lệch nhiệt độ không quá
2 ºC và độ ẩm không quá 10%. Đo nhiệt độ, độ ẩm
trong tủ lạnh, yêu cầu nhiệt độ đo được phải thấp hơn
nhiệt độ trong phòng.
- Cảm biến nồng độ CO: Cũng theo ngưỡng giá trị ảnh
hưởng đến sức khỏe theo QCVN 05:2013/BTNMT
là 30.000 μg/m3~ 30 ppm, giá trị nồng độ CO đo
được trong phòng cần nhỏ hơn giá trị ngưỡng; và giá
trị nồng độ CO đo ngoài đường cần lớn hơn giá trị đo
trong phòng.
Yêu cầu của các thiết bị khác và chi tiết kết quả được trình
bày ở bảng 1.

Chức năng theo dõi chỉ số chất lượng khơng khí AQI theo
thời gian thực: từ dữ liệu nồng độ khí CO và nồng độ bụi PM mà
vệ tinh gửi về, hệ thống tiến hành tổng hợp trong mỗi khoảng
thời gian 3s và từ đó tính tốn ra giá trị chỉ số chất lượng khơng
khí AQI theo hai chuẩn là tiêu chuẩn của Việt Nam (QCVN)
[12] và tiêu chuẩn của Hoa Kỳ (US EPA) [13]. Sau đó, chức
năng hiển thị giá trị tính được theo thời gian thực (mỗi 3s) trên
giao diện phần mềm.
Chức năng theo dõi tình trạng hoạt động của các cảm biến
trên vệ tinh theo thời gian thực: từ dữ liệu các giá trị quan trắc
nhận được và tần suất đọc dữ liệu của các cảm biến đã biết trước,
chức năng sẽ tính tốn xem liệu cảm biến đó cịn hoạt động
không, hiển thị trạng thái hoạt động của các cảm biến trên giao
diện phần mềm.

Chức năng tạo báo cáo: tạo báo cáo với toàn bộ dữ liệu nhận
được từ vệ tinh sau khi kết thúc q trình phóng, chức năng tiến
hành tổng hợp lại mỗi 3s các giá trị bao gồm: giá trị trung bình
của các thơng số quan trắc trong khoảng 3s, giá trị AQI trong
khoảng 3s đó theo hai chuẩn, số bản ghi nhận được, .... Sau đó,
chức năng sử dụng các giá trị trên để tổng hợp lại báo cáo toàn
bộ q trình phóng của vệ tinh CANSAT. Hình 7 thể hiện giao
diện của hệ thống giám sát vệ tinh.

(a)

Bảng 1. Kết quả kiểm thử thiết bị CANSAT
STT

Thiết bị

Thực hiện

1

Cảm biến
nồng độ
bụi
PMS5003

Đo giá trị
nồng độ bụi
PM1, PM2.5,
PM10 trong
nhà và

ngồi
đường

-Trong phịng
làm việc:
PM1: 25.1;
PM2.5:37.81;
PM10: 40.73
-Ngoài đường:
PM1: 83.7;
PM2.5: 130.9;
PM10: 142.7
Đơn vị:
(μg/m3)

Đạt

2

Cảm biến
nhiệt độ,
độ ẩm
DHT22

Đo được giá
trị nhiệt độ,
độ ẩm trong
nhà và
trong tủ
lạnh

-Trong nhà:
Nhiệt độ: 21.28
ºC, Độ ẩm: 81.07
%
- Dự báo thời
tiết:
Nhiệt độ: 21 ºC
Độ ẩm: 82%
-Trong tủ lạnh:
Nhiệt độ: 13.08
ºC, Độ ẩm:
72.63%

Đạt

3

Cảm biến
CO MQ-7

Đo giá trị
nồng độ CO
trong nhà
và ngồi
đường

-Trong phịng:
Nơng độ CO:
30.87 ppm

-Ngoài đường:
Nồng độ CO:
46.32 ppm

4

Cảm biến
áp suất
BMP180

Đo áp suất,
nhiệt độ tại
mặt đất và
trên tầng 4,
tính tốn độ
cao và so
sánh với
thực tế

-Tại mặt đất:
Độ cao chính
xác: 0m
Độ cao đo được:
-0.4464 m
-Trên tầng 4:
Độ cao chính
xác ~12m
Độ cao đo được:
10.5704 m

(b)

Hình 7. (a) Giao diện chức năng theo dõi vị trí và lộ trình vệ tinh CANSAT,
(b) Giao diện chức năng theo dõi dữ liệu theo thời gian thực

D. Cơng nghệ sử dụng
Hệ thống có sử dụng Arcgis API cho JavaScript [14] cho
việc hiển thị bản đồ, cơ sở dữ liệu MongoDB [15] để lữu trữ,
truy xuất dữ liệu và công nghệ đa nền tảng Meteor cho việc xây
dựng hệ thống giám sát theo thời gian thực.
IV.

KIỂM THỬ

E. Kiểm thử thiết bị
Các cảm biến của vệ tinh FIMO CANSAT được thử
nghiệm hoạt động tại các môi trường khác nhau (trong khoảng
thời gian 5 phút), từ đó đánh giá kết quả. Do sử dụng các cảm
biến giá rẻ và chưa có các thiết bị chuẩn để hiệu chỉnh dữ liệu,
với mỗi cảm biến chúng tôi sử dụng các tiêu chí sau để đánh
giá:
- Cảm biến nồng độ bụi PMS5003: Ngưỡng giá trị ảnh
hưởng đến sức khỏe con người của nồng độ bụi PM2.5
và PM10 theo QCVN 05:2013/BTNMT [16] là 50
μg/m3và 150 μg/m3 (giá trị trung bình trong 24 giờ).
Do đó, khi đo nồng độ bụi trong phịng làm việc, giá
trị PM2.5 và PM10 phải nhỏ hơn ngưỡng. Khi đo ngoài

63

Kết quả

Đánh giá

Chấp nhận
do khơng
có thiết bị
căn chỉnh

Đạt


5

Mô đun
GPS Neo7

Đo tọa độ
địa lý tại
các địa
điểm khác
nhau.So
sánh tọa độ
lấy được
với tọa độ
trên google
map

Thử nghiệm
trong 3 địa điểm,

sai lệch lần lượt
là 2, 4, 4 (mét)

Để kiểm thử năng lượng hoạt động của vệ tinh CANSAT,
chúng tôi sử dụng pin ANSMANN 9V cung cấp năng lượng liên
tục cho vệ tinh hoạt động. Kết quả thiết bị hoạt động bình thường
trong khoảng thời gian từ 40-50 phút. Kết quả này đạt u cầu
của cuộc thi, vì q trình phóng CANSAT chỉ diển ra trong
khoảng thời gian 20 phút.

Đạt

V.

6

Mơ đun
thu phát tín
hiệu
NRF24L01

Truyền tín
hiệu giữa 2
mơ đun,
kiểm tra độ
chính xác
dữ liệu

Dữ liệu nhận
được đúng 100%

Đạt

7

Dù

Thả rơi vật
nặng ở độ
cao 90m,
ghi nhận lại
thời gian
rơi, kiểm tra
khả năng
chịu va đập

Thời gian rơi:
18s
Vận tốc ước
tính: 5.3m/s
Va đập khơng
q mạnh

Đạt

THỰC NGHIỆM

CANSAT FIMO được đưa vào phóng thật bằng tên lửa mơ
hình. Q trình phóng gồm các bước: CANSAT và dù được gấp
gọn và sau đó đặt vào bên trong thân tên lửa mơ hình; Tên lửa

được đặt trên bệ phóng, khi khai hỏa, tên lửa sẽ bay lên độ cao
150-300m; Ở độ cao này, CANSAT sẽ rời khỏi thân tên lửa,
bung dù và rơi xuống mặt đất, tên lửa cũng bung dù và rơi xuống
mặt đất. Trong q trình rơi, CANSAT sẽ đo đạc các thơng số
trong môi trường và gửi dữ liệu về trạm mặt đất. Dữ liệu thu
được tại trạm mặt đất sẽ được lưu trữ và hiển thị thông qua phần
mềm giám sát. Sau khi kết thúc quá trình bay, dữ liệu sẽ được
phân tích, tổng hợp thành báo cáo. Hình 8 bao gồm một số hình
ảnh mơ tả q trình phóng CANSAT.

F. Kiểm thử năng lượng và truyền thông
Để kiểm tra khả năng truyền thông giữa vệ tinh CANSAT và
trạm thu, chúng tôi tiến hành đặt CANSAT tại vị trí cách trạm
thu các khoảng cách từ 100m đến 400m. Tại mỡi vị trí, ghi nhận
lại số bản ghi vệ tinh gửi đi và số bản ghi trạm thu nhận được,
từ đó tính tốn độ mát dữ liệu. Kết quả trình bày ở bảng 2.

(b)

Bảng 2. Kết quả kiểm thử truyền thông
Khoảng
cách
(m)

100

150

200

250

300

350

400

Số bản
ghi đã
gửi

215

218

208

213

218

123

31

Số bản
ghi
nhận

207

214

204

213

206

97

1

Số bản
ghi bị
mất

8

4

4

0

12

26

30

Độ mất
mát dữ
liệu

(a)

(c)

(d)
3.72%

1.83%

1.92%

0%

5.50%

21.14
%

Hình 8. (a) Tên lửa mơ hình đặt trên bệ phóng, (b) Vệ tinh CANSAT rời khỏi
tên lừa và bung dù, (c) Tên lửa bung dù, (d) Biểu đồ biến thiên độ cao theo
thời gian của vệ tinh.

96.77
%

CANSAT đã hoạt động tương đối ổn định từ khi phóng cho
đến khi tiếp đất. Dữ liệu từ CANSAT gửi về trạm mặt đất và
được hiển thị qua giao diện phần mềm giám sát vệ tinh theo thời
gian thực. Hình 9 là giao diện của phần mềm giám sát vệ tinh,
bên trái màn hình là bản đồ nền và đường quỹ đạo bay của vệ
tinh; bên phải của màn hình là các thơng số về hoạt động của vệ
tinh (độ cao, tốc độ rơi, tọa độ địa lý, thời gian) và chi tiết các
dữ liệu mà vệ tinh đo được, trực quan hóa theo dạng biểu đồ
đường. Bao gồm nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ CO, nồng độ bụi mịn
PM1, PM2.5, PM10. Chỉ số chất lượng khơng khí AQI được tính

Độ mất mát dữ liệu thay đổi theo khoảng cách truyền thông.
Trong khoảng 100-300m, độ mất mát thấp (< 10%), dữ liệu trạm
thu nhận được tương đối đầy đủ, liên tục. Ở khoảng cách 350m,
độ mất mát khá lớn (21.14%). Ở khoảng cách 400 m, truyền
thông kém, độ mất mát dữ liệu tới 96.77%. Mỗi bản ghi nhận
được ở trạm thu đảm bảo đầy đủ các trường dữ liệu, không bị sai
lệch giá trị (ở mọi khoảng cách kiểm thử).

64


toán dựa trên nồng độ bụi và nồng độ CO theo tiêu chuẩn quốc
tế và tiêu chuẩn Việt Nam.

hơn so với khơng khí dưới mặt đất. Kết quả này phản ánh hợp
lý chất lượng mơi trường thực tế.

Hình 9. Giao diện phần mềm giám sát vệ tinh

Kết thúc quá trình phóng vệ tinh, dữ liệu sẽ được tổng hợp
lại, phân tích và trình bày trong một báo cáo. Hình 10 là báo cáo
đã tạo ra từ chức năng tạo báo cáo của phần mềm giám sát vệ
tinh CANSAT. Về quá trình hoạt động của vệ tinh, FIMO
CANSAT đã được phóng lên độ cao 240.2 m, các cảm biến đều
hoạt động bình thường, khoảng cách từ điểm phóng đến điểm
rơi là 187 m và báo cáo tổng hợp dữ liệu mỗi 3s một lần, tỷ lệ
nhận được dữ liệu tại trạm mặt đất là 80.1 %.
Mỗi loại dữ liệu đều được tính tốn giá trị nhỏ nhất, lớn nhất,
trung bình đồng thời biểu diễn dữ liệu thành dạnh biểu đồ;
những biểu đồ này mô tả sự thay đổi của dữ liệu theo thời gian
và mối tương quan giữa dữ liệu với yếu tố độ cao. Do các thiết
bị chưa được hiệu chuẩn nên các thơng số đo được chỉ có độ
chính xác tương đối, kết quả chủ yếu phản ảnh sự thay đổi của
môi trường theo độ cao. Dựa trên kết quả các biểu đồ ở hình 10,
có thể đưa ra một số kết luận:
Trong giai đoạn từ khi tên lửa mơ hình bắt đầu phóng cho
đến khi đạt tới độ cao tối đa, dữ liệu nhiệt độ có giá trị cao (27.9
ºC). Nguyên nhân do vệ tinh CANSAT nằm trong khoang ở
phần thân tên lửa, nên có nhiệt độ cao. Khi CANSAT rời khỏi
thân tên lửa và bung dù rơi xuống, nhiệt độ giảm dần do nhiệt
độ bên ngoài thấp hơn nhiệt độ trong khoang tên lửa mơ hình.
Độ ẩm có giá trị giảm dần trong giai đoạn tên lửa phóng lên
cao, tiếp tục giảm khi vệ tinh rời khỏi tên lửa. Khi cách mặt đất
khoảng 120m thì giá trị độ ẩm có xu hướng tăng lên, và tiếp tục
tăng cho đến khi vệ tinh tiếp đất.
Giá trị nồng độ CO có xu hướng biến thiên khơng rõ ràng
trong cả q trình phóng vệ tinh. Ngun nhân cần phải được
nghiên cứu thêm.

Nồng độ bụi PM1, PM2.5, PM10 có xu hướng biến đổi theo
độ cao. Khi tên lửa được phóng lên cao thì nồng độ bụi cũng
tăng từ thấp lên cao; khi vệ tinh rơi xuống mặt đất thì giá trị
nồng độ bụi đo đươc cũng giảm dần xuống thấp.
Chỉ số chất lượng khơng khí AQI có sự thay đổi theo độ cao.
Ở trên cao, chỉ số AQI lớn; khi xuống thấp, chỉ số AQI giảm
dần. Điều này cho thấy môi trường khơng khí ở trên cao
(khoảng 250m) ơ nhiễm hơn so với dưới mặt đất tại khu vực tổ
chức cuộc thi. Do điều kiện tại khu vực thi là bãi đất cỏ trống,
một mặt là rừng cây nên tại dưới mặt đất, khơng khí trong lành,
khơng bị ơ nhiễm. Nhưng ở trên cao, khơng khí một phần bị ảnh
hưởng bởi khói bụi, khí thải từ các nhà máy gần đó, nên ơ nhiễm

Hình 10. Kết quả báo cáo biểu đồ của phần mềm giám sát vệ tinh, trục đen
biểu diễn thời điểm CANSAT rời khỏi tên lửa và rơi xuống mặt đất

65


VI.

KẾT LUẬN

Chúng tôi đã thiết kế, chế tạo, kiểm thử và phóng thành cơng
vệ tinh FIMO CANSAT với mục tiêu giám sát chất lượng
khơng khí sử dụng các cảm biến giá rẻ. Vệ tinh sử dụng các cảm
biến đo nồng độ bụi mịn, nồng độ khí CO, các thơng số khí
quyển: nhiệt độ, độ ẩm, áp suất trong khơng khí. Các cảm biến
được kiểm thử và đạt yêu cầu trong các mơi trường khác nhau.
Vệ tinh có khả năng truyền thơng tốt trong phạm vi 300m.

Trong q trình thực nghiệm, vệ tinh hoạt động ổn định từ lúc
bắt đầu phóng tên lửa mơ hình cho đến khi vệ tinh rơi chạm đất.
Dữ liệu thu nhận từ vệ tinh phản ánh sự thay đổi của môi trường
theo độ cao. Ngoài ra chúng tôi cũng phát triển thành công phần
mềm giám sát vệ tinh với các chức năng hiển thị quỹ đạo bay
của vệ tinh, hiển thị dữ liệu vệ tinh theo thời gian thực, chức
năng tạo báo cáo. Sản phẩm FIMO CANSAT đã giành được
giải nhất cuộc thi CANSAT 2017-2018 do Trung tâm vũ trụ
Việt Nam tổ chức.
Một số bài học rút ra được tổng hợp lại như sau. Năng lượng
đóng vai trị quan trọng trong việc duy trì hoạt động của vệ tinh.
Đặc biệt là với truyền phát dữ liệu, nếu năng lượng không đủ,
vệ tinh sẽ không thể truyền được dữ liệu về trạm thu. Truyền
thông dữ liệu cũng có vai trị quan trọng khơng kém, cần lựa
chọn thiết bị truyền thơng và ăng ten phù hợp để có thể thu phát
tín hiệu ổn định. Ngoài ra, do chưa thực hiện được quá trình
hiệu chỉnh dữ liệu nên các kết quả đo đạc chỉ có độ chính xác
tương đối, phản ánh chủ yếu sự thay đổi của các thông số môi
trường theo độ cao.
Dự kiến trong tương lai, chúng tơi sẽ sử dụng những kiến
thức tích lũy được để áp dụng vào các dự án IoT sử dụng cảm
biến để giám sát chất lượng ơ nhiễm khơng khí. Bên cạnh đó,
chúng tơi cũng sẽ nghiên cứu phương pháp hiệu chỉnh dữ liệu
để làm tăng độ chính xác cho mỡi loại cảm biến.

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]
[2]

[3]
[4]

[5]

[6]

P. Kumar et al., “The rise of low-cost sensing for
managing air pollution in cities,” Environ. Int., vol.
75, no. December 2014, pp. 199–205, 2015.
Sayali C. Bhagwat, Vikas R. Kale, V. V. Mirje, and
Prof. Mr.D.K.Kamat, “A wireless sensor network
air pollution monitoring system in Industrial
areas,” Int. Res. J. Eng. Technol., vol. 3, 2016

Sketchup, “3D modeling for everyone”, [Online],
Available: [Acessed:
31-Aug-2018]
Robotshop, “Arduino Mega 2560 Datasheet”,
[Online], Available:
/>omega2560datasheet.pdf [Acessed: 31-Aug-2018]
Aqmd, “PMS5003 Datasheet”, [Online], Available:
[Acessed: 31-Aug-2018]
Sparkfun, “DHT22 Datasheet”, [Online],
Available:

[15]
[16 ]

66

/>perature/DHT22.pdf [Acessed: 31-Aug-2018]
Sparkfun, “MQ-7 Datasheet”, [Online], Available:
/>metric/MQ-7.pdf [Acessed: 31-Aug-2018]
CainZ, “GPS Neo-7 Datasheet”, [Online],
Available: />heet%2020150902.pdf [Acessed: 31-Aug-2018]
Adafruit, “BMP180 Datasheet”, [Online],
Available: [Acessed: 31-Aug-2018]
Sparkfun, “nRF24L01 Data sheet”, [Online],
Available:
/>SMD/nRF24L01Pluss_Preliminary_Product_Speci
fication_v1_0.pdf [Acessed: 31-Aug-2018]
Farnell, “Arduino Uno R3 Datasheet”, [Online],
Available:
/>[Acessed: 31-Aug-2018]

Quantracmoitruong, “Phương pháp tính chỉ số chất
lượng khơng khí (AQI) ”, [Online], Available:
/>_Huong%20dan%20tinh%20toan%20chi%20so%2
0AQI%20va%20WQI_%20Chi%20so%20chat%20
luong%20khong%20khi%20AQI.pdf?&tabid=36
[Acessed: 31-Aug-2018]
Epa, “Air Quality Index (AQI) ”, [Online],
Available:
[Acessed: 31-Aug-2018]
Arcgis, “ArcGIS API for JavaScript”, [Online],
Available: />[Acessed: 31-Aug-2018]
Mongodb, “MongoDB for GIANT Ideas”,
[Online], Available: />[Acessed: 31-Aug-2018]
Moitruongthudo, “Cổng thông tin quan trắc môi
trường thủ đô Hà Nội”, [Online], Available:
/>[Acessed: 31-Aug-2018]