Thiết bị quan trắc không khí – cảnh báo cháy nổ, khí độc

1 HỘI NGHỊ TỔNG KẾT HOẠT ĐỘNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ NHÓM SRT NĂM HỌC 2019-2020

THIẾT BỊ QUAN TRẮC KHƠNG KHÍ – CẢNH BÁO CHÁY NỔ, KHÍ ĐỘC
CACBON MONOXIT

AIR MONITORING EQUIPMENT – WARNING EXPLOSION AND CACBON MONOXIDE

Lê Đặng Thái Phong1, Nguyễn Văn Linh1, Nguyễn Trọng Nhiên1, Đoàn Văn Thắng2, Trần Trung Tín2
1Lớp 17TDH1, 2Lớp 18TDH1 – Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng

GVHD: ThS. Phạm Duy Dưởng
Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật- Đại học Đà Nẵng

Tóm tắt Abstract

Trong bài báo này, chúng tơi trình bày việc thiết kế, chế tạo In this article, we present the design and manufacture of air
monitoring equipment - warning of fire, toxic carbon monoxide.
thiết bị quan trắc khơng khí – cảnh báo cháy nổ, khí độc cacbon Equipment designed to alert the fastest leakage or any signs of
monoxit. Thiết bị thiết kế nhằm cảnh báo nhanh nhất sự rò rỉ hay danger of LPG, i-butane, Propane, Methane, Alcohol, Methane,
bất kể dấu hiệu nguy hiểm nào của LPG, i-butan, Propane, Hydrogen, CO, Smoke ... Including the main functions: providing
Methane, Alcohol, Metan, Hydrogen, CO, Smoke… Gồm các information information of temperature, humidity, analysis of air
chức năng chính: cung cấp thơng tin nhiệt độ, độ ẩm, phân tích quality, density of combustible gases, toxic gases and gas
chất lượng khơng khí, mật độ khí dễ cháy, khí độc và khí gây causing asphyxiation, smoke, dust ... and from there displayed on
ngạt, khói, bụi… rồi từ đó hiện thị trên giao diện người dùng. the user interface.

Từ khóa: LoRa; LoRaWan; Quan trắc khơng khí; Internet of Key words: LoRa; LoRaWan; Air monitoring; Internet of
Things; Wireless network; Thành phố thông minh Things; Wireless network; Smart city

1. Đặt vấn đề Ngày nay, ô nhiễm không khí được coi là một kẻ giết
người vơ hình và thầm lặng. Năm 2019, Tổ chức Y tế Thế
giới (WHO) ước tính rằng ô nhiễm không khí là “thủ

phạm” gây ra 7 triệu ca tử vong sớm mỗi năm trên toàn
cầu.

Carbon monoxide là một khí độc, khơng có mùi và
không thể thấy hoặc ngửi được và khí này có thể giết
người trong vài phút. Carbon monoxide được tạo ra khi
bất cứ chất đốt nào như khí đốt (ga), dầu nhớt, dầu lửa,
củi, hoặc than được đốt lên. Mỗi năm, hàng trăm người bị
chết đột ngột vì khí carbon monoxide gây ra từ các máy
móc khơng được sử dụng đúng cách hoặc từ máy bị hư
hỏng. Khí carbon monoxide có thể tích tụ nhanh đến mức
các nạn nhân bị ngất đi trước khi họ có thể kêu cứu.

Tại Việt Nam cùng với sự phát triển của quá trình
cơng nghiệp hóa và các ngành dịch vụ khác đã làm cho
tình trạng ơ nhiễm khơng khí, ơ nhiễm khí độc diễn biến
ngày càng nghiêm trọng. Tại các khu vực như tòa nhà,
phân xưởng, nhà ga,… Hằng năm vẫn thường xuyên xảy
những vụ ngộ độc khí, rị rỉ khí gas gây cháy nổ.Trong khi
đó, việc giám sát mơi trường khơng khí thường chỉ đặt tại
các trạm quan trắc với số lượng cảm biến giới hạn. Các số
liệu thu được cũng chỉ được dùng cho các cơ quan chuyên
môn và cũng giới hạn về lượng dữ liệu. Do đó, người dân
thường khơng biết về tình hình chất lượng khơng khí tại
nơi mình sinh sống và làm việc.

Với ý tưởng nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị
quan trắc khơng khí – cảnh báo cháy nổ, khí độc cacbon
monoxit, nhằm hạn chế các hậu quả đáng tiếc về người và
của mà các khí độc, khí dễ cháy, khói bụi gây ra.

Lê Đặng Thái Phong, Nguyễn Văn Linh, Nguyễn Trọng Nhiên, Đồn Văn Thắng, Trần Trung Tín 2

LoRa là một công nghệ không dây được phát triển để
cho phép truyền dữ liệu tốc độ thấp trên một khoảng cách
lớn bởi các cảm biến và bộ truyền động cho M2M và IoT
cũng như các ứng dụng IoT. LoRa hướng tới các kết nối
M2M ở khoảng cách lớn. Nó có thể hỗ trợ liên lạc ở
khoảng cách lên tới 15 – 20 km, với hàng triệu node mạng
[1]. Nó có thể hoạt động trên băng tần không phải cấp
phép, với tốc độ thấp từ 0,3kbps đến khoảng 30kbps [2].
Với đặc tính này, mạng LoRa phù hợp với các thiết bị
thông minh trao đổi dữ liệu ở mức thấp nhưng duy trì
trong một thời gian dài. Thực tế các thiết bị LoRa có thể
duy trì kết nối và chia sẻ dữ liệu trong thời gian lên đến
10 năm chỉ với năng lượng pin.

Một mạng LoRa có thể cung cấp vùng phủ sóng tương Hình 2: Mơ hình IoT sử dụng mạng không dây LoRa
tự như của một mạng di động. Trong một số trường hợp,
các ăng-ten Lora có thể được kết hợp với ăng-ten di động • Khối Gateway (khối điều khiển chính): sử dụng máy
khi các tần số là gần nhau, do đó giúp tiết kiệm đáng kể tính nhúng Raspberry Pi3 để nhận dữ liệu và gửi tín hiệu
chi phí. Cơng nghệ khơng dây LoRa được đánh giá là lý điều khiển tới node cảm biến thơng qua mạng Lora, ngồi
tưởng để sử dụng trong một loạt các ứng dụng, bao gồm: ra có thể qua giao tiếp wifi hoặc bluetooth. Dữ liệu được
định lượng thông minh, theo dõi hàng tồn kho, giám sát gửi lên web server thông qua giao thức MQTT.
dữ liệu của máy bán hàng tự động, ngành cơng nghiệp ơ
tơ, các ứng dụng tiện ích và trong bất cứ lĩnh vực nào mà • Các sensor node: sử dụng mạng LoRa để truyền và
cần báo cáo và kiểm soát dữ liệu. nhận từ khối Gateway. Trong bài báo này, dữ liệu gửi từ
máy chủ gửi xuống Gateway gửi về các end node
LoRaWAN hoạt động trong dải ISM được cấp miễn
phí. Chuẩn băng tần ISM được dành cho băng tần vô • Server: Hiển thị giao diện người dùng, xây dựng

tuyến ngành công nghiệp, khoa học và y tế. Tại Mỹ sử điều khiển và lưu trữ giá trị đó để đánh giá khả năng hoạt
dụng băng tần 902-928MHz, Châu Âu là 868 MHz [3]. động của hệ thống và các chức năng điều khiển thiết bị.
Với những ưu điểm vượt trội LoRa mang lại, trên thế giới
đã ứng dụng chuẩn không dây LoRa mới này thay thế cho 3.2 Gateway LoRa
chuẩn không dây cũ vào rất nhiều ứng dụng outdoor hoặc
indoor trước đó như Smart Campus, Smart Home, Smart Gateway LoRa sử dụng máy tính nhúng Raspberry Pi
Parking, Air Pollution Monitoring, ... 3 giao tiếp với module LoRa RFM95W như hình 3. Các
thông số thiết lập cho Gateway và Node LoRa được cấu
2. Tổng quan của hệ thống hình thể hiện ở bảng 1.
Ứng dụng Lora trong quan trắc khơng khí – cảnh báo

cháy nổ, khí độc cacbon monoxit được thể hiện trong hình
1. Trong đó, Lora được sử dụng để truyền gửi và nhận dữ
liệu. Chúng tơi sử dụng thuật tốn chạy trên vi điều khiển
Arduino để truyền gửi các dữ liệu từ sensor node, dữ liệu
được gửi lên web server, app thông qua giao thức MQTT.

Hình 3: Sơ đồ kết nối và hình ảnh Gateway LoRa
Bảng 1: Thơng số cấu hình cho Gateway và Node Lora

Hình 1: Sơ đồ tổng quát của hệ thống đề xuất
3. Thiết lập mơ hình
3.1. Đề xuất mơ hình vào LoRa và IoT

Mơ hình sử dụng mạng LoRa và IoT được thể hiện
như trong Hình 2 bao gồm ba khối chính:

3 HỘI NGHỊ TỔNG KẾT HOẠT ĐỘNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ NHÓM SRT NĂM HỌC 2019-2020

Chip LoRa được sử dụng là SX1276 của Semtech. Thông số Gateway Node

Đây là chuẩn sử dụng chip trải phổ làm điều chế để truyền Module LoRa RFM95W RFM95W
tín hiệu với khoảng cách xa. Hệ số trải phổ SF xác định số Semtech Semtech
lượng tín hiệu chip khi mã hóa tín hiệu được điều chế tần LoRa chip SX1276 SX1276
số (chipped signal) của dữ liệu. Ví dụ nếu SF=12 có nghĩa 868 MHz 868 MHz
là 1 mức logic của tín hiệu chip được điều chế sẽ được mã Tần số 125 kHz 125 kHz
hóa bởi 12 xung tín hiệu chip. Băng thông
14 dBm 14 dBm
Đối với các hệ thống mạng không dây thông thường (BW) LoRa LoRa
yêu cầu tỷ lệ lỗi bit BER phải nhỏ hơn 10-03. Hình 3 cho Công suất phát
thấy hệ số trải phổ SF càng cao thì đường cong BER càng 12 12
dốc hơn. Tại SNR=-20dBm, ta thấy xác suất lỗi bít BER Điều chế
của các hệ số trải phổ SF tăng dần từ SF12 đạt giá trị nhỏ Hệ số trải phổ 4/8 4/8
nhất (khoảng 10-5.5) và SF7 có BER lớn nhất (xấp xỉ 1).
(SF)
Tốc độ mã hóa

(CR)

Hình 4: BER theo các giá trị SF khác nhau với kênh truyền vô Hình 5: LoRa module
tuyến sử dụng LoRa [2] Bảng 2: Sơ đồ kết nối Arduino và LoRa node

Hệ số trải phổ SF=12 thường được dùng cho các thiết Arduino Pro Mini LoRa RFM95W
bị ở xa Gateway hoặc bị che chắn bởi tường hoặc tòa nhà.
SF=7 thường sử dụng cho các thiết bị gần Gateway. Vì D8 RST
vậy với ứng dụng cho IoT tầm xa này, nhóm tác giả chọn
giá trị SF=12 để đảm bảo được tỷ lệ lỗi bit BER cho mạng MISO (D12) MISO
LoRa.
MOSI (D11) MOSI
LoRa sử dụng ba băng thông BW là 125kHz, 250kHz
và 500kHz. Nếu băng thơng càng rộng thì thời gian mã SCK (D13) CLK

hóa tín hiệu càng ngắn, từ đó thời gian truyền dữ liệu
cũng giảm xuống nhưng đổi lại khoảng cách truyền cũng SS (D10) SEL (Chip Select)
ngắn lại. Vì các dữ liệu từ cảm biến khơng địi hỏi băng
thơng lớn mà cần truyền với khoảng cách xa nên D2 DIO0
BW=125 kHz được chọn trong mơ hình thử nghiệm này.
D7 DIO1
CR là số lượng bít được tự thêm vào trong trọng tải
của gói tin LoRa, bởi LoRa chipset để mạch nhận có thể D9 DIO2
sử dụng để phục hồi lại một số bít dữ liệu nhận sai và từ
đó phục hồi được nguyên vẹn dữ liệu trong tải trọng. Do 3.3V Vcc
đó, sử dụng CR càng cao thì khả năng nhận dữ liệu đúng
càng tăng, nhưng bù lại chip LoRa sẽ phải gửi nhiều dữ Anten LoRa đã được in trên mạch PCB và được thiết
liệu hơn và có thể làm tăng thời gian truyền dữ liệu trong kế bởi Trường Đại học Université Côte d'Azur (UCA), tần
khơng khí. số cộng hưởng của Anten có thể điều chỉnh từ 845-
9550MHz.
3.3 LoRa End Node
3.3.1. Cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11
LoRa Sensor Node: Truyền bằng công nghệ không
dây LoRa sử dụng module Lora RFM95W, truyền và Hình 6: Sơ đồ của cảm biến DHT11
nhận dữ liệu từ Gateway. LoRa node sử dụng vi điều
khiển Arduino pro mini giao tiếp với LoRa RFM95W
được tích hợp trên 1 bỏad như Hình 5, các thơng số kết
nối cho Aduino pro mini và LoRa RFM95W được thể
hiện ở bảng 2.

Lê Đặng Thái Phong, Nguyễn Văn Linh, Nguyễn Trọng Nhiên, Đồn Văn Thắng, Trần Trung Tín 4

Hình 7: Sơ đồ kết nối giữa vi điều khiển với DHT11 Hình 9: Cấu tạo cấu trúc cảm biến khí MQ

Cảm biển nhiệt độ độ ẩm DHT11 (Hình 6) được kết Trong số 6 đầu dây, 2 đầu (H) chịu trách nhiệm làm

nối theo sơ đồ ở hình 7. Sau khi giao tiếp được với khối nóng phần tử cảm biến và được kết nối thông qua cuộn
điều khiển, cảm biến DHT11 sẽ trả về giá trị nhiệt độ và Niken-Crom hợp kim dẫn điện nổi tiếng. Bốn đầu còn lại
độ ẩm dưới dạng 40 bit dữ liệu, tương ứng chia làm 5 (A&B) chịu trách nhiệm về tín hiệu đầu ra được kết nối
byte. Trong đó: bằng cách sử dụng Platinum Wires. Phần tử cảm biến
hình ống được tạo thành từ gốm dựa trên Nhôm Oxide và
Byte 1: giá trị phần nguyên của độ ẩm có lớp phủ Tín Dioxide.

Byte 2: giá trị phần thập phân của độ ẩm Khi tín dioxide được nung nóng trong khơng khí ở
nhiệt độ cao, oxy sẽ hấp thụ trên bề mặt. trong khơng khí
Byte 3: giá trị phần nguyên của nhiệt độ sạch, donor electrons trong Tin dioxit được thu hút về
phía oxy được hấp thu trên bề mặt vật liệu cảm biến. Điều
Byte 4: giá trị phần thập phân của nhiệt độ này ngăn chặn dòng điện. Khi trong khơng khí ơ nhiễm,
mật độ bề mặt của oxy bị hấp thụ giảm. Các electron sau
Byte 5: kiểm tra tổng đó được giải phóng vào Tin dioxit, cho phép dòng điện
chạy qua cảm biến.
Nếu (Byte 5) = ( Byte 1 + Byte 2 + Byte 3 + Byte 4)
thì giá trị độ ẩm và nhiệt độ là chính xác. 3.4 Xây dựng khối Webserver

3.3.2. Cảm biến bụi Sharp GP2Y10 (Dust Sensor) Khối server được xây dựng hoạt động trên cloud .
Nhiệm vụ của khối server là nhận dữ liệu và phân tích
đánh giá các gói dữ liệu truyền về từ Gateway thông qua
giao thức MQTT.

4. Giải pháp và thuật toán điều khiển của hệ thống

Hình 8: Cảm biến bụi Sharp GP2Y10 Hình 10: Nguyên lý hoạt động của hệ thống

Cảm biến bụi được cấu tạo bởi ba thành phần chính: Thiết bị quan trắc khơng khí – cảnh báo cháy nổ, khí
IR LED, Phototransistor, Amplifier. IR LED và độc cacbon monoxit, được thiết kế nhằm cảnh báo nhanh
Phototransistor là 2 bộ phận dùng để truyền và nhận hồng nhất sự rò rỉ hay bất kể dấu hiệu nguy hiểm nào của LPG,

ngoại và được đặt chệch gốc với nhau. Khi có bụi bay i-butan, Propane, Methane, Alcohol, Metan, Hydrogen,
vào, tia hồng ngoại từ IR LED sẽ bị dội vào CO, Smoke… Gồm các chức năng chính: cung cấp thông
Phototransistor, lúc này điện áp từ phototransistor sẽ được tin nhiệt độ, độ ẩm, phân tích chất lượng khơng khí, mật
đưa đến mạch khuếch đại (Amplifier) và xuất ra chân Vo độ khí dễ cháy, khí độc và khí gây ngạt, khói, bụi… rồi từ
đó hiện thị trên giao diện người dùng trên Cayenne.
3.3.3. Cảm biến khí MQ (MQ2, MQ7, MQ135, …)
Thiết bị sẽ đọc dữ liệu từ sensors gửi về Gateway
Cảm biến khí có độ nhạy cao với LPG, CO, Propane được mã hóa qua Thethingsnetwork và được hiện thị trên
và Hydrogen, mê-tan (CH4) và hơi dễ bắt lửa khác. trạm điều khiển Cayenne
MQ135 thường được dùng trong các thiết bị kiểm tra chất
lượng khơng khí bên trong cao ốc, văn phịng, thích hợp
để phát hiện NH3, NOx, Ancol, Benzen, khói, CO2,…

5 HỘI NGHỊ TỔNG KẾT HOẠT ĐỘNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ NHÓM SRT NĂM HỌC 2019-2020

Hình 13: Giao diện app trên điện thoại

Nhìn chung, hệ thống hoạt động ổn định, cập nhật
trạng thái nhanh, kịp thời. Tuy nhiên thiết bị cần hoàn
thiện về mặt thẩm mỹ, cần được làm gọn và tối ưu nhất có
thể và cần được nghiên cứu và phát triển thêm.

6. Kết luận

Hình 11: Dữ liệu truyền nhận trên Thethingsnetwork Trong bài báo này, chúng tơi trình bày việc thực hiện
thiết bị quan trắc không – cảnh báo cháy nổ, khí độc
5. Kết quả cacbon monoxit. Trong thiết bị này, chúng tôi sử dụng
phương thức truyền gửi không dây LoRaWan để truyền
Sau một thời gian dài tìm hiểu và nghiên cứu xây gửi dữ liệu trong thành phố, tòa nhà,… trong phạm vi
dựng ý tưởng và bắt tay vào thực hiện. Nhóm tác giả đã rộng. Trong đó là việc thu thập dữ liệu khơng khí nhắm

hồn thành đề tài “Thiết bị quan trắc khơng khí – cảnh giảm thiểu những hậu quả do ô nhiễm không khí – khí
báo cháy nổ, khí độc cacbon monoxit”. Dữ liệu đo đạt độc, khí gây ngạt, khí dễ cháy, bụi gây ra.
được hiển thị trên Web và App như hình 12 và hình 13.

Tài liệu tham khảo

[1] Eyuel D. Ayele, Chiel Hakkenberg, Jan Pieter Meijers, Kyle

Zhang, Nirvana Meratnia, Paul J.M. Havinga, Performance Analysis

Hình 12: Giao diện máy chủ of LoRa Radio for an Indoor IoT Application, 2017 International

Conference on Internet of Things for the Global Community

(IoTGC), 10-13 July 2017.

[2] Phí Thị Thu, Phân tích và đánh giá hiệu năng mạng vơ tuyến công

suất thấp cự ly xa LPWAN, Học viện cơng nghệ bưu chính viễn

thông, Năm 2017

[3] Davide Magrin, Marco Centenaro, and Lorenzo Vangelist,

Performance Evaluation of LoRa Networks in a Smart City

Scenario, IEEE ICC 2017 SAC Symposium Internet of Things Track,

21-25 May 2017

[4] Fabien Ferrero; Librairies for LoRA;

/>