Xây dựng phương pháp chuẩn hóa đầu đo khí ứng dụng trong mạng cảm biến không dây (WSN- Wireless Sensor Network) để giám sát môi trường

1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
******o0o******

VŨ VĂN PHƢƠNG

XÂY DỰNG PHƢƠNG PHÁP CHUẨN HĨA ĐẦU ĐO KHÍ ỨNG DỤNG
TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY (WSN – WIRELESS SENSOR
NETWORK) ĐỂ GIÁM SÁT MÔI TRƢỜNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Hà Nội, năm 2013


2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
******o0o******

VŨ VĂN PHƢƠNG

XÂY DỰNG PHƢƠNG PHÁP CHUẨN HĨA ĐẦU ĐO KHÍ ỨNG DỤNG
TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY (WSN – WIRELESS SENSOR
NETWORK) ĐỂ GIÁM SÁT MƠI TRƢỜNG

Ngành: Cơng nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

Mã số: 60 52 70

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Vƣơng Đạo Vy

Hà Nội, năm 2013


5

MỤC LỤC
Trang
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................... i
MỤC LỤC .......................................................................................................................ii
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1. MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY (WSN). ........................................ 3
1.1. Giới thiệu chung: ...................................................................................................... 3
1.2. Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây: ......................................................... 3
1.3. Cấu trúc của WSN: ................................................................................................... 5
1.3.1. Cấu trúc của WSN với kiểu lưu trữ dữ liệu tập trung: ................................. 5
1.3.2. Cấu trúc của WSN với kiểu lưu trữ dữ liệu phân tán : ................................. 6
1.4. Cấu tạo và phân loại nút mạng ................................................................................. 7
1.4.1. Cấu tạo nút mạng cảm biến không dây ......................................................... 7
1.4.2. Phân loại nút mạng cảm biến ........................................................................ 8
1.5. Đầu đo khí độc ứng dụng trong mạng cảm biến khơng dây: ................................... 9
1.5.1. Ảnh hưởng của một số khí độc đến mơi trường sống .................................. 9
1.5.2. Một số đầu đo khí độc ................................................................................ 12
CHƢƠNG 2. PHA CHẾ VÀ KIỂM THỬ NỒNG ĐỘ KHÍ PHỤC VỤ CHO VIỆC
CHUẨN HĨA ĐẦU ĐO KHÍ ĐỘC .......................................................................... 19

2.1.Đặt vấn đề: ............................................................................................................... 19
2.2.Xây dựng quy trình chế tạo nồng độ khí ................................................................. 19
2.2.1.Các bước chế tạo nồng độ khí: ............................................................................. 19
2.2.2.Ứng dụng chế tạo khí CO 0.2% thành các nồng độ thấp: .................................... 20
2.2.3.Tính khối lượng khí theo nồng độ phần trăm: ...................................................... 21
2.3.Xây dựng Quy trình chuẩn kiểm nghiệm mẫu khí: ................................................. 24
2.3.1.Cơ sở lý thuyết: .................................................................................................... 24
2.3.2.Phương pháp xây dựng đường chuẩn: .................................................................. 25
2.3.2.1. Giới thiệu máy trắc quang DR5000: ................................................................ 26
2.3.2.2. Quy trình xây dựng đường chuẩn: .................................................................... 26
2.3.3.Xây dựng đường chuẩn để chuẩn hóa nhanh đầu đo khí độc CO: ....................... 27
2.4.1.Cơng tác chuẩn bị: ................................................................................................ 27
2.4.2.Các bước xây dựng đường chuẩn: ........................................................................ 28
2.5.Thí nghiệm kiểm thử quy trình pha trộn khí: .......................................................... 33
CHƢƠNG 3. ĐẦU ĐO KHÍ ĐỘC CO VÀ KIỂM THỬ CHUẨN HÓA ĐẦU ĐO ...
....................................................................................................................................... 36
3.1.Đặt vấn đề: ............................................................................................................... 36
3.2.Đầu đo khí độc CO .................................................................................................. 36


6

3.2.1. Cảm biến điện hóa ............................................................................................... 36
3.2.2. Cảm biến khí CO-AF........................................................................................... 38
3.2.3. Mạch điều khiển cảm biến khí CO-AF ............................................................... 40
3.3.Chuẩn hóa đầu đo khí độc CO:................................................................................ 41
3.3.1. Đo thử nghiệm lần đầu ........................................................................................ 42
3.3.2. Hiệu chỉnh đầu đo khí CO ................................................................................... 44
KẾT LUẬN ................................................................................................................... 49
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 51

PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 52


7

MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, mạng cảm biến không dây (WSN – Wireless Sensor
Network) đang được đầu tư nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ. Nó được ứng dụng hầu
hết trong các lĩnh vực của xã hội và mang lại kết quả hết sức to lớn. Trong những ứng
dụng quan trọng và thiết thực của mạng cảm biến không dây đang được cả thế giới
quan tâm đó chính là đo đạc và cảnh báo khí độc trong mơi trường. Chính vì vậy,
trong thời gian qua có nhiều cơng trình nghiên cứu chế tạo các đầu đo khí độc để ghép
nối với các nút mạng cảm biến không dây thực hiện nhiệm vụ đo đạc và cảnh báo
nồng độ khí độc trong môi trường và mức độ ảnh hưởng đến sức khỏe con người.
Một trong những công việc quan trọng sau khi chế tạo xong đầu đo là cần phải
đánh giá hoạt động và độ chính xác của nó. Việc này địi hỏi phải có những nồng độ
khí độc khác nhau phục vụ cho việc đánh giá và chuẩn hóa đầu đo trước khi đưa vào
ứng dụng thực tế.
Như vậy, với mong muốn chế tạo ra những nồng độ khí thấp trong dải từ an
toàn đến độc hại đối với con người để phục vụ cho việc chuẩn hóa đầu đo khí. Đồng
thời kiểm thử chuẩn hóa đầu đo khí cho mạng cảm biến không dây.
Luận văn “Xây dựng phương pháp chuẩn hóa đầu đo khí ứng dụng trong
mạng cảm biến không dây (WSN – Wireless Sensor Network) để giám sát mơi
trường” sẽ giới thiệu về quy trình chế tạo khí độc có nồng độ khác nhau, đồng thời
trình bày phần thí nghiệm thực tế đối với việc pha trộn và kiểm nghiệm khí độc CO
nồng độ 0,2%. Trên cơ sở đó thử nghiệm chuẩn hóa đầu đo khí độc CO cho mạng cảm
biến không dây.
Bản luận văn gồm 3 chương nội dung, phần mở đầu, phần kết luận và tài liệu
tham khảo. Cụ thể:
Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây sẽ giới thiệu qua về mạng

cảm biến không dây, các ứng dụng của mạng cảm biến không dây, cấu trúc của mạng,
cấu tạo, phân loại nút mạng và các đầu đo khí độc ứng dụng trong mạng.
Chương 2. Pha chế và kiểm thử nồng độ khí phục vụ cho việc chuẩn hóa đầu đo
khí độc.
Chương này giới thiệu về quy trình pha chế các nồng độ khí độc từ một nồng độ
cao cho trước phục vụ cho việc chuẩn hóa đầu đo khí độc, cách xác định trọng lượng
của khí từ các nồng độ pha chế theo lý thuyết và thơng qua thí nghiệm. Đồng thời,
trình bày các bước xây dựng quy trình kiểm nghiệm mọi mẫu khí với sai số rất nhỏ.
Chương 3. Đầu đo khí độc CO và kiểm thử chuẩn hóa đầu đo sẽ giới thiệu về
đầu đo khí độc CO-AF, mạch điều khiển cảm biến và các bước tiến hành chuẩn hóa
đầu đo khí độc CO. Ghép nối đầu đo với mạng cảm biến không dây và đo kiểm thử.
Phần kết luận tổng kết những công việc đã thực hiện và những kết quả đã đạt
được, đồng thời đề cập đến công việc và hướng nghiên cứu trong tương lai.


8

Để hoàn thành được luận văn này là nhờ sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS.
Vương Đạo Vy, thuộc Khoa Điện tử - Viễn thông, trường Đại học Công nghệ, Đại học
Quốc gia Hà Nội, người đã giúp đỡ em rất nhiều trong suốt quá trình thực hiện luận
văn. Em xin chân thành gửi tới thầy lời cảm ơn sâu sắc nhất.


9

Chƣơng 1. MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY (WSN – Wireless Sensor
Network).
1.1. Giới thiệu chung:
Ngày nay với sự phát triển vượt bậc của khoa học và công nghệ, mạng cảm biến
đã trở thành đề tài nghiên cứu nóng bỏng và nhận được nhiều tiến bộ đáng kể. Mạng

cảm biến bao gồm các thiết bị cảm biến được phân bố một cách ngẫu nhiên trong
không gian, nhằm quan sát các hiện tượng vật lý, hay điều kiện mơi trường,… ở các vị
trí khác nhau.
Mạng hoạt động trên
nguyên lý là một nút mạng sẽ cảm
nhận thông số của một môi trường
cần đo và sau đó tiến hành truyền
dữ liệu qua mơi trường khơng dây
về trạm gốc (nút gốc), trên cơ sở
đó nút gốc có thể đưa ra các lệnh
xử lý cần thiết hoặc truyền số liệu
vào máy tính. Bản thân nút gốc
khơng nhất thiết là một máy vi
tính mà có thể được chế tạo với
kích thước nhỏ, phù hợp với đặc
thù của từng ứng dụng cụ thể.

Hình 1.1. Mơ hình mạng WSN

WSN liên kết các nút với
nhau bằng kết nối sóng vơ tuyến,
trong đó các nút mạng thường là
các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá
thành thấp ... và có số lượng lớn,
được phân bố trên một diện tích
rộng, sử dụng nguồn năng lượng
Hình 1.2. Nút mạng WSN
pin, có thời gian hoạt động lâu dài
(vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (chất độc, ô
nhiễm, nhiệt độ không ổn định...).

1.2. Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây (WSN).
Mạng cảm biến không dây đang ngày càng trở nên quan trọng do những ưu việt
vượt trội và đang được nghiên cứu đưa vào sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau. Cụ
thể như: ứng dụng trong quân sự, khoa học, môi trường và trên những vùng chưa từng
có trước đây của mạng WSN.


10

- Ứng dụng trong quân sự:
Các mạng cảm biến không dây là một phần không thể thiếu trong các ứng dụng
quân sự ngày nay với các hệ thống mệnh lệnh, điều khiển, thu thập tin tức tình báo
truyền thơng, tính tốn, theo dõi kẻ tình nghi, trinh sát và tìm mục tiêu. Các đặc tính
triển khai nhanh chóng, tự tổ chức và khả năng chịu đựng lỗi của các mạng cảm biến
cho thấy đây là một công nghệ đầy triển vọng trong lĩnh vực quân sự. Vì các mạng
cảm biến dựa trên cơ sở triển khai dày đặc với các node giá rẻ và chỉ dùng một lần,
việc bị địch phá huỷ một số node không ảnh hưởng tới hoạt động chung như các cảm
biến truyền thống nên chúng tiếp cận chiến trường tốt hơn. Một số ứng dụng của mạng
cảm biến là : kiểm tra lực lượng, trang bị, đạn dược, giám sát chiến trường, trinh sát
vùng và lực lượng địch, tìm mục tiêu, đánh giá thiệt hại trận đánh, trinh sát và phát
hiện các vũ khí hóa học - sinh học - hạt nhân (NCB).
- Ứng dụng trong công nghiệp, thương mại và đời sống:
+ Ứng dụng kiểm tra cấu trúc (tịa nhà, cầu, đường, máy móc…) và động đất:
Các cảm biến về độ rung được đặt rải rác ở mặt đất hay trong lòng đất, những khu vực
hay xảy ra động đất, hay gần các núi lửa để giám sát và cảnh báo sớm hiện tượng động
đất và núi lửa phun trào.
+ Điều khiển hệ thống chiếu sáng, đo độ ẩm, phát hiện và cảnh báo phòng
cháy, chống rị rỉ khí,…
+ Điều khiển tự động các thiết bị, robot,…
+ Giám sát rị rỉ phóng xạ trong điện hạt nhân, giám sát trong công nghiệp chế

tạo bán dẫn và giám sát các cơng trình nghệ thuật trong các bảo tàng, …
+ Mạng WSN còn giúp các kỹ sư xây dựng mơ hình chính xác về sự rị rỉ chất
độc vào trong đất và qua đó có thể giám sát khu cơng nghiệp, đánh giá sự rị rỉ sự ô
nhiễm vào đất.
+ Ứng dụng trong gia đình: Trong lĩnh vực tự động hóa nhà ở, các nút cảm
biến được đặt ở các phịng để đo nhiệt độ. Khơng những thế, chúng còn được dùng để
phát hiện những sự dịch chuyển trong phịng và thơng báo lại thơng tin này đến thiết bị
báo động trong trường hợp khơng có ai ở nhà.
- Ứng dụng trong y tế và giám sát sức khoẻ:
Một số ứng dụng trong y tế của mạng cảm biến là cung cấp khả năng giao tiếp
cho người khuyết tật; kiểm tra tình trạng của bệnh nhân; chẩn đoán; quản lý dược
phẩm trong bệnh viện; kiểm tra sự di chuyển và các cơ chế sinh học bên trong của cơn
trùng và các lồi sinh vật nhỏ khác; kiểm tra từ xa các số liệu về sinh lý con người;
giám sát, kiểm tra các bác sĩ và bệnh nhân bên trong bệnh viện.
- Cảm biến môi trường và nông nghiệp:
Một số các ứng dụng về môi trường của mạng cảm biến bao gồm theo dõi sự di
chuyển của các lồi chim, lồi thú nhỏ, cơn trùng; kiểm tra các điều kiện môi trường


11

ảnh hưởng tới mùa màng và vật ni; tình trạng nước tưới; các công cụ vĩ mô cho việc
giám sát mặt đất ở phạm vi rộng và thám hiểm các hành tinh; phát hiện hóa học, sinh
học; tính tốn trong nơng nghiệp; kiểm tra mơi trường khơng khí, đất trồng, biển; phát
hiện cháy rừng; nghiên cứu khí tượng và địa lý; phát hiện lũ lụt; vẽ bản đồ sinh học
phức tạp của môi trường và nghiên cứu ô nhiễm môi trường.
1.3. Cấu trúc của WSN
1.3.1. Cấu trúc của WSN với kiểu lƣu trữ dữ liệu tập trung:
WSN thường được triển khai trên một phạm vi rộng, số lượng nút mạng lớn và
được phân bố một cách tương đối ngẫu nhiên, các nút mạng có thể di chuyển làm thay

đổi sơ đồ mạng,... do vậy WSN đòi hỏi một topo mạng linh động (ad-hoc, mesh,
star,...) và các nút mạng có khả năng tự điều chỉnh, tự cấu hình. Tùy thuộc vào mỗi
ứng dụng, các thiết bị WSN có thể cùng hay không cùng mạng với nhau.
WSN tiến hành phân chia mạng diện rộng (hàng trăm, hàng ngàn nút) thành các
cụm (cluster) để ổn định topo của mạng, đơn giản hóa giải thuật định tuyến (routing),
giảm xung đột khi truy cập vào kênh truyền nên giảm được năng lượng tiêu thụ, đơn
giản hóa việc quản lý mạng và
cấp phát địa chỉ cho từng nút
mạng (theo cluster).
- Trong những ứng
dụng tập hợp dữ liệu cơ bản, có
một nút được gọi là nút sink.
Tất cả dữ liệu từ các nút cảm
biến nguồn được truyền trực
tiếp đến nó. Topo mạng đơn
giản nhất cho ứng dụng này là
topo hình sao đơn hop. Trong
topo này, tất cả các nút gửi dữ
liệu trực tiếp đến nút sink.

Hình 1.3. Mơ hình lƣu trữ dữ liệu tập trung

- Đối với mạng cài đặt
công suất truyền thấp hay
mạng triển khai trên diện rộng
thì sử dụng topo hình cây đa
hop. Trong topo này, một vài
nút được xem như các nút
nguồn của chính chúng và định
tuyến cho các nguồn khác.

cấu

- Nút sink thường có
trúc phức tạp, thơng

Hình 1.4. Topo hình cây đa hop


12

thường là các máy tính PC và các phương pháp lưu trữ dữ liệu trên máy tính PC đã
được phát triển rất hiệu quả.
Nhận xét:
Dữ liệu được thu thập và xử lý tập trung tại nút cơ sở nên giảm nhẹ yêu cầu về
khả năng xử lý cho các nút cảm nhận.
Mơ hình phù hợp với những ứng dụng địi hỏi phải cập nhật các thông số môi
trường một cách thường xun.
Nếu xảy ra lỗi trên đường truyền thì gói tin tương ứng sẽ bị mất và nút cơ sở
cũng không thể lấy lại được thông số môi trường tại thời điểm đó. Thậm chí nếu một
nút nào đó giữ vai trò trung gian trong mạng bị ngừng hoạt động thì dữ liệu từ các nút
phụ thuộc nó sẽ khơng đến được với nút cơ sở.
Do đặc điểm phải truyền thông liên tục nên các nút cảm nhận sẽ phải có nguồn
năng lượng dự trữ đủ lớn để hoạt động trong thời gian dài, hơn nữa khi số lượng các
nút mạng tăng lên nhiều cũng làm chu kỳ hoạt động của mạng tăng lên và thời gian
đáp ứng của mạng giảm xuống tương ứng.
1.3.2. Cấu trúc của WSN với kiểu lƣu trữ dữ liệu phân tán:
Trong nhiều ứng dụng không địi hỏi nút cơ sở phải cập nhật thơng tin từ các
nút cảm nhận một cách liên tục, nhưng các nút cảm nhận vẫn phải lưu trữ các thông số
môi trường một cách liên tục. Với các ứng dụng như vậy người ta thường áp dụng mơ
hình mạng WSN lưu trữ dữ

liệu kiểu phân tán:
Mỗi nút cảm nhận sẽ
được kết nối với một bộ nhớ
mở rộng, khi đó dữ liệu mà
nút cảm nhận thu thập được
từ mơi trường có thể được
lưu trữ lại một cách liên tục,
dài ngày.
Các nút cảm nhận sẽ
truyền dữ liệu về khi xảy ra
tình trạng vượt ngưỡng hoặc
có u cầu truyền từ nút cơ
sở.

Hình 1.5. Mơ hình mạng WSN lƣu trữ dữ liệu kiểu phân tán.

Với cách thức hoạt động như vậy, sẽ làm giảm được thời gian thực hiện truyền
thông trong mạng nên tăng được thời gian sống cho các nút cảm nhận.
Hơn nữa nếu xảy ra lỗi trên đường truyền hoặc một nút cảm nhận trung gian
nào đó ngừng hoạt động bất thường thì các nút cịn lại vẫn có thể lưu trữ dữ liệu liên
tục và chờ cho đến khi mạng trở lại hoạt động bình thường.


13

1.4.Cấu tạo và phân loại nút mạng cảm biến không dây:
1.4.1. Cấu tạo nút mạng WSN:
Môt hệ thống mạng WSN bao gồm nhiều nút, các nút kết nối và trao đổi dữ liệu
với nhau bằng sóng radio.
Sơ đồ khối cấu tạo nút mạng như sau:

Hệ thống định vị

Bộ phận di động

KHỐI CẢM BIẾN

Cảm
biến

KHỐI XỬ LÝ

Bộ xử lý
ADC

Bộ nhớ

KHỐI TRUYỀN DẪN

Bộ thu phát

KHỐI NGUỒN

Bộ phát nguồn

Hình 1.7. Cấu tạo của một nút mạng cảm biến không dây

Chức năng cụ thể của các khối:
- Khối xử lý:
+ Bộ xử lý: có nhiệm vụ xử lý thông tin cảm biến cục bộ và thông tin truyền bởi
các bộ cảm biến khác. Các bộ xử lý gắn vào thiết bị thường bị hạn chế về công suất

nên được chạy trên các hệ điều hành có các thành phần cơ bản đặc biệt, như hệ điều
hành TinyOS.
+ Bộ nhớ: bao gồm ROM và RAM: được dùng để lưu trữ chương trình (các
lệnh được thực hiện bởi bộ xử lý) và dữ liệu (lưu các kết quả đo chưa qua xử lý và đã
qua xử lý bởi bộ cảm biến; lưu các thông tin cục bộ khác).
- Khối truyền dẫn:
+ Bộ thu phát: Thiết bị WSN có tốc độ thấp (10100kbps) và là thiết bị vơ
tuyến khơng dây dải ngắn (nhỏ hơn 100m). Trong WSN thì truyền vơ tuyến là một q
trình sử dụng cơng suất mạnh nhất, do đó nó cần phải kết hợp có hiệu quả công suất
giữa các chế độ ngủ (sleep) và chế độ hoạt động.
- Khối cảm biến:
+ Cảm biến (Sensor):
Do giới hạn băng thông và nguồn, các thiết bị WSN chỉ hỗ trợ bộ cảm biến tốc
độ dữ liệu thấp. Với các ứng dụng bộ cảm biến đa chức năng, mỗi thiết bị có một vài
loại sensor trên bo mạch. Tùy theo mỗi ứng dụng sẽ có một loại sensor riêng: sensor


14

nhiệt độ, sensor ánh sáng, sensor độ ẩm, sensor áp suất, sensor gia tốc, sensor từ,
sensor âm thanh, hay thậm chí là sensor hình ảnh có độ phân giải thấp.
+ Bộ ADC (Analog to Digital Converter):
Bộ ADC được tích hợp để có thể ghép nối với các cảm biến tương tự. Với ADC
được tích hợp sẵn sẽ giúp cho thuận tiện hơn trong việc sử dụng, giảm kích thước nút
mạng, đồng thời giảm được các nhiễu trong quá trình biến đổi A/D với các tín hiệu từ
cảm biến.
- Khối nguồn:
Năng lượng nguồn được sử dụng để có thể triền khai hoạt động của thiết bị
WSN như nguồn pin.
- Hệ thống định vị:

Trong nhiều ứng dụng của WSN, ứng dụng cho các phép đo sensor để đánh dấu
vị trí là quan trọng nhất. Cách đơn giản nhất để định vị là tiền cấu hình cho sensor ở vị
trí triển khai, tuy nhiên nó chỉ mang tính khả thi trong một số điều kiện triển khai nhất
định.
Ví dụ cụ thể đối với hệ thống bên ngồi tịa nhà: Khi một mạng được triển khai,
thông tin dễ dàng thu được qua vệ tinh định vị. Tuy nhiên, tại các ứng dụng, do hạn
chế của mơi trường và kinh phí, chỉ một phần nhỏ các nút được trang bị hệ thống định
vị. Trong trường hợp khơng có hệ thống định vị, các nút khác nhau (nhưng vẫn trong
cùng mạng) chỉ thu được vị trí của nhau một cách gián tiếp qua giao thức định vị
mạng.
- Bộ phận di động:
Các nút cảm biến đôi khi cần phải dịch chuyển để thực hiện các nhiệm vụ ấn
định. Do đó nó được trang bị thêm các phần phụ để phục vụ cho quá trình di động.
1.4.2. Phân loại nút mạng cảm biến WSN:
Trong hầu hết các mô hình mạng WSN, thường có 3 loại nút mạng với chức
năng và nhiệm vụ khác nhau. Chúng gồm: nút cảm biến, nút trung gian (nút chuyển
tiếp) và nút cơ sở (nút trung tâm).
Chức năng của các loại nút mạng:
- Các nút cảm nhận trực tiếp thu thập số liệu và truyền số liệu về nút cơ sở
(nếu khoảng cách giữa nút cảm nhận và nút cơ sở nhỏ) hoặc truyền đến các nút trung
gian (nếu khoảng cách giữa nút cảm nhận và nút cơ sở lớn).
- Các nút trung gian cũng trực tiếp thu thập số liệu. Kế đến chúng tiến hành
chuyển tiếp dữ liệu thu thập được và dữ liệu nhận được từ các nút cảm nhận qua các
nút trung gian khác. Sau đó gửi dữ liệu về nút cơ sở.


15

nút
cảm

biến

Hình 1.8. Mơ hình mạng WSN tổng quan

-

Nút cơ sở tiếp nhận dữ liệu từ mạng và tiến hành xử lý dữ liệu.

Mỗi loại nút mạng thực hiện một chức năng riêng . Do đó, mỗi loại nút
mạng địi hỏi phải có những đặc điểm phần cứng riêng để có thể thực hiện tốt chức
năng của nó. Trên thực tế thì các nút cảm nhận và các nút trung gian là một và có cấu
tạo phần cứng giống nhau. Trên mỗi nút mạng này thường được trang bị thêm về các
kết nối với cảm biến với phần biến đổi điện áp để ổn định dải điện thế cấp cho vi điều
khiển và đặc biệt là cho cảm biến. Vi điều khiển thì cịn có thể hoạt động ổn định được
khi điện thế cung cấp dao động trong một dải hẹp. Nhưng nguồn ni cho khối cảm
biến thì nhất thiết phải có giải pháp để ổn định, nếu khơng thơng tin cảm nhận đưa về
có thể bị sai lệch nhiều so với thực tế. Riêng nút cơ sở để thực hiện tốt chức năng xử lý
dữ liệu thì cấu tạo của nó ngồi các thành phần như với nút cảm nhận, nó cịn cần bổ
sung thêm một số phần cứng hỗ trợ việc nạp chương trình, điều khiển, hiển thị dữ liệu,
lưu trữ dữ liệu, …
1.5. Đầu đo khí ứng dụng trong mạng cảm biến không dây.
1.5.1. Ảnh hƣởng của một số khí độc đến mơi trƣờng sống của con ngƣời
Như chúng ta biết, con người không thể sống được nếu thiếu khơng khí. Ta có
thể nhịn ăn, nhịn uống nhưng khơng thể nhịn thở. Trong khơng khí thì O2 là khí duy
trì sự sống và chiếm khoảng 20% thể tích khơng khí, cịn lại là các chất khác. Q
trình thở hay hơ hấp là q trình tự nhiên và cực kỳ cần thiết đối với một cơ thể sống.
Ô nhiễm mơi trường khơng khí đang là một vấn đề bức xúc đối với môi trường
đô thị, công nghiệp và các làng nghề ở nước ta hiện nay. Ơ nhiễm mơi trường khơng
khí có tác động xấu đối với sức khoẻ con người (đặc biệt là gây ra các bệnh đường hô
hấp, tim mạch, phổi, …), ảnh hưởng đến các hệ sinh thái và biến đổi khí hậu (hiệu ứng

"nhà kính", mưa axít và suy giảm tầng ơzơn),... Cơng nghiệp hố càng mạnh, đô thị


16

hố càng phát triển thì nguồn thải gây ơ nhiễm mơi trường khơng khí càng nhiều, áp
lực làm biến đổi chất lượng khơng khí theo chiều hướng xấu càng lớn, u cầu bảo vệ
mơi trường khơng khí càng quan trọng.
- Khí CO (Cacbomonoxit)
Khí CO là loại khí khơng màu, khơng mùi khơng vị, tạo ra do sự cháy khơng
hồn tồn của nguyên liệu chứa Các bon (C). Khi hít phải, CO sẽ đi vào máu, chúng
phản ứng với Hemoglobin (có trong hồng cầu) thành một cấu trúc bền vững nhưng
không có khả năng tải ơxy,
khiến cho cơ thể bị ngạt. Ở
nồng độ khoảng 5ppm có thể
gây đau đầu chóng mặt. Ở
những nồng độ từ 10-250
ppm có thể gây tổn hại đến
hệ thống tim mạch thậm chí
gây tử vong.
Khí CO hình thành ở
những nơi đốt than thiếu ơxy,
như từ khói thải của lị gạch
nơi mà than cháy khơng triệt
để, ống khói nhà máy nhiệt
điện dùng than đá, các nồi
nấu nhựa đường, khí xả động
cơ ơ tơ, xe máy, … hay bếp
than tổ ong ...

Hình 1.9. Khói thải ra từ xe Bus

Theo báo cáo trong
Hội thảo Nhiên liệu và xe cơ
giới sạch ở Việt Nam giữa
Biểu đồ 1.1. Nồng độ khí thải của các phƣơng tiện
Bộ GTVT và Chương trình
mơi trường Mỹ, thì tỉ lệ phát
thải chất gây ơ nhiễm do các phương tiện giao thông cơ giới đường bộ như biểu đồ 2.1
- Khí SO2 (lưu huỳnh dioxit)
Khí SO2 là sản phẩm chủ yếu của quá trình đốt cháy các nhiên liệu có chứa lưu
huỳnh (S) như than,…hay nguyên liệu chứa lưu huỳnh như đốt quặng Pirit sắt (FeS2),
đốt cháy lưu huỳnh,…trong quá trình sản xuất axit Sunfuric (H2SO4). Trong tự nhiên,
SO2 được phát tán trong khơng khí chủ yếu là do đốt than, và một phần do núi lửa
phun.


17

Khí SO2, SO3
gọi chung là SOx là
những khí độc hại
khơng chỉ với sức khỏe
con người, động thực
vật mà còn tác động
lên các vật liệu xây
dựng, các cơng trình
kiến trúc. Chúng là
những chất có tính kích
thích, ở nồng độ nhất Hình 1.10. Khói từ nhà máy lọc dầu Dung Quất tỏa ra khơng gian

định có thể gây co giật cơ trơn của khí quản, ở nồng độ lớn hơn sẽ gây tăng tiết dịch
niêm mạc đường khí quản. khí tiếp xúc với mắt có thể tạo thành axit.
SOx bị oxy hóa ngồi khơng khí và phản ứng với nước mưa tạo thành axit
H2SO4 hay các muối sulfate gây hiện tượng mưa axit, ảnh hưởng xấu đến sự phát
triển thực vật. Sự có mặt của SOx trong khơng khí la tác nhân gây mịn kim loại, bê
tơng và các cơng trình kiến trúc….
SO2 phát sinh khi đốt mọi thứ nguyên liệu hàng ngày (than đá, khí, gỗ và các
chất hữu cơ khác như phân khô, rơm rác…). Khi nồng độ SO2 đạt đến 5 phần triệu thì
các hội chứng bệnh lý ở người tiếp xúc bắt đầu xuất hiện.
- Khí H2S (hidrosunfua)
Khí H2S mang mùi hôi thum thủm như trứng thối, cực độc và dễ cháy nổ. H2S
là khí gây ngạt vì chúng tước đoạt ơxy rất mạnh; khi hít phải nạn nhân có thể bị ngạt,
bị viêm màng kết do H2S tác động vào mắt, bị các bệnh về phổi vì hệ thống hơ hấp bị
kích thích mạnh do thiếu ơxy, có thể gây thở gấp và ngừng thở. H2S ở nồng độ cao có
thể gây tê liệt hơ hấp và nạn nhân bị chết ngạt.
H2S xuất hiện do đốt cháy khơng hồn tồn các nhiên liệu (than đá, dầu...) chứa
nhiều lưu huỳnh. H2S cũng bốc lên từ bùn ao, đầm thiếu ơxy (là ngun nhân làm cá
chết ngạt).
- Khí NOx (các oxit nitơ)
Oxit nitơ có nhiều dạng, do nitơ có 5 hố trị từ 1 đến 5. Do ơxy hố khơng hồn
tồn nên nhiều dạng oxit nitơ có hố trị khác nhau hay đi cùng nhau, được gọi chung
là NOx. Có độc tính cao nhất là NO2.
NO2 là khí có màu nâu đỏ có mùi gắt và cay, mùi của nó có thể phát hiện được
vào khoảng 0,12 ppm. NO2 là khí có kích thích mạnh đường hơ hấp, nó tác động đến
hệ thần kinh và phá hủy mô tế bào phổi, làm chảy nước mũi, viêm họng


18

Khi NO2 với nồng độ 100ppm có thể gây tử vong cho người và động vật sau ít

phút. Với nồng độ 5ppm có thể gây ảnh hưởng xấu đến đường hô hấp. Con người tiếp
xúc lâu với NO2 khoảng 0.06 ppm có thể gây các bệnh trầm trọng về phổi.
NOx bị ơxy hố dưới ánh sáng mặt trời có thể tạo khí Ơzơn gây chảy nước mắt
và mẩn ngứa da, NOx cũng góp phần gây bệnh hen, thậm chí ung thư phổi, làm hỏng
khí quản.
Khí NOx xuất hiện trong quá trình đốt cháy nguyên liệu trong các động cơ đốt
trong (khí xả của phương tiện giao thơng...), trong cơng nghiệp sản xuất axít HNO3 ,
q trình hàn điện và q trình phân huỷ nhựa celluloid.
1.5.2 Giới thiệu một số loại cảm biến khí độc
1.5.1.1. Cảm biến khí Hydrogen Sulfide VQ101HT
Cảm biến VQ101HT của hãng EV2 [9] có thể ứng dụng trong việc cảnh báo
nồng độ sulfua hydro trong khơng khí (hình 1.11). Nó bao gồm hai cảm biến ghép theo
kiểu bù nhau nhằm giảm thiểu tác động của nhiệt độ. Thiết bị này có tuổi thọ trên 3
năm. Nó có thể hoạt động liên tục ở nhiệt độ môi trường xung quanh lên đến 90 °C và
không bị ảnh hưởng bởi độ ẩm của mơi trường.

Hình 1.11. Cảm biến VQ101HT

Hình 1.12. Mạch ghép nối với cảm biến VQ101HT

Mạch ghép nối (hình 1.12) sử dụng một cặp cảm biến ghép nối tiếp và có cơng
suất (250 mW), kết hợp với R1, R2 tạo thành mạch cầu trở (R1 = R2 = 1 kΩ). R3 = 50
kΩ dùng để điều chỉnh điện áp offset. RC là điện trở đặc biệt (giá trị tối thiểu 39 Ω ).
Điện trở này được cung cấp bởi hãng e2v và phải hàn trên mạch PCB.


19

Điện áp cung cấp (Bridge
Voltage) bằng 2,5 V ± 0,1 V. Điện

áp lối ra VOUT là điện áp âm.
Cảm biến này có thể hoạt động
liên tục ở nhiệt độ -40 °C đến 90
°C, với giải đo từ 0 ppm 50 ppm
H2S. Thời gian đáp ứng nhỏ hơng
30 s. Khi sử dụng cần hiệu chuẩn
lại, việc hiệu chuẩn cần giá trị ở 3
điểm trở lên. Có thể điều chỉnh để
được hiêu suất tối ưu, đặc biệt ở
nhiệt độ> 40 °C.
Hình 1.13. Đặc trƣng lối ra của cảm biến VQ101HT

1.5.2.2. Cảm biến D2 của hãng Alphasense
Cảm biến D2 [11] tích hợp đồng thời hai bộ cảm biến nhỏ để đo CO và H2S
(hình 1.14). Nó có giải đo từ 0 ppm đến 100 ppm đối với H2S và từ 0 ppm đến 1000
ppm đối với CO, thời gian đáp ứng nhỏ hơn 25 giây.

Hình 1.14. Cảm biến D2 của Alphasense

Mạch ghép nối như hình 1.15:


20

Hình 1.15: Mạch ghép nối với cảm biến D2

D2 kết hợp cảm biến khí CO-D4 và cảm biến khí H2S-D4 của hãng
Alphasense. Có hai điện cực hoạt động, một cho lối ra của CO và một là lối ra của
H2S. Phần cảm biến CO có bộ lọc khí H2S và ngược lại bên cảm biến H2S có bộ lọc
khí CO. Cả hai cảm biến con dùng chung chân nguồn và chân điện áp tham chiếu.

Một mạch chia thế kết hợp với một bộ khuếch đại thuật toán để tạo điện áp
tham chiếu. Nếu chỉ cần đo một loại khí thì lắp một mạch khuếch đại. Nếu đo cả 2 loại
khí thì cần 2 mạch khuếch đại thuật tốn ghép thêm vào. Tụ C=10nF và hai trở ở trong
sơ đồ để ổn định giá trị của IC2. Có thể chỉ dùng một điện trở, tuy nhiên mắc như sơ
đồ thì ổn định hơn. Có thể cần lắp thêm hai FET để tăng dòng điện tham chiếu. Tải
cho các điện cực là một điện trở 10 ohm. Có thể tăng giá trị này nếu như có nhiễu lớn,
tuy nhiên, điều này sẽ làm chậm thời gian đáp ứng của cảm biến.
1.5.2.3. Cảm biến khí của hãng DET-TRONICS
Hãng Det-Tronics [10] thiết kế rất nhiều cảm biến để đo một loạt các loại khí
trong một dải đo nhất định. Nối ra cảm biến của hãng này thường là một dòng điện 420 mA tỉ lệ thuận với nồng độ của khí cần đo. Cảm biến được thiết kế để sử dụng
trong môi trường độc hại, hoặc cảnh báo cháy nổ (hình 1.16).


21

Hình 1.16. Cảm biến của hãng DET-TRONICS ®

Đây là loại cảm biến có cấu tạo là mạng tế bào điện hóa, tốc độ đáp ứng cao và
chọn lọc khí tốt. Nó được tích hợp mạch điện tích cực bên trong và dễ dàng thay thế
bộ lọc chống nước được cung cấp kèm theo để bảo vệ cho cảm biến và cho phép làm
việc trong môi trường ẩm ướt.
1.5.2.4 Cảm biến khí MG-811
Cảm biến khí MG-811 [8] có độ
nhạy cao với CO2, có thời gian ứng
nhanh, ổn định và tuổi thọ cao, mạch
ghép nối đơn giản (hình 1.17). Có thể sử
dụng cảm biến này để phát hiện rị rỉ khí
CO2 trong gia đình và cơng nghiệp.
Cấu tạo của cảm biến gồm ống
AL2O3 nhỏ kết hợp với lớp dẫn điện

Dioxide (SnO2) và một sợi đốt được gắn
vào lớp vỏ gồm nhự và thép. Bên ngồi
cảm biến có 6 chân, trong đó 4 chân là tín
hiệu, 2 chân cung cấp điện áp cho sợi đốt.

Hình 1.17. Cấu tạo của cảm biến MG8-11


22

Hình 1.18. Mạch ghép nối với MG-811

Cảm biến này chịu ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm nên khi khảo sát, với mỗi
giá trị đo được phải xác định luôn nhiệt độ và độ ẩm của môi trường tương ứng.
1.5.2.5. Cảm biến khí MQ-6
Cảm biến khí MQ-6 [8] có độ nhạy cao với LPG, iso-butane, propane. Ít nhạy
cảm với cồn và khói thuốc (hình 19). Có thời gian ứng nhanh, ổn định và tuổi thọ cao,
mạch ghép nối đơn giản. Có thể sử dụng cảm biến này để phát hiện rị rỉ khí LPG, isobutan, propan, LNG trong gia đình và cơng nghiệp.
Cấu tạo của cảm biến gồm ống AL2O3 nhỏ kết hợp với lớp dẫn điện Tin
Dioxide (SnO2) và một sợi đốt được gắn vào lớp vỏ gồm nhự và thép. Sợ đốt này rất
cần thiết để duy trì hoạt động của sensor. Bên ngồi cảm biến có 6 chân, trong đó 4
chân là tín hiệu, 2 chân cung cấp điện áp cho sợi đốt.

Hình 1.19: Cấu tạo cảm biến MQ-6

Hình 1.20: Mạch ghép nối với MQ-6