Tài liệu 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 HÓA 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 HÓA ĐẦU ĐO KHÍ ỨNG DỤNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY (WSN – WIRELESS SENSOR NETWORK) ĐỂ GIÁM SÁT MÔI TRƢỜNG Ngành: Công 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 ................................................................................................................... MỤC LỤC ....................................................................................................................... MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... CHƢƠNG 1. MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY (WSN). ........................................ i ii 1 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 không dây: ................................... 9 1.5.1. Ảnh hưởng của một số khí độc đến môi 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 HÓA 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.Công 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 ........................................................................................... 3.2.3. Mạch điều khiển cảm biến khí CO-AF ............................................................... 3.3.Chuẩn hóa đầu đo khí độc CO:................................................................................ 3.3.1. Đo thử nghiệm lần đầu ........................................................................................ 3.3.2. Hiệu chỉnh đầu đo khí CO ................................................................................... KẾT LUẬN ................................................................................................................... TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 38 40 41 42 44 49 51 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 môi trường. Chính vì vậy, trong thời gian qua có nhiều công 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 đòi 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 môi 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 thông 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 WSN Hình 1.1. Mô hình mạng WSN Hình 1.2. Nút mạng 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 môi 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 môi trường không 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 không 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. WSN liên kết các nút với nhau bằng kết nối sóng vô 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 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 thông, tính toán, 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 (tòa 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 rò rỉ khí,… + Điều khiển tự động các thiết bị, robot,… + Giám sát rò rỉ phóng xạ trong điện hạt nhân, giám sát trong công nghiệp chế tạo bán dẫn và giám sát các công trình nghệ thuật trong các bảo tàng, … + Mạng WSN còn giúp các kỹ sư xây dựng mô hình chính xác về sự rò rỉ chất độc vào trong đất và qua đó có thể giám sát khu công nghiệp, đánh giá sự rò 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 phòng để đo nhiệt độ. Không những thế, chúng còn được dùng để phát hiện những sự dịch chuyển trong phòng và thông báo lại thông tin này đến thiết bị báo động trong trường hợp không 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 côn trùng và các loài 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 loài chim, loài thú nhỏ, côn trùng; kiểm tra các điều kiện môi trường 11 ảnh hưởng tới mùa màng và vật nuôi; 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 toán trong nông nghiệp; kiểm tra môi trường không 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 Hình 1.3. Mô hình lƣu trữ dữ liệu tập trung topo này, tất cả các nút gửi dữ liệu trực tiếp đến nút sink. - 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. - Nút sink thường có cấu trúc phức tạp, thông 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. Mô hình phù hợp với những ứng dụng đòi hỏi phải cập nhật các thông số môi trường một cách thường xuyên. 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 không 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 đòi hỏi nút cơ sở phải cập nhật thông 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 mô 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 môi 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 yêu cầu truyền từ nút cơ Hình 1.5. Mô hình mạng WSN lƣu trữ dữ liệu kiểu phân tán. sở. 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 còn 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 KHỐI XỬ LÝ KHỐI TRUYỀN DẪN Bộ xử lý Bộ thu phát ADC biến Bộ nhớ 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 vô tuyến không dây dải ngắn (nhỏ hơn 100m). Trong WSN thì truyền vô tuyến là một quá trình sử dụng công 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 ngoài tòa 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 môi trường và kinh phí, chỉ một phần nhỏ các nút được trang bị hệ thống định vị. Trong trường hợp không 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. Mô 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 đòi 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 còn có thể hoạt động ổn định được khi điện thế cung cấp dao động trong một dải hẹp. Nhưng nguồn nuôi cho khối cảm biến thì nhất thiết phải có giải pháp để ổn định, nếu không thông 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 ngoài các thành phần như với nút cảm nhận, nó còn 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 môi trƣờng sống của con ngƣời Như chúng ta biết, con người không thể sống được nếu thiếu không khí. Ta có thể nhịn ăn, nhịn uống nhưng không thể nhịn thở. Trong không khí thì O2 là khí duy trì sự sống và chiếm khoảng 20% thể tích không khí, còn lại là các chất khác. Quá trình thở hay hô hấp là quá trình tự nhiên và cực kỳ cần thiết đối với một cơ thể sống. Ô nhiễm môi trường không 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. Ô nhiễm môi trường không 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 ôzôn),... Công nghiệp hoá càng mạnh, đô thị 16 xe Bus Hình 1.9. Khói thải ra từ Biểu đồ 1.1. Nồng độ khí thải của các phƣơng tiện hoá càng phát triển thì nguồn thải gây ô nhiễm môi trường không khí càng nhiều, áp lực làm biến đổi chất lượng không khí theo chiều hướng xấu càng lớn, yêu cầu bảo vệ môi trường không khí càng quan trọng. - Khí CO (Cacbomonoxit) Khí CO là loại khí không màu, không mùi không vị, tạo ra do sự cháy không hoàn toàn 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 ôxy, 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 ôxy, như từ khói thải của lò gạch nơi mà than cháy không triệt để, ống khói nhà máy nhiệt điện dùng than đá, các nồi nấu nhựa đường, khí xả động cơ ô tô, xe máy, … hay bếp than tổ ong ... Theo báo cáo trong Hội thảo Nhiên liệu và xe cơ giới sạch ở Việt Nam giữa Bộ GTVT và Chương trình môi trường Mỹ, thì tỉ lệ phát thải chất gây ô 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 (FeS 2), đốt cháy lưu huỳnh,…trong quá trình sản xuất axit Sunfuric (H 2SO4). Trong tự nhiên, SO2 được phát tán trong không 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 không chỉ với sức khỏe con người, động thực vật mà còn tác động lên các vật liệu xây dựng, các công 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 không 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 ngoài không 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 không khí la tác nhân gây mòn kim loại, bê tông và các công 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 ôxy 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 hô hấp bị kích thích mạnh do thiếu ôxy, có thể gây thở gấp và ngừng thở. H2S ở nồng độ cao có thể gây tê liệt hô hấp và nạn nhân bị chết ngạt. H2S xuất hiện do đốt cháy không hoàn toàn các nhiên liệu (than đá, dầu...) chứa nhiều lưu huỳnh. H2S cũng bốc lên từ bùn ao, đầm thiếu ôxy (là nguyên nhân làm cá chết ngạt). - Khí NOx (các oxit nitơ) Oxit nitơ có nhiều dạng, do nitơ có 5 hoá trị từ 1 đến 5. Do ôxy hoá không hoàn toàn nên nhiều dạng oxit nitơ có hoá 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 hô 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 ôxy hoá dưới ánh sáng mặt trời có thể tạo khí Ôzôn 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 thông...), trong công nghiệp sản xuất axít HNO3 , quá trình hàn điện và quá 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 không 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 môi 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 công 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.