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


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

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 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 môi trường. Chính vì vậy,
trong thời gian qua có nhiều công trình nghiên cứu chế tạo các đầu đo khí độc để ghép

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 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

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


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 1.3. Mô hình lƣu trữ dữ liệu tập trung
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

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
KHỐI TRUYỀN DẪN
KHỐI XỬ LÝ
KHỐI CẢM BIẾN
KHỐI NGUỒN

Bộ xử lý
Bộ nhớ
Cảm
biến
Bộ phận di động
Hệ thống định vị

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.

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 SO
2
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

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
Hình 1.10. Khói từ nhà máy lọc dầu Dung Quất tỏa ra không gian
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.

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. 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.
Mạch ghép nối như hình 1.15:
Hình 1.13. Đặc trƣng lối ra của cảm biến VQ101HT
Hình 1.14. Cảm biến D2 của Alphasense
20

Cảm biến khí MG-811 [8] có độ
nhạy cao với CO
2
, 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 rò rỉ khí
CO
2
trong gia đình và công 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 ngoài
cảm biến có 6 chân, trong đó 4 chân là tín
hiệu, 2 chân cung cấp điện áp cho sợi đốt.

Hình 1.16. Cảm biến của hãng DET-TRONICS ®
Hình 1.17. Cấu tạo của cảm biến MG8-11
22

kết hợp với điện trở của cảm biến (R
AB
) tạo thành mạch phân áp. Điện áp trên
R
L
tỷ lệ thận với nồng độ khí mà cảm biến cảm nhận được. Cảm biến này hoạt động
tốt ở nhiệt độ 10
0
C đến 50
0
C.
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.
Hình 1.21 thể hiện sự ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm của môi trường đến cảm
biến MQ-6. Với trở tải R
L
= 20 KΩ, nồng độ khí 1000ppm LPG, nhưng ở điều kiện
nhiệt độ, độ ẩm khác nhau điện trở của cảm biến cũng nhận giá trị khác nhau.
1.5.2.6. Cảm biến khí MQ-7

Cảm biến khí

L
kết hợp với
điện trở của cảm biến ( R
AB
) tạo thành
mạch phân áp. Điện áp trên R
L
tỷ lệ
thận với nồng độ khí mà cảm biến
cảm nhận được.
Điện trở của MQ-7 là khác nhau với các loại cảm biến và khí khác nhau. Vì thế,
khi sử dụng cần phải hiệu chỉnh lại độ nhạy của cảm biến. Nên tiến hành hiệu chỉnh ở
điều kiện không khí chứa 200 ppm Co và điều chỉnh điện trở ( R
L
) bằng 10 K
Ω
( hoặc
khoảng 10 K
Ω
đến 47 K
Ω
).
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. Hình
bên dưới thể hiện sự ảnh
hưởng của nhiệt độ, độ ẩm
của môi trường đến cảm biến
MQ6. Với trở tải R

2.2.1. Các bƣớc pha chế nồng độ khí:
Để giảm nồng độ của một khí nào đó, ta lấy một thể tích nhất định của khí đó,
sau đó pha thêm vào một thể tích khí Nitơ phù hợp.
Khí Nitơ là loại khí trơ, nên khi trộn nó với khí bất kỳ thì Nitơ không tham gia
phản ứng, vì vậy không làm ảnh hưởng đến thành phần các khí khác bên trong hỗn
hợp mà chỉ làm giảm nồng độ của khí đó.
Để thực hiện pha trộn khí, ta làm như sau:
+ Bước 1: Sử dụng máy hút chân không để hút chân không các túi đựng khí đã
chuẩn bị.
+ Bước 2: Bơm một lượng thể tích nhất định khí cần pha trộn vào túi đựng khí,
sau đó bơm thêm lượng khí Nitơ vào. Tùy vào thể tích khí cần pha và khí Nitơ bơm
vào trong túi đựng khí mà ta có nồng độ khí mới khác nhau.
Nguyên tắc pha trộn: từ một khí X có nồng độ Y%, nếu muốn pha trộn thành 1
lít khí X có nồng độ
Y%
/
2
thì ta lấy 0,5 lít khí X pha với 0,5 lít khí Nitơ. Ngược lại, nếu
pha trộn theo một tỷ lệ nhất định nào đó, thì ta sẽ có nồng độ % tương ứng. Nếu ta trộn
0,5 lít khí X có nồng độ Y
1
% và 0,5 lít khí X có nồng độ Y
2
%, thì ta thu được khí X có
nồng độ (Y
1
% + Y
2
%)/2.


- Nếu pha trộn 500ml khí CO 0,2% với 500ml khí CO 0,1% ta thu được 1 lít
khí CO có nồng độ 0,15%
- Nếu pha trộn 500ml khí CO 0,1% với 500ml khí CO 0,05% ta thu được 1 lít
khí CO có nồng độ 0,075%
- …
27

Cứ tiếp tục như vậy, ta sẽ pha trộn và tạo ra khí có các nồng độ khác nhau.
Như vậy, từ một khí chuẩn CO 0,2% ban đầu, ta kết hợp với khí Nitơ để pha
trộn chế tạo thành các nồng độ khác nhau như bảng 2.1:
Nồng độ
khí CO ban
đầu
0,2%
Nồng độ
khí CO sau
pha trộn
0,0125%
0,025%
0,0375%
0,05%
0,075%
0,1%
0,125%
0,15%
0,175%
Bảng 2.1. Các mẫu khí CO có nồng độ % khác nhau sau khi pha trộn
2.2.3. Tính khối lƣợng khí theo nồng độ phần trăm.
Để tính khối lượng khí từ nồng độ phần trăm, ta áp dụng công thức tính phần
trăm theo thể tích (2.1) như sau: