VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI
KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - THÔNG TIN

ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài: HỆ THỐNG ĐO KIỂM CHẤT LƯỢNG KHÔNG
KHÍ SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ TRUYỀN SÓNG LORA
Phần 1/6: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢM BIẾN CHẤT LƯỢNG
KHÔNG KHÍ SỬ DỤNG SÓNG LORA

Giảng viên hướng dẫn: ThS. LÊ THỊ CÚC
Sinh viên thực hiện

: TRẦN THỊ HUẾ

Lớp : K16B
Khoá
Hệ

: 2013 – 2017
: ĐẠI HỌC CHÍNH QUY

Hà Nội, tháng 05 năm 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI
--------------------------------------------------

CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

---------------------------------

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: TRẦN THỊ HUẾ
Khoá: 2013-2017

Lớp: K16B

Khoa: Công nghệ điện tử - thông tin

Ngành đào tạo: Công nghệ Kỹ thuật Điện tử,Truyềnthông
Hệ đào tạo:Đại học chính quy
1. Tên đề tài đồ án:
“HỆ THỐNG ĐO KIỂMCHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ
TRUYỀN SÓNG LORA”
Phần 1/6: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢM BIẾN CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ SỬ
DỤNG SÓNG LORA
2. Các số liệu và dữ liệu ban đầu:
• Kiến thức về sensor cảm biến.
• Kiến thức lập trình C, C++…
• Kiến thức thiết kế mạch trên altium.
• Dựa vào tài liệu tham khảo trên và các kiến thức đã
được học để hoàn thành báo cáo một cách đầy đủ và hoàn chỉnh nhất. Đồng thời
trong tương lai em hi vọng đề tài sẽ nhanh chóng nghiên cứu và hoàn thành để
sớm đưa vào thực tiễn.
3. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 19/12/2016
4. Ngày hoàn thành đồ án: 06/05/2017
Ngày

tháng


năm 2017

Giảng viên hướng dẫn

Ths. Lê Thị Cúc


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI
--------------------------------------------------BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên: TRẦN THỊ HUẾLớp: K16B
Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử- Truyền Thông

Khoá: 2013-2017

Giảng viên hướng dẫn: ThS. Lê Thị Cúc
Cán bộ phản biện: ..........................................................................................................
1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp:
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
2. Nhận xét của cán bộ phản biện:
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................

...........................................................................................................................................
Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp

Ngày

tháng

Cán bộ phản biện

năm


LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay vấn đề ô nhiễm môi trường là vấn đề đang đe dọa trược tiếp đến đời
sống và sức khỏe con người trong đó ô nhiễm bụi đang là vấn đề được quan tâm nhất.
Rất nhiều thiết bị đo chuẩn chất lượng không khí ra đời nhằm giúp con người hạn chế
được tác hại của ô nhiễm không khí
Xuất phát từ vấn đề này, em đã lựa chọn đề tài: “Hệ thống đo kiểm chất lượng
không khí sử dụng công nghệ truyền sóng LoRa, Phần 1/6 : Thiết kế xây dưng hệ
thống mạch cảm biến chất lượng không khí sử dụng sóng lora”. là một dự án khá
mới mẻ và thú vị nhằm cung cấp cho con người những thông số cần thiết về khí, bụi
trong không khí ở các địa điểm tại những khoảng thời gian khác nhau, để từ đó có giải
pháp phòng tránh cũng như chủ động trong cuộc sống của chính mỗi chúng ta.
Đề tài này xuất phát từ việc sử dụng sóng Lora để đo kiểm chất lượng khí, bụi rồi
từ đó truyền dẫn, mô tả và hiển thị thông số tại từng thời điểm mà con người muốn
truy cập.
Với sự phát triển của công nghệ, các vi mạch ngày càng được thu nhỏ và khả
năng ứng dụng ngày càng được mở rộng. Chính sự phát triển đó đã giúp cho con người
nâng cao được hiệu quả làm việc trong quá trình sản xuất, góp phần nâng cao giá trị
hàng hóa làm ra mà chi phí có thể giảm. Việc ứng dụng các vi mạch tích hợp trong

cuộc sống là một ví dụ điển hình. Một thiết bị có thể đo đạc được các thông số của môi
trường không khí giúp thiết lập điều chỉnh các thông số môi trường, giúp cho con
người có thểnắm rõ mức độônhiễm của môi trường.


LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô và các bạn của Khoa Công Nghệ Điện
Tử-Thông Tin, Viện Đại Học Mở Hà Nội. Đặc biệt là ThS.Lê Thị Cúc đã trực tiếp
hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất giúp em hoàn thành đề tài này.
Cám ơn các bạn cùng nhóm đã hỗ trợ em rất nhiều trong suốt thời gian làm đồ án
cùng nhau. Hoạt động nhóm luôn tạo những thành công lớn nhất.
Ngoài ra trong quá trình hoàn thành đề tài em đã nhận được hỗ trợ và giúp đỡ
nhiệt tình của anh/chị trên Lab 618 Bách Khoa của Thầy Dũng. Em xin cảm ơn mọi
người trong thời gian qua.
Do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn hẹp nên trong quá trình thực hiện đề tài của
em không thể tránh khỏi những sai sót mong thầy cô và các bạn bổ sung và góp ý để
chúng em có thêm kinh nghiệm và hoàn thiện hơn những đồ án sau này.
Em xin chân thành cảm ơn!
Sinh viên thực hiện

Trần Thị Huế


TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Đề tài :“ HỆ THỐNG ĐO KIỂM CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ SỬ DỤNG CÔNG
NGHỆ TRUYỀN SÓNG”
Phần 1/6 : “THIẾT KẾ XÂY DỰNG HỆ THỐNGMẠCH CẢM BIẾN CHẤT
LƯỢNG KHÔNG KHÍ SỬ DỤNG SÓNG LORA”
Chương I : Tổng quan đề tài
Khái quát chung toàn đề tài và cho biết thông tin các chỉ số không khí hiện nay.

Chương II : Giới thiệu tổng quan về IoT
Có một cái nhìn sơ bộ và khái quát nhất về mạng IoT (Internet Of Thing). Các
công nghệ truyền dẫn sử dụng hiện nay.
Chương III : Giới thiệu về LoRa và LoRaWAN
Có một cái nhìn đầy đủ về công nghệ LoRa và LoRa WAN. Lớp hoạt động, các
tham số và ưu nhược điểm. Tìm hiểu một số chuẩn thông số cho LoRa WAN đang
được sử dụng hiện nay.
Chương IV : Thiết kế hệ thống mạch cảm biến
Thiết kế hệ thống mạch cảm biển sử dụng những giao thức và đăc tính của cảm
biển.
Để cảm biến nhận và truyền tín hiệu qua sóng LoRa.
Chương IV : Xây dựng mã chương trình cho vi điều khiển ATMEGA328PPU
Cách thức xây dựng mã chương trình cho vi điều khiển.


MỤC LỤC
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI ........................................................................ 1
I. Vấn đề ô nhiễm môi trường hiện nay .................................................................... 1
1. Vấn đề ô nhiễm môi trường trong phát triển công nghiệp ................................. 1
2. Ô nhiễm khói bụi tại đô thị ............................................................................... 2
3. Giải quyết ô nhiễm bắt đầu từ thu thập thông tin ............................................... 3
4. Chỉ số chất lượng không khí AQI tại Hà Nội .................................................... 4
II. Giới thiệu chung về đề tài .................................................................................... 7
1. Mục tiêu đề tài .................................................................................................. 7
2. Giới thiệu về IoT và cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư ............................ 7
3. Mô hình tổng quan đề tài .................................................................................. 8
KẾT LUẬN CHƯƠNG I ......................................................................................... 11
CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ IoT .............................................. 12
I. Khái quát cơ bản về IoT ...................................................................................... 12
1. Định nghĩa ...................................................................................................... 12

2. Khả năng định danh ........................................................................................ 13
3. Tính chất của IoT............................................................................................ 14
II. Những ứng dụng của IOT .................................................................................. 15
1. Quản lý hạ tầng............................................................................................... 15
2. Y tế................................................................................................................. 15
3. Xây dựng và tự động hóa trong các công trình xây dựng ................................ 16
4. Giao thông ...................................................................................................... 16
III. Những thách thức đối với sự phát triển của IoT ................................................ 16
1. Ngôn ngữ giao tiếp (giao thức) ....................................................................... 16
2. Hàng rào kết nối (subnetwork) ........................................................................ 17
3. Vấn đề xử lý thông tin .................................................................................... 17
4. Bảo mật .......................................................................................................... 18
5. Bài toán kinh tế............................................................................................... 19


KẾT LUẬN CHƯƠNG II ....................................................................................... 19
CHƯƠNG III: GIỚI THIỆU VỀ LORA VÀ LORA WAN ................................... 20
I. Kỹ thuật trải phổ truyền thông ............................................................................ 20
1. Định lý Shannon – Hartley ............................................................................. 20
2. Nguyên lý trải phổ .......................................................................................... 21
3. Chirp Spread Spectrum ................................................................................... 22
II. Kỹ thuật trải phổ trong công nghệ sóng Lora ..................................................... 23
1. Giới thiệu về Lora........................................................................................... 23
2. Các tính năng chính của điều chế Lora............................................................ 24
III. Một số lưu ý trong truyền thông không dây ...................................................... 26
1. Mạng không dây ............................................................................................. 26
2. Cơ chế sử dụng đa đường truyền..................................................................... 28
3. Vấn đề về xung đột đường truyền ................................................................... 30
4. Khả năng hoạt động cùng đường truyền băng rộng có tần số giao thoa. .......... 30
KẾT LUẬN CHƯƠNG III ...................................................................................... 30

CHƯƠNG IV. THIẾT KẾ HỆ THỐNG MẠCH CẢM BIẾN ............................... 32
I. Xây dựng sơ đồ khối của toàn mạch cảm biến.................................................... 32
II. Khối nguồn ....................................................................................................... 32
III. Khối xử lý ....................................................................................................... 33
IV. Khối cảm biến .................................................................................................. 34
1. Cảm biến khí MQ7 ......................................................................................... 34
2. Cảm biến bụi GP2Y1010AU0F ..................................................................... 35
3. Cảm biến khí MQ136 ..................................................................................... 36
4. Khối truyền sóng lora ..................................................................................... 38
V. Thiết kế mạch .................................................................................................... 39
VI. Mạch PCB đã thiêt kế ...................................................................................... 40
KẾT LUẬN CHƯƠNG IV ...................................................................................... 40
CHƯƠNG VI: XÂY DỰNG MÃ CHƯƠNG TRÌNH CHO VI ĐIỀU KHIỂN
ATMEGA328P-PU .................................................................................................. 41


I. Giới thiệu vi điều khiển Atmega328P-PU ........................................................... 41
II. Giới hiệu về ngôn ngữ C .................................................................................... 42
III. Khởi tạo ........................................................................................................... 43
KẾT LUẬN CHƯƠNG V ........................................................................................ 55
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 57


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Ảnh minh họa .............................................................................................. 1
Hình 1.2: Ô nhiễm rác thải ........................................................................................... 3
Hình 1.3: Bảng tiêu chuẩn nồng độ cho phép của một số khí ....................................... 6
Hình 1.4: Mức chỉ số AQI và mức ảnh hưởng tới sức khỏe con người ......................... 6
Hình 1.5: Sơ đồ tổng quan của hệ thống truyền dẫn ..................................................... 8
Hình 1.6: Sơ đồ mạng truyền tải LoRaWAN................................................................ 9

Hình 1.7: Hình ảnh cảm biến ....................................................................................... 9
Hình1.8: MultiConnect Conduit ................................................................................. 10
Hình 1.9: mDot .......................................................................................................... 11
Hình 2.1: IoT Vạn vật kết nối .................................................................................... 12
Hình 3.1: Mô hình NB-IOT cung cấp bởi HUAWEI .................................................. 20
Hình 3.2: Mô hình mạng LoRa .................................................................................. 24
Hình 3.3: So sánh độ nhạy của LoRa và FSK............................................................. 26
Hình 3.4: Cấu trúc mạng hình sao .............................................................................. 27
Hình 3.5. Cấu trúc mạng hình lưới ............................................................................. 28
Hình 4. 1: Sơ đồ khối mạch cảm biến ........................................................................ 32
Hình 4. 2: Sơ đồ nguyên lý của khối nguồn ............................................................... 32
Hình 4. 3: IC LM1117 – 3,3V .................................................................................... 33
Hình 4. 4: Sơ đồ chân LM1117 – 3.3V ...................................................................... 33
Hình 4. 5: Sơ đồ nguyên lý khối xử lý ....................................................................... 34
Hình 4. 6: Cảm biến khí MQ7.................................................................................... 34
Hình 4.7: Đặc điểm độ nhạy cảm của MQ7............................................................... 35
Hình 4. 8: Cảm biến bụi GP2Y1010AU0F ................................................................. 36
Hình 4.9: Cảm biến khí MQ136 ................................................................................. 36
Hình 4. 10: Đặc điểm độ nhạy của MQ136 ................................................................ 37
Hình 4. 11: MultiConnect mDot ................................................................................ 38
Hình 4. 12: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch ..................................................................... 39


Hình 4.13: Sơ đồ mạch in toàn mạch PCB ................................................................. 40
Hình 5.1: Sơ đồ chân vi điều khiển ATMEGA 328P-PU ........................................... 41
Hình 5.2 Ngôn ngữ C................................................................................................. 42


THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
MQTT


Message Queuing Telemetry Transport Protocol

IC

Integrated Circuit

VCC

Voltage Common Collector

GND

Ground

IoT

Internet of Things

Lora

Long Range

WAN

Wide Area Network

CSS

Chirp Spread Spectrum


UART

Universal Asynchronous Receiver Transmitter

LTE

Long-term Evolution

M2M

machine-to-machine


MỞ ĐẦU
Trong thời kỳ công nghiệp phát triển như nước ta hiện nay, ngoài những
vấn đề phát triển công nghệ khoa học kỹ thuật nhằm đưa nước ta ngày càng phát
triển, thì chúng ta cũng phải chú ý và quan tâm tới vấn đề bảo vệ môi trường. Vì ô
nhiễm môi trường là mặt trái của việc phát triển công nghiệp hóa, hiện đại hóa, nó
đã để lại nhiều hậu quả nghiêm trọng trên thế giới và ngay tại Việt Nam.
Ngày 11/12/2016 vừa qua, tại Diễn đàn doanh nghiệp Việt Nam 2016
(Vietnam Business Forum 2016), nhiều doanh nghiệp đã công bố sẽ rút vốn đầu tư
khỏi Việt Nam vì môi trường sống không còn đàm bảo do ô nhiễm không khí và
môi trường nghiêm trọng. Tại diễn đàn, ông Kenneth Atkison – Chủ tịch hiệp hội
doanh nghiệp Anh quốc tại Việt Nam cho rằng các chỉ số ô nhiễm môi trường ở
Việt Nam tăng cao khiến cho các doanh nhân không dám đưa gia đình đến Việt
Nam sinh sống, ảnh hưởng đến việc đầu tư trực tiếp của nước ngoài vào Việt
Nam. Trong khi đó, ông Dominic Scriven – trưởng nhóm thị trường vốn của diễn
đàn, chủ tịch công ty Dragon Capital cho biết, nhà đầu tư lớn nhất của Dragon
Capital đã thông báo quyết định rút ra khỏi thị trường Việt Nam vì lý do Việt

Nam thiếu vắng những chính sách và hành động thuyết phục trong việc bảo vệ
môi trường.

Hình a: Tình trạng ô nhiễm môi trường
Trong những tháng vừa qua, ngoài sự cố môi trường liên quan đến Formosa
tại Hà Tĩnh và sự kiện cá chết hàng loạt tại rất nhiều các địa phương trên cả nước,


các trang tin tức và mạng xã hội cũng đồng loạt lên tiếng cảnh báo về một hiểm
họa môi trường đang trực tiếp đe dọa cuộc sống của người dân tại Hà Nội và TP.
Hồ Chí Minh và các địa phương: ô nhiễm bụi mịn PM2.5, một dạng của ô nhiễm
phân tử.
Có thể thấy vấn đề ô nhiễm môi trường nói chung và ô nhiễm khói bụi nói
riêng ở Việt Nam không còn là vấn đề cần xem xét nữa mà đã là vấn đề cấp thiết
đang đặt ra hiện nay. Để giải quyết vấn đề ô nhiễm khói bụi hiện nay, chúng ta
cần thu thập thêm nhiều dữ liệu về môi trường không khí hơn nữa để có thể phân
tích nguyên nhân và tình hình cụ thể tại từng khu vực, từ đó đưa ra giải pháp
chính xác giải quyết vấn đề ô nhiễm khói bụi. Vì vậy, nhóm chúng em quyết định
chọn đề tài: “Hệ thống đo kiểm chất lượng không khí sử dụng công nghệ
truyền sóng LoRa”.
Trong khuôn khổ thời gian giới hạn của đề tài tốt nghiệp nên đề tài còn
nhiều hạn chế, nếu có điều kiện phát triển thêm, đề tài có thể hoàn thiện hơn nữa
để đủ điều kiện đưa vào hoạt động thực tế, cũng như phục vụ những mục đích thu
thập dữ liệu thông tin khác.


Đồ án tốt nghiệp

Chương I. Tổổng quan đề tài


CHƯƠ
ƯƠNG I: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
I. Vấn đề ô nhiễm
m môi tr
trường hiện nay
1. Vấn đề ô nhiễm
m môi tr
trường trong phát triển công nghiệp
Một vấn đề nóng bỏng,
ng, gây bbức xúc trong dư luận xã hội cả nước
nư hiện nay là
tình trạng ô nhiễm môi trườ
ờng sinh thái do các hoạt động sản xuấtt và sinh hoạt
ho của con
người gây ra. Vấn đề này ngày càng trầm
tr
trọng, đe doạ trực tiếp sự phát tri
triển kinh tế xã hội bền vững, sự tồn tại,
i, phát triển
tri của các thế hệ hiện tại và tương
ương lai. Đối tượng
gây ô nhiễm môi trường
ng ch
chủ yếu là hoạt động sản xuất củaa nhà máy trong các khu
công nghiệp, hoạt động
ng làng nghề
ngh và sinh hoạt tại các đô thị lớn.
Nhìn chung, hầu hết các khu, cụm, điểm công nghiệp trên cả nước
ớc chưa đáp ứng
được những tiêu chuẩn vềề môi trường theo quy định. Thực trạng đó làm cho môi

trường sinh thái ở một số địa
đ phương bị ô nhiễm nghiêm trọng. Cộng
ộng đồng dân cư,
nhất là các cộng đồng dân cư lân cận với các khu công nghiệp, đang phảải đối
mặt với thảm hoạ về môi trường. Họ phải sống chung với khói bụi,
ụi, uống nước từ
nguồn ô nhiễm chất thải công nghiệp... Từ đó, gây bất bình, dẫn đến những
nh
phản ứng,
đấu tranh quyết liệt của ngư
người dân đối với những hoạt động gây ô nhiễễm môi trường,
có khi bùng phát thành các xung đột xã hội gay gắt.

Hình 1.1: Ảnh minh họa
Cùng với sự ra đời ồ ạt các khu, cụm, điểm công nghiệp, các làng nghề thủ công
truyền thống cũng có sự phụục hồi và phát triển mạnh mẽ. Việc phát triển
ển các làng nghề
có vai trò quan trọng đối vớ
ới sự phát triển kinh tế - xã hội và giải quyết
ết việc làm ở các
địa phương. Tuy nhiên, hậu
ậu quả về môi trường do các hoạt động sản xuất làng nghề
đưa lại cũng ngày càng nghiêm trọng. Tình trạng ô nhiễm không khí, chủ yếu là do
GVHD: ThS. Lê Thị Cúc

1

SVTH: Trần
Tr Thị Huế



Đồ án tốt nghiệp

Chương I. Tổng quan đề tài

nhiên liệu sử dụng trong các làng nghề là than, lượng bụi và khí CO, CO2, SO2 và
NOx thải ra trong quá trình sản xuất khá cao. Theo thống kê của Hiệp hội Làng nghề
Việt Nam, hiện nay cả nước có 2.790 làng nghề, trong đó có 240 làng nghề truyền
thống, đang giải quyết việc làm cho khoảng 11 triệu lao động, bao gồm cả lao động
thường xuyên và lao động không thường xuyên. Các làng nghề được phân bố rộng
khắp cả nước, trong đó các khu vực tập trung phát triển nhất là đồng bằng sông Hồng,
Bắc Trung Bộ, Tây Bắc Bộ, đồng bằng sông Cửu Long. Hoạt động gây ô nhiễm môi
trường sinh thái tại các làng nghề không chỉ ảnh hưởng trực tiếp đến cuộc sống, sinh
hoạt và sức khoẻ của những người dân làng nghề mà còn ảnh hưởng đến cả những
người dân sống ở vùng lân cận, gây phản ứng quyết liệt của bộ phận dân cư này, làm
nảy sinh các xung đột xã hội gay gắt.
Để đánh giá mức độ ô nhiễm phân tử do bụi mịn PM2,5 tạo ra, các nhà khoa
học dùng chỉ số chất lượng không khí – AQI ( Air Quality Index: số hạt bụi PM2,5 có
trong một mét khối không khí) ví dụ AQI bằng 10 thì có 10 hạt bụi PM2,5 trong một
mét khối không khí. Chất lượng của không khí được đánh giá theo chỉ số AQI.

2. Ô nhiễm khói bụi tại đô thị
Bên cạnh các khu công nghiệp và các làng nghề gây ô nhiễm môi trường, tại
các đô thị lớn, tình trạng ô nhiễm cũng ở mức báo động. Đó là các ô nhiễm về nước
thải, rác thải sinh hoạt, rác thải y tế, không khí, tiếng ồn... Những năm gần đây, dân số
ở các đô thị tăng nhanh khiến hệ thống cấp thoát nước không đáp ứng nổi và xuống
cấp nhanh chóng. Nước thải, rác thải sinh hoạt (vô cơ và hữu cơ) ở đô thị hầu hết đều
trực tiếp xả ra môi trường mà không có bất kỳ một biện pháp xử lí môi trường nào nào
ngoài việc vận chuyển đến bãi chôn lấp. Theo thống kê của cơ quan chức năng, mỗi
ngày người dân ở các thành phố lớn thải ra hàng nghìn tấn rác; các cơ sở sản xuất thải

ra hàng trăm nghìn mét khối nước thải độc hại; các phương tiện giao thông thải ra
hàng trăm tấn bụi, khí độc. Trong tổng số khoảng 34 tấn rác thải rắn y tế mỗi ngày,
thành phố Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh chiếm đến 1/3; bầu khí quyển của thành
phố Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh có mức benzen và sunfua đioxit đáng báo
động. Theo một kết quả nghiên cứu mới công bố năm 2008 của Ngân hàng Thế giới
(WB), trên 10 tỉnh thành phố Việt Nam, xếp theo thứ hạng về ô nhiễm đất, nước,
không khí, thành phố Hồ Chí Minh và Hà Nội là những địa bàn ô nhiễm đất nặng nhất.

GVHD: ThS. Lê Thị Cúc

2

SVTH: Trần Thị Huế


Đồ án tốt nghiệp

Chương I. Tổng quan đề tài

Theo báo cáo của Chương trình môi trường của Liên hợp quốc, thành phố Hà Nội và
thành phố Hồ Chí Minh đứng đầu châu Á về mức độ ô nhiễm bụi.
3. Giải quyết ô nhiễm bắt đầu từ thu thập thông tin
Hà Nội ô nhiễm không khí ở mức báo động- Bạn sẽ phải làm như thế nào ?
Ngày 11/12/2016 vừa qua, tại Diễn đàn doanh nghiệp Việt Nam 2016 (Vietnam
Business Forum 2016), nhiều doanh nghiệp đã công bố sẽ rút vốn đầu tư khỏi Việt
Nam vì môi trường sống không còn đàm bảo do ô nhiễm không khí và môi trường
nghiêm trọng.
Tại diễn đàn, ông Kenneth Atkison – Chủ tịch hiệp hội doanh nghiệp Anh quốc
tại Việt Nam cho rằng các chỉ số ô nhiễm môi trường ở Việt Nam tăng cao khiến cho
các doanh nhân không dám đưa gia đình đến Việt Nam sinh sống, ảnh hưởng đến việc

đầu tư trực tiếp của nước ngoài vào Việt Nam. Trong khi đó, ông Dominic Scriven –
trưởng nhóm thị trường vốn của diễn đàn, chủ tịch công ty Dragon Capital cho biết,
nhà đầu tư lớn nhất của Dragon Capital đã thông báo quyết định rút ra khỏi thị trường
Việt Nam vì lý do Việt Nam thiếu vắng những chính sách và hành động thuyết phục
trong việc bảo vệ môi trường.

Hình 1.2: Ô nhiễm rác thải
Trong những tháng vừa qua, ngoài sự cố môi trường liên quan đến Formosa tại
Hà Tĩnh và sự kiện cá chết hàng loạt tại rất nhiều các địa phương trên cả nước, các
trang tin tức và mạng xã hội cũng đồng loạt lên tiếng cảnh báo về một hiểm họa môi
trường đang trực tiếp đe dọa cuộc sống của người dân tại Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh
và các địa phương: ô nhiễm bụi mịn PM2,5, một dạng của ô nhiễm phân tử.
GVHD: ThS. Lê Thị Cúc

3

SVTH: Trần Thị Huế


Đồ án tốt nghiệp

Chương I. Tổng quan đề tài

Trong mấy năm gần đây, không khí ở các thành phố lớn, đặc biệt là Hà Nội
ngày càng ô nhiễm. Ứng dụng Airvisual và trang web đánh giá chỉ số chất lượng
không khí aqicn.org thường xuyên chỉ thị mức ô nhiễm PM2,5 là trên 150 ở Hà Nội,
đây là mức ô nhiễm không tốt cho sức khỏe của tất cả mọi người.
Theo kết quả nghiên cứu của Cục Y tế – Bộ GTVT, tỷ lệ người bị mắc đường
hô hấp ở Hà Nội cao hơn TPHCM. Theo ước tính, số tiền người dân Hà Nội phải chi
để chữa các bệnh liên quan đường hô hấp, thiệt hại do bệnh đường hô hấp gây ra

là gấp đôi so với người dân sống ở TP.HCM.
Theo các chuyên gia về môi trường, có bốn nguyên nhân chính gây ô nhiễm bụi
là: sự gia tăng các phương tiện giao thông, hoạt động xây dựng, đốt rơm rạ và hoạt
động của các nhà máy nhiệt điện. Dù các nhà máy này cách xa Hà Nội song bụi mịn
PM2,5 có khả năng phát tán rất xa. Trong 4 nguyên nhân này thì giao thông đang là
thủ phạm chính. Thêm nữa các tòa nhà, công trường xây dựng mọc ngay trung tâm
thành phố càng làm cho không khí ô nhiễm hơn.
4. Chỉ số chất lượng không khí AQI tại Hà Nội
Có thể các bạn thường quan tâm đến các tin tức kinh tế - xã hội, thể thao giải
trí… mà thờ ơ với những chỉ số ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe thậm chí tính mạng
của bản thân và gia đình. Một trong những chỉ số quan trọng mà bạn bỏ quan đó là Chỉ
số AQI (Air Quality Index) - chỉ số báo cáo chất lượng không khí.
Thông qua chỉ số AQI tại thời điểm đo, bạn có thể biết không khí bị ô nhiễm
đến mức độ nào và nó ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe của bạn ra sao. Khi chỉ số
AQI tăng lên, một phần lớn dân số sẽ dễ dàng gặp phải các tác động tiêu cực đến sức
khoẻ.
Cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ (EPA) tính toán chỉ số AQI với năm thông
số ô nhiễm không khí chủ yếu là: Ozon mặt đất; Ô nhiễm phân tử (còn gọi là hạt lơ
lửng); Carbon monoxide (CO); Sulfur dioxide (SO2) và Nitrogen dioxide (NO2), từ đó
đưa ra bảng quy chuẩn đối với chất lượng không khí và lời khuyên đối với từng nhóm
chỉ số.
Theo số liệu đo đạc được (ghi nhận trên máy đo chỉ số AQI của Đại sứ quán
Hoa Kỳ tại Việt Nam), những ngày gần đây, chỉ số AQI của Hà Nội lên tới mức báo
động. AQI ngày 1/3/2016 là 388, các bạn có thể tự so sánh với bảng trên để biết được

GVHD: ThS. Lê Thị Cúc

4

SVTH: Trần Thị Huế



Đồ án tốt nghiệp

Chương I. Tổng quan đề tài

độ nguy hiểm của con số này, đó là mức độ cực kỳ ô nhiễm và gây ra các vấn đề về
sức khoẻ thậm chí cho cả người hoàn toàn khoẻ mạnh.
Hãy kiểm tra chất lượng không khí thường xuyên và hạn chế ra ngoài đường
trong những ngày cảnh báo, đặc biệt là những người có bệnh về hô hấp và tim, đặc biệt
hơn nữa là trẻ em và người già.

4.1. Khái niệm AQI
Chỉ số chất lượng không khí (viết tắt là AQI)là chỉ số được tính toán từ các
thông số quan trắc các chất ô nhiễm trong không khí, nhằm cho biết tình trạng chất
lượng không khí và mức độ ảnh hưởng đến sức khỏe con người, được biểu diễn qua
một thang điểm.
4.2. Cơ sở xây dựng phương pháp tính AQI
Nghiên cứu kinh nghiệm AQI trên thế giới và Việt Nam cho thấy có 3 phương
pháp tính AQI đã được xây dựng và áp dụng:
Phương pháp 1: Sử dụng bảng đối chiếu (Anh, Pháp, Canada)
- Ưu điểm: Đơn giản, dễ xác định
- Nhược điểm: Chỉ phân hạng được các mức AQI mà không thể so sánh hai
giá trị AQI ở cùng một hạng.
Phương pháp 2: Sử dụng công thức đơn giản (Australia, Thành phố Hồ Chí
Minh)
- Ưu điểm: công thức tính toán đơn giản, chỉ cần sử dụng Tiêu chuẩn không
khí quốc gia là có thể xác định được giá trị AQI.
- Nhược điểm: Các khoảng phân hạng giá trị AQI ứng với các ảnh hưởng khác
nhau đến sức khỏe không được phù hợp bằng phương pháp 3.

Phương pháp 3: Sử dụng công thức phức tạp (Mỹ, Braxin, Hồng Kông, Hàn
Quốc, Thái Lan, Bồ Đào Nha).
- Ưu điểm: Do bảng các chỉ số trên và chỉ số dưới dùng để tính toán AQI được
xác định dựa vào Tiêu chuẩn môi trường không khí quốc gia và các nghiên cứu về ảnh
hưởng của sức khỏe do ô nhiễm môi trường không khí nên các mức AQI ứng với từng
loại tác động đến sức khỏe phù hợp với thực tế nhất.
- Nhược điểm: Công thức tính toán khá phức tạp và việc xây dựng các bảng
chỉ số trên và chỉ số dưới khó khăn.

GVHD: ThS. Lê Thị Cúc

5

SVTH: Trần Thị Huế


Đồ án tốt nghiệp

Chương I. Tổng quan đề tài

Phương pháp được lựa chọn là Phương pháp 2: Sử dụng công thức đơn giản,
đã được áp dụng tại Australia và Thành phố Hồ Chí Minh.
Trong đó, chỉ số AQI được tính theo giờ, theo ngày và theo tháng. Công thức
tính AQI theo giờ như sau:
AQIhi = (Chi/Shi)*100
Trong đó:
h

– C i: Hàm lượng trung bình chất i đo được trong không khí trong vòng một giờ.
h


– S i: Hàm lượng cho phép trung bình của chất i trong không khí

Quyết định số 878 được Bộ tài nguyên và môi trường ban hành có nội dung:
Sổ tay hướng dẫn xác định chỉ số AQI

Hình 1.3: Bảng tiêu chuẩn nồng độ cho phép của một số khí
Các cảnh báo về chỉ số mức AQI và ảnh hưởng đến sức khỏe của con người

Hình 1.4: Mức chỉ số AQI và mức ảnh hưởng tới sức khỏe con người
GVHD: ThS. Lê Thị Cúc

6

SVTH: Trần Thị Huế


Đồ án tốt nghiệp

Chương I. Tổng quan đề tài

II. Giới thiệu chung về đề tài
1. Mục tiêu đề tài
Tại Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh hiện nay đã có những trạm đo của nhiều
tổ chức khác nhau. Xong số lượng trạm đo còn hạn chế, chưa thể đưa ra một cái nhìn
cụ thể về chất lượng không khí tại từng khu vực trong mỗi thành phố mà chỉ đưa ra cái
nhìn tổng quan về toàn thành phố. Hơn nữa những trạm đo này chưa tiếp cận sâu rộng
tới cộng đồng mà chỉ cung cấp số liệu phục vụ mục đích nghiên cứu.
Do đó đề tài của bọn em được thực hiện với mục đích xây dựng một hệ thống
trạm đo kiểm chất lượng chất lượng không khí có quy mô trong một thành phố. Hệ

thống sẽ thu thập thông tin chất lượng không khí tại nhiều điểm, sau đó truyền thông
số đo được về một trạm gốc, trạm gốc thu thập dữ liệu truyền về từ điểm đo, sau đó sẽ
đưa lên máy chủ thông qua môi trường internet. Tại đây, thông tin sẽ được xử lý và
lưu trữ, phục vụ mục đích nghiên cứu hoặc cung cấp thông tin cho mọi người về chất
lượng không khí tại từng khu vực vào những thời đểm cụ thể. Từ đó cảnh báo người
dân có những biện pháp bảo vệ sức khỏe và nâng cao ý thức bảo vệ môi trường.
2. Giới thiệu về IoT và cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư
Sau những động cơ hơi nước, dây chuyền sản xuất, số hóa sản xuất... cả thế giới
đã bắt đầu bước chuyển mình sang cuộc Cách mạng công nghiệp lần 4, có thể thay đổi
mô thức sản xuất trên toàn thế giới.
Với nội dung cơ bản là tạo ra cấu trúc và sự vận hành mới cho nền sản xuất dựa
trên 4 lĩnh vực chính:
- Lĩnh vực kỹ thuật số, bao gồm: trí tuệ nhân tạo, Internet vạn vật (IoT), Lưu
trữ và xử lý dữ liệu lớn.
- Lĩnh vực vật lý, bao gồm: In 3D, Vật liệu mới, Robot cao cấp, xe tự lái.
- Lĩnh vực công nghệ sinh học.
- Lĩnh vực năng lượng tái tạo.
Cuộc cách mạng công nghiệp này không chỉ mở ra cơ hội phát triển mới cho
các doanh nghiệp mà còn tạo ra nhu cầu nhân lực lớn cho những ngành nghề mới liên
quan. Có thể nói IoT hiện vẫn là một lĩnh vực bước đầu phát triển tại Việt Nam và trên
thế giới, nó tạo ra cơ hội nhiều hơn cho sinh viên các ngành công nghệ thông tin, điện
tử viễn thông. Để có thể bắt kịp những xu hướng công nghệ của cuộc cách mạng công
nghiệp lần thứ 4 đề tài bọn em đưa ra không chỉ là thu thập, xử lý và phổ biến thông
GVHD: ThS. Lê Thị Cúc

7

SVTH: Trần Thị Huế



Đồ án tốt nghiệp

Chương I. Tổng quan đề tài

tin đơn thuần. Mà còn là xây dựng một hệ thống kết nối nhiều thiết bị điện tử và
internet. Đây cũng có thể coi là tiền đề để xây dựng một hệ thống kết nối nhiều thiết bị
điện tử với nhau nhằm phục vụ cho nhiều mục đích khác.
3. Mô hình tổng quan đề tài
3.1. Mô hình chung và sơ đồ hệ thống
Mô hình “ Hệ thống đo kiểm chất lượng không khí sử dụng công nghệ truyền
sóng LoRa ” do nhóm em xây dựng được chia làm bốn phần chính được liên kết với
nhau lần lượt là:
• Phần một: hệ thống cảm biến
• Phần hai: hệ thống truyền dẫn dữ liệu không dây
• Phần ba: quản trị cơ sở dữ liệu và điện toán đám mây
• Phần bốn: website và application để phổ biến thông tin
Ngoài ra đề tài còn có một phần chuyên nghiên cứu về bảo mật thông tin cho
toàn hệ thống. Tất cả những phần trên đều có thể xây dựng và xem xét một cách độc
lập. Xong việc liên kết những đề tài này lại với nhau không chỉ giúp chúng em nâng
cao giá trị đề tài, mà còn tăng khả năng ứng dụng thực tiễn cũng như kiểm chứng
những lý thuyết nêu ra.
Hoạt động của mô hình được trình bày một cách tổng quan trên sơ đồ:

Hình 1.5: Sơ đồ tổng quan của hệ thống truyền dẫn
Quá trình hoạt động của hệ thống:
• Các cảm biến tại trạm đo đo nồng độ các khí CO, SO2, PM2.5

GVHD: ThS. Lê Thị Cúc

8


SVTH: Trần Thị Huế


Đồ án tốt nghiệp

Chương I. Tổổng quan đề tài

• Dữ liệu từ các cảm
m biến
bi được VĐK atemega 328p truyền đếnn Gateway thông
qua phương thức truyềnn sóng LoRa
• Gateway là thiếtt bbị chuyển đổi gói dữ liệu từ mạng
ng LoRa sang m
mạng Internet
rồi đẩy lên Cloud.
• App trên smartphone/PC ssẽ lấy dữ liệu trên Cloud rồi xử lý:
o Tính toán đưaa ra giá tr
trị AQI
o Vẽ biểu đồ chỉ số AQI của từng trạm trong 1 tuần, 1 tháng
o Vẽ biểu đồ so sánh ch
chỉ số AQI của các trạm……..

Hình 1.6:
1.6 Sơ đồ mạng truyền tải LoRaWAN
3.2. Hệ thống cảm
m bi
biến không khí (CO, SO2, PM2.5)

Hình 1.7: Hình ảnh cảm biến


GVHD: ThS. Lê Thị Cúc

9

SVTH: Trần
Tr Thị Huế


Đồ án tốt nghiệp

Chương I. Tổng quan đề tài

3.3. Truyền dẫn dữ liệu trong mạng cảm biến
Như đã nêu trong phần mở đầu đề tài của bọn em là một đề tài ứng dụng trong
mạng IoT. Vì vậy việc truyền dẫn dữ liệu trong mạng cảm biến của đề tài cũng mang
những đặc trưng và yêu cầu của việc truyền dẫn dư liệu trong mạng IoT như dung
lượng đường truyền thấp, không yêu cầu tốc độ cao và kênh truyền thời gian thực,
chấp nhận sự mất gói tin, độ trễ và trùng gói có thể dao động ở mức vừa phải, cần tiết
kiệm năng lượng. Ngoài ra do đặc điểm đề tài, việc truyền dữ liệu cần có thể thực hiện
trong khoảng cách lớn.
Với những vấn đề đặt ra trong việc truyền dẫn tín hiệu cảm biến nêu trên, sẽ
khó có thể sử dụng những nền tảng truyền tải dữ liệu phổ biến hiện nay như wifi,
bluetooth, ZigBee hay 3G, 4G. Vì vậy bọn em quyết định sử dụng công nghệ điều chế
sóng Lora và giao thức truyền MQTT để giao tiếp với server.
Multitech là một công ty chuyên sản xuất thiết bị truyền thông tại Mỹ với lịch
sử hình thành và phát triển hơn 50 năm. MultiConnect Conduit và MultiConnect mDot
lần lượt là thiết bị Gateway và node sử dụng công nghệ điều chế sóng Lora với nhiều
giao thức kết nối được hỗ trợ như Lora, MQTT, http….
MultiConnect Conduit được multitech bán

ra với nhiều tùy chọn kết nối có thể thay thế với
cùng một gateway như 3G, 4G-LTE, Bluetooth,

H

Wifi ngoài ra thiết bị có những kết nối cố định
như USB 2.0, Ethernet. Là một thiết bị có hệ
điều hành phát triển dựa trên nền tảng hệ điều
hành mã nguồn mở Linux, hứa hẹn đem lại khả
năng tùy biến cao cho nhà phat triển. Thiết bị
giao tiếp với người dùng thông quamôi trường

Hình1.8: MultiConnect Conduit

Ethernet trên giao trình duyệt web bất kỳ.

GVHD: ThS. Lê Thị Cúc

10

SVTH: Trần Thị Huế


Đồ án tốt nghiệp

Chương I. Tổng quan đề tài

Đi kèm với mỗi tùy chọn kết nối không dây
đầu vào của gateway là những modun node tương
ứng. Trong đề tài này, bọn em sử dụng modun

node MultiConnect mDot là modun Lora với 31
chân kết nối. Trong đề tài chúng em kết nối với
mDot theo chuẩn UART, với 4 chân kết nối VDD
(chân số 1: input 3,3V đến 5V), GND (chân 10),
TX (chân số 2: Data outPA2), RX (chân số 3:
Hình 1.9: mDot

Data in PA3).

Với hai thiết bị trên, ta có thể xây dựng một LoraWan đơn giản với vùng phủ sóng từ 2
đến 16km có mức tiêu thụ điện thấp, duy trì hoạt đọng liên tục, lâu dài, không tốn chi
phí băng thông và phí thuê bao hàng tháng cho mỗi node. Là một lựa chọn giải pháp
phù hợp cho mạng IoT cục bộ, có diện tích bao phủ lớn, độc lập, và bảo mật cao.

KẾT LUẬN CHƯƠNG I
Trên đây là tổng quan về toàn bộ hệ thống sau khi đã nhìn nhận và phân tích rõ
vấn đề cũng như hướng giải quyết.
Tuy nhiên ta cần đi vào tìm hiểu giải quyết và đưa ra giải pháp một cách cụ thể
hơn, cũng như chi tiết hơn.
Để thiết kế và xây dựng hệ thống không thể không nhấc tới công nghệ truyền
sóng LoRa.

GVHD: ThS. Lê Thị Cúc

11

SVTH: Trần Thị Huế