1. Trang Chủ
  2. Tự động hoá
  3. Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo giám sát các thông số nước thải từ xa ứng dụng công nghệ IoT

Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo giám sát các thông số nước thải từ xa ứng dụng công nghệ IoT

Bài viết nghiên cứu chế tạo thiết bị đo và giám sát các thông số nước thải từ xa ứng dụng công nghệ vi xử lý và IoT (Internet of Things) áp dụng cho các nhà máy, khu công nghiệp, trên tàu thủy. Thiết bị được chế tạo có khả năng đo và giám sát từ xa hai thông số quan trọng của nước thải là độ pH (potential of hydrogen) và độ đục TDS (Total Dissolved Solids) dựa vào việc tính toán xử lý tín hiệu đo từ hai cảm biến đo pH và TDS. TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NG

Thể loại Tài liệu miễn phí Tự động hoá

Số trang 7

Ngày tạo 4/7/2023 10:32:49 PM +00:00

Loại tệp PDF

Kích thước 0.70 M

Tên tệp

Tải Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo giám sát các thông ... (.pdf)

Xem mẫu

  1. TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO GIÁM SÁT CÁC THÔNG SỐ NƯỚC THẢI TỪ XA ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ IoT RESEARCH EQUIPMENT TO MEASURE AND MONITOR WASTEWATER PARAMETERS REMOTELY USING IoT TECHNOLOGY VŨ XUÂN HẬU*, VŨ VĂN MỪNG, VŨ ĐỨC ANH Khoa Máy tàu biển, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam *Email liên hệ: hauvx@vimaru.edu.vn Tóm tắt the host computer server to perform remote Bài báo nghiên cứu chế tạo thiết bị đo và giám sát measurement and monitoring functions over the các thông số nước thải từ xa ứng dụng công nghệ internet. The device is compact, so it can be vi xử lý và IoT (Internet of Things) áp dụng cho equipped for mobile monitoring of wastewater các nhà máy, khu công nghiệp, trên tàu thủy. Thiết parameters for factories, industrial parks and bị được chế tạo có khả năng đo và giám sát từ xa ships. Some experimental results are also hai thông số quan trọng của nước thải là độ pH mentioned in the paper. (potential of hydrogen) và độ đục TDS (Total Keywords: IoT Technology, pH Sensor, TDS Dissolved Solids) dựa vào việc tính toán xử lý tín Sensor, Kalman Filter, Microcontroller, Web hiệu đo từ hai cảm biến đo pH và TDS. Thiết bị Server, HTTP Protocol, Internet Network. được chế tạo có chức năng hiển thị hai thông số 1. Giới thiệu đo nước thải pH và TDS trực tiếp trên màn hình LCD 2.8 inches (Liquid Crystal Display) và đồng Trong những năm gần đây, Việt Nam đang được thời dữ liệu hai thông số được đóng gói theo giao các nhà đầu tư nước ngoài xây dựng rất nhiều các khu thức HTTP (HyperText Transfer Protocol) truyền công nghiệp, và hiện tại đội tàu biển của Việt Nam là tương đối nhiều (1516 tàu tính đến tháng 12/2020) [1]. tới máy chủ Server để thực hiện chức năng đo Trong quá trình các nhà máy, khu công nghiệp, tàu lường và giám sát từ xa qua mạng internet. Thiết thủy hoạt động, vận hành thì luôn phải xả thải ra môi bị nhỏ gọn nên có thể trang bị để quan trắc di trường một lượng nước thải rất lớn, nếu không có biện động các thông số nước thải cho các nhà máy, khu pháp đo lường giám sát và xử lý nguồn nước trước khi công nghiệp và trên tàu thủy. Một số kết quả thực xả thải đó sẽ gây ra hiện tượng ô nhiễm môi trường nghiệm cũng được đề cập trong bài báo. nước và đất nghiêm trọng ảnh hưởng trực tiếp đến chất Từ khóa: Công nghệ IoT, cảm biến đo pH, cảm lượng sống của con người. Hệ quả của vấn đề ô nhiễm biến đo TDS, Bộ lọc Kalman, vi điều khiển, Web môi trường do nước thải gây ra đó đã đề ra một nhiệm Server, giao thức HTTP, mạng internet. vụ cần giải quyết là đo lường, giám sát và xử ô nhiễm Abstract môi trường, nhiệm vụ này không chỉ áp dụng ở Việt The article researches equipment to measure and Nam mà còn trên toàn thế giới. Theo Thông tư số monitor wastewater parameters remotely, 08/2009/TT-BTNMT của Bộ Tài nguyên & Môi applying microprocessor technology and IoT to trường đã ban hành, tất cả các khu kinh tế, khu công factories, industrial parks, and ships. The device nghệ cao, khu công nghiệp và cụm công nghiệp và Nhà máy nằm ngoài khu công nghiệp xả thải trực tiếp is built with the ability to remotely measure and ra môi trường (có công suất xả thải trên 1,000m3/ngày monitor two important parameters of wastewater, đêm) phải “Lắp đặt Hệ thống quan trắc nước thải tự namely pH and turbidity TDS, based on the động, liên tục“ [2]. calculation and processing of measured signals Cho đến thời điểm hiện tại cũng đã có rất nhiều hệ from two pH and TDS measuring sensors. The thống, thiết bị quan trắc nước thải theo công nghệ IoT device is built with the function of displaying two của các hãng sản xuất trên thế giới đã có mặt trên thị parameters of wastewater measurement, pH and trường với công nghệ sản xuất được bảo mật, điều này TDS directly on the 2.8 inch LCD screen and at dẫn tới giá thành hệ thống thiết bị của các hãng đưa ra the same time, the data of the two parameters is là cao và bên mua phải phụ thuộc vào công nghệ sản encapsulated by the HTTP protocol transmitted to xuất của các hãng sản xuất đó. Ở Việt Nam hiện tại SỐ 69 (01-2022) 31
  2. TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY cũng đã có nhiều công ty đã thực hiện việc nghiên cứu Phần 4 là một số kết luận. sản xuất thiết bị đo các thông số nước thải, ví dụ như 2. Thiết kế phần cứng cho thiết bị thiết bị đo pH TP-0161 của Công ty TNHH Hóa chất Thịnh Phát. Ưu điểm thiết bị đo pH TP-0161 là có độ 2.1. Cấu trúc của thiết bị đo, giám sát sai số thấp, hoạt động tin cậy nhưng nhược điểm của Thiết bị đo bao gồm các cảm biến và khối xử lý, thiết bị là chỉ dừng lại ở việc đo duy nhất thông số pH, khối nguồn điện (Pin Lithium), khối hiển thị LCD và chưa có khả năng kết nối với nhiều cảm biến để có thể các module giao tiếp mạng internet. Sơ đồ cấu trúc tích hợp đo thêm nhiều các thông số cho thiết bị. thiết bị đo thể hiện như Hình 1. Chính vì các lý do như trên, với mục tiêu chế tạo một 2.2. Các thành phần thiết bị thiết bị quan trắc nước thải theo công nghệ IoT với Hiện tại trên thị trường có rất nhiều loại cảm biến linh kiện phổ biến, giá thành hạ và có khả năng tích đo thông số pH nước thải trên thị trường như hợp đo nhiều cảm biến nước thải, sử dụng đơn giản đã HI6100410 của hãng sản xuất Hanna (Rumani), cảm được nhóm tác giả nghiên cứu. Nguyên tắc đo lường, biến PH-X-420-I 4-20MA của hãng sản xuất giám sát nguồn nước thải của các nhà máy, khu công ECOSENSE (Đức). Ưu điểm của các loại cảm biến này nghiệp là phải đo rất nhiều thông số khác nhau nhưng là có độ chính xác rất cao, rất phù hợp với các dự án ở thiết bị được nghiên cứu sẽ sử dụng hai cảm biến đo quy mô lớn, nhưng nhược điểm là giá thành rất cao, khó thông số nước thải điển hình là pH và TDS. Việc kết tiếp cận trang bị. Chính vì vậy trong nghiên cứu sử nối, tính toán, xử lý tín hiệu từ nhiều cảm biến nước dụng cảm biến đo thông số pH nước thải của hãng thải khác ghép nối với thiết bị này cũng tương tự như DFROBOT có dạng như Hình 2. Cảm biến đo pH của hai cảm biến pH và TDS. Bằng cách thu thập dữ liệu hãng DRFROBOT là cảm biến chuyên nghiệp với công và tính toán giá trị thực 2 thông số pH và TDS từ nghệ dạng điện cực được thiết kế theo chuẩn công nguồn nước thải, hai thông số này được hiển thị trực nghiệp, giá thành vừa phải và mức độ sai số nhỏ, phù tiếp trên màn hình LCD 2.8 inches của thiết bị và đồng hợp với các nghiên cứu nhỏ. Điện cực pH công nghiệp thời cũng liên tục được gửi lên web server thông qua này được làm bằng màng thủy tinh nhạy cảm với trở hai module wifi ESP8266 và Simcom900a bên trong kháng thấp. Nó có thể được sử dụng trong nhiều phép thiết bị nhằm mục đích giám sát được các thông số đo pH với phản ứng nhanh và độ ổn định nhiệt tuyệt nước thải từ xa qua mạng internet. Người kiểm tra vời. Nó có khả năng tái sản xuất tốt, khó thủy phân và theo dõi có thể truy cập vào server bằng các trình có thể loại bỏ lỗi kiềm cơ bản. Trong phạm vi từ 0 đến duyệt web trên máy tính, điện thoại hoặc các thiết bị 14pH, điện áp đầu ra là tuyến tính. Các thông số kỹ có kết nối mạng internet [3-5]. Server kết nối với thiết thuật của cảm biến được cho trong Bảng 1. bị được thiết kế sử dụng cơ sở dữ liệu (Database) nhằm mục đích lưu trữ các thông số nước thải theo Trong quá trình hoạt động, vi điều khiển thực hiện chu kỳ để thuận tiện việc theo dõi lịch sử hai thông số tính toán giá trị thông số (pH) của nước thải theo công pH và TDS. thức [6]: Bài báo gồm 4 phần. Phần 1 là giới thiệu chung. pH = 2  Milivolt _output + 0.7 (1) Phần 2 trình bày thiết kế phần cứng thiết bị đo và Trong đó: pH - Là giá trị tham số pH được tính phương pháp tính toán xác định 2 thông số pH và toán dựa trên tín hiệu đầu ra cảm biến; Milivolt_output TDS dựa trên việc xử lý các tín hiệu từ 2 cảm biến. - Là giá trị điện áp đầu ra của cảm biến, tính theo đơn Phần 3 đưa ra một số thử nghiệm đối với thiết bị. vị milivolt. D÷ liÖu Web GPRS Server hiÓn thÞ Module SIM900a C¶m biÕn 0-5V TÝn hiÖu ®o pH Bo m¹ch chñ Wifi sö dông vi UART Module Wifi ®iÒu khiÓn ESP8266 C¶m biÕn 0-5V STM32F103C8T6 ®o TDS 2.8 inches TFT LCD Pin Lithium 5V-10000mAh Hình 2. Cảm biến đo thông số pH của hãng Hình 1. Cấu trúc của thiết bị đo và giám sát DFROBOT 32 SỐ 69 (01-2022)
  3. TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Bảng 1. Thông số kỹ thuật cảm biến đo pH của hãng DFROBOT Điện áp hoạt động 5V Dải đo chỉ số pH 0 - 14 pH Dữ liệu đầu ra Analog Hình 3. Cảm biến đo thông số TDS của hãng Nhiệt độ làm việc 0 - 60oC DFROBOT Độ chính xác ± 0,1pH (25oC) Thời gian đáp ứng ≤ 1 phút Sử dụng điện cực công nghiệp Nguyên lý công nghệ với kết nối chuẩn BNC Đèn báo Tích hợp Led chỉ thị nguồn Kết nối đầu ra pH2,0 3 chân Kích thước 43mm * 32mm Bảng 2. Thông số kỹ thuật cảm biến đo TDS của hãng DFROBOT Hình 4. Module wifi ESP8266 Điện áp hoạt động 3,3V - 5V Vi ®iÒu khiÓn Module Wifi STMF103C8T6 ESP8266 Analog 0V – 2,3V tương ứng Tín hiệu đầu ra TXD TXD dải đo TDS: 0 - 1000ppm Dòng điện làm việc 3mA - 6mA RXD RXD Độ chính xác +-10% FS (ở 25oC) GND GND Đầu đo chống nước Hình 5. Kết nối giữa vi điều khiển với Module Wifi Kích thước 42mm * 32mm ESP8266 Cảm biến đo thông số TDS nước thải trong nghiên cứu cũng được lựa chọn của hãng DFROBOT vì có giá U _T = Volt _output / K _T (3) thành vừa phải và mức độ sai số nhỏ, hình ảnh cảm biến TDS=(133.42×U_T3 -255.86 (4) đo TDS của hãng DFROBOT có dạng như Hình 3. Các thông số kỹ thuật của cảm biến đo TDS được cho ở ×U_T2 +857.39×U_T)/2 Bảng 2. Trong đó: K_T - Là hệ số tính toán phụ thuộc vào Cảm biến đo thông số TDS thực chất là đo độ đục nhiệt độ của nước thải (T) tại thời điểm đo; U_T - Là của nước thải tức là đo tổng lượng chất rắn hòa tan hệ số liên quan giữa điện áp (Volt_output) đầu ra cảm trong nước (đơn vị đo là mg/L hoặc ppm). Thông số biến theo nhiệt độ; Volt_output - Là giá trị điện áp đầu TDS có liên quan trực tiếp đến độ tinh khiết, chất ra của cảm biến TDS, tính theo đơn vị Volt. lượng của nước và ảnh hưởng trực tiếp đến mọi thứ Thiết bị được thiết kế sử dụng module ESP8266 khi sử dụng nước. Thiết bị có sử dụng cảm biến đo để kết nối truyền thông với mạng internet. Hình ảnh TDS của hãng DFROBOT với dạng điện cực giúp đo và sơ đồ chân của module wifi ESP8266 như Hình 4. độ dẫn điện của nước để xác định chỉ số TDS và trả ra giá trị điện áp Analog. Cảm biến đo thông số TDS của Module ESP8266 cung cấp giải pháp WiFi tích hợp thiết bị phụ thuộc vào nhiệt độ thời điểm đo của nước cao đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng IoT như chi phí thải. Vi điều khiển tính toán thông số (TDS, đơn vị thấp, sử dụng năng lượng hiệu quả, hiệu suất đáng tin ppm) của nước thải dựa vào tín hiệu ra của cảm biến cậy và thiết kế nhỏ gọn [8]. Trên thiết bị module được (Volt_output) và nhiệt độ tại thời điểm đo (T) được thiết kế sử dụng 2 cổng nối tiếp, cổng UART0 có chức tính toán theo các công thức [7]: năng nhận gói dữ liệu chứa 2 thông số pH và TDS từ vi điều khiển và cổng UART1 có chức năng giao tiếp với K _T = 1 + 0.02  (T − 25) (2) màn hình hiển thị 2 thông số LCD. Sơ đồ kết nối ESP 8266 với vi điều khiển như Hình 5. SỐ 69 (01-2022) 33
  4. TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Hình 6. Module SIM900a và mô hình kết nối internet Hình 7. Màn hình hiển thị TFT LCD 1.8 inches Thiết bị sử dụng Module GPRS SIM900a mini để thải. Độ phân giải bộ biến đổi tương tự số ADC của tạo mạng 4G và truyền dẫn dữ liệu lên server. Mục STM32F103C8T6 là 12 bit vì vậy tín hiệu tương tự từ đích sử dụng module GPRS SIM90a là khi để thiết bị 2 cảm biến được chuyển đổi sang dạng số có độ chính sử dụng ở bất kỳ chỗ nào cũng đều có khả năng truyền xác rất cao. Hai thông số pH và TDS sau khi lọc dữ liệu tới mạng internet bằng mạng 4G. Trong quá Kalman được truyền đến module wifi ESP8266. trình hoạt động module Sim900a mini liên tục thu tín Module ESP8266 thực hiện chức năng xử lý dữ liệu hiệu 2 thông số PH và TDS từ Module wifi ESP8266, và hiển thị 2 thông số pH và TDS tại chỗ lên màn hình sau đó thực hiện đóng gói theo chuẩn GPRS và truyền LCD 2.8 inches của thiết bị như Hình 7. đến server bằng mạng 4G. Hình ảnh module Module Thông số pH và TDS cũng được module ESP8266 SIM900a mini và mô hình kết nối qua mạng internet truyền dẫn lên web server bằng mạng 4G sử dụng dịch được sử dụng như Hình 6. vụ dữ liệu di động dạng gói GPRS bằng giao thức 2.3. Nguyên lý hoạt động của thiết bị truyền tải siêu văn bản (HTTP: Hypertext Transfer Protocol) thông qua module SIM900a. Giá trị của 2 Bắt đầu tham số này được hiển thị trên web server và cập nhật theo chu kỳ 15s một lần. Ở server được thiết kế có sử Khởi tạo giao diện người dùng dụng cơ sở dữ liệu (Database) nhằm mục đích lưu trữ nhật ký quá trình đo 2 thông số của thiết bị, thông qua việc liên tục lưu trữ 2 thông số pH và TDS vào bộ nhớ Thu và số hóa tín hiệu từ 2 cảm biến server theo chu kỳ được cài đặt sẵn. Thiết bị được đo pH và TDS cung cấp bởi nguồn năng lượng là pin lithium. Thuật toán tính toán, xử lý và hiển thị 2 thông số pH và TDS Tính toán giá trị 2 thông số pH và như Hình 8. TDS theo (1), (2), (3), (4) 2.4. Kết quả thiết kế chế tạo thiết bị Sai Sơ đồ nguyên lý và mạch in của thiết bị được thiết Lọc Kalman số kế dựa trên phần mềm Orcad 10.5 có dạng như trên Hình 9, mô hình thiết bị hoàn chỉnh sau thiết kế như Hiển thị 2 thông số pH, TDS lên Hình 10. màn hình LCD 2,8 inches Các thông số kỹ thuật của thiết bị sau hoàn thiện chế tạo và thử nghiệm được cho trong Bảng 3. Truyền dữ liệu 2 thông số pH, TDS lên sever theo giao thức gói GPRS Bảng 3. Thông số kỹ thuật của thiết bị Dải đo chỉ số pH 0 - 14pH Dừng chương trình Dải đo chỉ số TDS 0 - 1000ppm Đúng Độ phân giải ADC của thiết bị 12 bit Kết thúc Sai số đo pH ± 0.5pH Thiết Hình 8. bị Lưusửđồ dụng 2 cảm thuật toán biến xử lý,để đotoán tính 2 thông số nước và hiển thị Sai số đo TDS ±2ppm thải là pH và TDS. Mạch điện tử của thiết bị sử dụng Chu kỳ truyền dữ liệu lên server 15s vi điều khiển STM32F103C8T6 có nhiệm vụ thu tín Nguồn điện sử dụng 5VDC±2% hiệu từ 2 cảm biến, tiến hành số hóa và tính toán 2 thông số pH và TDS theo các công thức (1), (2), (3), Kích thước 10cm * 20cm (4) tiếp theo đưa qua bộ lọc số Kalman loại bỏ nhiễu Thời gian sử dụng 5 năm để đưa ra các giá trị chính xác của từng tham số nước 34 SỐ 69 (01-2022)
  5. TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY +5V U6 +3.3V +3.3V 1 48 +3.3V C108 VBAT VDD_3 2 47 PC13-ANTI_TAMP VSS_3 + 3 46 PC14-OSC32_IN PB9/TIM4_CH4 R70 R68 4 45 10K X1 5 PC15-OSC32_OUT PB8/TIM4_CH3 44 BOOT0 10uF X2 6 PD0/OSC_IN BOOT0 43 R212 R213 +3.3V J30 RESET RESET PD1/OSC_OUT PB7/I2C1_SDA/ TIM4_CH2 7 42 10K 10K 6 VSSA 8 NRST PB6/I2C1_SCL/ TIM4_CH1 41 10K 5 VDDA 9 VSSA PB5/I2C1_SMBAl 40 4 R207 2K SW2 C43 LM35 10 VDDA PB4/JNTRST 39 1 22 TXD_P R211 3 PH RESET PH 11 PA0 - WKUP/USART2_CTS/ADC_IN0/TIM2_CH1_ETR PB3/JTDO/TRACESWO 38 2 RST nodeMCU TXD0 21 RXD_P 10uF PA1/USART2_RTS/ADC_IN1/TIM2_CH2 PA15/JTDI ADC RXD0 10K 2 TDS 12 37 SWDCLK +3.3V SW3 + C96 3 U7 20 SCL_D J9 1 R206 100 R208 C45 13 PA2/USART2_TX/ADC_IN2/ TIM2_CH3 PA14/JTCK/SWCLK 36 RES 1uF 4 EN IO5 19 SDA_D LM35 3K 104 14 PA3/USART2_RX/ADC_IN3/TIM2_CH4 VDD_2 35 RXD_STM 5 IO16 IO4 18 1 2 R69 PA4/SPI1_NSS/USART2_CK/ADC_IN4 VSS_2 SWDIO TXD_STM IO14 IO0 10K 15 34 6 17 PH C42 BOOT1 16 PA5/SPI1_SCK/ ADC_IN5 PA13/JTMS/SWDIO 33 7 IO12 IO2 16 104 17 PA6/SPI1_MISO/ADC_IN6/TIM3_CH1 PA12 / USART1_RTS/CANTX / USBDP/TIM1_ETR 32 8 IO13 IO15 15 BOOT PA7/SPI1_MOSI/ADC_IN7/TIM3_CH2PA11 / USART1_CTS/CANRX / USBDM/TIM1_CH4 +3.3V VCC GND MISO SCLK MOSI R71 470 18 31 IO10 CS0 PB0/ADC_IN8/ TIM3_CH3 PA10/USART1_RX/TIM1_CH3 IO9 TXD_STM 19 30 20 PB1/ADC_IN9/ TIM3_CH4 PA9/USART1_TX/TIM1_CH2 29 +3.3V +3.3V R72 470 21 PB2 / BOOT1 PA8/USART1_CK/TIM1_CH1/MCO 28 9 10 11 12 13 14 C109 RXD_STM PB10/I2C2_SCL/USART3_TX PB15/SPI2_MOSI/TIM1_CH3N J20 22 27 C100 23 PB11/I2C2_SDA / USART3_RX PB14/SPI2_MISO /USART3_RTS /TIM1_CH2N 26 C11 J31 +5V + 10uF 1 2 24 VSS_1 PB13/SPI2_SCK /USART3_CTS / TIM1_CH1N 25 101 + +3.3V VDD_1 PB12/SPI2_NSS /I2C2_SMBAl/ USART3_CK /TIM1_BKIN 3 BOOT0 3 4 BOOT1 2 10uF 5 6 1 STM32F-48 pin R209 2K TDS BOOT SEL TDS R210 3K C46 +3.3V L8 +3.3V 104 VDDA X2 X1 100uH C39 C40 C44 C41 C48 C49 C51 C52 C55 C60 C97 C62 100n 100n 100n 100n 100n 100n 100n 100n 100n L9 104 104 104 C38 Y2 8M C37 15p 15p VSSA 100uH J32 +3.3V SCL_D 1 +5V SDA_D 2 +5V 3 U10 LM1117 +3.3V R40 R41 RXD_P 4 L11 L10 D14 TXD_P 10k 10k 5 3 2 J29 6 GND J8 VIN VOUT 2 100 100 + 10uF C89 C90 C61 C105 C59 C99 R205 1 1 C104 C107 104 104 POWER SWDIO + 104 + 104 1k 2 CON6 1 C103 104 104 100uF 100uF 3 SWDCLK 4 POWER SWD Hình 9. Sơ đồ mạch nguyên lý và mạch in điều khiển của thiết bị Hình 10. Mô hình thiết bị đo lường và giám sát thông số nước thải dựa Hình 11. Dữ liệu của 2 cảm biến pH trên công nghệ IoT và TDS được theo dõi trên web server 3. Kết quả thực nghiệm cho kết quả đo thu được sau khi sử dụng phương Mô hình thiết bị đo và giám sát 2 thông số nước pháp lọc Kalman số (Đã lọc và loại bỏ nhiễu), các thải pH và TDS hoàn chỉnh được mô tả như trong đường màu đen là các giá trị thông số thực tế (Giá trị Hình 11. Sau quá trình nghiên cứu chúng tôi đã xây đo từ các thiết bị thương mại chuẩn). Căn cứ vào kết dựng được mô hình thiết bị hoàn chỉnh có chức năng quả thực nghiệm trên biểu đồ thấy rằng khi sử dụng đo, hiển thị tại chỗ 2 thông số pH và TDS của nước phương pháp lọc Kalman số thì kết quả thu được thải trên thiết bị và đồng thời 2 thông số được cập nhật tương đối chính xác (Các đường đặc tính màu đỏ liên tục gửi lên web server để thực hiện chức năng luôn bám sát với đường giá trị thực tế màu đen). theo dõi giám sát từ xa. Dữ liệu của 2 cảm biến đo pH Trong quá trình thử nghiệm nhóm tác giả đã thực và TDS được theo dõi trên web server như Hình 11. hiện 10 lần đo trong 10 ngày ở các thời điểm khác Để kiểm tra độ chính xác trong kết quả đo 2 thông nhau với mục đích đánh giá kết quả đo phụ thuộc vào số, kết quả đo thông số pH của thiết bị được so sánh sự thay đổi nhiệt độ của từng ngày khác nhau. Trong với kết quả đo một thiết bị thương mại là DWA- 1 ngày đo các mẫu thử nước được thay đổi thông số 5 3000B-pH có độ chính xác ± 0,02pH [9], kết quả đo lần bằng cách pha chế thêm 1 lượng hóa chất, bột thông số TDS của thiết bị được so sánh giá trị đo với thạch cao vào cốc chứa nước sau từng phép đo nhằm một bút đo TDS thương mại là HM-TDS3 có độ mục đích thay đổi 2 thông số pH và TDS và thực hiện chính xác ±2% [10]. Hai biểu đồ Hình 12 mô tả các 5 phép đo đối với 5 mẫu nước khác nhau. Trong Bảng đường đặc tính thử nghiệm đo pH và TDS khi áp 4 và 5 đưa ra kết quả của 7 phép đo của 7 mẫu thử dụng bộ lọc số Kalman cho thiết bị. Ở hai biểu đồ nước thải khác nhau mà ở đó mức độ sai số là lớn nhất các đường đặc tính màu xanh biểu thị giá trị đo thu trong các ngày đo. được từ cảm biến khi chưa sử dụng lọc Kalman (chịu Ở hàng trên trong các bảng là giá trị đo được từ thiết tác động nhiễu), các đường đặc tính màu đỏ thể hiện bị thương mại và hàng dưới thể hiện giá trị đo được từ SỐ 69 (01-2022) 35
  6. TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Hình 12. Đặc tính thực nghiệm đo pH và TDS Bảng 4. Thực nghiệm so sánh độ chính xác đo pH Giá trị đo pH DWA-3000B-pH 6 7 7.5 8 8,5 10 11 Thiết bị 6,1 6,9 7,5 8,5 8,5 10,1 11,1 Bảng 5. Thực nghiệm so sánh độ chính xác đo TDS Giá trị đo TDS(ppm) HM-TDS3 100 70 200 240 300 350 400 Thiết bị 99.8 69.7 199.7 242 299.8 351 402 thiết bị được nghiên cứu và chế tạo. Căn cứ vào một (database) có chức năng như một bộ nhật kí hành trình số kết quả thực nghiệm nhận thấy rằng, thiết bị được do có khả năng xác định và lưu trữ các thông số nước chế tạo hoạt động tương đối chính xác so với thiết bị thải. Một số kết quả bước đầu của thực nghiệm đã cho thương mại với sai số lớn nhất là 0.5 đối với phép đo thấy được khả năng làm việc của thiết bị là khá tốt. pH. Với phép đo thông số TDS thì qua kết quả thực Tuy nhiên để sử dụng rộng rãi cho các nhà máy, khu nghiệm thấy rằng sai số kết quả đo lớn nhất là 2 (ppm). công nghiệp thì thiết bị cần được phát triển tích hợp Dải đo thông số TDS là từ 0 đến 1000 (ppm) lên độ đo thêm nhiều hơn nữa các thông số từ các cảm biến sai số lớn nhất của phép đo thông số TDS như vậy coi nước thải và cần có thêm thời gian thử nghiệm để đánh như là nhỏ so với toàn dải giá trị đo. giá sự ổn định của thiết bị. 4. Kết luận Lời cảm ơn Bài báo đã trình bày việc thiết kế, chế tạo thành Nghiên cứu này được tài trợ bởi Trường Đại học công một thiết bị đo hai thông số nước thải là pH và Hàng hải Việt Nam trong đề tài mã số: DT21-22.16. TDS tích hợp chức năng giám sát hai thông số theo TÀI LIỆU THAM KHẢO chế độ thời gian thực qua web server dựa trên công nghệ IoT. Bên cạnh đó trong bài báo cũng đã trình bày [1] Vũ Thị Minh Ngọc, Lê Quang Linh, Tác động của phương pháp tính toán xử lý tín hiệu từ hai cảm biến FDI đến môi trường tại các tỉnh khu vực phía Bắc, đo pH và TDS, giới thiệu về web server để giám sát Tạp chí Quản lý và Kinh tế quốc tế, Số 119 Tháng từ xa hai thông số của thiết bị, trình bày chi tiết cấu 01/2020. trúc của thiết bị đã chế tạo. Thiết bị do nhóm tác giả [2] Bộ Tài nguyên và Môi trường, quy định quản lý và chế tạo có ưu điểm là sử dụng đơn giản, nhỏ gọn nên bảo vệ môi trường khu kinh tế, khu công nghệ cao, có thể trang bị để quan trắc di động chất lượng nước khu công nghiệp và cụm công nghiệp, thông tư số thải trong các nhà máy, khu công nghiệp, tàu thủy,... 08/2009/TT-BTNMT, Hà Nội, 2009. Ngoài ra thiết bị còn có khả năng truyền dữ liệu hai [3] Fan Wu, Taiyang Wu, Mehmet Rasit Yuce. An thông số pH và TDS lên web server để giám sát từ xa, internet-of-things (IoT) network system for trên server được thiết kế sử dụng cơ sở dữ liệu 36 SỐ 69 (01-2022)
  7. TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY connected safety and health monitoring [8] https://www.elecrow.com/download/ESP-12F.pdf. applications. Sensors, December 2018. Truy cập ngày 28/12/2021. [4] Sai, G. N. S., Sudheer, R., Manikanta, K. S., Arjula, [9]http://dyscale.koreasme.com/fsbClient/__ezbdow S. G., Rao, B. N., & Mutyala, D. V. S. M. IoT based nload.jsp?bm_seq=17457&ba_seq=2&order=1&f Water Quality Monitoring System. In 2021 IEEE 9th name=DWA-3000B-pH.pdf. Truy cập ngày Region 10 Humanitarian Technology Conference 28/12/2021. (R10-HTC), pp.01-06, 2021. [10] https://www.flipkart.com/hm-digital-tds-3-tds- [5] Ramadhan, A. J. Smart water-quality monitoring meter/p/itmezbe2bbb8jwtm. Truy cập ngày system based on enabled real-time internet of things. 28/12/2021. J. Eng. Sci. Technol, Vol.15, pp.3514-3527, 2020. [6] https://nshopvn.com/product/cam-bien-do-do-ph/. Ngày nhận bài: 29/12/2021 Truy cập ngày 28/12/2021. Ngày nhận bản sửa: 06/01/2022 [7] https://hshop.vn/products/cam-bien-do-tong-chat- Ngày duyệt đăng: 14/01/2022 ran-hoa-tan-trong-nuoc-water-tds-sensor. Truy cập ngày 28/12/2021. SỐ 69 (01-2022) 37
nguon tai.lieu . vn
Kiến trúc - Xây dựng Tự động hoá Điện - Điện tử Kĩ thuật Viễn thông Cơ khí - Chế tạo máy Năng lượng Hoá dầu Hoá học Sinh học