Thiết kế và chế tạo vệ tinh FIMO CANSAT

Chia sẻ: Wang Ziyi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:7

Thêm vào BST

Báo xấu

30
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết trình bày phương pháp thiết kế và chế tạo vệ tinh FIMO CANSAT, quá trình kiểm thử và phóng vệ tinh. Vệ tinh FIMO CANSAT được chế tạo với mục đích giám sát chất lượng không khí, một trong những vấn đề cấp thiết và đang được quan tâm hiện nay. Các cảm biến trong vệ tinh được kiểm thử trong các điều kiện môi trường khác nhau. Vệ tinh có khả năng đo nhiệt độ , độ ẩm, bụi mịn (PM1/2.5/10), CO và truyền thông tốt với trạm mặt đất trong khoảng cách 300m. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Thiết kế và chế tạo vệ tinh FIMO CANSAT

Thiết kế và chế tạo vệ tinh FIMO CANSAT Ngô Xuân Trường, Nguyễn Văn Hải, Trần Trung Kiên, Đỗ Thành Công, Hà Đức Văn, Lưu Quang Thắng, Lưu Việt Hưng, Bùi Quang Hưng, Nguyễn Thị Nhật Thanh Trung tâm Công nghệ tích hợp liên ngành Giám sát hiện trường, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội 144 Xuân Thủy, Cầu Giấy, Hà Nội, Việt Nam truongnx@fimo.edu.vn, hainv@fimo.edu.vn, kientt@fimo.edu.vn, congdt@fimo.edu.vn, vanhd@fimo.edu.vn, thanglq@fimo.edu.vn, hunglv@fimo.edu.vn, hungbq@fimo.edu.vn, thanhntn@fimo.edu.vn Abstract: Ngày nay, vệ tinh đã và đang vai trò quan trọng trong trình chế tạo và phóng vệ tinh CANSAT cũng tương tự như một nhiều lĩnh vực cuộc sống. Vệ tinh có nhiều loại, nhiều kích thước vệ tinh ứng dụng thực tiễn. Đầu tiên, CANSAT được thiết kế, được sử dụng cho các mục đích khác nhau. CANSAT là một loại chế tạo và kiểm thử tại mặt đất. Sau đó, CANSAT được đặt trong vệ tinh cỡ nhỏ có kích thước bằng lon nước được sử dụng cho mục tên lửa mô hình và phóng lên độ cao từ 150-300m; Do phóng ở đích giáo dục. Trong bài báo này, chúng tôi sẽ trình bày phương độ cao thấp nên CANSAT rời khỏi tên lửa sẽ không đi vào quỹ pháp thiết kế và chế tạo vệ tinh FIMO CANSAT, quá trình kiểm đạo Trái Đất mà sẽ rơi xuống mặt đất. Trong quá rơi, CANSAT thử và phóng vệ tinh. Vệ tinh FIMO CANSAT được chế tạo với sẽ thực hiện nhiệm vụ của mình và gửi tín hiệu về trạm mặt đất. mục đích giám sát chất lượng không khí, một trong những vấn đề Dưới trạm mặt đất thu nhận tín hiệu từ CANSAT và sử dụng dữ cấp thiết và đang được quan tâm hiện nay. Các cảm biến trong vệ liệu cho các hoạt động đánh giá, phân tích sau này. Hiện nay, ô tinh được kiểm thử trong các điều kiện môi trường khác nhau. Vệ tinh có khả năng đo nhiệt độ , độ ẩm, bụi mịn (PM 1/2.5/10), CO và nhiễm không khí đang là một vấn đề khá nghiêm trọng, cấp thiết. truyền thông tốt với trạm mặt đất trong khoảng cách 300m. Trong Bên cạnh việc phá hủy hệ sinh thái động vật, thực vật, ô nhiễm thực nghiệm, vệ tinh đã hoạt động ổn định từ lúc phóng tên lửa mô không khí còn gây ra các ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe hình đến khi vệ tinh rơi chạm đất, dữ liệu thu được từ vệ tinh có của con người, gây nên các bệnh về đường hô hấp, tim mạch. độ chính xác tương đối, phản ánh sự thay đổi môi trường thực tế Việc giám sát chất lượng không khí không chỉ được người dân theo độ cao. Ngoài ra, phần mềm giám sát hoạt động CANSAT quan tâm mà còn có các nhà khoa học, các nhà lãnh đạo nhằm cũng sẽ được giới thiệu trong bài báo. đưa ra các biện pháp, chính sách phù hợp, kịp thời. Do đó, chúng tôi chế tạo, thiết kế vệ tinh CANSAT với mục tiêu giám sát chất Keywords: Vệ tinh; CANSAT; chất lượng không khí; lượng ô nhiễm không khí, cụ thể là đo đạc nồng độ bụi mịn, nồng độ CO, các thông số khí tượng (nhiệt độ, độ ẩm, áp suất) trong I. GIỚI THIỆU không khí sử dụng các cảm biến giá rẻ. Đây là những chất gây ô Hiện nay, vệ tinh đã và đang đóng vai trò rất quan trọng trong nhiễm không khí chủ yếu ở mặt đất và gây hại cho sức khỏe con nhiều lĩnh vực kinh tế, chính trị, xã hội, quân sự... Một số vệ tinh người. Quá trình thiết kế, chế tạo, kiểm thử và phóng vệ tinh được sử dụng để thám hiểm các hành tinh mới, khám phá vũ trụ. CANSAT giúp đem lại những kiến thức cơ bản về lĩnh vực hàng Các vệ tinh có quỹ đạo quanh Trái Đất thường được sử dụng không vũ trụ (thiết kế, cấu tạo vệ tinh, quy trình phóng, hoạt trong hoạt động viễn thông, cung cấp tín hiệu cho các thiết bị di động, …), đây là nền tảng cho các bài toán thực tiễn sau này. động, tivi, máy tính…; cung cấp tín hiệu định vị, chỉ đường cho Trong quá trình thiết kế và chế tạo vệ tinh CANSAT, chúng các phương tiện di chuyển. Ngoài ra, các vệ tinh quan sát Trái tôi đã phải đối mặt với nhiều thách thức và khó khăn. Đầu tiên, Đất cung cấp thông tin khoa học phục vụ cho các hoạt động kích thước của vệ tinh chế tạo yêu cầu nhỏ, tương tự như kích nghiên cứu, giám sát những biến động, biến đổi trên bề mặt Trái thước của một vỏ lon. Để đặt vừa vào thân tên lửa mô hình, Đất cũng như trong khí quyển. Một số vệ tinh chuyên dụng được CANSAT có kích thước tối đa: 12cm x Ø70. Tiếp theo, dữ liệu sử dụng với mục đích quân sự, quốc phòng. Vòng đời cơ bản truyền từ vệ tinh đến trạm mặt đất yêu cầu theo thời gian thực, của vệ tinh bao gồm: thiết kế, chế tạo và kiểm thử tại mặt đất; cần có một phần mềm giám sát và hiển thị trong quá trình bay sau đó vệ tinh được gắn vào tên lửa đẩy và phóng vào vũ trụ; khi của vệ tinh đến khi tiếp đất. Ngoài ra, trong quá trình phóng, vệ tên lửa đạt tới một độ cao nhất định, vệ tinh rời khỏi tên lửa, hoạt tinh nằm trong thân tên lửa sẽ có hiện tượng rung lắc mạnh, ảnh động và gửi tín hiệu về trạm mặt đất. Dữ liệu nhận được sau đó hưởng đến hoạt động của các thiết bị bên trong. Vệ tinh rơi từ được xử lý và sử dụng cho các mục đích khác nhau. Có rất nhiều độ cao 150-300 m xuống mặt đất, trong khoảng thời gian từ 30s loại vệ tinh và kích thước của chúng cũng rất đa dạng. Những đến 1 phút, trong khoảng thời gian này cần đảm bảo tín hiệu loại vệ tinh cỡ lớn (large class) thường có trọng lượng từ 1 tấn truyền tải giữa vệ tinh với trạm mặt đất ổn định. Khi vệ tinh rời trở lên, trong khi những loại vệ tinh cỡ nhỏ hiện nay khỏi tên lửa sẽ bung dù, cần tính toán kích thước dù và ước lượng (cubesat\microsat) chỉ nặng khoảng 1kg với kích thước bằng khối lượng của vệ tinh sao cho hợp lý, đảm bảo vệ tinh tiếp đất khối lập phương cạnh 10x10x10 cm. Ở Việt Nam, công nghệ an toàn. Năng lượng cung cấp cho vệ tinh cần đảm bảo đầy đủ, chế tạo vệ tinh vẫn đang là một lĩnh vực mới và đặt ra nhiều để vệ tinh hoạt động bình thường, ổn định trong tất cả các quá thách thức với các nhà nghiên cứu khoa học. trình từ khi bắt đầu đặt vệ tinh vào thân tên lửa mô hình cho đến CANSAT là vệ tinh cỡ nhỏ, kích thước chỉ bé bằng lon nước, khi vệ tinh rơi chạm đất, ước tính khoảng 25-30 phút. Cuối cùng, được sử dụng trong mục đích giáo dục công nghệ vũ trụ. Quy kinh phí sử dụng để chế tạo vệ tinh còn hạn chế. 60
Để giải quyết, khắc phục những thách thức và khó khăn nêu Hình 1 mô tả mô hình thiết kế sơ bộ cấu trúc vệ tinh trên, chúng tôi lựa chọn sử dụng phương pháp nghiên cứu, chế CANSAT và trạm thu mặt đất. Vệ tinh CANSAT bao gồm ba tạo vệ tinh CANSAT sử dụng các cảm biến giá rẻ cho mục tiêu thành phần chính là phần dù và phần thân chứa bộ xử lý trung giám sát chất lượng không khí. Mục tiêu của vệ tinh CANSAT tâm và các cảm biến quan trắc ô nhiễm không khí cũng như bộ chỉ phóng lên ở độ cao thấp và rơi xuống đất nên điều kiện môi phận truyền thông với trạm mặt đất. trường trên cao và dưới mặt đất có sự tương đồng nhất định, không xuất hiện trường hợp thời tiết đặc thù (như đối với vệ tinh Phần thân của vệ tinh CANSAT bao gồm: MCU (Mirco thực tiễn), do đó việc sử dụng các cảm biến giá rẻ để chế tạo vệ control unit) Arduino Mega 2560 R3 là bộ xử lý trung tâm, kết tinh là phù hợp. Trong những năm gần đây, việc sử dụng cảm nối tới MCU là các cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm (DHT22), cảm biến giá rẻ để giám sát chất lượng không khí đã thu hút được biến nồng độ bụi (PMS5004), cảm biến nồng độ CO (MQ-7), quan tâm của nhiều cộng đồng nghiên cứu trên thế giới. Năm cảm biến áp suất (BMP180) và cảm biến GPS (GPS Neo-7). 2014, P.Kumar và các cộng sự đã trình bày tổng quan về xu Ngoài ra MCU còn kết nối tới module truyền thông NRF24L01 hướng sử dụng cảm biến giá rẻ trong giám sát chất lượng không có chức năng gửi dữ liệu thu được từ các cảm biến trên vệ tinh khí, phân tích các nghiên cứu liên quan và chỉ ra tính khả quan đến trạm mặt đất. của hướng tiếp cận này [1]. Năm 2016, Sayali C. Bhagwat và Tại trạm mặt đất sử dụng Arduino Uno là bộ xử lý trung tâm, các cộng sự đã sử dụng các cảm biến giá rẻ MQ4 (đo khí CO), kết nối với module NRF24L01 để thu dữ liệu từ vệ tinh. Arduino MQ9 (đo khí CO2) và LM35 (đo nhiệt độ) để giám sát chất lượng Uno được kết nối đến máy tính để xử lý và lưu trữ dữ liệu. không khí ở các khu công nghiệp [2]. A. Vệ tinh CANSAT Cụ thể, chúng tôi sử dụng các cảm biến PMS5003 để đo nồng Vệ tinh được chia làm 3 phần chính: phần 1 bao gồm dù và độ bụi mịn PM1, PM2.5, PM10 , cảm biến DHT22 để đo nhiệt độ, vỏ; phần 2 bao gồm bộ xử lý trung tâm, các cảm biến và khung độ ẩm, cảm biến CO-MQ7 đo nồng độ CO, cảm biến BMP180 CANSAT; phần cuối cùng là bộ phát tín hiệu và nguồn. để đo áp suất không khí và mô đun GPS NEO-7 để định vị vị trí vệ tinh. Truyền thông giữa CANSAT và trạm mặt đất sử dụng Phần 1, dù có đường kính 45cm, hình bát giác đều, cắt từ tấm mô đun NRF24-L01 đảm bảo truyền thông ổn định trong phạm vải dù vuông, cắt lỗ tròn ở giữa với đường kính 8cm. Việc cắt lỗ vi khoảng cách 150-300m. Dù được chế tạo dựa trên các tính tròn giúp cho CANSAT rơi ổn định, tránh chao đảo khi gặp gió toán lý thuyết và được thử nghiệm để đảm bảo vệ tinh tiếp đất to. Dây buộc dù là loại dây nhỏ, gọn, chắc chắn, độ dài bằng 1.25 an toàn. Vỏ ngoài vệ tinh được thiết kế và chế tạo bằng công x đường kính dù. Dùng 1 miếng nhựa hình tròn đục 8 lỗ để luồn nghệ in 3D, các bộ phận của vệ tinh được gắn kết với nhau chắc dây dù qua và buộc với cansat để chống rồi dây dù. Tốc độ rơi chắn. Vệ tinh sử dụng pin ANSMANN 9V làm nguồn chính đảm ước tính của CANSAT khi có dù là khoảng 6m/s. Vỏ CANSAT bảo cung cấp năng lượng ổn định trong thời gian dài. Sau khi thiết kế trên phần mềm Sketchup [3] để in 3D có dạng hình trụ chế tạo vệ tinh CANSAT, chúng tôi phát triển phần mềm giám với kích thước: đường kính đáy 7 cm x chiều cao 11.5 cm, được sát quá trình bay của vệ tinh với các chức năng: hiển thị dữ liệu mô tả ở hình 2. Mặt trong của vỏ có gờ chữ U để gắn phần lõi thu được từ vệ tinh theo thời gian thực, hiển thị quỹ đạo rơi của CANSAT chắc chắn. Xung quanh và đáy vỏ có các lỗ lục giác vệ tinh, tính toán và hiển thị chỉ số chất lượng không khí AQI và để không khí có thể đi vào các cảm biến. cuối cùng là tạo báo cáo kết quả sau quá trình bay của vệ tinh. Cấu trúc bài báo như sau: sau khi giới thiệu vấn đề ở phần I, chúng tôi sẽ trình bày thiết kế và cấu tạo của vệ tinh CANSAT ở phần II. Phần III sẽ giới thiệu về phần mềm giám sát hoạt động của vệ tinh. Việc thử nghiệm hoạt động của vệ tinh và trạm mặt đất sẽ được trình bày ở phần IV. Tiếp theo phần V sẽ trình bày kết quả trong lần phóng thật với tên lửa mô hình. Phần VI là kết luận, bài học kinh nghiệm và hướng phát triển tương lai. II. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VỆ TINH FIMO CANSAT Hình 2. Hình dạng dù và thiết kế vỏ CANSAT Phần 2, bộ xử lý trung tâm MCU Arduino Mega 2560 sử dụng chip ATMEGA 16U2, có xung nhịp 16MHz, với 54 chân digital, 16 chân analog, 4 bộ giao tiếp UART, 1 bộ giao tiếp I2C, sử dụng nguồn 7-9V để đảm bảo khả năng kết nối và điều khiển với nhiều cảm biến. [4]. Arduino Mega 2560 có dạng hình chữ nhật với kích thước 10.2 x 5.3 cm, shield Arduino Mega 2560 (Hình 3) có kích thước tương tự như Arduino Mega nên cả 2 được ghép với nhau tạo thành một khối hộp chữ nhật (khung của CANSAT), đặt thẳng đứng và vừa khít ở trong vỏ. Các cảm biến của vệ tinh CANSAT (Hình 4) sẽ được kết nối và lắp ráp vào 2 mặt trên khối Arduino Mega 2560 + Shield sao cho phù hợp với thể tích khoang chứa còn lại của vỏ CANSAT. Cụ thể, cảm biến nồng độ bụi mịn PMS5003, nguồn pin và cảm biến nồng độ khí CO MQ-7 được gắn ở một mặt, còn các cảm biến nhiệt độ độ Hình 1. Kiến trúc vệ tinh CANSAT và trạm thu mặt đất ẩm DHT-22, mô đun GPS NEO-7, mô đun truyền thông được gắn ở mặt còn lại. Cảm biến áp suất BMP 180 có kích thước nhỏ 61
nên được gắn ở khe hở trống mặt trong giữa Arduino Mega và Cuối cùng là bộ phát tín hiệu sóng vô tuyến và pin. Bộ truyền Shield (Hình 6a, 6b). Các bộ phận cảm biến và khung CANSAT phát tín hiệu sóng vô tuyến có nhiệm vụ liên lạc giữa CANSAT được gắn với nhau bằng keo chắc chắn, đảm bảo không bị tách và trạm thu mặt đất, giúp cho việc gửi các thông số quan trắc và rời khi vệ tinh va đập với mặt đất. tình trạng vệ tinh về trạm mặt đất. Nhóm thực hiện lựa chọn mô đun truyền phát tín hiệu nRF 24L01 + PA +LNA (Hình 5a) vì nó có giá thành rẻ, phù hợp trong khoảng cách truyền thông từ 150 -300m. Mô đun có tần số hoạt động từ 2.4 - 2.525GHz, sử dụng điện áp 3.3-5V và có tốc độ truyền dữ liệu 250Kbps - 2Mbps. Module NRF24L01 gồm 8 pin và giao tiếp với MCU qua giao tiếp SPI (Serial Peripheral Bus) [10]. Dữ liệu được gửi (a) (b) từ mô đun truyền thông tới trạm mặt đất mỗi giây 1 lần. Nhóm lựa chọn pin ANSMANN 9v (Hình 5b) để cung cấp năng lượng Hình 3. (a) Shield Arduino Mega 2560, (b) Arduino Mega 2560 cho vệ tinh hoạt động. Cảm biến nồng độ bụi min PMS5003 đo được nồng độ bụi PM1, PM2.5, PM10 trong khoảng giá trị 5-500 μg/m3 với thời gian cập nhật dữ liệu khoảng 10s. Cảm biến gồm 8 chân (pin) giao tiếp với bộ xử lý trung tâm (MCU) thông qua cổng nối tiếp Serial [5]. Dữ liệu gửi về MCU là một khung dữ liệu (dataframe) có độ dài 32 byte với một số byte đầu và cuối đã được quy ước từ (a) (b) trước. Chương trình trên MCU sẽ kiểm tra khung dữ liệu, nếu hợp lệ thì sẽ trích xuất dữ liệu PM1, PM2.5, PM10 trong khung dữ Hình 5. (a) Mô đun truyền thông, (b) pin ANSMANN liệu đó. Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT 22 có giới hạn đo nhiệt độ từ -40 - 80°C và độ ẩm từ 0 – 99.9% và sai số đo là 0.5°C và Hình 6 gồm một số hình ảnh về FIMO CANSAT sau khi đã 2%. Cảm biến có 3 chân được sử dụng là chân nguồn 5V, chân lắp ráp thành công. nối đất và chân dữ liệu . Dữ liệu được cập nhật 2s/lần và truyền dưới dạng tín hiệu số (digital) có độ dài 40 bit/lần truyền: 16 bit đầu chứa giá trị độ ẩm tương đối, 16 bit sau chứa giá trị nhiệt độ, 8 bit cuối là checksum. Chương trình trên MCU sử dụng thư viện hỗ trợ đọc giá trị nhiệt độ, độ ẩm từ cảm biến DHT22 [6]. Cảm biến CO-MQ7 đo nồng độ khí CO trong phạm vi 10-1000 ppm, nguồn điện cung cấp cho cảm biến là 5V. Cảm biến sử dụng 3 chân gồm: chân nối nguồn 5V, chân nối đất và chân dữ liệu; dữ liệu được cập nhật 1s/lần và truyền dưới dạng tín hiệu tương tự (analog), chương trình trên MCU sẽ đọc giá trị này và chuyển về giá trị nồng độ CO [7]. Mô đun GPS NEO-7 sử dụng nguồn điện từ 3.3 -5V với độ chính xác GPS là 2.5m. Module GPS NEO-7 gồm 6 pin và kết nối đến MCU thông qua cổng nối tiếp Serial (a) (b) (c ) [8]. Khi mô đun GPS nhận được tín hiệu từ vệ tinh, dữ liệu sẽ Hình 6. (a)(b) Phần lõi thiết bị của CANSAT, (c) FIMO CANSAT hoàn thiện được truyền về MCU gồm các thông như tọa độ, độ cao, thời B. Trạm thu gian. Dữ liệu về GPS được cập nhật 1s/lần. Cảm biến áp suất Trạm thu bao gồm 2 phần chính: bộ xử lý trung tâm và BMP180 đo giá trị trong khoảng 300 - 1100 hPa với sai số 0.02 module truyền thông (bộ thu tín hiệu). Bộ điều kiển trung tâm hPa và sử dụng nguồn 3V. Cảm biến gồm 4 chân và giao tiếp MCU Arduino Uno R3 [11] kết nối trực tiếp với máy tính thông với MCU thông qua giao tiếp I2C [9]. Dữ liệu cảm biến được qua giao tiếp Serial, điều khiển bộ thu tín hiệu để nhận dữ liệu cập nhật 1s/lần. từ CANSAT gửi về. Bộ thu tín hiệu sóng vô tuyến sử dụng một module truyền thông tín hiệu nRF 24L01 + PA + LNA tương tự như bộ phát tín hiệu trên CANSAT. Mỗi giây ở trạm thu nhận được một gói tin truyền từ vệ tinh. III. PHÁT TRIỂN PHẦN MỀM (a) (b) (c) C. Các chức năng của phần mềm Chức năng theo dõi dữ liệu theo thời gian thực: Từ các dữ liệu quan trắc môi trường nhận từ vệ tinh, bao gồm các thông số: nhiệt độ, độ ẩm tương đối, nồng độ bụi (PM1, PM2.5, PM10), nồng độ khí CO, chương trình vẽ ra biểu đồ biến thiên giá trị theo thời gian của thông số đó, cập nhật biểu đồ theo thời gian thực dựa (d) (e) vào thời gian đọc dữ liệu của bản ghi chứa các thông số này. Từ Hình 4. (a) Cảm biến PMS5003, (b) Cảm biến DHT22, (c) Cảm biến CO- các dữ liệu vị trí vệ tinh bao gồm: vĩ độ, kinh độ, độ cao của vệ MQ7, (d) Cảm biến BMP180, (e) Cảm biến GPS Neo-7 tinh so với mặt đất, chương trình hiển thị vị trí trong không gian 62
của vệ tinh trên bản đồ 3 chiều, cũng như vẽ lại lộ trình di chuyển đường, do trong môi trường có nhiều xe cộ đi lại và của vệ tinh theo thời gian thực. ảnh hưởng từ công trình đang thi công nên nồng độ Chức năng theo dõi chỉ số chất lượng không khí AQI theo PM2.5 và PM10 phải cao hơn ở trong phòng, có thể thời gian thực: từ dữ liệu nồng độ khí CO và nồng độ bụi PM mà vượt ngưỡng. vệ tinh gửi về, hệ thống tiến hành tổng hợp trong mỗi khoảng - Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT22: Đo nhiệt độ và độ thời gian 3s và từ đó tính toán ra giá trị chỉ số chất lượng không ẩm trong phòng, so sánh với nhiệt độ, độ ẩm của dự khí AQI theo hai chuẩn là tiêu chuẩn của Việt Nam (QCVN) báo thời tiết, yêu cầu chênh lệch nhiệt độ không quá [12] và tiêu chuẩn của Hoa Kỳ (US EPA) [13]. Sau đó, chức 2 ºC và độ ẩm không quá 10%. Đo nhiệt độ, độ ẩm năng hiển thị giá trị tính được theo thời gian thực (mỗi 3s) trên trong tủ lạnh, yêu cầu nhiệt độ đo được phải thấp hơn giao diện phần mềm. nhiệt độ trong phòng. - Cảm biến nồng độ CO: Cũng theo ngưỡng giá trị ảnh Chức năng theo dõi tình trạng hoạt động của các cảm biến hưởng đến sức khỏe theo QCVN 05:2013/BTNMT trên vệ tinh theo thời gian thực: từ dữ liệu các giá trị quan trắc nhận được và tần suất đọc dữ liệu của các cảm biến đã biết trước, là 30.000 μg/m3~ 30 ppm, giá trị nồng độ CO đo chức năng sẽ tính toán xem liệu cảm biến đó còn hoạt động được trong phòng cần nhỏ hơn giá trị ngưỡng; và giá không, hiển thị trạng thái hoạt động của các cảm biến trên giao trị nồng độ CO đo ngoài đường cần lớn hơn giá trị đo diện phần mềm. trong phòng. Yêu cầu của các thiết bị khác và chi tiết kết quả được trình Chức năng tạo báo cáo: tạo báo cáo với toàn bộ dữ liệu nhận bày ở bảng 1. được từ vệ tinh sau khi kết thúc quá trình phóng, chức năng tiến hành tổng hợp lại mỗi 3s các giá trị bao gồm: giá trị trung bình Bảng 1. Kết quả kiểm thử thiết bị CANSAT của các thông số quan trắc trong khoảng 3s, giá trị AQI trong STT Thiết bị Thực hiện Kết quả Đánh giá khoảng 3s đó theo hai chuẩn, số bản ghi nhận được, .... Sau đó, chức năng sử dụng các giá trị trên để tổng hợp lại báo cáo toàn 1 Cảm biến Đo giá trị -Trong phòng Đạt bộ quá trình phóng của vệ tinh CANSAT. Hình 7 thể hiện giao nồng độ nồng độ bụi làm việc: diện của hệ thống giám sát vệ tinh. bụi PM1, PM2.5, PM1: 25.1; PMS5003 PM10 trong PM2.5:37.81; nhà và PM10: 40.73 ngoài -Ngoài đường: đường PM1: 83.7; PM2.5: 130.9; PM10: 142.7 Đơn vị: (μg/m3) 2 Cảm biến Đo được giá -Trong nhà: Đạt nhiệt độ, trị nhiệt độ, Nhiệt độ: 21.28 độ ẩm độ ẩm trong ºC, Độ ẩm: 81.07 (a) (b) DHT22 nhà và % Hình 7. (a) Giao diện chức năng theo dõi vị trí và lộ trình vệ tinh CANSAT, trong tủ - Dự báo thời (b) Giao diện chức năng theo dõi dữ liệu theo thời gian thực lạnh tiết: Nhiệt độ: 21 ºC D. Công nghệ sử dụng Độ ẩm: 82% Hệ thống có sử dụng Arcgis API cho JavaScript [14] cho -Trong tủ lạnh: việc hiển thị bản đồ, cơ sở dữ liệu MongoDB [15] để lữu trữ, Nhiệt độ: 13.08 ºC, Độ ẩm: truy xuất dữ liệu và công nghệ đa nền tảng Meteor cho việc xây 72.63% dựng hệ thống giám sát theo thời gian thực. 3 Cảm biến Đo giá trị -Trong phòng: Chấp nhận IV. KIỂM THỬ CO MQ-7 nồng độ CO Nông độ CO: do không trong nhà 30.87 ppm có thiết bị E. Kiểm thử thiết bị và ngoài -Ngoài đường: căn chỉnh đường Nồng độ CO: Các cảm biến của vệ tinh FIMO CANSAT được thử 46.32 ppm nghiệm hoạt động tại các môi trường khác nhau (trong khoảng thời gian 5 phút), từ đó đánh giá kết quả. Do sử dụng các cảm 4 Cảm biến Đo áp suất, -Tại mặt đất: Đạt biến giá rẻ và chưa có các thiết bị chuẩn để hiệu chỉnh dữ liệu, áp suất nhiệt độ tại Độ cao chính BMP180 mặt đất và xác: 0m với mỗi cảm biến chúng tôi sử dụng các tiêu chí sau để đánh trên tầng 4, Độ cao đo được: giá: tính toán độ -0.4464 m - Cảm biến nồng độ bụi PMS5003: Ngưỡng giá trị ảnh cao và so -Trên tầng 4: hưởng đến sức khỏe con người của nồng độ bụi PM2.5 sánh với Độ cao chính thực tế xác ~12m và PM10 theo QCVN 05:2013/BTNMT [16] là 50 Độ cao đo được: μg/m3và 150 μg/m3 (giá trị trung bình trong 24 giờ). 10.5704 m Do đó, khi đo nồng độ bụi trong phòng làm việc, giá trị PM2.5 và PM10 phải nhỏ hơn ngưỡng. Khi đo ngoài 63
5 Mô đun Đo tọa độ Thử nghiệm Đạt Để kiểm thử năng lượng hoạt động của vệ tinh CANSAT, GPS Neo- địa lý tại trong 3 địa điểm, chúng tôi sử dụng pin ANSMANN 9V cung cấp năng lượng liên 7 các địa sai lệch lần lượt tục cho vệ tinh hoạt động. Kết quả thiết bị hoạt động bình thường điểm khác là 2, 4, 4 (mét) trong khoảng thời gian từ 40-50 phút. Kết quả này đạt yêu cầu nhau.So của cuộc thi, vì quá trình phóng CANSAT chỉ diển ra trong sánh tọa độ lấy được khoảng thời gian 20 phút. với tọa độ trên google V. THỰC NGHIỆM map CANSAT FIMO được đưa vào phóng thật bằng tên lửa mô 6 Mô đun Truyền tín Dữ liệu nhận Đạt hình. Quá trình phóng gồm các bước: CANSAT và dù được gấp thu phát tín hiệu giữa 2 được đúng 100% gọn và sau đó đặt vào bên trong thân tên lửa mô hình; Tên lửa hiệu mô đun, được đặt trên bệ phóng, khi khai hỏa, tên lửa sẽ bay lên độ cao NRF24L01 kiểm tra độ 150-300m; Ở độ cao này, CANSAT sẽ rời khỏi thân tên lửa, chính xác bung dù và rơi xuống mặt đất, tên lửa cũng bung dù và rơi xuống dữ liệu mặt đất. Trong quá trình rơi, CANSAT sẽ đo đạc các thông số 7 Dù Thả rơi vật Thời gian rơi: Đạt trong môi trường và gửi dữ liệu về trạm mặt đất. Dữ liệu thu nặng ở độ 18s được tại trạm mặt đất sẽ được lưu trữ và hiển thị thông qua phần cao 90m, Vận tốc ước mềm giám sát. Sau khi kết thúc quá trình bay, dữ liệu sẽ được ghi nhận lại tính: 5.3m/s phân tích, tổng hợp thành báo cáo. Hình 8 bao gồm một số hình thời gian Va đập không rơi, kiểm tra quá mạnh ảnh mô tả quá trình phóng CANSAT. khả năng chịu va đập F. Kiểm thử năng lượng và truyền thông Để kiểm tra khả năng truyền thông giữa vệ tinh CANSAT và trạm thu, chúng tôi tiến hành đặt CANSAT tại vị trí cách trạm thu các khoảng cách từ 100m đến 400m. Tại mỗi vị trí, ghi nhận lại số bản ghi vệ tinh gửi đi và số bản ghi trạm thu nhận được, (b) từ đó tính toán độ mát dữ liệu. Kết quả trình bày ở bảng 2. Bảng 2. Kết quả kiểm thử truyền thông Khoảng cách 100 150 200 250 300 350 400 (m) (a) Số bản (c) ghi đã 215 218 208 213 218 123 31 gửi Số bản ghi 207 214 204 213 206 97 1 nhận Số bản ghi bị 8 4 4 0 12 26 30 mất (d) Hình 8. (a) Tên lửa mô hình đặt trên bệ phóng, (b) Vệ tinh CANSAT rời khỏi Độ mất tên lừa và bung dù, (c) Tên lửa bung dù, (d) Biểu đồ biến thiên độ cao theo 21.14 96.77 thời gian của vệ tinh. mát dữ 3.72% 1.83% 1.92% 0% 5.50% % % CANSAT đã hoạt động tương đối ổn định từ khi phóng cho liệu đến khi tiếp đất. Dữ liệu từ CANSAT gửi về trạm mặt đất và được hiển thị qua giao diện phần mềm giám sát vệ tinh theo thời Độ mất mát dữ liệu thay đổi theo khoảng cách truyền thông. gian thực. Hình 9 là giao diện của phần mềm giám sát vệ tinh, Trong khoảng 100-300m, độ mất mát thấp (< 10%), dữ liệu trạm bên trái màn hình là bản đồ nền và đường quỹ đạo bay của vệ thu nhận được tương đối đầy đủ, liên tục. Ở khoảng cách 350m, tinh; bên phải của màn hình là các thông số về hoạt động của vệ độ mất mát khá lớn (21.14%). Ở khoảng cách 400 m, truyền tinh (độ cao, tốc độ rơi, tọa độ địa lý, thời gian) và chi tiết các thông kém, độ mất mát dữ liệu tới 96.77%. Mỗi bản ghi nhận dữ liệu mà vệ tinh đo được, trực quan hóa theo dạng biểu đồ được ở trạm thu đảm bảo đầy đủ các trường dữ liệu, không bị sai đường. Bao gồm nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ CO, nồng độ bụi mịn lệch giá trị (ở mọi khoảng cách kiểm thử). PM1, PM2.5, PM10. Chỉ số chất lượng không khí AQI được tính 64
toán dựa trên nồng độ bụi và nồng độ CO theo tiêu chuẩn quốc hơn so với không khí dưới mặt đất. Kết quả này phản ánh hợp tế và tiêu chuẩn Việt Nam. lý chất lượng môi trường thực tế. Hình 9. Giao diện phần mềm giám sát vệ tinh Kết thúc quá trình phóng vệ tinh, dữ liệu sẽ được tổng hợp lại, phân tích và trình bày trong một báo cáo. Hình 10 là báo cáo đã tạo ra từ chức năng tạo báo cáo của phần mềm giám sát vệ tinh CANSAT. Về quá trình hoạt động của vệ tinh, FIMO CANSAT đã được phóng lên độ cao 240.2 m, các cảm biến đều hoạt động bình thường, khoảng cách từ điểm phóng đến điểm rơi là 187 m và báo cáo tổng hợp dữ liệu mỗi 3s một lần, tỷ lệ nhận được dữ liệu tại trạm mặt đất là 80.1 %. Mỗi loại dữ liệu đều được tính toán giá trị nhỏ nhất, lớn nhất, trung bình đồng thời biểu diễn dữ liệu thành dạnh biểu đồ; những biểu đồ này mô tả sự thay đổi của dữ liệu theo thời gian và mối tương quan giữa dữ liệu với yếu tố độ cao. Do các thiết bị chưa được hiệu chuẩn nên các thông số đo được chỉ có độ chính xác tương đối, kết quả chủ yếu phản ảnh sự thay đổi của môi trường theo độ cao. Dựa trên kết quả các biểu đồ ở hình 10, có thể đưa ra một số kết luận: Trong giai đoạn từ khi tên lửa mô hình bắt đầu phóng cho đến khi đạt tới độ cao tối đa, dữ liệu nhiệt độ có giá trị cao (27.9 ºC). Nguyên nhân do vệ tinh CANSAT nằm trong khoang ở phần thân tên lửa, nên có nhiệt độ cao. Khi CANSAT rời khỏi thân tên lửa và bung dù rơi xuống, nhiệt độ giảm dần do nhiệt độ bên ngoài thấp hơn nhiệt độ trong khoang tên lửa mô hình. Độ ẩm có giá trị giảm dần trong giai đoạn tên lửa phóng lên cao, tiếp tục giảm khi vệ tinh rời khỏi tên lửa. Khi cách mặt đất khoảng 120m thì giá trị độ ẩm có xu hướng tăng lên, và tiếp tục tăng cho đến khi vệ tinh tiếp đất. Giá trị nồng độ CO có xu hướng biến thiên không rõ ràng trong cả quá trình phóng vệ tinh. Nguyên nhân cần phải được nghiên cứu thêm. Nồng độ bụi PM1, PM2.5, PM10 có xu hướng biến đổi theo độ cao. Khi tên lửa được phóng lên cao thì nồng độ bụi cũng tăng từ thấp lên cao; khi vệ tinh rơi xuống mặt đất thì giá trị nồng độ bụi đo đươc cũng giảm dần xuống thấp. Chỉ số chất lượng không khí AQI có sự thay đổi theo độ cao. Ở trên cao, chỉ số AQI lớn; khi xuống thấp, chỉ số AQI giảm dần. Điều này cho thấy môi trường không khí ở trên cao (khoảng 250m) ô nhiễm hơn so với dưới mặt đất tại khu vực tổ chức cuộc thi. Do điều kiện tại khu vực thi là bãi đất cỏ trống, một mặt là rừng cây nên tại dưới mặt đất, không khí trong lành, không bị ô nhiễm. Nhưng ở trên cao, không khí một phần bị ảnh hưởng bởi khói bụi, khí thải từ các nhà máy gần đó, nên ô nhiễm Hình 10. Kết quả báo cáo biểu đồ của phần mềm giám sát vệ tinh, trục đen biểu diễn thời điểm CANSAT rời khỏi tên lửa và rơi xuống mặt đất 65
VI. KẾT LUẬN https://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/Tem Chúng tôi đã thiết kế, chế tạo, kiểm thử và phóng thành công perature/DHT22.pdf [Acessed: 31-Aug-2018] vệ tinh FIMO CANSAT với mục tiêu giám sát chất lượng [7] Sparkfun, “MQ-7 Datasheet”, [Online], Available: không khí sử dụng các cảm biến giá rẻ. Vệ tinh sử dụng các cảm https://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/Bio biến đo nồng độ bụi mịn, nồng độ khí CO, các thông số khí metric/MQ-7.pdf [Acessed: 31-Aug-2018] quyển: nhiệt độ, độ ẩm, áp suất trong không khí. Các cảm biến được kiểm thử và đạt yêu cầu trong các môi trường khác nhau. [8] CainZ, “GPS Neo-7 Datasheet”, [Online], Vệ tinh có khả năng truyền thông tốt trong phạm vi 300m. Available: https://github.com/CainZ/V.KEL- Trong quá trình thực nghiệm, vệ tinh hoạt động ổn định từ lúc GPS/blob/master/VK2828U7G5LF%20Data%20S bắt đầu phóng tên lửa mô hình cho đến khi vệ tinh rơi chạm đất. heet%2020150902.pdf [Acessed: 31-Aug-2018] Dữ liệu thu nhận từ vệ tinh phản ánh sự thay đổi của môi trường [9] Adafruit, “BMP180 Datasheet”, [Online], theo độ cao. Ngoài ra chúng tôi cũng phát triển thành công phần Available: https://cdn- mềm giám sát vệ tinh với các chức năng hiển thị quỹ đạo bay shop.adafruit.com/datasheets/BST-BMP180- của vệ tinh, hiển thị dữ liệu vệ tinh theo thời gian thực, chức DS000-09.pdf [Acessed: 31-Aug-2018] năng tạo báo cáo. Sản phẩm FIMO CANSAT đã giành được [10] Sparkfun, “nRF24L01 Data sheet”, [Online], giải nhất cuộc thi CANSAT 2017-2018 do Trung tâm vũ trụ Available: Việt Nam tổ chức. https://www.sparkfun.com/datasheets/Components/ Một số bài học rút ra được tổng hợp lại như sau. Năng lượng SMD/nRF24L01Pluss_Preliminary_Product_Speci đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì hoạt động của vệ tinh. fication_v1_0.pdf [Acessed: 31-Aug-2018] Đặc biệt là với truyền phát dữ liệu, nếu năng lượng không đủ, [11] Farnell, “Arduino Uno R3 Datasheet”, [Online], vệ tinh sẽ không thể truyền được dữ liệu về trạm thu. Truyền Available: thông dữ liệu cũng có vai trò quan trọng không kém, cần lựa https://www.farnell.com/datasheets/1682209.pdf chọn thiết bị truyền thông và ăng ten phù hợp để có thể thu phát [Acessed: 31-Aug-2018] tín hiệu ổn định. Ngoài ra, do chưa thực hiện được quá trình [12] Quantracmoitruong, “Phương pháp tính chỉ số chất hiệu chỉnh dữ liệu nên các kết quả đo đạc chỉ có độ chính xác lượng không khí (AQI) ”, [Online], Available: tương đối, phản ánh chủ yếu sự thay đổi của các thông số môi http://www.quantracmoitruong.gov.vn/portals/0/III trường theo độ cao. _Huong%20dan%20tinh%20toan%20chi%20so%2 Dự kiến trong tương lai, chúng tôi sẽ sử dụng những kiến 0AQI%20va%20WQI_%20Chi%20so%20chat%20 thức tích lũy được để áp dụng vào các dự án IoT sử dụng cảm luong%20khong%20khi%20AQI.pdf?&tabid=36 biến để giám sát chất lượng ô nhiễm không khí. Bên cạnh đó, [Acessed: 31-Aug-2018] chúng tôi cũng sẽ nghiên cứu phương pháp hiệu chỉnh dữ liệu [13] Epa, “Air Quality Index (AQI) ”, [Online], để làm tăng độ chính xác cho mỗi loại cảm biến. Available: https://www.epa.gov/sites/production/files/2014- 05/documents/zell-aqi.pdf [Acessed: 31-Aug-2018] TÀI LIỆU THAM KHẢO [14] Arcgis, “ArcGIS API for JavaScript”, [Online], [1] P. Kumar et al., “The rise of low-cost sensing for Available: https://developers.arcgis.com/javascript/ managing air pollution in cities,” Environ. Int., vol. [Acessed: 31-Aug-2018] 75, no. December 2014, pp. 199–205, 2015. [15] Mongodb, “MongoDB for GIANT Ideas”, [2] Sayali C. Bhagwat, Vikas R. Kale, V. V. Mirje, and [Online], Available: https://www.mongodb.com/ Prof. Mr.D.K.Kamat, “A wireless sensor network [Acessed: 31-Aug-2018] air pollution monitoring system in Industrial [16 ] Moitruongthudo, “Cổng thông tin quan trắc môi areas,” Int. Res. J. Eng. Technol., vol. 3, 2016 trường thủ đô Hà Nội”, [Online], Available: [3] Sketchup, “3D modeling for everyone”, [Online], http://moitruongthudo.vn/nong-do?site_id=14 Available: https://www.sketchup.com/ [Acessed: [Acessed: 31-Aug-2018] 31-Aug-2018] [4] Robotshop, “Arduino Mega 2560 Datasheet”, [Online], Available: https://www.robotshop.com/media/files/pdf/arduin omega2560datasheet.pdf [Acessed: 31-Aug-2018] [5] Aqmd, “PMS5003 Datasheet”, [Online], Available: http://www.aqmd.gov/docs/default-source/aq- spec/resources-page/plantower-pms5003- manual_v2-3.pdf [Acessed: 31-Aug-2018] [6] Sparkfun, “DHT22 Datasheet”, [Online], Available: 66