BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KHỬ TRÙNG TIA CỰC TIẾM BẰNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN THOẠI GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TS LÊ QUANG ĐỨC NGÀNH ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Sinh viên thực hiện MSSV Lớp Nguyễn Xuân Thành 1711020049 17DTDA1 Trần Nguyễn Phương Thảo 1711050088 17DTDA1 Tp Hồ Chí Minh, tháng 82021 ii LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới trường Đại học Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh, viện Kỹ thuật Hutech ngành Điều khiển và tự động hóa cùng toàn t.
GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Nhiệm vụ cần thực hiện
• Xây dựng hệ thống khử trùng bằng tia cực tím
• Hệ thống được điều khiển Arduino qua Bluetoot bằng điện thoại
• Hệ thống đảm bảo gọn nhẹ, tiện ích và dễ sử dụng
Đối tượng nghiên cứu
• Khử trùng bằng tia cực tím trong các môi trường làm việc như khách sạn, phòng khám, bệnh viện,…
Nội dung và phương pháp nghiên cứu
Chương 1: Tổng quan đề tài
Chương 2: Nội dung và phương pháp nghiên cứu
Chương 3: Kết quả và thảo luận
Phương pháp nghiên cứu kế thừa:
• Dựa vào các công nghệ, hệ thống khử trùng bằng tia cực tím
• Kế thừa từ các công trình nghiên cứu, các hệ thống trong thực tế
Phương pháp tham khảo tài liệu được thực hiện thông qua việc thu thập thông tin từ các nguồn như sách, tạp chí, báo khoa học và internet, nhằm nghiên cứu về công nghệ điều khiển từ xa khử khuẩn bằng tia cực tím.
Giới hạn đề tài
- Tập trung tìm hiểu, nghiên cứu và xây dựng hệ thống khử khuẩn bằng tia cực tím điều khiển Aduino thông qua Bluetooth của điện thoại
- Phạm vi nghiên cứu của đề tài: Thực hiện khử trùng bề mặt tại các môi trường làm việc như khách sạn, bệnh viện,…
Thời gian và địa điểm thực hiện
- Thời gian: Từ tháng 1/2021 đến 7/2021
- Địa điểm: Trường Đại học Công nghệ TP Hồ Chí Minh
TỔNG QUAN GIẢI PHÁP
Tổng quan về phương pháp khử trùng bằng tia cực tím
Khử trùng là quá trình loại bỏ hoặc tiêu diệt tất cả các hình thức sống, bao gồm nấm, vi khuẩn, virus và bào tử, có mặt trên bề mặt, trong môi trường, dung dịch thuốc hoặc các hợp chất nuôi cấy sinh học Các phương pháp khử trùng có thể bao gồm nhiệt, hóa chất, chiếu xạ, áp suất cao, và lọc, hoặc kết hợp nhiều phương pháp này để đạt hiệu quả tối ưu.
Kỹ thuật vô trùng là quy trình kiểm soát sự phát triển của vi sinh vật thông qua các biện pháp như khử trùng, tẩy trùng và sát trùng Mục tiêu chính của kỹ thuật này là tiêu diệt hoàn toàn các tế bào và bào tử vi sinh vật trong môi trường ban đầu.
Sự nhiễm trùng là mối đe dọa tiềm ẩn trong mọi giai đoạn của quy trình công nghệ sinh học, ảnh hưởng đến nghiên cứu và sản xuất liên quan đến vi sinh vật, thực vật và động vật.
Sự nhiễm trùng sẽ gây ra nhiều hậu quả:
• Chủng vi sinh vật sản xuất sẽ không thuần
Canh trường dinh dưỡng có thể làm biến đổi môi trường nuôi cấy, ảnh hưởng tiêu cực đến sự phát triển của các chủng vi sinh vật, cũng như tế bào động vật và thực vật trong quá trình nuôi cấy mô.
• Có thể tạo độc tố
Nói chung sự nhiễm vi sinh vật làm cho năng suất giảm, thậm chí sản xuất bị ngừng
Thiết bị vô trùng là rất cần thiết trong môi trường nuôi cấy vi sinh vật, tế bào động và thực vật, bởi vì không khí chứa nhiều vi sinh vật và bào tử của chúng, tạo ra nguy cơ nhiễm khuẩn.
Muốn cấy ít nhiễm khuẩn, công việc được tiến hành trong các phòng đặc biệt gọi là phòng vô trùng hay phòng cấy và tủ cấy vô trùng
Nguyên tắc quan trọng trong quá trình nuôi cấy là duy trì bầu không khí trong sạch và giảm thiểu sự hiện diện của vi sinh vật Hiện nay, việc sử dụng máy lọc không khí giúp loại bỏ vi sinh vật và bào tử, cho phép thực hiện thao tác cấy trong tủ với luồng không khí vô trùng.
Để thực hiện những thí nghiệm yêu cầu điều kiện vô trùng tuyệt đối, phòng thí nghiệm được trang bị hệ thống thổi không khí vô trùng với áp suất cao, ngăn chặn khí từ bên ngoài xâm nhập Trước khi vào phòng, mọi người phải trải qua quy trình tắm rửa và mặc trang phục bảo hộ kín toàn thân.
2.1.2 Một số phương pháp khử trùng
Một vật được coi là vô trùng khi không còn mang bất kì một sinh vật nào
Có nhiều phương pháp khử trùng, thường dùng là nhiệt độ cao,lọc, bức xạ và hoá học a) Xử lý bằng nhiệt
Hình 2 1 Khử trùng bằng nhiệt
Xử lý vi sinh vật bằng nhiệt độ cao hơn mức tối đa cho phép sẽ dẫn đến việc biến tính các phân tử cấu trúc và chức năng của tế bào vi sinh vật.
Lựa chọn nhiệt độ và thời gian xử lý phù hợp tuỳ thuộc vào các yếu tố:
Từng thiết bị, hệ thống nhiệt
Xử lý bằng nhiệt ẩm có khả năng xuyên thấm và làm giảm nhanh số lượng vi sinh vật hơn nhiệt khô
Tiệt trùng bằng nhiệt độ cao nhằm mục đích tiêu diệt vi sinh vật ở nhiệt độ cao: hấp khử trùng/ hấp tiệt trùng bằng autoclave, đun sôi, khí nóng…
Thời gian xử lý mẫu vật phụ thuộc vào số lượng và loài vi sinh vật có trong đó, cũng như các đặc tính ban đầu của mẫu như hóa chất và môi trường Các yếu tố như pH và nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến quá trình xử lý.
Nếu mật độ vi sinh vật cao: xử lý ở nhiệt độ thấp sẽ cần thời gian dài hơn so với nhiệt độ cao Đốt cháy:
Sử dụng lửa từ cồn hoặc gas để đốt cháy các dụng cụ kim loại như que cấy, kẹp và kéo dao có tác dụng tiêu diệt tế bào và phá hủy tế bào vi sinh vật.
-Nhiệt khô: dùng để diệt trùng các dụng cụ kim loại hay thuỷ tinh trong lò Pasteur
(180 °C trong 30 phút hay 160 °C trong 2 giời) Đun sôi:
-Thông thường xử lý ở 100 °C trong 30 phút
Tác dụng của phương pháp này là tiêu diệt hầu hết các tế bào vi sinh vật, ngoại trừ một số loài có bào tử Để tiêu diệt bào tử vi sinh vật, cần thực hiện quá trình đun sôi trong thời gian dài hoặc áp dụng phương pháp đun sôi gián đoạn (shock nhiệt).
Hơi nước bão hoà dưới áp suất cao:
Nhiệt độ khử trùng có thể vượt quá 100 °C ở áp suất thường (1 Atm), với áp suất hơi nước tương ứng đạt 121 °C Dụng cụ phổ biến để thực hiện quá trình khử trùng là nồi hấp áp suất (Autoclave).
-Tác dụng: Có thể tiêu diệt các nội bào tử kháng nhiệt
-Autoclave là thiết bị xử lý nhiệt - hấp tiệt trùng: tiêu diệt vi sinh vật bằng áp suất hơi nước đun sôi
Nguyên lý hoạt động của nồi hấp dựa trên áp suất hơi nước đạt 1.1 kg/cm2, tạo ra nhiệt độ 121 °C Thời gian hấp lý tưởng dao động từ 10-15 phút, hoặc có thể kéo dài đến 25 phút tùy thuộc vào mẫu vật và môi trường.
Chú ý là nhiệt độ 121 °C tiêu diệt vi sinh vật, không phải do áp suất hơi nước
Trong thời gian tiệt trùng phụ thuộc thể tích dịch lỏng cần xử lý Thời gian chỉ được tính khi nhiệt độ bắt đầu ở 121 °C b) Phương pháp tiệt trùng Pasteur
Phương pháp kiểm soát vi sinh vật bằng nhiệt độ "ôn hoà, nhẹ" không tiêu diệt hoàn toàn các tế bào vi sinh vật, mà chỉ làm chậm sự sinh trưởng và phát triển của chúng trong mẫu.
Nhằm mục đích: giảm số lượng vi sinh vật trong các loại thực phẩm: Sữa,… và các loại chất lỏng nhạy với nhiệt
Louis Pasteur là người tiên phong trong việc sử dụng nhiệt để kiểm soát vi sinh vật gây hỏng rượu Phương pháp thanh trùng được áp dụng cho sữa, thực phẩm, và nước trái cây nhằm tiêu diệt các vi khuẩn gây bệnh như vi khuẩn lao (Tuberculosis), Brucellosis, sốt Q, và sốt thương hàn.
Phương pháp thanh trùng sữa thường ở khoảng 71 °C trong 15 giây: flash pasteurization
Phương pháp này có thể thực hiện ở nhiệt độ cao trong thời gian ngắn, tiêu diệt vi sinh vật hiệu quả
Khử trùng bằng tia cực tím
Tia cực tím là loại bức xạ điện từ có bước sóng từ 4 đến 400nm, nằm ngoài khả năng phát hiện của mắt người.
Tia cực tím với bước sóng 254nm có khả năng làm thay đổi DNA của tế bào vi khuẩn, mang lại hiệu quả diệt khuẩn cao Để phát ra tia cực tím, thường sử dụng đèn thủy ngân áp lực thấp, loại đèn này phát ra tia cực tím với bước sóng 253,7nm.
Khử trùng bằng tia cực tím (UVGI) là phương pháp hiệu quả sử dụng tia UV-C để tiêu diệt hoặc làm bất hoạt vi sinh vật bằng cách phá hủy acid nucleic và DNA, ngăn chặn chức năng tế bào của chúng UVGI được áp dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như khử trùng thực phẩm, không khí và lọc nước.
Ánh sáng UV-C yếu ở bề mặt Trái Đất do lớp ozone ngăn chặn, nhưng thiết bị UVGI có khả năng tạo ra ánh sáng UV-C mạnh mẽ trong hệ thống không khí và nước, tạo ra môi trường khắc nghiệt cho vi sinh vật như vi khuẩn, virus, nấm mốc và các mầm bệnh khác Khi kết hợp với hệ thống lọc, UVGI có thể hiệu quả trong việc khử trùng không khí và nước.
Việc sử dụng công nghệ UVGI để khử trùng đã trở thành một thực tiễn phổ biến từ giữa thế kỷ 20, chủ yếu trong lĩnh vực y tế và môi trường làm việc vô trùng Gần đây, UVGI ngày càng được áp dụng rộng rãi hơn trong việc khử trùng nước uống và nước thải, nhờ vào các hệ thống có khả năng duy trì và luân chuyển, đảm bảo mức độ phơi nhiễm cao với tia cực tím Đặc biệt, trong những năm gần đây, công nghệ UVGI đã có những ứng dụng đổi mới trong máy lọc không khí.
Khử trùng bằng tia cực tím là công nghệ tiên tiến được phát triển bởi các tổ chức nghiên cứu và thực hành cơ bản, hiện đang được áp dụng rộng rãi tại Bắc Mỹ và châu Âu.
Năm 1877, Downes và Blunt đã phát hiện ra các tính chất sát trùng của ánh sáng mặt trời
Năm 1901, sự phát triển của đèn thủy ngân là nguồn sáng tia cực tím nhân tạo Năm 1906, sử dung thạch anh làm vật liệu truyền tia cực tím
Tiếp theo là ứng dụng khử trùng nước uống đầu tiên ở Marseilles, Pháp vào năm
Năm 1929, Gates xác định mối liên hệ giữa khử trùng tia cực tím và sự hấp thụ ánh sáng tia cực tím bởi axit nucleic (Gates 1929)
Sự phát triển của bóng đèn huỳnh quang trong những năm 1930 đã dẫn đến việc sản xuất các loại đèn ống sát trùng
Nghiên cứu về cơ chế khử trùng bằng tia cực tím và khả năng bất hoạt vi sinh vật đã được thực hiện đáng kể trong những năm 1990, với những đóng góp quan trọng từ các nhà khoa học như Dulbecco (1950), Kelner (1950), và Brandt cùng Giese.
Mặc dù nghiên cứu về khử trùng bằng tia cực tím đã bắt đầu từ nửa đầu thế kỷ 20, nhưng do chi phí cao, phương pháp này chưa được áp dụng rộng rãi Các ứng dụng đầu tiên của tia cực tím trong việc khử trùng nước uống được thực hiện tại thành phố Thụy Sĩ và Áo.
1955 (Kruithof và Van der Leer 1990) Đến năm 1985, số lượng lắp đặt như ở ác nước này đã tăng lên sấp xỉ 500 – 600, ở Na Uy và Hà Lan năm 1975 và 1980
Tính đến năm 2000, hơn 400 hệ thống khử trùng bằng tia cực tím đã được lắp đặt trên toàn cầu để xử lý nước uống, với khả năng xử lý dưới 1 triệu gallon mỗi ngày Kể từ đó, nhiều cơ sở khử trùng tia cực tím lớn đã được xây dựng hoặc đang trong quá trình thiết kế tại Hoa Kỳ Trong số đó, cơ sở lớn nhất là 180-MGD tại Seattle, Washington, và một cơ sở 2200-MGD đang được thiết kế cho thành phố New York bởi cơ quan bảo vệ môi trường.
2.2.3 Các loại nguồn ánh sáng trong khử trùng tia cực tím
Yếu tố quan trọng nhất của hệ thống tia cực tím là nguồn sáng, với DNA và RNA hấp thụ tối đa ánh sáng UV-C ở khoảng 250 đến 260 nm Để tối ưu hóa hiệu quả, nguồn sáng cần phát ra trong khoảng bước sóng này Hiện có ba loại đèn tia cực tím dễ mua: cường độ thấp áp suất thấp (LP-li).
Ánh sáng đèn cao áp suất thấp (lp-hi) và cường độ cao áp suất trung bình (mp-hi) được đánh giá dựa trên áp lực khí bên trong đèn và cường độ đầu ra năng lượng Sự khác biệt giữa các công nghệ chủ yếu nằm ở cường độ khử trùng mà mỗi loại đèn phát ra, ảnh hưởng đến số lượng đèn cần thiết và kích thước tia cực tím Việc lựa chọn loại đèn phù hợp sẽ được xác định dựa trên từng địa điểm cụ thể.
Đèn lp-li là loại đèn tiết kiệm năng lượng và lâu đời nhất được sử dụng để khử trùng bằng tia cực tím Chúng chứa hơi thủy ngân và khí argon, phát ra bức xạ đơn sắc gần 253,7 nm và hoạt động hiệu quả trong khoảng nhiệt độ từ 40 đến 60 độ C khi có năng lượng điện tử Khoảng 85% khí thải từ các loại đèn áp suất thấp/cường độ thấp tập trung ở bước sóng 253,7 nm, mang lại hiệu quả khử trùng cao nhất Hình dáng của đèn lp-li rất giống với bóng đèn huỳnh quang, nhưng có lớp phủ phosphor để chuyển đổi năng lượng tia cực tím thành ánh sáng nhìn thấy được Đèn tia cực tím được làm từ thủy tinh thạch anh, nhờ khả năng truyền tải ánh sáng tia cực tím tốt.
Đèn lp-li tiêu thụ khoảng 88W, với hiệu quả khử trùng đạt 20 đến 25% công suất Mỗi cm chiều dài vòng cung, đèn phát ra khoảng 0,2W năng lượng bức xạ khử trùng Cường độ ánh sáng của đèn không ổn định trong 100 giờ đầu sử dụng, do đó, giá trị cường độ 100% thường được đo sau thời gian này và được cung cấp bởi các nhà sản xuất.
Cường độ ánh sáng của đèn tia cực tím bị ảnh hưởng bởi thời gian hoạt động và nhiệt độ Sau 100 giờ sử dụng, cường độ ánh sáng sẽ giảm dần, với tuổi thọ trung bình của đèn khoảng 13.000 giờ, tương đương 1,5 năm Trong thời gian này, cường độ ánh sáng giảm xuống còn khoảng 75% so với mức ban đầu sau 100 giờ Nhiệt độ hoạt động tối ưu cho đèn là 40 độ C; nếu nhiệt độ cao hơn hoặc thấp hơn mức này, cường độ sẽ giảm từ 1% đến 3% cho mỗi độ lệch Chi phí trung bình cho một bóng đèn lp-li khoảng 45 đô la.
Đèn lp-hi và đèn mp-hi là hai loại đèn cường độ cao, cải tiến từ đèn lp-hi ban đầu, phát ra bức xạ đa sắc rộng lớn hơn Cường độ cao của chúng giúp giảm số lượng đèn cần thiết để khử trùng hiệu quả, mặc dù chúng không hiệu quả bằng đèn lp-li do phát ra ánh sáng ngoài phạm vi khử trùng Đèn lp-hi hoạt động ở áp suất tường tự như đèn cường độ thấp, với nhiệt độ hoạt động từ 180-200 độ C, cao hơn so với đèn lp-li Tiêu thụ điện năng của đèn lp-hi khoảng 250W, mang lại kết quả khử trùng khoảng 13W/cm Tuổi thọ trung bình của đèn lp-hi là khoảng 8000 giờ với cường độ giảm dần, và giá thành khoảng $185.
Ứng dụng khử trùng tia cực tím trong thực tế
Khu vực y tế yêu cầu mức độ khử trùng cao nhất, vì vậy việc tiệt trùng các thiết bị chăm sóc sức khỏe là ưu tiên hàng đầu Khử trùng bằng tia cực tím có thể được thực hiện tại các bệnh viện, phòng khám và trung tâm y tế để đảm bảo an toàn cho bệnh nhân và nhân viên y tế.
15 tế, các khu vực phẫu thuật, phòng bệnh nhân nhằm đảm bảo môi trường tốt nhất để điều trị và khám chữa bệnh
Hình 2 8 Khử trùng tia cực tím tại phòng phẫu thuật, phòng bệnh nhân
2.3.2 Trong khách sạn, trường học, tòa nhà, nơi công cộng
Trường học, siêu thị, và các tòa nhà công cộng như khách sạn, resort là nơi tập trung đông người, tạo điều kiện cho mầm bệnh và vi khuẩn phát triển nếu không được vệ sinh và khử trùng định kỳ Đặc biệt, trường học và siêu thị có nhiều trẻ em, là đối tượng dễ bị ảnh hưởng bởi vi khuẩn và virus, nên việc đảm bảo vệ sinh tại những nơi này là vô cùng quan trọng.
Hình 2 9 Khử trùng tại nơi công cộng
2.3.3 Khử trùng trên các khu vực, phương tiện vận tải công cộng Đối với các phương tiện vận tải công cộng như xe buýt, xe khách, máy bay, tàu hỏa là những khu vực không chỉ đông về mật độ mà những người đến đây có thể tới từ rất nhiều nơi khác nhau, mang theo những nguồn bệnh không biết trước Một ví dụ điển hình từ thực tế khi mà ca nhiễm covid 19 đầu tiên được phát hiện tại Vũ Hán của Trung Quốc sau đó đã có thể xuất hiện tại Mỹ, châu Âu những khu vực mà cách đó nửa vòng trái đất, nguyên nhân chính là thông qua những khu vực này Chính vì vậy đây cũng là một trong những khu vực cần cảnh giác cao và khử trùng nghiêm ngặt
Hình 2 10 Khử trùng trên các phương tiện vận tải công cộng
Đèn khử trùng tia cực tím điều khiển từ xa trong thực tế
Five YSXDD001YS có thể phát ra tia UV, ozone để khử khuẩn, tự tắt khi phát hiện chuyển động xung quanh cũng như điều khiển qua điện thoại
YSXDD001YS là thiết bị diệt khuẩn UV mới nhất của Five, vừa được ra mắt và hiện có mặt trên hệ thống Youpin của Xiaomi Khác với mẫu khử khuẩn điện thoại trước, sản phẩm này thiết kế dạng đèn UV, phù hợp cho không gian rộng và đi kèm ứng dụng kết nối điện thoại để điều khiển từ xa.
Đèn cực tím UVC do Philips sản xuất là linh kiện quan trọng nhất trên thiết bị, có khả năng diệt tới 99,9% vi khuẩn trong phạm vi ánh sáng UV Đặc biệt, tuổi thọ của đèn lên đến 9000 giờ, vượt trội hơn hẳn so với mức 3200 giờ của các loại đèn UV thông thường khác.
Tia cực tím (UV) có trong ánh sáng mặt trời có thể gây hại cho con người, nhưng lại được ứng dụng rộng rãi trong các sản phẩm gia dụng và cơ sở y tế để diệt khuẩn Đèn phát tia cực tím (UV-C) hoạt động bằng cách tiêu diệt hoặc làm bất hoạt vi sinh vật thông qua việc phá hủy acid nucleic và DNA của chúng, từ đó ngăn chặn các chức năng tế bào quan trọng.
Đèn báo trạng thái Wi-fi, trạng thái nguồn và nút tắt mở trên đèn giúp người dùng dễ dàng theo dõi hoạt động của thiết bị Để khởi động, người dùng chỉ cần giữ nút nguồn trong 3 giây, sau đó máy sẽ đếm ngược 30 giây để người dùng có thời gian di chuyển ra khỏi khu vực có tia UV Khi thiết bị chuẩn bị bật, đèn sẽ phát ra âm thanh báo hiệu.
Dòng chữ cảnh báo trên đèn YSXDD001YS nhấn mạnh không được tiếp xúc gần khi đèn đang bật Với kích thước 245x120x120 mm, sản phẩm sử dụng nguồn điện 220V (không tích hợp pin) và có công suất 35W.
Người dùng có thể dễ dàng điều khiển thiết bị từ xa thông qua ứng dụng Mi Home, với các chế độ hẹn giờ bật trong 15, 30 và 45 phút Thiết bị còn được trang bị chế độ khóa trẻ em, giúp vô hiệu hóa nút nguồn và chỉ cho phép tắt/mở qua ứng dụng Khi khởi động từ điện thoại, thiết bị sẽ tự động đếm ngược trước khi bật máy.
Khi thử nghiệm máy Five YSXDD001YS trong phòng kín khoảng 15 m2, sau 30 phút, mùi ozone trở nên rất nồng Nhà sản xuất khuyến cáo nên mở cửa để thông thoáng trước khi trở lại sinh hoạt Nguyên nhân là do tia cực tím có thể gây ung thư da nếu tiếp xúc trực tiếp, vì vậy người dùng cần tránh xa các môi trường có đèn cực tím đang hoạt động Ngoài ra, các thiết bị có tích hợp đèn cực tím thường có cơ chế an toàn tự động tắt khi phát hiện có người ở gần.
Đèn được trang bị nhiều cảm biến để phát hiện sự hiện diện của người hoặc chuyển động xung quanh Khi có sự thay đổi, đèn sẽ tự động tắt hoàn toàn Nếu người dùng chưa kịp di chuyển ra khỏi khu vực khi khởi động, đèn sẽ nhận diện và dừng quá trình khởi động.
Five YSXDD001YS có giá bán khoảng 1 triệu đồng, trong khi công suất và tính năng thông minh đều hơn so với model Xiaoda bán ra vào tháng trước
Nhóm nghiên cứu tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng đã phát triển thành công Robot sát khuẩn bằng tia cực tím (UV Robot) với khả năng diệt khuẩn lên đến 99% Sản phẩm này sẽ được bàn giao miễn phí cho Bệnh viện Đà Nẵng nhằm hỗ trợ công tác phòng chống Covid-19.
Robot phát ra tia cực tím UVC với bước sóng khoảng 250 nanomet, đã được chứng minh là hiệu quả trong việc khử trùng Tia UVC có khả năng phá hủy DNA của virus, vi khuẩn, nấm mốc và các mầm bệnh khác, bao gồm cả "siêu vi khuẩn" kháng thuốc, trên không khí và bề mặt tiếp xúc của con người.
Với công suất thiết kế hệ thống đèn UV, Robot có thể diệt khuẩn 99% trong thời gian
30 giây với bán kính từ 1-2.5m, tùy thuộc vào chủng loại virus Ví dụ đối với virus SARS-CoV-2, bán kính diệt khuẩn là 2.5m; virus HIV-1 bán kính diệt khuẩn 1m
Giá thành hiện tại của một robot tự động diệt khuẩn bằng tia UV lên tới hơn 1 tỷ đồng, trong khi chi phí nguyên vật liệu sản xuất chỉ khoảng 50 triệu đồng Nếu sản xuất hàng loạt trong tương lai, giá thành có thể giảm đáng kể.
Robot UV được thiết kế để diệt khuẩn hiệu quả tại bệnh viện, khu vực cách ly, phòng mổ và phòng học tại các trường đại học Sản phẩm này giúp thay thế con người, giảm thiểu nguy cơ tiếp xúc với mầm bệnh và hỗ trợ công tác phòng chống các dịch bệnh truyền nhiễm, đặc biệt là Covid-19.
Robot UV là giải pháp hiệu quả trong việc diệt khuẩn tại khu cách ly và phòng mổ, giúp giảm thiểu tiếp xúc với mầm bệnh Tia UV do máy phát ra có khả năng tiêu diệt đến 99% vi khuẩn, bao gồm virus SARS-CoV-2 và HIV chỉ trong 30 giây, với bán kính hoạt động từ 1m đến 2,5m Robot có thể hoạt động liên tục trong 2,5 giờ và được trang bị camera cùng bộ phát tín hiệu để điều khiển từ xa, hướng tới tự động hóa hoàn toàn Nhân viên y tế có thể điều khiển Robot UV thông qua bộ điều hướng kết nối với điện thoại thông minh Với trọng lượng 55kg, chiều cao 1,5m và chiều rộng 40cm, phiên bản đầu tiên của Robot được điều khiển bằng tay, nhưng có khả năng nâng cấp lên tự động trong tương lai Chi phí sản xuất chỉ 50 triệu đồng, thấp hơn nhiều so với các sản phẩm Robot diệt khuẩn UV khác trên thế giới, thường có giá trên 1 tỷ đồng.
So sánh các giải pháp hiện tại
Dựa vào một số ví dụ đã nêu, việc tìm kiếm sản phẩm khử trùng bằng tia cực tím hiệu quả trên thị trường không hề khó Tuy nhiên, cần xem xét xem những sản phẩm này có thực sự tối ưu và đáp ứng nhu cầu sử dụng của người tiêu dùng hay không.
Một số sản phẩm công nghệ đơn giản như Five YSXDD001YS của Xiaomi chưa hỗ trợ tiếng Việt, điều này có thể gây khó khăn cho người dùng Trong khi đó, các sản phẩm robot Việt Nam như UV robot đang kết hợp với hệ thống điều khiển phức tạp hơn, tạo ra thách thức trong việc sử dụng hiệu quả.
Về mặt kinh tế, giá cả các sản phẩm dao động từ hàng triệu đến hàng tỷ đồng, tùy thuộc vào khả năng ứng dụng của từng sản phẩm So với mức thu nhập hiện tại của người dân Việt Nam, những con số này vẫn được coi là cao, thậm chí rất cao.
Về thị trường: Các sản phẩm còn tương đối ít và chưa thực sự đa dạng và được nhiều người biết đến lợi ích của chúng
Trong bối cảnh dịch COVID-19 lây lan nhanh chóng, nhiều trường hợp dương tính không triệu chứng chỉ được phát hiện qua xét nghiệm, cho thấy sự cần thiết cấp bách của các thiết bị y tế như hệ thống khử trùng bằng tia cực tím Tuy nhiên, hiện tại, các sản phẩm này vẫn chưa đáp ứng đủ nhu cầu ứng dụng rộng rãi trong cộng đồng.
Hiện nay, các sản phẩm y tế có chi phí cao chỉ được cung cấp tại một số bệnh viện lớn, dẫn đến khả năng ứng dụng trong các môi trường khác còn hạn chế.
Hiện nay, sản phẩm công nghệ tại Việt Nam vẫn còn nhiều hạn chế, đặc biệt trong bối cảnh cấp bách hiện tại Các sản phẩm giá rẻ như của Xiaomi thường khó sử dụng do thiếu hướng dẫn tiếng Việt, và việc phụ thuộc vào nguồn cung nước ngoài gây ra rủi ro về số lượng và thời gian giao hàng, nhất là trong thời kỳ dịch bệnh Ngược lại, sản phẩm phát triển trong nước kết hợp với robot có chi phí sản xuất cao, chỉ phù hợp với các cơ sở đầu tư lớn Do đó, mục tiêu là phát triển sản phẩm dễ sử dụng, chi phí thấp để đảm bảo ứng dụng rộng rãi Chương 3 sẽ đề xuất giải pháp và phương án thiết kế cho hệ thống, đồng thời xác định các thông số cần thiết.
PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT
Đề xuất giải pháp thực hiện
Đề tài “Nghiên cứu, phát triển hệ thống khử trùng tia cực tím điều khiển qua điện thoại” tập trung vào việc ứng dụng công nghệ khử trùng bằng tia cực tím trong các môi trường công cộng như khách sạn, phòng khám, bệnh viện và trường học Những địa điểm này thường xuyên có đông người qua lại, tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển và lây lan của vi khuẩn, virus độc hại Vì vậy, việc duy trì vệ sinh và khử trùng thường xuyên tại các khu vực này là rất cần thiết để bảo vệ sức khỏe cộng đồng.
Hệ thống nghiên cứu sẽ lắp đặt đèn UV tại các vị trí cần thiết, được điều khiển bằng Arduino và kết nối với điện thoại qua Bluetooth thông qua ứng dụng Blynk Người dùng có thể dễ dàng bật, tắt hệ thống đèn và cài đặt hẹn giờ hoạt động cho hệ thống.
Lựa chọn phương án thiết kế
Hệ thống khử trùng tia cực tím điều khiển qua điện thoại hoạt động dựa trên mô hình lắp đặt với hai đèn UV được kết nối với hệ thống Arduino Để điều khiển từ xa, người dùng có thể tải ứng dụng Blynk trên các hệ điều hành iOS hoặc Android, cho phép kết nối với thiết bị qua Bluetooth để bật, tắt đèn Ứng dụng cũng hỗ trợ cài đặt chế độ hẹn giờ cho các đèn, mang lại sự tiện lợi và dễ dàng trong việc quản lý hệ thống.
Hình 3 1 Sơ đồ công nghệ của hệ thống
Sau khi hiểu rõ nguyên lý và cách thức hoạt động của hệ thống, chúng ta sẽ tiến hành lựa chọn các thiết bị và phần mềm phù hợp để đảm bảo hiệu quả hoạt động của hệ thống.
Xác định yêu cầu thiết kế của hệ thống
Thiết kế hệ thống khử trùng tia cực tím điều khiển qua điện thoại đảm bảo các yêu cầu sau đây:
▪ Hệ thống có thể điều khiển bật, tắt đèn qua điện thoại
▪ Tần suất 50Hz, công suất định mức 35W, điện áp sử dụng 220V
▪ Hệ thống có chế độ cài đặt hẹn giờ hoạt động cho đèn
▪ Sử dụng thư viện blynk để điều khiển hệ thống
▪ Hệ thống kết nối với điện thoạt qua bluetooth, dễ dàng sử dụng
▪ Môi trường làm việc từ 0 đến 50 độ C
▪ Đảm bảo an toàn và tối ưu chi phí trong thiết kế và sử dụng
THIẾT KẾ MÔ HÌNH
Quy trình thực hiện
Để xây dựng hệ thống khử trùng bằng tia cực tím đảm bảo các yêu cầu đề ra, ta tiến hành thực hiện theo các bước sau:
Để bắt đầu, bước đầu tiên là tìm kiếm và chọn lựa thiết bị phù hợp, đảm bảo chất lượng cao và tối ưu chi phí Tiếp theo, bạn cần lựa chọn phần mềm hoặc ứng dụng điều khiển đơn giản, dễ sử dụng để thuận tiện trong quá trình vận hành.
Bước 3: Lắp đặt hệ thống phần cứng
Bước 4: Lập trình điều khiển arduino
Bước 5: Kết nối và thiết lập hệ thống với ứng dụng blynk
Bước 6: Chạy thử và hoàn thiện
Lựa chọn thiết bị
4.2.1 Đèn tia UV Đèn UV hay đèn cực tím là dụng cụ được ứng dụng rộng rãi trong ngành y tế, dược phẩm, thực phẩm nhằm mục đích diệt vi khuẩn có hại, chống lại các vi khuẩn nguy hiểm
Đèn UV có chức năng diệt sạch mạt bụi, những sinh vật nhỏ bé không thể nhìn thấy bằng mắt thường, thường ẩn náu trên giường, gối, ghế sofa và thảm, gây ra ngứa ngáy và khó chịu cho con người Thiết bị này có khả năng tiêu diệt vi khuẩn như nấm mốc, Staphylococcus aureus, E.coli và virus cúm, bằng cách phá vỡ chúng thành nước và oxy Ngoài ra, đèn còn loại bỏ mùi hôi khó chịu trong nhà bếp, phòng ngủ, nhà vệ sinh và các khu vực khác Tia UV-C không chỉ tiêu diệt vi khuẩn gây mùi mà còn giúp làm sạch không khí, giảm thiểu các chất gây dị ứng và cải thiện chất lượng không khí, mang lại môi trường sống trong lành hơn.
Đèn UV hay đèn cực tím được sử dụng rộng rãi trong y tế, dược phẩm và thực phẩm để diệt vi khuẩn gây hại Chức năng chính của đèn UV là tiêu diệt mạt bụi - những sinh vật nhỏ không thể nhìn thấy bằng mắt thường, gây ngứa và khó chịu cho con người Đèn UV có khả năng tiêu diệt nhiều loại vi khuẩn như nấm mốc, Staphylococcus aureus, và virus cúm bằng cách phá vỡ chúng thành nước và oxy Ngoài ra, đèn còn loại bỏ các mùi khó chịu như mùi khói, mốc và hôi từ nhiều khu vực trong nhà Tia UV-C không chỉ tiêu diệt vi khuẩn gây mùi mà còn giúp làm sạch không khí bằng cách phá vỡ các chất gây dị ứng, giảm nguy cơ hen suyễn và các bệnh về hô hấp, tạo ra không khí trong lành hơn cho môi trường sống.
ESP8266 là một hệ thống trên chip (SoC) do công ty Espressif của Trung Quốc sản xuất, tích hợp bộ vi điều khiển Tensilica L106 32-bit và bộ thu phát Wi-Fi Chip này có 11 chân GPIO (Chân đầu vào / đầu ra đa dụng) và một đầu vào analog, cho phép lập trình tương tự như Arduino hoặc các vi điều khiển khác Mặc dù ESP8266 có tổng cộng 17 chân GPIO, nhưng 6 trong số đó không thể sử dụng cho mục đích này.
11) được sử dụng để giao tiếp với chip nhớ flash trên bo mạch Ngoài ra nó có kết nối Wi-Fi, vì vậy ta có thể sử dụng nó để kết nối với mạng Wi-Fi, kết nối Internet, lưu trữ máy chủ web với các trang web thực, để điện thoại thông minh của bạn kết nối với nó, Khả năng là vô tận! Không có gì lạ khi con chip này đã trở thành thiết bị IoT phổ biến nhất hiện có
Có nhiều loại module khác nhau cho dòng ESP, bao gồm các module độc lập như AI Thinker và các bộ phát triển hoàn chỉnh như NodeMCU DevKit hoặc WeMos D1 Mỗi bo mạch có thể có các chân cắm, ăng-ten Wi-Fi và dung lượng bộ nhớ flash khác nhau, tùy thuộc vào thiết kế và mục đích sử dụng của chúng.
ESP8266 có thể được dùng làm module Wifi bên ngoài, sử dụng firmware tập lệnh
AT tiêu chuẩn bằng cách kết nối nó với bất kỳ bộ vi điều khiển nào sử dụng UART
27 nối tiếp hoặc trực tiếp làm bộ vi điều khiển hỗ trợ Wifi, bằng cách lập trình một chương trình cơ sở mới sử dụng SDK được cung cấp
Chân GPIO trên ESP8266 hỗ trợ cả IO Analog và Digital, cùng với các giao thức như PWM, SPI và I2C Chip này có nhiều ứng dụng đa dạng trong lĩnh vực IoT, thể hiện tính linh hoạt và khả năng kết nối của nó.
• Kết nối mạng: Ăng-ten Wi-Fi của module cho phép các thiết bị nhúng kết nối với bộ định tuyến và truyền dữ liệu
Xử lý dữ liệu bao gồm việc tiếp nhận và xử lý đầu vào từ cảm biến analog và kỹ thuật số, cho phép thực hiện các phép tính phức tạp hơn thông qua hệ điều hành thời gian thực (RTOS) hoặc bộ công cụ phát triển phần mềm (SDK) không thuộc hệ điều hành.
• Kết nối P2P: Tạo giao tiếp trực tiếp giữa các ESP và các thiết bị khác bằng kết nối IoT P2P
Máy chủ Web cho phép truy cập các trang được phát triển bằng HTML hoặc ngôn ngữ lập trình khác ESP8266 là tên của một con chip do Espressif sản xuất, và có ba định dạng chính mà người dùng có thể lựa chọn Chip ESP8266 là phiên bản cơ bản, không được che chắn và yêu cầu phải hàn vào một module để sử dụng.
Module ESP8266 là các module có khả năng gắn lên bề mặt chứa chip, được thiết kế để kết nối với MCU, do các nhà sản xuất như Espressif, Ai-Thinker và một số công ty khác sản xuất.
Bo phát triển ESP8266 là các bo mạch IoT MCU hoàn chỉnh, đã được cài đặt sẵn các module, phục vụ cho các nhà phát triển và nhà sản xuất trong việc tạo nguyên mẫu thiết kế trước khi sản xuất Các bo phát triển này được sản xuất bởi nhiều nhà sản xuất khác nhau, với các thông số kỹ thuật đa dạng Khi đánh giá các tùy chọn bo phát triển IoT của ESP8266, một số thông số cốt lõi cần lưu ý bao gồm hiệu suất, khả năng kết nối và tính năng mở rộng.
4.2.3 Module Buck DC-DC dùng XL4016
Module Buck DC-DC XL4016 là một thiết bị giảm áp hiệu quả, cho phép điều chỉnh dòng ra lên đến 8A Khi cung cấp nguồn 24V cho module, bạn có thể nhận được điện áp đầu ra thấp hơn 24V với cường độ tối đa đạt 8A.
Hình 4 3 Module Buck DC-DC dùng XL4016
− Điện áp đầu vào: 4 - 40VDC
− Điện áp đầu ra: 1.25 – 36VDC
− Dòng ra lớn nhất: 8A nên dùng tối đa 5A
− Tần số chuyển đổi: 180KHz, điều chế PWM để điều chỉnh điện áp
− Chip sử dụng XL4016 có bảo vệ quá dòng, quá nhiệt và ngắn mạch
Relay (rơ-le) là một loại công tắc đặc biệt, được kích hoạt bằng điện thay vì phải sử dụng tay người như các công tắc thông thường Điều này giúp relay hoạt động tự động và hiệu quả hơn trong nhiều ứng dụng điện.
Module relay điện tử bao gồm hai linh kiện chính: rơ-le và transistor Trên thị trường hiện có hai loại module relay: module relay đóng ở mức thấp và module relay đóng ở mức cao Sự khác biệt giữa hai loại này chủ yếu do loại transistor được sử dụng, bao gồm transistor NPN kích ở mức cao và transistor PNP kích ở mức thấp.
Một rơ-le bình thường có 6 chân, trong đó 3 chân để kích, 3 chân còn lại nối với thiết bị đóng ngắt công suất cao
− Ba chân dùng để kích:
• VCC: cấp tín hiệu điện thế kích tối ưu cho chân này
• GND: nối với cực âm
• IN: chân tín hiệu, có nhiệm vụ kích rơ-le
− Ba chân còn lại nối với thiết bị đóng ngắt công suất cao:
• COM: chân nối với chân bất kỳ của thiết bị, nên nối vào chân lửa nếu là nguồn xoay chiều hoặc cực dương nếu là nguồn một chiều
• NO: tiếp điểm thường mở, thay đổi trạng thái khi có tín hiệu kích
• NC: tiếp điểm thường đóng, thay đổi trạng thái khi có tín hiệu kích
− Điện áp hoạt động: 5VDC
− Tiếp điểm đóng ngắt max: 250VAC-10A hoặc 30VDC-10A
Nút ấn là công tắc đơn giản dùng để điều khiển máy móc hoặc quy trình, thường được làm từ nhựa hoặc kim loại Thiết kế của nút ấn thường phù hợp với ngón tay hoặc bàn tay, giúp người dùng dễ dàng sử dụng Có hai loại nút ấn chính: nút nhấn thường mở và nút nhấn thường đóng.
Nguyên lí làm việc của nút nhấn:
