Khóa luận tốt nghiệp Kỹ thuật máy tính: Thiết kế và xây dựng hệ thống do nồng độ CO2 và H2O dựa trên hiện tượng quang xúc tác

Công nghệ quang xúc tác có thể loại bỏcác chất gây ô nhiễm, kháng khuẩn, khử mùi và làm sạch không khí hiệu quả bằngcách sử dụng ánh sáng đề kích thích các phản ứng hóa học diễn ra giúp

ĐẠI HOC QUOC GIA TP HO CHÍ MINH

TRUONG DAI HOC CONG NGHE THONG TIN

KHOA KY THUAT MAY TINH

NGUYEN HOÀN THIỆN - 20521950

NGUYEN ANH MINH - 20521606

KHOA LUAN TOT NGHIEP

THIET KE VÀ XÂY DUNG HE THONG ĐO NONG ĐỘ CO2, NHIỆT ĐỘ VA ĐỘ AM DUA TREN HIEN TƯỢNG

QUANG XUC TAC

DESIGN AND BUILD MEASURING CO: CONCENTRATION,

TEMPERATURE AND HUMIDITY BASED ON

PHOTOCATALYSIS

CU NHAN KY THUAT MAY TINH

GIANG VIEN HUONG DAN

TS TRAN QUANG NGUYEN

TP HO CHÍ MINH, 2024

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, nhóm chúng em xin được gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến trườngĐại học Công nghệ Thông tin — Đại học Quốc gia TP.HCM và đặc biệt là Khoa Kỹthuật Máy tính đã tạo điều kiện cho nhóm chúng em có cơ hội được học tập tại môitrường năng động, nơi mà em được tiếp những kiến thức, bài học, những kỹ năngmềm đề phát triển bản thân trở nên trưởng thành hơn

Em cũng xin cảm ơn sâu sắc đến TS Trần Quang Nguyên đã tận tình hỗ trợ, chỉbảo và dành nhiều thời gian cho nhóm chúng em trong suốt quá trình nghiên cứu vàhoàn thành khóa luận tốt nghiệp Những kiến thức mà thầy đã cung cấp, là động lựcgiúp chúng em có thể bước tiếp trên con đường sau này

Một lần nữa, em xin cảm ơn quý thầy cô đã hướng dẫn nhóm chúng em đề có thể

hoàn thành khóa thực tập một cách thành công và tốt đẹp Chúng em xin chân thành

cảm ơn!

MỤC LỤC

Chương 1 MỞ ĐẦU 2 2SE2EE2 2 1EE12112112112112112112111.211 1.1.1 xe 2

1.1 Téng quan về đề tài -:- +S++St+EE‡EEEEE1221211211211211211211 121.1 tre 2

1.2 Mục tiêu để tài -6-©2s 22 EE22112711271271211211 11111 11cxcrrre 3

1.3 _ Đối tượng nghiên cứu ¿-¿©++2++2EEt2EEtEEEEEEEEEEEEEEerkrerkrrrkrred 4

1.4 Pham vi nghién CỨU - G3 E893 91119910191 HH 4

Chương 2 TONG QUAN 2 22SE+EE2EEEEEEE12112112112112112112112121 21.1 xe 5

2.1 Quá trình quang XUC (ÁC Ăn TH ngưng 5

2.1.1 Nguyễn lý cơ bản của quang xúc tác -: - +++s++s++s+zx+zs+2 5

2.1.2 Cơ chế hoạt hiện 6ốỐs v hố 6

2.1.3 Vat liệu quang XÚC LÁC - - <1 ng ng nệt 7

2.2 Vật liệu bán dẫn TiO¿ ¿2-5225 S+22E2EEEEEEEEEEEEEEEErkrkerkerrrrerrrree §

2.2.1 Cau trúc và tính chất của TiOz - -¿ +c+++cx+2cxerxxerxeerseees 92.2.2 Tính chat vật liệu TiO¿ .¿-2¿++22++2++2+vzxverxeerxvsrxesrer 10

2.2.2.1 _ Tính chat quang veccecceccccccccccccsessessessessessessessessessessesessesseseseesnesees 102.2.2.2 Tính chat 4160 oo cecccccccscessessesssessesssssseesecssessessesssecsecassssseseesseesess 10

2.2.3 Ứng dụng của TiO? ceccecceecceccessesssessessesssessessecssessesssessessesssessessessseeseess 11

2.3.7 Ứng dung Raspberry Pi 4 vào hệ thống -2- 2 5z+cz+cxz+z 18

2.3.7.1 Ứng dụng tạo server cho hệ thống -¿-©5¿c5++c+++c+2 18

2.3.7.2 Ứng dụng tao database cho hệ thống -. -2- ¿s2 5z+: 18

2.3.7.3 _ Hệ cơ sở dữ lIỆU QĂG 1S SH SH SH thư, 19

“nh 19

2.4.1 Giới thiệu Node.js 5-©22- 52252 2EEkEE2EEEEE2EEEEErkrrrrerkrree 19

2.4.2 Giới thiệu về ExpressJS ccccccccecscsssessessessessesssessessesssessesssssessesseeeseess 20

2.4.3 Lý do chọn ÌNOd€.JS - - - SG 11v 11H ng ng key 21 2.5 NOK — 22

2.5.1 Giới thiệu về NgrOk v cccceccccccsssssessessesseesessesssssessesessessessesssessecseeseeseess 22

2.5.2 LY do chọn ngTOK c + + 93119111 9111911 11 9 ng rrn 23 2.6 PostgreSQL Quy 23

2.6.1 Giới thiệu PostgreSQL G1 ngư 23 2.6.2 Lý do chon PostgreSQLL - - - S112 kg key 24

2.7 ESP32 Devkit VI 2 2222t2 x22 22EEEEEEEEEEEEerrrkrrrrrrvee 25

2.7.1 GiGi thiệu về ESP32 Devkit VÌ ©-sc©c++2xxerxeerxeerkesrkesree 252.7.2 Giới thiệu về ESP-IDF ccccsccccsessesssessesssessessesssessesssessessesssessesseeeseess 26

2.7.2.1 Lý do sử dụng ESP-IDF cho việc lập trình cho ESP32 26

2.7.3 Ứng dụng của ESP32 Devkit VÌ -5ccccccccEerrrrrrrrrres 272.7.4 Ứng dụng ESP32 Devkit V1 vào hệ thống -¿-¿-=5¿ 28

2.7.4.1 Giới thiệu về Websocket ¿ sc©c¿©cxvcxccrvrxerxrrrserxees 282.8 Cam co na 4 30

2.8.1 Giới thiệu về SCD4Q -:-©2¿©2++2x2E2EEE2E2E1271 21221121 21.2 re 30

2.8.2 Nguyên lý hoạt động của NDIR -. 5c SĂSSssereeerseeeeeee 31

2.8.3 Ly do chọn SCD4( Ác HS HnH TH HH TH, 33

2.8.4 Ung dụng SCD40 vào trong hệ thống . ¿-5¿©5¿555+¿ 33

2.9 Hệ đo nồng độ CO> cho ứng dụng quang xúc tác -: - 22 34

2.9.1 Mô tả hệ đO (- 55c 2< 2t E2 E212211211211211211 11211 1111k 34

2.9.1.1 _ Cấu tạo hệ đo -:-©c<22E 2k2 2212212117121 cty 352.9.1.2 _ Các thành phan bên trong 2-2 + s+z+£++x++£zxzxzxeee 352.9.1.3 Kết nối và điều khiển -:-22©2s2x2EEvEEtzESrxerkrrrkerreee 35

2.9.2 _ Thực hiện quá trình quang XÚC tÁC - - 5555 + + + +sseseeeeeeeres 35

2.10 Hệ thống giao diện Web - St St k EEE1E1111121121121111 111.1 xe 36

2.10.1 Giới thiệu về JaVaSerip( -¿- 2 2-52562S<‡2E‡E‡EcEEerrrrrerrvee 36

2.10.2 Giới thiệu về React ©2+-5ccxccx2EeEkEEerxerkrrrrerkrree 36

2.10.3 v4 (00 " 37

2.10.4 — Giới thiệu về Redux -2-©22©2ccx2zvrxerxrreerxeree 38

2.10.4.1 Luông dữ liệu trong ứng dung Redux 2-2-2 +: 39

2.10.5 _ Lý do chọn React( c Ăn ng ngưng 40

2.10.6 M6 tả ứng dụng Web HH HH ng ng tre 41

2.10.6.1 Giao diện WeD ccceccscsessssssessesssessessesssessesssessessesssessessssssessessseesess 41

2.10.6.2 Mục tiêu -©2- 2222k 2 2E1E21221122121121121111211 1c cryee 41

2.10.6.3 Công nghệ, thư viện sử dụng phổ biến 2-2-2 2 5+: 412.10.6.4 Thiét kế giao diện -¿- 2:22 22k22EE22EEEEEEEEEEEEerkrsrkrrree 422.11 _ Tổng thể về hệ thống -2- 2 + ©E+SE+EE£EEEEE2EEEEEEEEEEEEEEEEEEEkrrerree 45

2.11.1 Sơ đồ hệ thống -5ESk E2 2 2112112112121, 452.11.2 _ Các chức năng của hệ thống 2-2 2 £+++E++EzEzEzrezes 46

2.11.2.1 Chức năng hién thị trên biểu đồ 2-2 2+cz+c+czzseez 46

2.11.2.2 Chức năng xác nhận gói (in s5 Scc + seeeeereereeers 47

2.11.2.3 Chức năng cấu hình wifi trên ESP32 - ¿©2555 48

Chương 3 THỰC NGHIỆM 55t St‡teEtEteterrrtrrrrrtrrrrkerrei 51

3.1 Khảo sát hệ đo với quá trình quang xúc tác của vật liệu T1O2 với dung

dịch Methylene Blue - - - - c2 113921119911 91119 11 11 9 1H ng ng rry 51

3.1.1 Nội dung khảo Sat ceecceecccccecssecssesssessvesseessesssesssesssesssesssesssesseesessseeees 51

3.1.2 Kết quả khảo sát tk E2 1211221111211 52

3.1.2.1 _ Kết quả khảo sát giá trị nồng độ CO2 - 2-2 22+: 523.1.2.2 Kết quả khảo sát giá trị nhiệt độ độ ẩm 2-2-2 5+: 55

3.2 _ Thực hiện khảo sát ØỐI tÍn + 1c 111199111911 19 11 9 1n ng ng rry 60

Chương4 KET LUẬN 2 © 2E<ccEcEEeEEErkrrkrrkerrkrrkee 62

4.1 Đánh giá Ết « «e, cu iciriieieo 62

4.2 Hướng phát triỀn -©-+222++2k++Ek+SEkSEEEEEkerrkrrrkerkrerrres 62

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1: Sơ đồ minh họa cơ chế quang xúc tác của chất bán dẫn [8] 6Hình 2.2: Vị trí vùng năng lượng của một số chất bán dẫn [9] - 2-2: 8Hình 2.3: Cấu trúc tinh thé TiOs a) Dang Rutile b) Dang Anatase c) Dang

Brookite [LO] 7 A.A.Ô 9

Hình 2.4: a) Giá tri phô hấp thụ UV-vis của dung dịch RhB dưới tác nhân xúc tác là

tổ hợp TiOz/MoSa b) Sự giảm độ hấp thụ của RhB theo thời gian chiếu xạ c) đồ thịhàm bậc nhất của các chất xúc tác [16] -¿ ©+c+++ce++eeerrrrrreerrrrrrrrrrrr 12

Hình 2.5: Logo của Raspberry ÏPH -ó- «+ + 111v TH ng tr 13

Hình 2.6: Các ứng dụng của Raspberry Pi [20, 22] - - -c++xssesersereeree 15

Hình 2.7: Thành phan cấu tạo của Raspberry Pi 4 [24] ¿- 2 s¿©sz2ss=s+2 l6

Hình 2.8: Logo NOe.JS c2 2119191 KT HH kh 20

Hình 2.9: Logo của EXpF€SS.JS ch HH HH 21

Hình 2.10: Logo của Ngrok HH ng ng 22

Hình 2.11: Logo PostgreSQL - - c1 2122111311111 11591118 11111181 11 ket 24

Hình 2.12: Thành phan cau tạo của ESP32 Devkit V1 [36] . . -5 25Hình 2.13: Ung dụng Websocket vào hệ thống - 2-2 2 2+£+££+£z+£zzzzxzez 28Hình 2.14: Giao tiếp hai chiều trong Websocket [42] - 22sz+sz+sz2ss2sze: 29Hình 2.15: Cảm biến SCD40 - 2-2222 2192E22E12212E122123122121 211221211 crke 31Hình 2.16: Quang phé hấp thụ của các phân tử khí (mau của quang phổ giống với

chữ cái dùng dé chú thích các phân tử) trong dải Mid-IR [43, 44] - 31Hình 2.17: Nguyên lý hoạt động và cau tạo cơ bản của NDIR [45] - 32Hình 2.18: Hệ thống đo nồng độ khí COz: a) hệ do của nhóm tác giả Dariani [47];

b)hệ đo của khóa luận: (1) Nguồn đèn UV, (2) Cảm biến sensor SCD40, (3) Vật

mẫu TiO2¿, (4) ESP32 Devkit VI, (5) Đường day ra, (6) Đường hút khí bên trong ra

¡2020177 34 Hình 2.19: Logo của Ñ€ACK cv HH TH HH HH 37

Hình 2.22: Cách thức hoạt động của Redux [5⁄4] - - ¿55+ + +£+++s+sexseeexs 39 Hình 2.23: Giao diện ứng dụng W€D 0G 1 1230111911191 vn ng ng 41

Hình 2.24: Các thành phan của giao diện chính -2- 2 ¿©z+zx+zxz+zzecxe2 42

Hình 2.25: Hiền thi thông báo a) Xác nhận xóa hết di liệu b) Xác nhận khoảng

thời gian CAM XÓa - 2-5 ©S St SE 1E EEE1EE1711111111111111111 1111111111 re 43

Hình 2.26: Các biểu đồ hiển thi dữ liệu CO> trong 1 tiếng, 2 tiếng, 3 tiếng 43

Hình 2.27: Các biểu đỗ hiển thi dữ liệu nhiệt độ, độ âm . - : -: 44

Hình 2.28: Dữ liệu được hiền thị dưới dạng bang ở giao diện dit liệu 44

Hình 2.29: Thanh điều hướng . - 2 2£ +©+£+SE£EE2EE£EEtEEESEEEEErEkerkrrrrrrkrrkee 44 Hình 2.30: a) Giao diện tối b) Giao diện 0-1 45

Hình 2.31: Sơ đồ hệ thống ¿- 2-52 52SE22E2EEEEEEEE2E12E1211211211211211 21121 21eciee, 45 Hình 2.32: Hình ảnh minh họa cho gói tin bi môixếtt 47

Hình 3.1: Đồ thị kết quả nồng độ CO2 sau 1 tiếng khảo sắt . : :- 52

Hình 3.2: Đồ thị kết quả nồng độ CO: sau 2 tiếng khảo sát - - 53

Hình 3.3: Đồ thị kết quả nồng độ CO2 sau 3 tiếng khảo sát - 5-5: 54 Hình 3.4: Hình ảnh dung dịch Methylene Blue pha TiO› mất màu sau thực nghiệm ¬ 16 CR éÁ“ÁẨ 55

Hình 3.5: Hình kết quả nhiệt độ và độ âm của mẫu khảo sát Img TiO¿ 57

Hinh 3.6: Hinh két quả nhiệt độ và độ 4m của mẫu khảo sát 2mg TIÒ: 57

Hình 3.7: Hình kết quả nhiệt độ và độ âm của mẫu khảo sát 3mg TiO› 58

Hình 3.8: Hình kết quả nhiệt độ và độ 4m của mẫu khảo sát 4mg TiO¿ 58

Hình 3.9: Hình kết quả nhiệt độ và độ am của mẫu khảo sát 53mg THỜ¿ 59

Hình 3.10: Hình anh nước được đọng trên bề mặt của nắp buồng đo 59

DANH MỤC BANG

Bảng 3-1: Kết quả khảo sát nồng độ CO: sau 1 tiếng khảo sát 52Bảng 3-2: Kết quả khảo sát nồng độ CO2 sau 3 tiếng khảo sát 53Bảng 3-3: Kết quả khảo sát nồng độ CO: sau 3 tiếng khảo sát 54Bang 3-4: Kết quả giá trị nhiệt độ sau 3 tiếng khảo sát .-.cc-e:rcecccct 56Bảng 3-5: Kết qua giá trị độ âm sau 3 tiếng khảo sát -. -css.eceste 56Bảng 3-6: Bảng khảo sát gói tin ở lần khảo sát thử nghiệm - 60Bang 3-7: Bảng khảo sát gói tin ở lần khảo sát chính thức ở mục 3.l 60

DANH MỤC TU VIET TAT

SD Secure Digital

SoC System-on-chip

SBC Single-board computer

RAM Read Access Memory

loT Internet of Things

ESP-IDF Espressif IoT Development Framework

IETF Internet Engineering Task Force

NDIR Non-Dispersive Infrared

HVAC Heating, ventilation, and air conditioning

UI User Interface API Application Programming Interface

RSC React Server Components

LibreELEC Libre Embedded Linux Entertainment Center

ACID Atomicity, Consistency, Isolation, and Durability GPIO General Purpose Input Output Pins

ADC Analog to Digital Converter

DAC Digital to Analog Converter

UART Universal Asynchromous Receiver

SPI Serial Peripheral Interface

RC Inter — Integrated Circuit PWM Pulse Width Modulation

GPU Graphics Processing Uint

VOCs Volatile Organic Compounds

API Application Programming Interface

DOM Document Object Model

RhB Rhodamine B

TÓM TẮT KHÓA LUẬN

Nhóm thực hiện khóa luận với hai mục đích chính là nghiên cứu, tìm hiểu nguyên

lý và xây dựng hệ thống đo nồng độ COa, nhiệt độ, độ âm sau đó hiện thực hệ thống

và thực hiện khảo sát, đánh giá hệ thống này bằng cách thực hiện quá trình quang xúctác với vật liệu bán dẫn Titanium Dioxide trong hệ đo mà nhóm thiết kế

Nhóm hiện thực hệ thống bao gồm thiết bị cảm biến thương mại SCD40 và ESP32

dé đọc dữ liệu và truyền tải không dây, sử dụng máy tính nhúng Raspberry Pi 4B làmthiết bị lưu trữ và server dé hiển thị dữ liệu trên giao diện Web dưới dạng đồ thị chongười dùng và truyền nhận dữ liệu với giao thức HTTP/HTTPS request

Nhóm thiết kế hệ đo và khảo sát các giá trị nồng độ CO», nhiệt độ, độ âm của quátrình quang xúc tác với vật liệu TiOa sau đó đánh giá hệ thống này

Chương 1 MỞ ĐẦU

1.1 Tống quan về đề tài

Sự tác động của dịch bệnh COVID-19 hoành hành trên toàn thế giới trong những

năm gần đây là rất lớn, cũng là lý do góp phần thúc đây sự phát triển vượt bậc trong

việc nghiên cứu, phát triển nên những sản phẩm công nghệ về môi trường, y tế, chămsóc sức khỏe Song hang với sự phát triển khoa học kỹ thuật này, chúng ta phải đốidiện với những thách thức tiềm tàng đến từ việc môi trường sống bị hủy hoại trầmtrong và sự khan hiém về các nguồn năng lượng trong tự nhiên.Đáng chú ý nhất là sựtồn tại lượng lớn các chất hữu cơ sinh ra từ các rác thải công nghiệp mà chưa thôngqua giai đoạn xử ly đã va dang là nguyên nhân chính dẫn đến 6 nhiễm nguồn nước,đất đai và không khí, đặc biệt là sức khỏe cộng đồng Các phương pháp sinh hóatruyền thống thường tốn kém chi phí nhưng chưa thé xử lý một cách hoàn toàn triệt

dé đặc biệt là những loại chất khó phân hủy có nguồn gốc từ hữu cơ như hóa phamnhuộm Vì vậy, việc đây mạnh nghiên cứu nhằm tìm ra một giải pháp có khả nănglàm sạch hiệu quả các chất gây ô nhiễm có giá thành thấp cũng như thân thiện vớimôi trường đang ngày càng trở nên cấp thiết Công nghệ quang xúc tác có thể loại bỏcác chất gây ô nhiễm, kháng khuẩn, khử mùi và làm sạch không khí hiệu quả bằngcách sử dụng ánh sáng đề kích thích các phản ứng hóa học diễn ra giúp loại bỏ hàmlượng chat gây hại thông qua việc biến đổi chúng thành những sản phẩm vô hại với

môi trường (chính là khí COa và nước) [1] Dé quá trình quang xúc tác xảy ra thì vật

liệu cần có độ rộng vùng cam phù hợp có thé hap thụ năng lượng của ánh sáng trongvùng quang phổ từ khả kiến đến cận tử ngoại, đồng thời đáy vùng dẫn và đỉnh vùng

hóa trị của chúng nên tương thích thế năng oxi hóa khử để các chuỗi hoạt động phân

hủy hợp chất diễn ra dễ dàng Don cử vật liệu đó chính là oxit của Titanium (TiO2)bởi vật liệu này với độ rộng vùng cấm vào khoảng 3,2 eV [1, 2] phù hợp với cơ chế

quang xúc tác và vật liệu này sẽ được kích thước bởi ánh sáng UV và sinh ra khí CO2

và nước Khi đó, chúng ta đo đạc và kiểm soát được lượng khí CO2 và nước sinh rađóng vai trò quan trọng dé giảm ô nhiễm môi trường Do vậy nhóm chúng tôi đã chọn

dé tài: “THIẾT KE VÀ XÂY DỰNG HE THONG DO NONG ĐỘ CO›, NHIỆT DO

VÀ ĐỘ AM DUA TREN HIỆN TƯỢNG QUANG XUC TÁC”, dé nghiên cứu timhiểu về nguyên lý hoạt động của hệ thống, đồng thời vận dung các kiến thức đã học

dé xây dựng hệ thống đo nồng độ COs, nhiệt độ và độ 4m nhằm khảo sát các vật liệuphù hợp cho vấn đề kiểm soát ô nhiễm môi trường trong tương lai

1.2 Mục tiêu đề tài

Đề tài này nhăm đạt được một số mục tiêu chính liên quan đến việc thiết kế và xâydựng hệ thống đo nồng độ CO, nhiệt độ và độ âm dựa trên hiện tượng quang xúc tác.Trước tiên, chúng tôi sẽ nghiên cứu cơ sở lý thuyết về hiện tượng quang xúc tác déhiểu rõ các nguyên lý cơ bản và cách thức ứng dụng trong việc phát hiện và đo lường

các thông số môi trường Tiếp theo, chúng tôi sẽ thiết kế một hệ thống cảm biến với

khả năng đo lường chính xác các chỉ số này, đảm bảo tính chính xác và độ nhạy cao

Hệ thống sẽ được xây dựng và triển khai bao gồm cả phần cứng và phần mềm điều

khiển, sau đó tiến hành kiểm tra và hiệu chỉnh dé đảm bảo hoạt động 6n định và hiệu

quả.

Đề đánh giá hiệu suất của hệ thống, chúng tôi sẽ thực hiện các thí nghiệm và đo

lường trong các điều kiện môi trường xác định, so sánh kết quả với các phương pháp

đo lường hiện có dé xác định tính ưu việt của hệ thống Ngoài ra, chúng tôi sẽ xácđịnh các ứng dụng thực tiễn của hệ thống trong các lĩnh vực như giám sát chất lượngkhông khí trong nhà, nông nghiệp thông minh, và các hệ thống thông gió và điều hòakhông khí Cuối cùng, dựa trên kết quả đánh giá, chúng tôi sẽ đề xuất các hướng cải

tiến và phát triển tiếp theo nhằm nâng cao hiệu suất và mở rộng phạm vi ứng dụngcủa hệ thống Bài báo cáo sẽ trình bày chỉ tiết các bước thực hiện, kết quả đạt được,

và các kết luận, đồng thời đưa ra những khuyến nghị và phương hướng nghiên cứu

trong tương lai.

1.3 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là kiểm soát lượng khí CO> trong không khí dé bảo vệ môi

trường, dựa trên việc sử dụng vật liệu bán dẫn 2D (two demensions) với mức bandgap

phù hợp Cụ thể, nghiên cứu sẽ tập trung vào vật liệu TiO2 (Titanium Dioxide), mộtloại vật liệu bán dẫn 2D có tiềm năng ứng dụng cao trong việc xử lý và giảm thiêu

không khí ô nhiễm [1].

1.4 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc sử dụng phương pháp mới để khảo sát lượng

CO: sinh ra thông qua cơ chế quang xúc tác Các thí nghiệm sẽ được tiến hành trong

phạm vi phòng thí nghiệm dé đảm bảo tính chính xác và kiểm soát tốt các điều kiện

thử nghiệm.

Chuong 2 TONG QUAN

2.1 Qua trình quang xúc tác

Khái niệm quang xúc tác lần đầu được đưa ra vào năm 1910 bởi nhà hóa học ngườiPháp Alexander Eibhner trong nghiên cứu của ông về làm mat màu sắc tố xanh củathuốc nhuộm thông qua việc chiếu xạ ZnO Tuy nhiên, phải đến khi Akira Fujishima

và Kenichi Honda phát hiện ra quá trình điện phân của nước khi một đầu điện cựcTitanium Dioxide (TIO2) dưới bức xa của tia cực tím được nối với đầu điện cực cònlại làm bang Platinum (Pt) Thi nghiệm này được xem là một bước đột pha đối với

ngành khoa học vật liệu, đặt nền móng cho lĩnh vực nghiên cứu chất xúc tác quang

sau này Quá trình quang xúc tác là một hiện tượng hóa học trong đó ánh sáng được

sử dụng dé kích hoạt một chất xúc tác, dẫn đến các phản ứng hóa học mà bản thân nókhông tham gia vào quá trình biến đồi hóa học

Trong những năm gần đây, tình trạng ô nhiễm môi trường gậy ra bởi khí thải độc

hại phố biến như NOx, SOx, CO, NH3, H2S, các hợp chất khí gốc Nitơ (ví dụ hydrogencyanide), các hợp chất chứa lưu huỳnh (như organothiols), hydrocacbon và cô số các

hợp chat vô cơ dé bay hơi — Volatile Organic Compounds (VOCs) đang trở thành vấn

đề mang tính thách thức đối với nhân loại Những khí này gây ra các vấn đề về hôhap, thần kinh làm ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe và tinh than của con người [3,4] Hiện nay các biện pháp chính xử lý ô nhiễm không khí có thé kê đến như hấp thụkhí thải bởi các hợp chất getter dạng xốp, oxi hóa khí độc bởi hóa chất có âm điệncao, thiêu đốt chất khí Tuy nhiên, các giải pháp trên đều tồn tại các hạn chế nhấtđịnh, việc hấp thụ chất thải khí mặc dù chuyển hóa hoàn toàn khí độc nhưng lại tạo

ra các sản phẩm phụ (có thé gay hai), su dung héa chất hoặc thiêu đốt thường tốn kém

và tiêu tốn nhiều năng lượng Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng quang xúc tác là mộttrong những phương pháp hiệu quả nhất trong việc xử lý khí thải độc hại [5, 6]

2.1.1 Nguyễn lý cơ bản của quang xúc tác

Quá trình quuang xúc tác thường liên quan đên việc các vật liệu bán dân như

Titanium Dioxide (TiO2) làm chất xúc tác Khi những vật liệu này hap thụ ánh sáng

có năng lượng đủ cao (thường là ánh sáng cực tím hoặc ánh sáng nhìn thấy), cácelectron trong vùng hóa trị của chất bán dan được kích thích chuyền lên vùng dẫn, délại lỗ trong (hole) trong vùng hóa tri [7].

2.1.2 Cơ chế hoạt động

Khi có photon tới mang năng lượng lớn hơn hoặc bằng với giá trị độ rộng vùng

cam Eg của vật liệu quang xúc tác, các electron (e) được kích thích và di chuyên từvùng hóa trị lên vùng dan và dé lại lỗ trống (h*) trong vùng hóa trị Các cặp điện tử

tiếp tục tham gia vào quá trình phản ứng hóa học khi tiếp xúc với các phân tử chất

cho (D - Donor) hay chất nhận (A - Acceptor) tại bề mặt chất xúc tác Cụ thé electron

quang sinh ở vùng dẫn sé khử các chất nhận e và ngược lại lỗ trống tại vùng hóa trị

có xu hướng khử các chat cho e', kết quả của quá trình này là sự sản sinh ra các gốc

oxi phản ứng (Reactive Oxygen Species) có hoạt tính cao giúp phân hủy chất bân hữu

cơ thành các sản phâm vô hại với môi trường [1].

Hình 2.1: So đồ minh họa cơ chế quang xúc tác của chat bán dan [8].

Thành phần chính gây ra phản ứng phân hủy chất hữu cơ là các gốc oxi phản ứng

- ROS, trong số đó *OH (gốc Hydroxyl) cho thay khả năng xử lý chat ban vượt trội

hơn cả Quá trình tạo ra thành phần này cũng như cơ chế quang xúc tác được mô tảchỉ tiết như sau:

Chất quang xúc tác + hv — e + h* (1.1)

Lỗ trống quang sinh với khả năng oxi hóa mạnh khi tiếp xúc với nước trong môi

trường dung dich tạo thành các gôc Hydroxyl.

h + HO — h* + sOH (1.2)

Đồng thời, sự khử của các phân tử oxi trong không khí cũng diễn ra dé tạo thànhion super-oxide *Oz-, đây cũng là tiền chất quang trong dé tạo thành các ROS khác

e + O2 > Or (1.3)

Tiép đến, một số sốc super-oxide hoạt động như một chất cho điện tử, trong khi đó

số còn lại nhận một electron dé hình thành O>, sản phẩm này tiếp tục phản ứng với

hai proton dé tạo ra hydrogen peroxide

2h* + sOz + *Oz — H202 + O¿ (1.4)

Hydrogen peroxide có thé bị khử một phan đề sinh ra các gốc Hydroxyl (*OH) hoặc

bị khử hoàn toàn và tạo ra nước.

H202 +e — OHe + OH (1.5)

HO + H202 — 2H20 + O2 (1.6)

Các gốc hydroxyl hình thành với kha năng oxi hóa mạnh ngay lập tức lay cácelectron từ những chất hữu cơ tiếp xúc với gốc này và phân hủy chúng thành các sảnphẩm vô cơ thân thiện với môi trường

Chat hữu cơ + OH» + CO¿ + H20 (1.7)

2.1.3 Vat liệu quang xúc tac

Vật liệu có hoạt tính quang xúc tác cân phải thỏa mãn các yêu câu sau:

- Độ rộng vùng cấm: dé diễn ra quá trình quang xúc tác thi photon tới phải có nănglượng lớn hơn hoặc băng với năng lượng Eg của vật liệu, để kích thích sự phân tách

của các hạt tải mang điện.

- Vị trí dãy năng lượng của chất bán dẫn: bản chất của quang xúc tác là phản ứng

oxy hóa khử hay quá trình cho và nhận điện tử Vì thế, dé có khả năng phân hủy cácchất bân tốt thì vị trí dãy năng lượng của chất bán phải phù hợp với thế oxy hóa khửH+/OH- Cụ thẻ, lỗ trống sinh thành tại vùng hóa tri (của vật liệu bán dẫn ) phải cóthé năng (lân cận mức Ev) dương hon thé oxi hóa của OH- dé tạo ra gốc Hydroxyl,ngược lại electron quang sinh tại vùng dẫn phải có thé năng (lân cận mức Ec của vậtliệu bán dẫn) âm hơn thế khử của H+ mới có thể khử oxi và hình thành super-oxide

Hình 2.2: Vị tri vùng năng lượng của một số chat bán dẫn [9]

Từ vị trí dai năng lượng của một số chất bán dan trong hình 2.2 có thé thay rangcác chất bán dẫn như TiO›, ZnO, WOa, CdS, Fe203, đều thỏa man các yêu cầu trênvới các giá trị thế oxi hóa phù hợp Cũng chính vì điều này mà chúng được sử dụng

rộng rải trong việc xử lý chât bân và làm sạch môi trường tự nhiên.

2.2 Vật liệu bán dẫn TiO:

Titanium Dioxide (TiO›) là một trong những vật liệu bán dẫn quan trọng và phốbiến nhất được sử dụng trong các ứng dụng quang xúc tác Dưới đây là tổng quan vềvật liệu này, bao gồm cấu trúc, tính chất, ứng dụng và những thách thức liên quan

2.2.1 Cấu trúc và tính chất của TiO:

TiO» là oxit kim loại có màu trắng, tồn tại dưới ba dạng tinh thé đó là brookite

(orthorhombic), anatase (teragonal), rutile (tetragonal) và một dạng vô định hình (còn

gọi là Titania), trong đó Ti** được bao quanh bởi sáu nguyên tử O? tạo thành tinh thé

có cau trúc dang bát diện với một Ti ở tâm va 6 O bao quanh (thường gọi van tắt làTiO¿) Sự khác nhau về trật tự sắp xếp giữa các khối bát diện đã tạo ra nhiều dạng thù

hình với những tính chất lý, hóa khác nhau cho vật liệu này [10].

Hình 2.3: Cấu trúc tinh thể TiOo a) Dang Rutile b) Dang Anatase c) Dang

Brookite [10].

Anatase: là một trong những dang thù hình được khảo sát phổ biến nhất, thườngđược sử dụng như một chất xúc tác quang do khả năng tương tác mạnh với ánh sáng

Cấu trúc này cũng có mật độ trạng thái cao khiến các gốc hydroxyl dé dàng hap phụ

trên bề mặt cũng như hạn chế được quá trình tái hợp giữa electron va lỗ trống nhiềuhơn so với rutile và brookite Anatase có các thông số mạng là a = b = 0,3784 nm và

e = 0,9515 nm (ở điều kiện thường), độ dài liên kết giữa Ti-Ti, Ti-O lần lược là 0,304

nm và 0,195 nm [10].

Rutile: được nghiên cứu rộng rãi vì day là dạng có cấu tạo đơn giản và én địnhnhất của TiO> với cấu trúc bốn phương xác định bởi ba thông số tinh thé gồm: haithông số mang a, ¢ cùng một tọa độ thông số mạng Oxy (a = 0,459 nm; e = 0,295 nm

va tọa độ oxi là 0,030 nm), khoảng cách Ti-Ti là 0,269 nm, trong khi đó giữa Ti va O

là 0,196 nm Với cau trúc có hai nguyên tử trong môi 6 đơn vi, các bát diện TIOs có

xu hướng dùng chung các cạnh và đỉnh, đây chính là nguyên nhân dẫn đến việc rutile

có tính đối xứng cao nhất trong các dạng thù hình thường gặp của TiO›

Brookite: Là trạng thái giả bền, dé bị chuyền sang dang rutile khi có tác động củanhiệt độ, brookite thuộc cấu trúc trúc trực thoi với nguyên tử titan nằm gần trung tâm

và các đỉnh xung quanh là oxi Cũng giống như anatase và rutile, dang thù hình nàycũng cấu thành từ các bát diện, cụ thể mỗi bát diện sẽ sử dụng chung ba cạnh: mộtcạnh dọc theo hướng mặt mạng (100) và 2 cạnh còn lại phân bồ theo hướng (001)

2.2.2 Tính chất vật liệu TiO:

2.2.2.1 Tính chất quang

Vật liệu TiO2 được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị quang học do độ bền cơ họctuyệt vời, độ trong suốt cao trong vùng ánh sáng khả kiến cũng như tính ổn định trướcmôi trường độ âm [11] Điển hình là nghiên cứu của nhóm tác giả Auvinen [12] đãcho thấy khi thay đôi kích thước hạt nano TiO> từ 200 nm xuống khoảng dưới 10 nmchứng kiến mẫu có sự chuyền đổi trạng thái từ đục sang trong suốt ở vùng ánh sángkhả kiến, đồng thời tạo thành một lớp cản bức xạ từ tia UV Cụ thể, đối với bàn dẫnthuần TiO> thì pha anatase với độ rộng vùng cắm (E; ~ 3,2V) cho thay khả năng xúc

tác va độ linh động hat tải cao hơn so với pha rutile (Eg ~ 3,0V) va pha brookite day

là một tính chất hữu ích cho các ứng dụng về quang điện và quang xúc tác

2.2.2.2 Tinh chất điệnTính chất điện của vật liệu TiO2 được hình thành dựa trên cấu trúc các vùng năng

lượng của chúng Trong đó, đỉnh vùng hóa tri của chúng được tạo thành từ các obitan

2p của nguyên tử oxi, bao gồm hai vùng nhỏ (Op; va Opa), mặt khác tại trạng tháitương tác cuối cùng với nguyên tử Ti cũng được chia làm ba vùng nhỏ: vùng năng

lượng thấp nhất do liên kết Op, tạo ra, vùng năng lượng trung bình của liên kết z vàvùng năng lượng cao được hình thành bởi trạng thái không liên kết của Op; tại vị trícao nhất của vùng hóa trị, ở đó sự tương tác với trạng thái d của Ti hầu như không

đáng kể Phía thấp nhất của vùng dẫn được cấu thành từ các orbitan 3d của Ti và bị

10

phân tách thành hai vùng nhỏ: vùng Ti eg (> 5 eV) va Ti ta; (< 5 eV), còn những trạng

thái không liên kết dxy chủ yếu tập trung ở đáy vùng dẫn

Sự khác nhau về cau trúc tinh thé giữa các dạng thù hình phô biến trong TiO› lànguyên nhân chính dẫn đến sự khác biệt về vùng năng lượng của rutile, anatase vàbrookite Vùng cắm E, được tao ra bởi sự tách rời của các trạng thái không liên kết(orbitan Opz) ở đỉnh vùng hóa trị và những trạng thái không liên kết của orbitan Tidxy ở đáy vùng dẫn Vì mật độ sắp xếp các bát diện của pha anatase thấp hơn so vớirutile cùng với với việc khoảng cách giửa liên kết Ti-Ti trong anatase lớn hơn khiến

các orbitan Ti dxy trong pha nay trở nên khá cô lập [13] Nhóm tác gia J Pan [14] khi

nghiên cứu cau trúc của tinh thể TiO2 ở các mặt mạng khác nhau đã đưa ra nhữngthông số cụ thé về E; của pha anatase ở từng họ mạng (001), (101) và (010) lần lượtlà: 3,18 eV; 3,22 eV; 3,23 eV Ngoài cấu trúc mạng, các tính chất điện tử cùng vớikhả năng truyền dẫn hạt tải của TiO› còn phụ thuộc vào các khuyết tật Oxy Cu thé,TiO» là bán dẫn thuần có điện trở suất cao (~ 1013 Q.m) [15] tuy nhiên sự thiếu hụtcác vị tri Oxy trong câu trúc dẫn đến việc dư thừa các electron trong tinh thé, kết quảcủa điều này độ dẫn của vật liệu tăng lên

2.2.3 Ứng dụng của TiO:

Vật liệu TiOa được nghiên cứu nhiều trong lĩnh vực quang xúc tác nhằm xử lý 6

nhiễm môi trường Hon nữa, vật liệu TiO2 còn được kết hợp với các vật liệu 2D (two

dimensions) khác nhằm tăng cường khả năng quang xúc tác Một nghiên cứu củanhóm tác gia Lin [16] đã kết hợp thành công vật liệu TiO2 và vật liệu 2D- MoS2 va

đo đạt kha năng xử lý chất hữu co Rhodamine B (RhB) của tô hợp dưới tác dụng từánh sáng khả kiến (với bước sóng 4 > 320 nm) Nồng độ thuốc nhộm bị phân hủy(RhB) với chất xúc tác là mẫu TiO2/MoS2 10MT (10% khối lượng MoS: trong hợp

chất) được thé hiện qua kết quả hình 2.4a, rõ ràng thấy được tại vi trí 553 nm (giá tri

sóng đặc trưng cho Rhodamine B) cường độ hấp thụ giảm mạnh sau hai giờ chiếu xạ.Sau khi quá trình kết thúc, giá trị này gần như trở về mức 0 chứng tỏ lượng thuốc

nhộm đưa vào đã bi loại bỏ hoàn toàn.

11

—— I§min 04

—=^—I0MT

—=y—=10MT

Absorbance / aaa.

u32 —i— SOMT Ệ

Darkness i Light irradiation

Hình 2.4: a) Giá trị phố hap thu UV-vis của dung dich RhB dưới tác nhân xúc tác là

tổ hợp TiO2/MoS> b) Sự giảm độ hấp thụ của RhB theo thời gian chiếu xạ c) đồ thị

hàm bậc nhất của các chất xúc tác [16]

Đề kiểm chứng sự ảnh hưởng của nồng độ lượng vật liệu bồ trợ đến khả năng quangxúc tác đối với vật liệu nền, nhóm này đã tạo ra nhiều mẫu composite với tỉ lệ phầntrăm về khối lượng khác nhau theo chiều hướng giảm dần vật liệu chủ: mẫu

TiO2/MoS2 95:05 (SMT), mẫu TiOz/Mo§› 90:10 (10MT), mẫu TiO2/MoS2 70:30

(30MT), mẫu TiO2/MoS2 50:50 (50MT), đồng thời TiO» thuần (T) và RhB thuần(Blank) cũng được đem so sánh dé đánh giá hiệu suất Theo đồ thị hình 2.4b, với 60

phút đầu trong bóng tối những mẫu có chứa MoS> chứng kiến sự sụt giảm đôi chút

về nồng độ RhB tuy nhiên các giá trị này thay đổi không đáng kẻ Khi trai qua haigiờ dưới tác động của ánh sáng khả kiến, dễ dàng thấy rằng nồng độ chất hữu cơ với

12

sự tham gia của các mẫu composite đều giảm đáng ké so với TiO› thuần, cụ thé tỉ lệRhB bị phân hủy tương ứng với các mẫu thử T; SMT; I0MT; 30MT; 50MT lần lượt

là 27; 88; 93; 35 va 31% Một kết quả cũng đáng chú ý là mẫu TiO›/MoSza (10MT)

có hiệu suất cao nhất, điều này cho thấy ở một khối lượng vừa đủ thì vật liệu lớp thể

hiện khả năng tăng cường hoạt tính quang đáng kẻ, khi nồng độ MoSa trở nên vượt

mức thì hiệu quả xúc tác cũng bị giảm di.

Hoạt động xúc tác của TiO› và composite TiO2/MoS> cũng có thê biéu diễn thôngqua một hàm đồ thị tuyến tính bậc nhất của phương trình In(Co/C) = kt như hình 2.4c.Trong đó, Co và C là nồng độ RhB ở thời điểm 0 và t, k là hằng số phản ứng, các giátrị k tính toán được của các mẫu T; SMT; LOMT; 30MT; 50MT lần lượt là 0.09; 0,77;0,89; 0,14 và 0,11 h'!, mẫu 10MT vẫn thé hiện ưu thế mạnh hơn trong việc xử lý chấthữu cơ so với các mau còn lại, điều này cũng cho thay rằng hiệu quả quang xúc táccủa các mẫu tô hợp phụ thuộc trực tiếp vào lượng vật liệu lớp đính vào cau trúc TiO»

2.3 Raspberry Pi

2.3.1 Giới thiệu về Raspberry Pi

Raspberry Pi được phát trién bởi Raspberry Pi Foundation, một tổ chức từ thiện có

trụ sở tại vương quốc Anh, với mục tiêu khuyến khích việc học tập lập trình máy tính

và kỹ thuật số trong các trường học và nước đang phát trién Raspberry Pi sử dụng hệthống vi mạch (SoC) BCM2835 của Broadcom, bao gồm một vi xử lý ARM1176JZF-

S 700 MHz, VideoCore IV GPU [17], bộ nhớ lên đến 512 MB (ban đầu là 256 MBRAM) Thiết bị này đi kèm với thẻ nhớ SD (model A và B) hoặc thẻ nhớ MicroSD(model A+ và B+) được sử dụng dé khởi động hệ điều hành và lưu trữ [17]

RaspberryPi

Hình 2.5: Logo của Raspberry Pi

13

Với kích thước nhỏ gọn cùng với giá tiền phù hop, Raspberry Pi dang dan tiếp cậnvới các nhà sản xuất và những người đam mê lập trình nói chung và lập trình nhúngnói riêng Raspberry Pi đã được thiết kế có mục đích như một chiếc máy tính cực kỷlinh hoạt và mạnh mẽ với chi phí chỉ bằng một chiếc máy tính truyền thống dé bat kỳ

ai cũng có thé sử dụng dé giải quyết van đề một cách sáng tạo khiến Raspberry Pi trởthành một thiết bị nghiên cứu tuyệt vời có thé được ứng dụng cho hầu hết mọi thứ

2.3.2 Lịch sử phát triển

Raspberry PI Foundation được thành lập vào năm 2009, với phiên bản Raspberry

Pi đầu tiên được phát triển vào năm 2012 Từ đó đến nay, nhiều phiên bản của

Raspberry Pi đã được phát hành, bao gồm Raspberry Pi 1, 2, 3, 4, và mới nhất làRaspberry Pi 5, mỗi phiên bản đều có các cải tiến về hiệu suất và tính năng Các phiênbản này đều duy trì thiết kế nhỏ gọn nhưng nâng cao kha năng xử lý, kết nối và tiết

kiệm năng lượng

2.3.3 Hệ điều hành của Raspberry Pi

Raspberry Pi được chạy trên hệ điều hành Linux, đặc biệt là Raspberry PI OS (trướcđây là Raspbian), đã trở thành một số lựa chọn phô biến nhất nhờ sự hỗ trợ chính thức

từ Raspberry Pi Foundation và sự tối ưu hóa cho phần cứng của Raspberry Pi

Raspberry Pi OS dựa trên Debian, mang lại sự ồn định và bảo mật, cùng với một khophần mềm phong phú từ cộng đồng mã nguồn mở Bên cạnh đó, Ubuntu cũng cungcấp phiên bản hỗ trợ cho Raspberry Pi, mở rộng khả năng sử dụng cho những ai quenthuộc với môi trường Ubuntu Đối với những người đam mê game cô điển, RetroPie

là một giải pháp lý tưởng, biến Raspberry Pi thành một máy tính chơi game đa nềntảng [18, 19, 20] Các hệ điều hành như LibreELEC và OSMC tập trung vào việc biến

Raspberry Pi thành trung tâm giải tri gia đình, hỗ trợ tốt việc phát đa phương tiện với

phần mềm Kodi [21] Đặc biệt, Kali Linux va Manjaro ARM [22] mang lai nhữngtrải nhiệm khác nhau từ kiểm thử bảo mật mạng đến một môi trường làm việc thânthiện và hiện đại Những hệ điều hành này không chỉ mở rộng phạm vị ứng dụng củaRaspberry Pi mà còn làm nổi bật tính linh hoạt và khả năng tùy biến của nó

14

blog hoặc các ứng dụng doanh nghiệp nhỏ.

- Dự án IoT (Internet of Things): Là một nền tảng lý tưởng cho các dự án IoT nhờ vào khả năng kết nỗi mạng và khả năng mở rộng với các module và cảm biến.

Các dự án IoT phé biến bao gồm hệ thống nhà thông minh, giám sát môi trường, hệthống an ninh và quản lý năng lượng

- Media Center: Với phần mềm như Kodi, Raspberry Pi có thê trở thành một trung

tâm giải trí gia đình mạnh mẽ, phát trực tiếp các nội dung video, âm nhạc và hình ảnh

từ các nguôn trực tuyên hoặc lưu trữ nội bộ.

15

- Robot và điều khiển tự động: Raspberry Pi là một bộ não lý tưởng cho nhiều dự

án robot và tự động hóa nhờ vào khả năng lập trình và kết nối với các thiết bị điềukhiển Các dự án này bao gồm robot du chuyền tự động, cánh tay robot, và các hệthống điều khiến từ xa

- Hệ thống giám sát và an ninh: Có thé được sử dụng dé thiết lập các hệ thống

giám sát và an ninh với các camera IP và phần mềm như MotionEyeOS, giúp theo

dõi và ghi lại các sự kiện trong nhà hoặc nơi làm việc.

- Hê thống đo lường: Với các cảm biến và phần mềm phù hợp, Raspberry Pi có

thé đo lường và giám sát các thông số như nhiệt độ, độ âm, chất lượng không khí, và

nhiều thông số môi trường khác

2.3.5 Raspberry Pi 4

Raspberry PI 4 là phiên bản thứ 4 trong dòng máy tính nhỏ gọn của Raspberry PI

Foundation, ra mắt vào ngày 24 tháng 6 năm 2019 Với nhiều cải tiến về phần cứng,

trước đó.

Gigabit Ethernet

2.4/5GHz Wirless

Bluetooth 5.0

Micro SD Card Slot

2-lane MIP! DSI

Raspberry Pi 4 là một bước tiến vượt bật trong dòng sản phẩm Raspberry Pi, mangđến hiệu năng mạnh mẽ va kha năng mở rộng tuyệt vời Được trang bị bộ vi xử lýQuad-core Cortex-A72, tốc độ lên đến 1.5 GHz và bộ nhớ tùy chọn từ 2GB, 4GB đến8GB [24], Raspberry Pi 4 không chỉ hỗ trợ tốt các ứng dụng giáo dục mà còn đáp ứngnhu cầu của các dự án đòi hỏi hiệu suất cao như trí tuệ nhân tạo, máy học và điệntoán biên Khả năng kết nối được cải thiện đáng kể với cổng USB 3.0, GigabitEthernet và hỗ trợ Wi-fi băng tần kép, giúp truyền tải dữ liệu nhanh chóng và hiệu

qua Cổng HDMI kép cho phép kết nối với 2 màn hình 4K, mở ra nhiều khả năng mới

trong việc sử dung Raspberry Pi 4 như một máy tính dé bàn đa nhiệm Với những

nâng cấp này, Raspberry Pi 4 thực sự là một công cụ mạnh mẽ và linh hoạt, phục vụtốt cả trong giáo dục và các ứng dụng công nghiệp

- Giá thành hợp lý: Với mức giá cực kỳ phù hợp với người dùng từ học sinh, sinh

viên, nhà trường đến các nhà phát triển và nhà nghiên cứu

- Cộng đồng hỗ trợ: Số đông cộng đồng người dùng Raspberry Pi, cung cấp nhiều

tài liệu, diễn đàng và hỗ trợ kỹ thuật

- Đa dạng hệ diều hành: Với sự hỗ trợ từ rất nhiều hệ điều hành như Ubuntu, Kali

Linux, Manjaro ARM tạo sự phong phú, đa dạng

- Dự án server, database: Khả năng thiết lập server, cho phép người dùng truy

cập từ xa, lưu trữ thông tin cần thiết từ các dự án

- Hỗ trợ đa màn hình và đồ họa: Sở hữu 2 công micro-HDMI, hỗ trợ đầu ra lênđến 4K Được trang bị GPU VideoCore IV, hỗ trợ sử lý đồ họa và video mượt mà

17

Dựa vào hiệu năng cao, tính năng phong phú, Raspberry P1 4 là một trong những

chiếc máy tính nhỏ gon trở nên phô biến trên thị trường hiện nay, từ giá thành chođến cộng đồng đông đảo và nhiệt tình Việc chọn Raspberry Pi 4 sẽ giúp dự án của

người dùng đa dạng và sáng tạo.

2.3.7 Ứng dung Raspberry Pi 4 vào hệ thống

Với mục đích ban dau là xây dụng hệ thống lưu trữ dữ liệu nồng độ CO›, Raspberry

Pi 4 được sử dụng dé thiết kế server, database thuận tiện cho việc theo d6i, khảo sát

2.3.7.1 Ung dụng tạo server cho hệ thống

Raspberry Pi 4 là một thiết bị lý tưởng dé chạy một server nhỏ gọn và hiệu quả,nhờ vào khả năng mạnh mẽ và giá thành hợp lý Đề tạo một server trên Raspberry Pi

4, ta có thé sử dụng NodeJS kết hợp với thư viện ExpressJS

ExpressJS là một framework mạnh mẽ và linh hoạt, giúp việc xây dụng các ứng

dụng web trở nên dễ dàng hơn Một khi cái đặt xong, ta có thể bắt đầu tạo một ứngdụng web đơn giản băng cách tạo file Javascript, khai báo các bộ định tuyến (route)

cơ bản, và thiết lập các lớp trung gian (middleware) cần thiết Với khả năng xử lý cácyêu cầu HTTP một cách hiệu quả và hỗ trợ đầy đủ các phương thức HTTP, ExpressJSgiúp xây dụng các API RESTful một cách dễ dàng Điều này biến Raspberry Pi thànhmột công cụ mạnh mẽ phát triển cho các dự án web

2.3.7.2 Ứng dụng tạo database cho hệ thốngBên cạnh thiết lập server, Raspberry Pi 4 cũng có thé được sử dụng dé thiết lập và

quản lý một database server mạnh mẽ sử dung PostgreSQL PostgreSQL là một hệ

quan tri cơ sở dữ liệu quan hệ mã nguồn mở, nỗi tiếng với tính năng mạnh mẽ và hiệusuất cao

PostgreSQL hỗ trợ rất nhiều tính năng nâng cao như ACID, và khả năng mở rộng.Với việc cài đặt và cấu hình hợp lý, Raspberry Pi 4 có thể trở thành một databaseserver đáng tin cậy cho các ứng nhỏ và trung bình Sự kết hợp giữa Raspberry Pi 4

18

và PostgreSQL cung cấp một giải pháp hoàn chỉnh cho việc lưu trữ và quản lý dữliệu, phục vụ cho các ứng dung web và di động phát triển trên nền tảng NodeJS.

Cấu trúc bảng cơ sở dit liệu và kiểu dit liệu của các trường:

- id (serial): Khóa chính của bản, giá tri tự động tang

- co2 (numeric(6, 2)): Nong độ CO2 được do từ qua trình quang xúc tác

- temperature (numeric(5, 2)): Nhiệt độ được do từ quá trình quang xúc tác

- humidity (numeric(5, 2)): Độ ầm được do từ quá trình quang xúc tác

- packageTime (integer): Thời gian gói tin từ giao diện web đến websocket và trở

về giao diện

- packageNumber (smallint): Số thứ tự của gói tin, giá tri tăng dan mỗi khi giao

diện web gửi yêu cầu lên websocket, đùng đề kiểm soát số lượng gói tin được gửi

- createdAt (timestamp): Thời điểm đo nồng độ CO, nhiệt độ, độ âm

Hệ cơ sở dữ liệu được thiết kế với PostgreSQL dé quan lý các dữ liệu đo lường từ

cơ chế quang xúc tác Các trường dữ liệu được định nghĩa rõ ràng để lưu trữ thông

tin cần thiết các thông số trong quá trình đo Sử dung PostgreSQL cũng đảm bảo tính

toàn vẹn và hiệu suât của hệ thông cơ sở dữ liệu.

2.4 Node.js

2.4.1 Giới thiệu Node.js

Node.js là một nền tảng phát triển ứng dụng server-side, cho phép xây dựng ứngdụng Front-end và Back-end dựa trên JavaScript, ra mắt vào năm 2009 bởi Ryan Dahl

19

[25] Với sự phát triển mạnh mẽ và hỗ trợ từ cộng đồng, Node.Js đã nhanh chóng trở

thành một trong những nền tảng mã nguồn mở phổ biến nhất dé phát triển ứng dụng

web

Hình 2.8: Logo Node.Js

Node.js được biết đến với là ngôn ngữ bat đồng bộ, nhưng với kiến trúc

event-driven [26] với khả năng xử lý bat đồng bộ và non-blocking IO [26], hệ thống có thé

sử lý nhiều yêu cầu cùng một lúc mà không bị chặn bất kỳ yêu cầu nào [26], giúptăng cường khả năng xử lý đồng thời và giảm độ trễ

Node.js được xây dung và chạy trên V8 JavaScript Engine [27, 28] của Google

Chrome, giúp tăng cường hiệu suất và tốc độ xử lý Ngoài ra, với NPM (NodePackage Manager) được tích hợp trên Node.js, cung cấp hàng nghìn gói mà có thé sửdụng bên trong những dự án Ví dụ với đề tài này, ExpressJS và Sequelize là hai trongnhững package chính được tai về và sử dụng, với ExpressJS được sử dụng dé xâydựng một server va Sequelize được sử dung đề kết nối giữa server và database

2.4.2 Giới thiệu về ExpressJS

ExpressJS là một trong những framework phổ biến được sử dụng trên Node.js.Giúp xây dựng ứng dụng một cách linh hoạt Được ứng dụng dé thiết lập web và API

ở phía server Là mã nguồn mở và được phát triển bởi TJ Holowaychuk [29] vào năm

2010

20

Hình 2.9: Logo của ExpressJS

ExpressJS được thiết kế đơn giản va dé sử dụng, hoạt động như một lớp trung gian

(middleware) — nơi tạo các API RESTful dé giao tiép các ứng dung client va server

— giữa các yêu cầu HTTP được gửi tới server thông qua bộ định tuyến (route) và cácphản hồi từ server ExpressJS có hỗ trợ của các mau giao diện (engine template) như

EJS, Pug cùng với các thư mục tĩnh như CSS và JavaScript giúp xây dựng giao diện

web ở phía server.

Ngoài ra, với việc sử dụng thêm thư viện sequelize (thư viện giúp server kết nốivới database), người dùng có thể thiết lập theo mô hình MVC (Modal, View,Controller) với M — Modal là nơi quản lý các hệ co sở giữ liệu và kết nối với database,

V — View là nơi xây dựng giao điện web, C — Controller là nơi sử lý các yêu cầu từphía client thông qua bộ định tuyến Xây dựng theo mô hình MVC giúp người dùngtối ưu hóa code, dễ bảo trì

ExpressJS đang là sự lựa chọn hàng đầu cho việc thiết lập ứng dụng server, vớihiệu suất cao, khả năng mở rộng tốt, tính linh hoạt, thiết kế đơn giản, giúp người dùng

dễ dàng tiếp cận

2.4.3 Ly do chọn Node.js

Là nền tảng phát trién ứng dụng server dựa trên ngôn ngữ phổ biến trong cộng đồnglập trình hiện nay là JavaScript Dưới đây là một số lý do tại sao sử dụng Node.js làmứng dụng server cho đề tài:

- Hiệu suất cao: Với kiến trúc event-driven và non-blocking IO, giúp xử lý nhiều

kết nói đồng thời một cách hiệu quả, phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi cần phải xử

21

lý các yêu cầu đồng thời Đồng thời với V§ JavaScrip Engine, giúp xử lý JavaScriptcực kỳ nhanh và tăng hiệu suất ứng dụng.

- Hệ sinh thái phong phú: Với trình quản lý hàng ngàn gói thư viện, giúp bạn sử

2.5 Ngrok

2.5.1 Giới thiệu về Ngrok

Trong bối cảnh phát triển phần mềm hiện nay, việc xây dụng và thử nghiệm cácứng dụng web trở nên ngày càng phô biến Tuy nhiên, việc truy cập và thử các ứngdụng này từ các thiết bị khác nhau trong mạng lưới cục bộ hoặc từ ngoài vùng thườnggặp nhiều khó khăn do giới hạn của nội mạng lưới nội bộ (LAN) và vấn đề bảo mật.Ngrok là một công cụ hữu ích giúp ích giải quyết van đề này bằng cách tạo các Tunnel

[30] bảo mật từ internet vào mạng cục bộ, cho phép truy cập các dịch vụ web cục bộ

từ bất kỳ đâu trên thế giới

22

Được sáng lập bởi Alan Shreve [31], Ngrok được thiết kế cho phép đưa các máychủ của người dùng lên Internet chỉ trong vài giây, người xem có thé truy cập đườngđịa chỉ URL được tạo ra từ ngrok bất kỳ đâu, sau chuyên tiếp các yêu cầu đến máy

chủ server.

Với việc sử dụng ngrok, người dùng có thể đưa server được chạy trên thiết bị loT

như Raspberry Pi lên Internet ngay cả trên máy tính của người dùng.

2.5.2 Lý do chọn ngrok

Với đề tài này, việc truy cập đến máy chủ server trên raspberry pi là vô cùng quantrọng Vì vậy, ngrok được xem là sự lựa chọn lý tưởng cho đề tài này, dưới đây làmột số lý do nên chọn ngrok:

- Dễ dàng kết nối từ xa: Ngrok cho phép các nhà phát triển đưa máy chủ servercục bộ lên Internet chỉ với vài bước cài đặt và thiết lập

- Chi phi sử dụng: Nsrok cung cấp một gói miễn phí với một tài khoản nhất định,

là một giải pháp hiệu quả đối với những dự án phát triển cá nhân và các nhóm nhỏ

- Bảo mật: Ngrok cung cấp TLS/SSL [32] dé mã hóa dữ liệu giữa máy chủ server

với Internet, đảm bảo được an toàn.

- Màn hình quan sát [32]: Ngrok cung cấp các tính năng như màn hình dé giámsát các yêu cầu được gửi đến chỉ tiết, giúp dễ dàng phát hiện lỗi và sữa lỗi

Với các lý do trên, Ngrok là sự lựa chọn rất phù hợp với đề tài này, đu nhu cầu cho

việc thiệt lập máy chủ server, một giải pháp hiệu quả cho các dự án nhỏ.

2.6 PostgreSQL

2.6.1 Giới thiệu PostgreSQL

PostgreSQL là một hệ quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ mã nguồn mở mạnh mẽ, đượcphát triển tại trường đại học California, Berkeley [33, 34] PostgreSQL được pháttriển và duy trì bởi lượng lớn từ cộng đồng, cho phép các nhà lập trình, nhà quản lý

dt liệu được tải xuông và sử dụng.

23

Hình 2.11: Logo PostgreSQL

PostgreSQL ban dau duoc dat 1a Postgres, vé sau hé thong được tích hợp thêm SQLvào năm 1996 va được đổi tên lại thành PostgreSQL Hệ thống tuân thủ các thuộc

tính ACID [35] (Atomicity, Consistency, Isolation, and Durability), đảm bảo tính

toàn ven va độ tin cậy cua đữ liệu.

PostgreSQL cung cấp nhiều tính năng, giúp lưu trữ dữ liệu lớn, hỗ trợ nhiều kiểu

dữ liệu trong đó có hỗ trợ kiểu dữ liệu phức tạp như JSON và hstore cùng các kiểu

dữ liệu do người dùng định nghĩa [33].

2.6.2 Lý do chon PostgreSQL

Dưới day là một sỐ ly do cho việc sử dung PostgreSQL cho dự án:

- Miễn phí: Là hệ quản trị cơ sở dit liệu quan hệ mã nguồn mở va được duy trì vàphát triển bởi lượng lớn cộng đồng hỗ trợ, vì vậy người dùng có thể sử dụng một cách

dễ dàng.

- Tính toàn vẹn dữ liệu: Do tuân thủ theo thuộc tính ACID, đảm bảo rằng tính

toàn vẹn và độ tin cậy của dữ liệu

- Hỗ trợ đa dạng kiểu dữ liệu: Hỗ trợ từ các kiểu dữ liệu thông thường như

interger, char, float, double, cho đến các kiểu đữ liệu phức tạp như JSON, XML,

Việc sử dụng PostgreSQL cho các dự án phát triển giúp tăng tính bảo mật, tính linhhoạt và hiệu suất cao Cung cấp các tinh năng phong phú dé đáp ứng tốt các yêu cầuứng dụng hiện nay cho đến tương lai.

2.7 ESP32 Devkit VI

2.7.1 Giới thiệu về ESP32 Devkit V1

ESP32 Devkit VI là một board phát triển phô biến dựa trên vi điều khiển ESP32

của Espressif Systems Day là một công cụ mạnh mẽ và linh hoạt, được sử dụng rộng

rãi trong các dự án IoT (Internet of Things), điều khiển tự động, và các ứng dụngnhúng khác nhờ vào khả năng kết nối Wi-fi và Bluetooth tích hợp sẵn, giúp nó có thể

giao tiếp dễ dàng với các thiết bị và mạng khác ESP32 Devkit VI sở hữu một bộ vi

xử lý lõi kép với tốc độ lên tới 240 MHz, cùng với bộ nhớ SRAM 520 KB và bộ nhớflash 4 MB, mang lại hiệu suất xử lý cao và khả năng lưu trữ tốt Board còn tích hợpnhiều công GPIO, ADC, DAC, UART, SPI, I2C và PWM, cho phép kết nối và điều

khiển đa dạng các thiết bị ngoại vi [36]

| 33V mŸm-j< O-(55)-amn

| RESET m EN (2 )}-0 £ ° GIOP23 = VSPIMOSI

ADC0 = GIOP30 SEB emElIe GIOP22 = 120 SCL © Demag GIOP22 g 12C SCL |

:

o-2-manm

§

IDŒNW-ETYISIR-ấdf778-(10)—O ©8 I81T3-Eð1151đØ-ai718-411)-0 ©5

3

$

3

eg @ 3

š

©®

Hình 2.12: Thành phần cấu tạo của ESP32 Devkit V1 [36]

Một trong những ưu điểm nổi bật của ESP32 Devkit V1 là sự hỗ trợ mạnh mẽ từ

cộng đông và tài liệu phong phú, bao gôm các hướng dan, thư viện và mã nguôn mở,

25

giúp người dùng dé dàng triển khai và phát triển các dự án Ngoài ra, ESP32 Devkit

VI còn hỗ trợ các nền tang phát triển phố biến như Arduino IDE, PlatformIO, vàESP-IDF (Espressif loT Development Framework), tạo điều khiện thuận lợi cho việclập trình viên từ sơ cấp đến chuyên nghiệp Với sự kết hợp giữa hiệu năng mạnh mẽ,tính linh hoạt cao và khả năng kết nối tốt, ESP32 Devkit V1 là một sự lựa chọn tuyệt

vời cho các ứng dụng IoT, nhà thông minh, tự động hóa, và các dự án điện tử các

nhân.

2.7.2 Giới thiệu về ESP-IDF

ESP-IDF (Espressif IoT Development Framework) là một công cụ phát triển phầnmềm được Espressif System phát triển để dành riêng cho các dòng vi điều khiểnESP32 ESP-IDF cung cấp nền tảng toàn diện cho việc xây dụng hệ thống IoT, hỗ trợ

nhiều thành phần phần mềm và tính năng phong phú, cho phép ESP32 thực hiện được

nhiêu vai trò trong các dự án.

ESP-IDF là công cu mã nguồn mở và có san trên Github, nơi lưu trữ tài liệu và cácthành phần phần mềm có sẵn bao gồm các tính năng như RTOS, mạng, trình điềukhiến các giao thức, ứng dung web server, Bluetooth , cho phép bạn tải và sử dụng

một cách dễ dàng.

2.7.2.1 Ly do sử dụng ESP-IDF cho việc lập trình cho ESP32

Việc sử dụng các công cụ lập trình cho ESP32 với các công cụ phô biến khác nhưArduino IDE, Platform IO phụ thuộc vào các dự án, kinh nghiệm lập trình, yêu cầu

về các tinh năng Dưới đây là một số lý do nên sử dụng ESP-IDF cho dé tài này:

- Hiệu suất: ESP-IDF cho phép bạn tận dụng tối đa các tính năng của phần cứngcủa ESP32 ESP-IDF cung cấp hệ thống chứa nhiều thành phần phần mềm chỉ tiết,người dùng có thé quản lý dé dàng, giúp tối ưu hóa hiệu suất cho các ứng dụng phức

tạp.

26

- Tích hop RTOS (Real-Time Operating System): ESP-IDF cung cấp kha năng

sử lý da tac vu nhờ vào tính nang RTOS, cho phép người dùng chạy song song các ứng dụng và đông bộ hóa các tác vụ.

- Hỗ trợ các giao thức mạng: ESP-IDF cung cấp cho người dùng các giao thức

mạng và tiêu chuan như Wi-fi, Blutooth (BLE), MQTT, HTTP/HTTPS, giúp bạn xây

2.7.3 Ứng dụng của ESP32 Devkit V1

Trong bối cảnh phát trién nhanh chóng của công nghệ IoT (Internet of Things), cácnền tảng phần cứng như ESP32 Devkit V1 đã trở thành công cụ quan trọng, mang laikhả năng kết nối và xử lý mạnh mẽ với chi phí thấp ESP32 Devkit VI, với vi xử lý

lõi kép và khả năng kết nối wi-fi và bluetooth, cung cấp một nền tang lý tưởng cho

nhiều ứng dụng IoT

- Giám sát môi trường: ESP32 Devkit VI được sử dụng rộng rãi trong các dự án

giám sát môi trường nhờ vào khả năng két nối với nhiều loại cảm biến Các loại cảmbiến đo nhiệt độ, độ 4m, chất lượng không khí, và ánh sáng có thé dé dàng kết nói với

ESP32, cho phép thu thập dư liệu môi trường theo thời gian thực.

- Nhà thông minh: Là một thành phan chính trong các hệ thống nhà thông minh,cho phép điều khiến và giám sát các thiết bị trong nhà qua internet Với khả năng kết

nối wi-fi, ESP32 có thê giao tiếp với các thiết bị di động hoặc giao tiếp web

- Ung dụng công nghiệp: Trong công nghiệp, ESP32 Devkit V1 được sử dụng dégiám sát và điều khiển các quy trình sản xuất, giúp cải thiện hiệu quả và giảm tốithiểu lỗi Khả năng kết nối mạnh mẽ và hỗ trợ cac giao thức truyền thống công nghiệp

27

như Modbus làm cho ESP32 trở thành lựa chọn phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp.

ESP32 Devkit V1 là một nền tảng mạnh mẽ và linh hoạt, cung cấp giải pháp hiệu

quả cho nhiều ứng dụng IoT từ giám sát môi trường, nhà thông minh đến các ứng

dụng công nghiệp Với sự hỗ trợ mạnh mẽ từ cộng đồng và tài liệu phong phú, ESP32

Devkit VI không chỉ là một công cụ học tập tuyệt vời mà còn là một nền tăng phát

triển ứng dụng thực tiễn đa dạng

2.7.4 Ứng dụng ESP32 Devkit V1 vào hệ thống

Trong thời đại công nghệ hiện nay, việc giao tiếp dữ liệu thời gian thực giữa cácthiết bị và ứng dụng web trở nên ngay càng quan trọng ESP32 Devkit VI, với khảnăng kết nối Wi-fi và Bluetooth, là một lựa chọn tốt cho các dự án IoT Một trongnhững phương pháp hiệu quả để truyền dữ liệu thực là sử dụng Websocket [37]

2.7.4.1 Giới thiệu về Websocket

Websocket là một giao thức truyền thông mở rộng của HTTP, được thiết kế đề thiếtlập kết nối hai chiều giua client va server [38, 39] Được chuẩn hóa bới IETF (InternetEngineering Task Force) trong RFC 6455 [38], Websocket mang đến một phương

28

pháp truyền dữ liệu hiệu quả và mạnh mẽ, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu giaotiếp thời gian thực.

Đặc điểm chính của Websocket:

- Giao tiếp hai chiều (Eull-Duplex) [40, 41]: Không giống như HTTP, nơi clientphải gửi yêu cầu từ server, Websocket cho phép server và client gửi dữ liệu cho nhaubất cứ lúc nào Điều này rất quan trọng cho các ứng dụng cần cập nhập liên tục nhưtrò chuyên trực tuyến, giám sát dữ liệu thời gian thực, và các trò chơi trực tuyến

Hinh 2.14: Giao tiép hai chiéu trong Websocket [42]

- Kết nối duy nhất [40, 41]: Websocket sử dụng một kết nối TCP duy nhất détruyền tải dữ liệu Sau khi kết nối được thiết lập, không cần phải mở kết nối mới cho

mỗi yêu cầu, giúp tiêt kiệm tài nguyên hệ thống và băng thông mạng

29