7. Đo tốc độ gió

1. Mục tiêu

Trong bài này, chúng ta sẽ học cách đo tốc độ gió bằng cảm biến gió (anemometer) kết hợp với Yolo UNO. Tốc độ gió là yếu tố quan trọng trong dự báo thời tiết, đánh giá ô nhiễm không khí và quản lý năng lượng trong thành phố thông minh.

2. Giới thiệu về đo tốc độ gió

Tại sao cần đo tốc độ gió?

Trong thành phố thông minh, dữ liệu tốc độ gió phục vụ nhiều mục đích:

Dự báo thời tiết: Gió mạnh có thể dự báo mưa bão.
Quản lý ô nhiễm: Gió giúp phân tán bụi mịn và khí ô nhiễm.
Năng lượng gió: Đánh giá tiềm năng lắp đặt tuabin gió mini.
An toàn: Cảnh báo gió mạnh nguy hiểm cho người đi đường.
Quy hoạch đô thị: Thiết kế tòa nhà và đường phố tối ưu luồng gió.

Các phương pháp đo tốc độ gió

Phương pháp	Nguyên lý	Phù hợp với
Cánh quạt (Cup Anemometer)	Đếm vòng quay cánh quạt	Trạm thời tiết chuyên nghiệp
Cánh gạt (Vane Anemometer)	Đo lực gió tác động lên cánh	Đo gió trong ống dẫn
Siêu âm (Ultrasonic)	Đo thời gian truyền sóng âm	Nghiên cứu chính xác cao
Đơn giản (DIY)	Cảm biến analog + cánh quạt tự chế	Dự án STEM học sinh

Cảm biến gió Analog

Trong dự án này, chúng ta sử dụng cảm biến gió analog (hoặc module đo tốc độ gió) xuất tín hiệu điện áp tỷ lệ thuận với tốc độ gió:

Thông số	Giá trị
Điện áp hoạt động	3.3V - 5V
Tín hiệu đầu ra	Analog (0 - 3.3V)
Dải đo	0 - 30 m/s
Độ phân giải	0.1 m/s
Giao tiếp	Analog

3. Kết nối

Cảm biến gió kết nối vào cổng Analog trên Yolo UNO:

Cảm biến gió	Yolo UNO
VCC	5V
GND	GND
Signal (OUT)	A1

Cắm cảm biến gió vào cổng A1 trên Yolo UNO.

Lưu ý:

Đặt cảm biến ở vị trí cao, thoáng gió, không bị che chắn.

Cánh quạt cần quay tự do, không bị vướng.

Nếu sử dụng cảm biến tự chế, cần hiệu chuẩn trước khi sử dụng.

4. Công thức tính tốc độ gió

Từ giá trị Analog sang tốc độ gió

Với cảm biến gió analog, công thức quy đổi như sau:

Bước 1: Đọc giá trị ADC (0-4095 với ESP32)

Bước 2: Chuyển sang điện áp:

Điện áp (V) = Giá trị ADC × 3.3 / 4095

Bước 3: Chuyển sang tốc độ gió:

Tốc độ gió (m/s) = Điện áp × Hệ số quy đổi

Hệ số quy đổi phụ thuộc vào loại cảm biến, thông thường:

Với cảm biến 0-5V, dải 0-30 m/s: Hệ số = 6.0
Với cảm biến 0-3.3V, dải 0-30 m/s: Hệ số = 9.09

Quy đổi đơn vị tốc độ gió

Từ	Sang	Công thức
m/s	km/h	× 3.6
m/s	mph	× 2.237
m/s	knot	× 1.944
km/h	m/s	÷ 3.6

5. Giới thiệu khối lệnh

Sử dụng khối lệnh đọc chân Analog A1 để đọc giá trị thô từ cảm biến.
Sử dụng các khối lệnh tính toán để quy đổi sang tốc độ gió (m/s) và km/h.
Có thể tạo biến (variable) để lưu giá trị tốc độ gió và sử dụng trong các điều kiện cảnh báo.

6. Viết chương trình

Chương trình cơ bản: Đo và hiển thị tốc độ gió

Các bước thực hiện:

Khai báo biến: Tạo biến tocDoGio để lưu giá trị tốc độ gió.
Đọc và tính toán: Sử dụng khối lệnh “Sau mỗi 2 giây thực hiện”:
- Đọc giá trị Analog từ chân A1
- Tính điện áp: dienAp = analogRead(A1) * 3.3 / 4095
- Tính tốc độ gió: tocDoGio = dienAp * 9.09 (m/s)
- Tính km/h: tocDoGioKmh = tocDoGio * 3.6
Hiển thị lên LCD:
- Hàng 1: “Gio: X.X m/s”
- Hàng 2: “(XX.X km/h)“

Thang phân loại gió Beaufort

Cấp	Tốc độ (m/s)	Tốc độ (km/h)	Mô tả	Biểu hiện
0	0-0.2	0-1	Gió lặng	Khói bay thẳng lên
1	0.3-1.5	1-5	Gió rất nhẹ	Khói hơi nghiêng
2	1.6-3.3	6-11	Gió nhẹ	Lá cây rung nhẹ
3	3.4-5.4	12-19	Gió vừa	Lá và cành nhỏ dao động
4	5.5-7.9	20-28	Gió khá mạnh	Bụi bay, cành cây nhỏ dao động
5	8.0-10.7	29-38	Gió mạnh	Cây nhỏ dao động
6	10.8-13.8	39-49	Gió to	Cành cây lớn dao động, khó cầm ô
7	13.9-17.1	50-61	Gió bão	Cây lớn dao động, đi lại khó khăn
8+	> 17.2	> 62	Bão	Gãy cành, tốc mái nhà

Chương trình nâng cao: Cảnh báo gió mạnh

Thêm tính năng cảnh báo theo cấp gió:

Gió < 5.5 m/s (cấp 0-3) → LED xanh + LCD: “Gio nhe”
Gió 5.5-10.7 m/s (cấp 4-5) → LED vàng + LCD: “Gio manh”
Gió 10.8-17.1 m/s (cấp 6-7) → LED cam + Buzzer + LCD: “GIO RAT MANH!”
Gió > 17.2 m/s (cấp 8+) → LED đỏ nhấp nháy + Buzzer liên tục + LCD: “BAO! CANH BAO!“

7. Kiến thức mở rộng

Tốc độ gió và ô nhiễm không khí

Tốc độ gió ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ ô nhiễm:

Tốc độ gió	Ảnh hưởng đến ô nhiễm
< 1 m/s	Ô nhiễm tích tụ, PM2.5 tăng cao
1-3 m/s	Ô nhiễm giảm chậm
3-5 m/s	Phân tán tốt, không khí sạch hơn
> 5 m/s	Phân tán nhanh nhưng có thể cuốn bụi

Năng lượng gió

Công suất gió tỷ lệ với lũy thừa bậc 3 của tốc độ gió:

P = 0.5 × ρ × A × V³

Trong đó:

P: Công suất (Watt)
ρ: Mật độ không khí (≈ 1.225 kg/m³)
A: Diện tích quét cánh quạt (m²)
V: Tốc độ gió (m/s)

Điều này có nghĩa: gió mạnh gấp đôi → năng lượng tăng 8 lần!

Thử thách: Em hãy đo tốc độ gió tại 3 vị trí khác nhau trong trường (sân trống, hành lang, gần tòa nhà) và giải thích sự khác biệt. Vị trí nào phù hợp nhất để đặt tuabin gió mini?