Trang chủ Tự động hóa Số hóa Công nghiệp Xây dựng mô hình hệ thống quan trắc chỉ số ô nhiễm...

Xây dựng mô hình hệ thống quan trắc chỉ số ô nhiễm không khí trên nền tảng IoT

Đặt vấn đề

Hiện nay, trong quá trình hoạt động sản xuất công nghiệp, các khu công nghiệp và làng nghề thường xuyên phát sinh khí thải, mỗi ngành sản xuất phát sinh khí thải, bụi gây ô nhiễm không khí đặc trưng theo từng loại hình công nghệ. Trong đó, tác nhận gây ô nhiễm không khí hiện nay chủ yếu vẫn là bụi và các loại khí thải SO2, CO, NO2,… Vì vậy, vấn đề cấp bách hiện này cần thiết phải có hệ thống quan trắc một số chỉ số ô nhiễm không khí như nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ khí CO2, nồng độ khí SO2, tổng lượng bụi TSP trên nền tảng IoT tại các khu công nghiệp và làng nghề nhằm giúp các cơ quan quản lý nhà nước đánh giá một cách chính xác các tiêu chí kiểm soát vấn đề môi trường, nâng cao sức khỏe của người dân.

Thực trạng ô nhiễm không khí trên thế giới và Việt Nam

Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), ô nhiễm không khí gây ra 7 triệu ca tử vong sớm mỗi năm. Số liệu thống kê của Liên hợp quốc cũng cho thấy, mỗi giờ có khoảng 800 ca tử vong do ô nhiễm không khí, trung bình 13 người tử vong mỗi phút, gấp ba lần số tử vong vì sốt rét, bệnh lao và AIDS mỗi năm. Cũng theo WHO, Việt Nam có 34.232 người tử vong sớm có liên quan đến ô nhiễm không khí.

Hình 1. Ô nhiễm gây bệnh cho con người các loại hạt bụi và sự xâm nhập vào cơ thể người

Công bố từ các chuyên gia khảo sát tình trạng ô nhiễm môi trường tại Hà Nội, TP. HCM cho thấy, bụi mịn có kích thước nhỏ hơn 2,5 micro mét tăng cao (PM2.5), và những tháng cuối năm 2019 đều ở ngưỡng rất xấu, cụ thể chỉ số chất lượng không khí (AQI – ứng dụng Air Quality Index đo chỉ số ô nhiễm không khí và mức độ ảnh hưởng đến sức khỏe của con người) tại Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh thời gian cuối năm 2019 tăng khá cao, dao động từ 100 đến 200, nhiều ngày vượt ngưỡng an toàn, nguy hại tới sức khỏe người dân, nhất là bụi mịn PM2.5. Tháng 9/2019, nồng độ bụi tăng mạnh so với các tháng trước đó và so với cùng kỳ các năm từ 2015-2018. Từ tháng 9-12/2019, chỉ số AQI nhiều nơi đã vượt giá trị 200, đặc biệt có ngày chỉ số AQI giờ có nơi vượt ngưỡng 300, mức nguy hại cho sức khỏe. Điều này xuất phát từ tình trạng số lượng phương tiện giao thông, nhất là phương tiện cá nhân tăng cao. Mặt khác, Việt Nam đang trong thời điểm thu hút mạnh đầu tư nước ngoài nên số lượng nhà máy sản xuất thành lập và đi vào hoạt động ngày càng nhiều, trong khi hệ thống hạ tầng cần thiết để kiểm soát, phát hiện và ngăn ngừa tình trạng gây ô nhiễm môi trường từ những chủ nguồn thải còn rất hạn chế.

Hãng Horiba – công ty Nhật hàng đầu về các thiết bị phân tích phân giải cao – đã phát triển hệ thống theo dõi chất lượng không khí AQMS. Hệ thống này thuận tiện trong xác định hướng và tốc độ gió, và các thông số thời tiết khác, cùng với nồng độ các thông số ô nhiễm (SO2, NOx, CO, O3, THC,…) và PM thường xuyên quanh năm. Dữ liệu thu thập được có thể được công bố trên Internet để cộng đồng truy cập và nhận cảnh báo về chất lượng không khí tại khu vực mình sinh sống, làm việc; từ đó có những hành động tự bảo vệ mình.

Hình 2. Hệ thống giám sát khí thải công nghiệp SS-700

Hình 3. Bản đồ tương tác AQI toàn thế giới trên IQ Air

Hệ thống quan trắc chất lượng không khí lớn nhất hiện nay là hệ thống IQAir Air Visual đang đặt tại hơn 90 quốc gia trên thế giới. IQAir Air Visual được thành lập vào năm 2015, có trụ sở tại Mỹ, Trung Quốc, và Thụy Sĩ. Đây là tổ chức sở hữu lượng dữ liệu tổng hợp rất lớn về chất lượng không khí, trong đó thông số quan trọng nhất là bụi mịn PM 2.5. Các chỉ số theo dõi chất lượng không khí được cập nhật liên tục tại website AirVisual.com và ứng dụng trên hai nền tảng hệ điều hành Android và iOS.

Xây dựng mô hình hệ thống quan trắc một số chỉ số ô nhiễm không khí trên nền tảng IoT

Từ thực tiễn nhu cầu trên, chúng tôi đề xuất một mô hình hệ thống quan trắc một số chỉ số ô nhiễm không khí gồm: nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ khí CO2, nồng độ khí SO2, tổng lượng bụi TSP, trên nền tảng IoT một cách trực quan, liên tục.

Hình 4. Mô hình thiết bị quan trắc một số chỉ số ô nhiễm không khí trên nền tảng IoT

Hệ thống trên gồm trạm giám sát tự động và hệ thống phần mềm trên máy tính và thiết bị di động đều được kết nối không dây với nhau và với mạng Internet. Hệ thống phần mềm được phát triển trên máy chủ xử lý dữ nhằm thu thâp, phân tích, đánh giá, lưu trữ, cảnh báo,… dữ liệu được gửi lên từ trạm thu thập. Ưu điểm của sử dụng công nghệ IoT là sẽ loại bỏ được kết nối dây giữa trạm thu thập và hệ thống giám sát. Trong đó, kiến trúc hệ thống được chia thành các phân hệ chính sau:

  • Phân hệ cảm biến đo: Gồm các trạm giám sát một số chỉ số ô nhiễm không khí như nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ khí CO2, nồng độ khí SO2, Tổng lượng bụi TSP; hoạt động như các nút cảm biến, được tích hợp các module cảm biến, bo mạch xử lý trung tâm, bo mạch truyền thông không dây Lora. Mỗi trạm có khả năng tự cấu hình và hoạt động độc lập hoặc có thể hoạt động theo cấu hình được thiết lập từ xa qua giao thức TCP/IP qua mạng không dây.
  • Phân hệ trung tâm thu thập dữ liệu: Gồm các module thu thập dữ liệu trung tâm và module truyền thông không dây GPRS/3G có khả năng xử lý và tính toán mạnh; cho phép chạy các thuật toán phức tạp như đa truy nhập (multi-access), tập hợp dữ liệu (data aggregation) trước khi truyền dữ liệu về máy chủ xử lý dữ liệu.

Hình 5. Mô hình hệ phần mềm thu thập và xử lý dữ liệu

  • Phân hệ xử lý và cung cấp dịch vụ: Gồm máy chủ cổng ứng dụng có nhiệm vụ kết nối truyền thông với trạm thu thập dữ liệu trung tâm qua mạng internet và cung cấp các dịch vụ ứng dụng cho người dùng. Đồng thời, máy chủ cũng quản lý cơ sở dữ liệu tập trung (CSDL) để lưu trữ dữ liệu quan trắc, cung cấp các dịch vụ truy vấn CSDL cho các dịch vụ biểu diễn dữ liệu quan trắc theo thời gian thực, dữ liệu cho các mô hình cảnh báo, thống kê báo cáo. Ngoài ra, máy chủ có nhiệm vụ cung cấp các dịch vụ, chức năng quản trị hệ thống, quản trị người dùng, bảo mật dữ liệu, phân tích xử lý dữ liệu, chạy các mô hình cảnh báo sớm.
  • Phân hệ ứng dụng người dùng: Cung cấp các phần mềm quản lý, giám sát và cảnh báo trên giao diện Web và trên phần mềm thiết bị di động chạy nền tảng Android. Các dạng biểu diễn kết quả bộ thông số quan trắc sẽ được cung cấp, cho phép hiển thị thông tin trực quan dạng số, đồ thị và dạng bảng biểu phù hợp
Kết luận

Việc ứng dụng công nghệ nhúng kết hợp với công nghệ truyền thông không dây 3G/Lora để xây dựng hệ thống IoT quan trắc một số chỉ số ô nhiễm không khí có thiết kế mở, dễ dàng mở rộng thêm các chức năng mới đáp ứng được nhu cầu đa dạng của nhiều ngành thì hệ thống này sẽ rất hữu ích cho các cơ quan chức năng ở nhiều sở, bộ, ngành, các trường đại học trên cả nước có nhu cầu quan trắc môi trường khí hoặc xây dựng hệ thống giám sát từ xa trên diện rộng.

Tài liệu tham khảo

[1] IQAir AirVisua, Báo cáo Chất lượng Không khí Thế giới năm 2019, 2019
[2] Hoàng Minh, Sơn, Mạng truyền thông công nghiệp, 2014.
[3] Sổ tay hướng dẫn kiểm soát khí thải công nghiệp

Tác giả: Đỗ Quang Hiệp1, Phạm Ngọc Minh2, Ngô Mạnh Tiến3
1Trường Đại học Kinh tế- Kỹ thuật Công nghiệp
2Viện Công nghệ thông tin, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam
3Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Theo dõi fanpage chúng tôi

BÌNH LUẬN

Vui lòng nhập bình luận của bạn
Vui lòng nhập tên của bạn ở đây

Bài viết cùng chủ đề

TBA số đầu tiên tại Việt Nam dự kiến đưa vào vận hành trong tháng 4/2021

Nhằm đảm bảo cung cấp điện cho phụ tải và đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế xã hội tại huyện Thủy Nguyên, TP....

EVNNPC đảm bảo cung cấp điện an toàn, ổn định trong các ngày lễ

Để đảm bảo vận hành an toàn hệ thống điện, cung cấp điện ổn định, tin cậy phục vụ các hoạt động chính trị,...

Đại học Quốc gia Tp. HCM thực hiện chiến lược trở thành đại học nghiên cứu hàng đầu khu vực và thế giới

Ngày 10/4/2021, Bộ Khoa học và Công nghệ đã ký hợp tác cùng Đại học Quốc gia Tp. HCM để thực hiện chiến lược...

Ra mắt Mạng lưới Hỗ trợ thương mại hóa kết quả nghiên cứu Khoa học

Ngày 11/4/2021, Mạng lưới Hỗ trợ thương mại hóa kết quả nghiên cứu Khoa học và Công nghệ (LIFVietnam) có buổi ra mắt chính...

Doanh nghiệp công nghệ cao phải đạt doanh thu ít nhất 70%

Thủ tướng Chính phủ ban hành Quyết định số 10/2021/QĐ-TTg quy định tiêu chí xác định doanh nghiệp công nghệ cao có hiệu lực...

Bài viết nổi bật

TBA số đầu tiên tại Việt Nam dự kiến đưa vào vận hành trong tháng 4/2021

Nhằm đảm bảo cung cấp điện cho phụ tải và đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế xã hội tại huyện Thủy Nguyên, TP....

5 việc cần làm để không mất việc trong các ngành công nghiệp tự động

Định hướng làm việc của các doanh nghiệp hiện đại đang chuyển dịch sang mô hình tự động hóa. Hơn 90% các tổ chức...

Chọn ngành nghề nào để không thất nghiệp

Ngày hội tư vấn tuyển sinh - hướng nghiệp 2021 được tổ chức tại Đại học Bách khoa Hà Nội vào sáng ngày 11/4/2021...