- THỰC HIỆN HỆ THỐNG GIÁM SÁT, THU THẬP DỮ LIỆU NỒNG ĐỘ CÁC KHÍ ĐỘ C T Ạ I MƯƠNG, RẠ CH X Ả NƯỚ C TH Ả I. - Tóm tắt: Bài viết trình bày việc thiết kế và thực hiện hệ thống giám sát các khí độc hại nhằm cung cấp thông tin cảnh báo kịp thời về tình trạng ô nhiễm không khí gây ra do các mương, rạch xả nước thải. - Hệ thống xây dựng một mạng cảm biến không dây chuyền dữ liệu theo chuẩn truyền thông LoRa cho phép truyền dữ liệu khoảng cách xa lên đến vài kilômét trong các đô thị. - Các cảm biến tại các nút cảm biến sử dụng để giám sát, phát hiện các khí độc như amoniac (NH 3. - Dữ liệu từ các nút cảm biến sẽ gửi về trạm gốc. - Trạm gốc làm nhiệm vụ tập hợp và cập nhật dữ liệu liên tục lên cơ sở dữ liệu điện toán đám mây để lưu trữ. - Một giao diện web được phát triển nhằm cung cấp các biểu đồ trực quan từ dữ liệu thu thập được về nồng độ các khí độc. - Sau thời gian thiết kế, hệ thống đã được triển khai thực nghiệm, đánh giá tại các vị trí được chọn lựa phù hợp trong khuôn viên Khu 2 của Trường Đại học Cần Thơ với các kết quả ban đầu rất khả quan.. - Từ khóa: Công nghệ LoRa, hệ thống giám sát khí độc, mạng cảm biến không dây, nước thải.. - Nước bị ô nhiễm nghĩa là thành phần của nó tồn tại các chất khác, mà các chất này có thể gây hại cho con người và môi trường sống các sinh vật trong tự nhiên. - Hệ thống quản lý sức khỏe và an toàn nghề nghiệp quy định, giới hạn thời gian phơi nhiễm NH 3 trong không khí xung quanh [2].. - Sự phát triển nhanh chóng của các thiết bị điện tử và công nghệ truyền thông không dây truyền nhận dữ liệu ở khoảng cách xa, tiêu hao ít điện năng. - Điều này cho phép triển khai các mạng cảm biến phân tán trên diện rộng và giảm chi phí bảo trì. - Một trong số đó là công nghệ LoRa của Semtech đã được sử dụng trong các ứng dụng giám sát môi trường, thành phố thông minh. - Công nghệ này cho phép việc truyền nhận dữ liệu với các kết nối không dây ở khoảng cách có thể đạt tới vài kilômét ở khu vực thành thị và hàng chục kilômét ở khu vực nông thôn [4-8].. - Mục tiêu của nghiên cứu này là thiết kế và thực hiện một hệ thống giám sát các khí độc hại nhằm cung cấp thông tin cảnh báo kịp thời về tình trạng ô nhiễm không khí gây ra do các mương, rạch xả nước thải với giá thành hợp lý. - Ngoài ra, việc áp dụng kỹ thuật truyền thông không dây khoảng cách xa, tiêu hao ít điện năng cho phép hệ thống có thể triển khai mạng cảm biến trong phạm vi vài kilômét vuông và hoạt động ổn định trong thời gian dài.. - Tiếp theo, Phần 2 trình bày các bước thiết kế hệ thống. - Các kết quả thực hiện và thực nghiệm kiểm chứng hoạt động của hệ thống được trình bày chi tiết ở Phần 3. - Phần 4 các tác giả sẽ tóm tắt các kết quả đạt được và trình bày các phương hướng nhằm tiếp tục hoàn thiện, cải tiến hệ thống.. - Sơ đồ tổng quát của hệ thống. - Hình 1 trình bày sơ đồ tổng quát của hệ thống bao gồm những thành phần chính là mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network, WSN) và cơ sở dữ liệu (CSDL) trên điện toán đám mây (Cloud storage) cùng với giao diện web cho ứng dụng người dùng. - Mạng cảm biến không dây gồm 02 nút cảm biến (sensor node). - Mỗi nút có chức năng đọc dữ liệu cảm biến, nhận yêu cầu và gửi dữ liệu đọc được đến nút trung tâm (gateway) thông qua đường truyền vô tuyến theo chuẩn truyền thông LoRa. - Nút trung tâm làm nhiệm vụ nhận dữ liệu gửi về từ hai nút cảm biến, sau đó tiến hành kiểm tra đóng gói dữ liệu nhận được và gửi đến Cloud server qua kết nối mạng Internet (Wi-Fi). - Dữ liệu thu thập được sẽ được lưu trữ vào cơ sở dữ liệu phục vụ việc phân tích, đánh giá, ra quyết định,… Bên cạnh đó, một giao diện web được phát triển với biểu đồ trực quan biểu diễn các giá trị thu thập được từ các nút cảm biến theo thời gian thực. - Thiết kế phần cứng của hệ thống. - Sơ đồ tổng quát của phần cứng hệ thống. - Hình 2 mô tả phần cứng của hệ thống, phần cứng của hệ thống được thiết kế bao gồm phần cứng của nút cảm biến và phần cứng của nút trung tâm. - Dữ liệu về nồng độ của các khí độc thu thập được từ 2 nút cảm biến được gửi về nút trung tâm sử dụng chuẩn truyền thông LoRa.. - Thiết kế phần cứng của các nút cảm biến. - (a) Sơ đồ khối và (b) sơ đồ kết nối các thành phần tại nút cảm biến. - Nút cảm biến có chức năng đọc giá trị của các cảm biến và gửi dữ liệu cảm biến đọc được về nút trung tâm qua đường truyền LoRa ở tần số 433 MHz [9]. - Phần cứng tại nút cảm biến bao gồm những thành phần sau: vi điều khiển Arduino Nano, môđun LoRa Ra-02 và các cảm biến khí MQ-2, MQ-135, MQ-136, DHT11 dùng để đo lần lượt nồng độ các khí metan (CH 4. - Thiết kế phần cứng của nút trung tâm. - Phần cứng tại nút trung tâm chỉ sử dụng một board ESP32 LoRa Wi-Fi V2 được kết nối với nguồn 5 VDC có thể được lấy từ pin hoặc mạch cấp nguồn 5 VDC. - Board ESP32 LoRa Wi-Fi V2 hoàn toàn có thể đáp ứng chức năng gửi yêu cầu và nhận dữ liệu từ các nút cảm biến qua đường truyền LoRa, tổng hợp và gửi dữ liệu đến Cloud server thông qua Wi-Fi. - Chương trình điều khiển hoạt động của nút cảm biến. - Lưu đồ mô tả chương trình nút cảm biến được trình bày bởi Hình 4. - Khi khởi động chương trình, hệ thống sẽ thực hiện các nhiệm vụ như sau: khởi tạo hệ thống, khởi tạo LoRa, đợi yêu cầu từ nút trung tâm, khi nhận được yêu cầu từ nút trung tâm sẽ tiến hành đọc giá trị các cảm biến, xử lý số liệu đọc được và gửi phản hồi số liệu đến nút trung tâm. - Hai nút cảm biến luôn kiểm tra yêu cầu từ nút trung tâm.. - Lưu đồ tại nút cảm biến 2.2.2. - Chương trình tại nút trung tâm. - Hình 5 là lưu đồ mô tả chương trình tại nút trung tâm. - Nút trung tâm đóng vai trò quan trọng trong cả hệ thống. - Nút trung tâm phải thực hiện bao gồm: khởi tạo và thiết lập các thông số cần thiết cho các kết nối truyền thông LoRa trong mạng cảm biến, kết nối Wi-Fi để đưa dữ liệu lên Cloud server. - Tiếp theo, chương trình điều khiển mọi hoạt động của mạng truyền thông không dây LoRa để thu thập các dữ liệu gửi về từ các nút cảm biến, tiến hành xử lý số liệu nhận được và đóng gói gửi dữ liệu đến Cloud server qua kết nối Wi-Fi.. - Lưu đồ chương trình điều khiển tại nút trung tâm. - Hình 6 trình bày sơ đồ tổng quát của phần mềm quản lý cơ sở dữ liệu và giao diện ứng dụng người sử dụng được xây dựng dựa trên nền tảng điện toán đám mây. - Cloud server làm nhiệm vụ quản trị cơ sở dữ liệu (CSDL).. - Các dữ liệu bên cạnh được cập nhật, lưu trữ vào CDSL còn được biểu diễn dưới dạng các đồ thị trực quan thông qua một giao diện web thân thiện đối với người sử dụng.. - Bên cạnh đó, dịch dụ lưu trữ dữ liệu trên đám mây của Google (Google storage) được sử dụng để lưu trữ dữ liệu phục vụ việc phân tích, xử lý, ra quyết định. - Để chuyển dữ liệu Thingspeak nhận được từ mạng cảm biến sang cập nhật, lưu trữ bởi dịch vụ lưu trữ đám mây do Google cung cấp, trong nghiên cứu này dịch vụ IFTTT (If This Then That) đã được sử dụng. - Cụ thể trong ứng dụng này, sự kiện dữ liệu từ mạng cảm biến nhận được ở Thingspeak sẽ kích hoạt hành động chuyển dữ liệu vừa cập nhật đó đến dịch vụ lưu trữ của Google.. - Hệ thống giám sát, thu thập dữ liệu về nồng độ các khí độc. - Phần cứng của nút cảm biến. - Hình 7 là hình ảnh thực tế phần cứng của một nút cảm biến. - Do yêu cầu đặt nút cảm biến cần được đặt ở ngoài trời và gần mặt nước nên phần mạch điện của nút cảm biến được thiết kế nhỏ gọn và đặt trong hộp để hạn chế trường hợp hư hỏng do ẩm, ướt gây ra. - Được thiết kế để đo các khí thoát lên trên mặt nước nên các cảm biến được nối dây ra xa phần mạch điện khoảng 30 cm để có thể đặt gần mặt nước hơn và được bố trí nằm ngang, cách xa nhau cho việc đọc giá trị được chính xác hơn. - Phần ăng ten dài 1,5 m có thể đặt ăng ten lên cao thuận lợi. - Các cảm biến khí CH 4 , NH 3. - cho việc truyền/nhận dữ liệu. - Đặc tính của nút cảm biến là được đặt ngoài trời và có thể thay đổi địa điểm khác nhau nên nguồn sử dụng của nút cảm biến là pin. - Nút cảm biến sử dụng 2 viên pin Li-on có dung lượng 3.000 mAh nối tiếp và một môđun giảm áp 5V-3A để cấp nguồn cho mạch. - Vì thế nút cảm biến có thể hoạt động liên tục trong khoảng 1 đến 2 giờ tùy theo số lần đọc dữ liệu và truyền dữ liệu của nút cảm biến. - Hình 8 là hình ảnh thực tế phần cứng của nút trung tâm trong mạng cảm biến không dây.. - Phần cứng nút trung tâm được thiết kế nhỏ gọn chỉ gồm một board ESP32 LoRa Wi-Fi V2 được kết nối với ăng ten. - Board được trang bị cổng Micro USB tiện lợi dùng để nạp chương trình điều khiển hệ thống cũng như cấp nguồn hoạt động cho board.. - Phần cứng của nút trung tâm 3.2. - Sau khi thực hiện hoàn chỉnh hệ thống, kiểm tra vận hành thử hệ thống một cách cẩn thận, các tác giả đã tiến hành chọn 03 địa điểm phù hợp trong khuôn viên Khu 2 Trường Đại học Cần Thơ để tiến hành đo kiểm thử hệ thống. - Nút cảm biến thứ nhất (node 1) được đặt tại mương nước trước Câu lạc bộ Ngoại ngữ. - Nút cảm biến thứ hai (node 2) được đặt tại mương xả nước đối diện dãy nhà học của Khoa Khoa học Tự nhiên. - Bên cạnh đó, đây là nơi sinh viên thường xuyên tập trung tổ chức sinh hoạt Đoàn, Câu lạc bộ học thuật,… mà sự phát tán các khí độc hại có thể ảnh hưởng xấu đến sức khỏe. - Nút trung tâm (gateway) được đặt tại lầu 4 của nhà học D2 với độ cao từ mặt đất đến nút trung tâm khoảng 20 m để tránh các vật cản như cây cối, các tòa nhà,… cho phép việc truyền/nhận dữ liệu được tốt hơn. - Hình 9 là bản đồ bố trí 2 nút cảm biến và nút trung tâm trong các thực nghiệm nhằm kiểm tra, đánh giá hoạt động của hệ thống.. - Trong khuôn viên Khu 2 Trường Đại học Cần Thơ có nhiều cây xanh và các toà nhà làm hạn chế việc truyền dữ liệu nên nhóm đã chọn những địa điểm nêu trên với khoảng cách gần để việc truyền/nhận dữ liệu được tốt hơn.. - Nút cảm biến số 1 và nút cảm biến số 2 đến nút trung tâm lần lượt có khoảng cách là 200 m và 120 m trong điều kiện có nhiều cây xanh gây ra giảm chất lượng đường truyền tín hiệu.. - Lắp đặt hệ thống thực nghiệm (a) nút cảm biến và (b) nút trung tâm. - Để đáp ứng yêu cầu đo khí thoát lên trên mặt nước nên nút cảm biến được nhóm gắn vào cọc dài và cắm xuống nước sao cho khoảng cách từ các cảm biến đến mặt nước gần nhất (khoảng 15 cm) giúp cho việc đọc dữ liệu được chính xác hơn và tránh làm ướt các cảm biến. - Phần ăng ten được đặt trên cao để cho việc truyền nhận giữa nút cảm biến và nút trung tâm hiệu quả hơn. - Hình 10 mô tả cách lắp đặt (a) nút cảm biến số 1 và (b) nút trung tâm.. - Đối với nút trung tâm, ăng ten được đưa lên cao nhằm cho phép ăng ten của các nút cảm biến và ăng ten nút trung tâm thỏa điều kiện LoS (Line-of-Sight) của chuẩn truyền thông LoRa, hạn chế ít nhất ảnh hưởng của vật cản đến sự ổn định của việc truyền dữ liệu. - Biểu đồ và bảng dữ liệu thu thập được lưu vào Cloud server của nút cảm biến số 1 được mô tả trong Hình 11.. - (a) Biểu đồ, (b) Bảng số liệu thu thập được từ nút cảm biến 1. - Tương tự, biểu đồ và bảng dữ liệu ghi nhận được từ nút cảm biến số 2 khi thực nghiệm được trình bày ở Hình 12. - Sau quá trình thực nghiệm và triển khai hệ thống trong thực tế để giám sát nồng độ các khí độc hại, các kết quả thu thập được cho thấy hệ thống hoạt động ổn định, các giá trị đo đạc từ các cảm biến tương đối chính xác. - Hệ thống được thực hiện với chi phí thấp, các giá trị ghi nhận được cập nhật vào cơ sở dữ liệu theo thời gian thực và hiển thị dưới dạng biểu đồ trên ứng dụng web một cách trực quan.. - (a) Biểu đồ, (b) Bảng số liệu thu thập được từ nút cảm biến 2. - Bài báo này trình bày việc thiết kế và thực hiện hệ thống giám sát, thu thập nồng độ các khí độc hại tại các mương, rạch xả nước thải áp dụng mạng cảm biến không dây sử dụng công nghệ LoRa. - Hệ thống đề xuất trong nghiên cứu này có thiết kế phần cứng nhỏ gọn, thực hiện với chi phí thấp và phần mềm hoạt động ổn định cho phép các nút trong mạng cảm biến có thể truyền nhận dữ liệu ổn định trong môi trường đô thị có nhiều vật cản. - Hệ thống cũng bao gồm trang web có giao diện hiển thị kết quả trực quan dưới dạng các đồ thị với dữ liệu được cập nhật liên tục theo thời gian thực giúp người sử dụng dễ dàng quan sát, đánh giá các kết quả đo đạc. - Bên cạnh những ưu điểm đạt được, hệ thống vẫn còn tồn tại một số hạn chế do sử dụng các cảm biến có độ chính xác chưa cao cũng như các kết quả đo đạc chưa được so sánh, hiệu chỉnh với các thiết bị đo tiêu chuẩn. - Các tác giả dự kiến sẽ bổ sung thêm các cảm biến, lựa chọn thay thế các cảm biến có chất lượng tốt hơn cho các kết quả đo đạc có độ chính xác cao hơn và tiến hành hiệu chỉnh, kiểm chứng các giá trị đo được. - Để hoàn chỉnh hệ thống, các tác giả sẽ cần tiến hành thêm các thực nghiệm, thiết kế mở rộng thêm các nút cảm biến để có thể giám sát được nhiều địa điểm trong khuôn viên Khu 2, Đại học Cần Thơ. - Bên cạnh đó, các khu dân cư chưa có hệ thống xử lý nước thải dẫn đến có nguy cơ cao về ngộ độc khí độc hại, gây ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe của cư dân là những địa điểm phù hợp cho các thực nghiệm tiếp theo. - Ngoài ra, các tác giả cũng sẽ tiếp tục cải tiến sử dụng nguồn điện năng cung cấp cho hệ thống từ các tấm năng lượng mặt trời cho phép hệ thống hoạt động liên tục, dài ngày và thân thiện hơn với môi trường.. - Hệ thống giám sát tự động thông số môi trường nước thải ở một số khu công nghiệp tại tỉnh Hải Dương. - Ứng dụng IoT xây dựng hệ thống quan trắc tự động các thông số nước thải, khí thải. - Cảm biến DHT11. - Cảm biến MQ-2
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt