TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐA CẢM BIẾN MÔI TRƯỜNG
Vấn đề chất lượng môi trường
Môi trường đóng vai trò quan trọng trong chất lượng cuộc sống của hàng triệu người, với ô nhiễm chủ yếu do khí thải từ phương tiện giao thông, nhà máy và các hiện tượng tự nhiên như núi lửa và cháy rừng Ô nhiễm không khí gây ra nhiều rủi ro sức khỏe, bao gồm ung thư, chết sớm, rối loạn phát triển ở trẻ em, ảnh hưởng đến hệ thống sinh sản và các vấn đề hô hấp như hen suyễn Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), hàng năm có khoảng 7 triệu người tử vong do các bệnh liên quan đến ô nhiễm môi trường cả trong nhà và ngoài trời.
Theo thống kê của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) vào năm 2016, Hà Nội ghi nhận gần 300 ngày ô nhiễm môi trường mỗi năm, dẫn đến hơn 60.000 ca tử vong do các bệnh như đau tim, đột quỵ, ung thư phổi và bệnh phổi tắc nghẽn mạn tính liên quan đến ô nhiễm không khí.
Nó có thể gây ra các triệu chứng như thở khò khè, ho và khó thở, đồng thời ảnh hưởng xấu đến hệ thống tim mạch, làm tăng độ nhạy cảm với nhiễm trùng và gây đỏ hoặc sưng mô phổi.
Bộ Y tế đã chỉ ra rằng các bệnh nhiễm khuẩn đường hô hấp và bệnh tim mạch là hai nhóm bệnh gây ra nhiều ca mắc và tử vong nhất tại các cơ sở y tế Đến năm 2019, tình trạng ô nhiễm môi trường đã đạt nhiều kỷ lục đáng báo động.
Sở Tài nguyên Môi trường Hà Nội đã công bố chỉ số chất lượng môi trường (AQI) trên 200, cho thấy mức ô nhiễm xấu, và duy trì tình trạng này trong 4 ngày liên tiếp Vào ngày 12/11, chỉ số AQI đã vượt qua 300, đạt mức nguy hại Thành phố khuyến cáo người dân hạn chế hoạt động thể dục ngoài trời vào buổi sáng, đóng cửa sổ và giảm thiểu việc ra đường Nhiều trường học trong nội thành Hà Nội đã phải ngừng mọi hoạt động ngoài trời do ô nhiễm kéo dài, học sinh phải tập thể dục và vui chơi trong phòng kín với điều hòa bật từ 7h sáng Đây không phải là tình trạng mới, khi từ năm 2018, Chỉ số hiệu suất môi trường (EPI) của Ngân hàng Thế giới đã xếp hạng chất lượng môi trường Việt Nam ở vị trí thấp.
159 trên 180 nước Năm 2012, Việt Nam cũng đứng thứ 9 từ dưới lên ở bảng xếp hạng này
Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia (QCVN_05:2013/BTNMT) được thiết lập nhằm kiểm soát ô nhiễm không khí và bảo vệ sức khỏe cộng đồng Các sở tài nguyên phải thực hiện các quy định nghiêm ngặt để ngăn chặn ô nhiễm môi trường Để theo dõi tình trạng ô nhiễm, nhiều trạm quan trắc chất lượng không khí đã được lắp đặt tại các đô thị và vùng ngoại ô Các chất ô nhiễm như sulfur dioxide (SO2), nitơ đioxit (NO2), cacbon monoxit (CO), ozon (O3), chì (Pb) và vật chất dạng hạt (PM10) được đo lường và theo dõi liên tục.
Hình 1.2 Các trạm theo dõi chất lượng mối trường xung quanh tại Hà Nội
Mục đích chính của việc theo dõi dữ liệu từ trạm là xác định mức độ ô nhiễm môi trường mà cộng đồng đang tiếp xúc Đồng thời, việc này cũng nhằm giáo dục công chúng về tình trạng ô nhiễm và các ảnh hưởng của nó đối với sức khỏe con người.
Mặc dù có ba loại ô nhiễm môi trường không lành mạnh đang tồn tại, nhưng các trạm theo dõi hiện tại chỉ bao quát một phần nhỏ trong tổng thể khu vực đông dân cư của cả nước.
Trong mười năm qua, số lượng xe cơ giới, bao gồm ô tô và xe tải, đã tăng 30%, với số lượng xe tải gần như gấp đôi Trung bình, người đi làm dành hơn 52 phút mỗi ngày cho việc di chuyển, trong khi ở một số thành phố lớn, thời gian này có thể lên tới hơn 4 giờ Theo Bộ Giao thông Vận tải Hoa Kỳ, tổng chiều dài các con đường lên tới 4 triệu dặm, phục vụ cho 246 triệu xe cộ lưu thông.
Nhiều cộng đồng đã hình thành xung quanh các con đường, nơi mà phương tiện cơ giới thải ra các khí độc hại như Carbon Dioxide (CO2), Carbon Monoxide (CO), Nitrogen Oxit (NO/NO2), bụi mịn (PM10) và Ozone Những khí thải này đóng góp lớn vào ô nhiễm môi trường, đặc biệt tại các thành phố lớn, dẫn đến hơn 53.000 ca tử vong mỗi năm do ô nhiễm không khí từ xe cộ Người đi làm thường xuyên phải đối mặt với tình trạng ô nhiễm cao, đặc biệt là nồng độ Carbon Monoxide (CO) bên trong và bên ngoài xe.
Hình 1.3 Tình trạng ô nhiễm môi trường trong giao thông tại Hà Nội
Nghiên cứu của CQQLMT chỉ ra rằng mức độ phơi nhiễm CO khi di chuyển trong các thành phố lớn như Hà Nội, Hồ Chí Minh và Bình Dương cao gấp ba lần so với các trạm cố định theo dõi chỉ số này.
Mức độ CO trong không khí phụ thuộc vào tình trạng tắc nghẽn giao thông, biển báo dừng và điều kiện thời tiết Trong nhiều trường hợp, người đi làm có thể tiếp xúc với mức CO cao hơn Do đó, việc theo dõi ô nhiễm môi trường theo thời gian thực dọc các tuyến đường tắc nghẽn là rất cần thiết.
Theo dõi ô nhiễm môi trường theo thời gian thực và chia sẻ thông tin sẽ giúp người dân nhận thức rõ hơn về mức độ ô nhiễm mà họ đang phải đối mặt Điều này không chỉ giáo dục người đi làm mà còn thúc đẩy cộng đồng phát triển các chính sách và quy định nhằm hướng tới một môi trường trong lành hơn cho cuộc sống và sức khỏe của chúng ta.
Các tham số cơ bản trong không khí
Các văn bản pháp luật về tiêu chuẩn môi trường yêu cầu CQQLMT thiết lập tiêu chuẩn chất lượng cho sáu tiêu chí ô nhiễm không khí phổ biến, bao gồm vật chất hạt, ôzôn tầng mặt đất, cacbon monoxit, oxit lưu huỳnh, oxit nitơ và chì Bụi mịn được chia thành hai nhóm theo kích thước: PM10 (từ 2,5 đến 10 micromet) và PM2.5 (nhỏ hơn 2,5 micromet) PM10 chủ yếu phát sinh từ bụi bẩn, khói và các hoạt động công nghiệp, trong khi PM2.5 chứa kim loại và hợp chất hữu cơ độc hại từ ô tô và quá trình gia công kim loại.
Bụi mịn PM2.5 nhẹ hơn và tồn tại trong không khí lâu hơn so với PM10, dễ dàng xâm nhập vào hệ hô hấp khi chúng ta hít thở PM2.5 chứa các chất độc hại như kim loại nặng và hợp chất hữu cơ gây ung thư, do đó, nó có thể gây ra những tác động tiêu cực đến sức khỏe nghiêm trọng hơn so với bụi PM10 Sự tiếp xúc với bụi mịn này có thể dẫn đến các vấn đề sức khỏe như hen suyễn, ho, thở khò khè, bệnh hô hấp, bệnh tim mạch và ung thư phổi.
Khí thải NOx kết hợp với các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC) tạo ra ôzôn ở mặt đất, đặc biệt ở những khu vực ấm hơn có lưu lượng giao thông cao và hoạt động công nghiệp mạnh mẽ Khi hít phải, ôzôn có thể gây kích ứng đường hô hấp, dẫn đến ho và giảm dung tích phổi.
Carbon monoxide là một khí không màu, không mùi, hình thành khi khí carbon trong nhiên liệu không được đốt cháy hoàn toàn Khoảng 75% lượng khí thải carbon monoxide xuất phát từ phương tiện giao thông, trong khi các nguồn khác bao gồm quá trình đốt nhiên liệu trong công nghiệp và các hiện tượng tự nhiên như cháy rừng Nồng độ carbon monoxide thường cao hơn trong thời tiết lạnh, do nhiệt độ thấp làm gia tăng quá trình đốt cháy không hoàn chỉnh.
Carbon monoxide (CO) xâm nhập vào cơ thể qua phổi, liên kết với hemoglobin trong máu, làm giảm lượng ôxy cung cấp cho các cơ quan và mô Những người mắc bệnh tim mạch, như bệnh động mạch vành, có nguy cơ cao nhất khi tiếp xúc với CO, có thể gặp phải đau ngực và các triệu chứng tim mạch khác, đặc biệt khi tập thể dục Ngoài ra, những người có vấn đề về hệ thống tim mạch hoặc hô hấp, trẻ sơ sinh và thai nhi cũng dễ bị ảnh hưởng bởi ô nhiễm carbon monoxide Ngay cả những người khỏe mạnh cũng có thể gặp phải vấn đề về sự tỉnh táo và tầm nhìn khi tiếp xúc với nồng độ cao của CO.
Sulfur Dioxide (SO2) là một chất ô nhiễm không khí được phát thải từ các phương tiện cơ giới và nhà máy điện khi đốt cháy nhiên liệu chứa lưu huỳnh, chẳng hạn như dầu diesel Hít phải SO2 có thể gây ra các vấn đề nghiêm trọng về đường hô hấp, bao gồm co thắt đường thở và làm trầm trọng thêm các triệu chứng hen suyễn.
Ô tô thải ra chì khi sử dụng xăng không pha chì, làm tăng nguy cơ đột quỵ, đau tim và gây rối loạn phát triển ở trẻ em.
Theo nghiên cứu về Gánh nặng Toàn cầu của Bệnh tật, Thương tật và Các Yếu tố Nguy cơ năm 2010, ô nhiễm không khí ngoài trời đã gây ra 3,2 triệu ca tử vong trên toàn cầu, tăng từ 800.000 ca chỉ trong một thập kỷ Với sự gia tăng nhanh chóng trong việc sử dụng ô tô tại các quốc gia đang phát triển như Ấn Độ và Trung Quốc, tác động tiêu cực của ô nhiễm không khí đối với sức khỏe con người có khả năng sẽ trở nên nghiêm trọng hơn trong tương lai gần.
Với sự gia tăng lo ngại về tác động của ô nhiễm môi trường đối với sức khỏe, cơ quan quản lý chất lượng môi trường (CQQLMT) đã được yêu cầu theo dõi và đánh giá mức độ ô nhiễm trên toàn quốc Hiện tại, có khoảng 35 trạm quan trắc được thiết lập để giám sát tình hình ô nhiễm môi trường.
Hà Nội, nơi theo dõi ô nhiễm môi trường như một phần nhiệm vụ của Sở Tài Nguyên Môi Trường
Hình 1.4 Các trạm theo dõi chất lượng môi trường ở Hà Nội
Thiết lập và bảo trì hệ thống đa cảm biến thu thập dữ liệu ô nhiễm môi trường là một quá trình tốn kém và phức tạp, yêu cầu lấy mẫu, đo lường, ghi lại, phân tích và chia sẻ dữ liệu trong thời gian dài Các trạm theo dõi thường được đặt tại các khu vực ô nhiễm nghiêm trọng như khu công nghiệp và thành phố đông dân, nhưng phương pháp này có hạn chế lớn trong việc xác định mức độ ô nhiễm bên ngoài các khu vực đã được giám sát.
Tại các trạm tĩnh, nhiều phương pháp khác nhau được sử dụng để đo độ ô nhiễm môi trường Một trong những phương pháp là lấy mẫu tự động, trong đó mẫu được đo thời gian thực bằng cách sử dụng các kỹ thuật như huỳnh quang UV, hấp thụ IR và quang phổ hấp thụ quang vi sai Dữ liệu thu thập từ các địa điểm theo dõi sẽ được ghi lại để phân tích Phương pháp khác là lấy mẫu chủ động, trong đó một lượng môi trường đã biết được bơm qua bộ lọc hoặc bộ thu hóa chất và sau đó được phân tích trong phòng thí nghiệm Thông thường, nồng độ chất ô nhiễm trong môi trường được ước tính bằng cách đo độ hấp thụ tia hồng ngoại, tuy nhiên, hầu hết thời gian nồng độ chất ô nhiễm rất thấp, ngoại trừ carbon monoxide.
Kỹ thuật đo lường ô nhiễm môi trường thường không được áp dụng, dẫn đến việc hầu hết các phương pháp liên quan đến việc loại bỏ chất ô nhiễm bằng cách tận dụng thiên nhiên Sự khuếch tán của các chất khí trong môi trường đóng vai trò quan trọng, và cách đơn giản nhất để tách chúng là cho khí đi qua một bề mặt, nơi một phần chất ô nhiễm sẽ được loại bỏ hoặc hấp thụ thông qua phản ứng hóa học, tạo thành các thành phần không bay hơi có thể được ước tính qua phân tích hóa học tiếp theo.
Ô nhiễm môi trường đang thay đổi liên tục, với các chỉ số ô nhiễm chỉ phản ánh tình hình tại một thời điểm và địa điểm cụ thể Mặc dù có thể sử dụng các mô hình phân tán để ước tính nồng độ ô nhiễm từ các nguồn phát thải như ô tô và xe tải, nhưng những mô hình này phụ thuộc vào dữ liệu biến động như tốc độ gió, nhiệt độ và điều kiện thời tiết Việc sử dụng các mô hình này không hiệu quả cho người đi làm trung bình và không cung cấp thông tin thực tế cần thiết Do đó, cần một phương pháp và mô hình mới để đo lường ô nhiễm môi trường theo thời gian thực tại các tuyến đường mà người lao động thường đi, đồng thời chia sẻ thông tin này với những người không có thiết bị theo dõi ô nhiễm.
Nhu cầu về thông tin chất lượng môi trường theo thời gian thực
Trong tương lai, con người cần một hệ thống cảm biến môi trường chính xác, nhẹ và dễ mang theo để theo dõi nhiều loại chất ô nhiễm không khí như CO, NOx và SO2 Hệ thống này phải nhạy cảm, có khả năng phân biệt nhanh chóng nồng độ ô nhiễm như Carbon Monoxide trong thời gian ngắn nhất Ngoài ra, mô-đun cảm biến cần ghi lại các chỉ số khí áp như nhiệt độ, áp suất và độ ẩm Thiết bị cũng cần chắc chắn, trang bị pin có thể sạc dễ dàng bằng bộ sạc ô tô và hỗ trợ Wifi hoặc giao tiếp không dây tiết kiệm năng lượng để truyền thông số đọc trực tiếp đến các thiết bị từ xa như laptop.
Thiết bị thông minh cần được trang bị GPS để xác định vị trí địa lý và ghi lại các lần đọc với dấu thời gian Nó cũng phải có khả năng lưu trữ dữ liệu vào bộ nhớ cache trong thời gian không có kết nối Internet Khi kết nối được khôi phục, thiết bị cần nhanh chóng đồng bộ hóa dữ liệu với dịch vụ phụ trợ và xóa thông tin đã lưu trong bộ nhớ cache Quá trình đồng bộ hóa này phải diễn ra nhanh chóng để dữ liệu theo dõi có thể được chia sẻ với các thành viên trong cộng đồng.
Trong luận văn của em, em tập trung vào việc theo dõi mức độ ô nhiễm khí carbon monoxide (CO), nhiệt độ và độ ẩm, nhằm nâng cao nhận thức về ô nhiễm môi trường, đặc biệt đối với những người có vấn đề về hô hấp và tim mạch Ô nhiễm không khí, đặc biệt là từ CO, có thể gây ra những tác động sức khỏe không thể đảo ngược, do đó việc theo dõi mức độ phơi nhiễm là rất quan trọng để giảm thiểu rủi ro Phơi nhiễm cao với CO có thể dẫn đến tổn thương hệ thần kinh và tim mạch, thậm chí tử vong Mức ô nhiễm không khí cao cũng làm gia tăng cơn hen suyễn, vì vậy việc thiết lập một hệ thống cảnh báo ô nhiễm không khí theo thời gian thực sẽ rất hữu ích cho những người dễ bị tổn thương Mặc dù bộ chuyển đổi xúc tác trên xe cơ giới giúp giảm ô nhiễm, nhưng trong thời tiết lạnh, hiệu quả của nó giảm và có thể dẫn đến mức CO nguy hiểm Luận văn này cũng nhằm giáo dục người đi làm về mức độ độc hại của CO, giúp họ nâng cao ý thức về sức khỏe trong môi trường làm việc.
Việc sử dụng các hệ thống lập kế hoạch giao thông giúp tối ưu hóa các tuyến đường sạch hơn, lựa chọn thời gian đi làm linh hoạt và khuyến khích sử dụng phương tiện công cộng Điều này không chỉ giảm thiểu ùn tắc giao thông trong giờ cao điểm mà còn hỗ trợ quy hoạch thành phố, xác định vị trí cho các ngành nghề mới và xây dựng chính sách phát triển cộng đồng, bao gồm cả việc đặt trường học và khu dân cư.
Phép đo ô nhiễm môi trường hiện nay liên quan đến việc xác định các chất ô nhiễm cụ thể trong không khí Các cơ quan quản lý môi trường sử dụng phương pháp tham chiếu để đo lường từng loại ô nhiễm, như Carbon Monoxide (CO) cần cảm biến hồng ngoại không phân tán (NDIR) để phát hiện mức độ CO qua việc hấp thụ ánh sáng hồng ngoại Đối với bụi mịn (PM2.5 và PM10), phương pháp đo lường sử dụng trọng lực lấy mẫu lọc Tuy nhiên, các thiết bị này thường đắt tiền và phù hợp nhất cho các phòng thí nghiệm Để phát hiện ô nhiễm hiệu quả, cần có hướng dẫn chi tiết, thu thập mẫu tự động, phân tích và ghi dữ liệu, cùng với các kỹ thuật dự báo ô nhiễm Những thiết bị và phân tích phức tạp này không dễ tiếp cận với người dân bình thường, tạo ra nhu cầu về các giải pháp đo lường ô nhiễm với chi phí thấp hơn.
Hệ thống theo dõi chất lượng môi trường bằng phương tiện tự hành cho phép thu thập và chia sẻ dữ liệu dễ dàng Cảm biến khí điện hóa là giải pháp hiệu quả và tiết kiệm chi phí để đo lường và phát hiện các khí độc hại trong không khí Các cảm biến này hoạt động dựa trên phản ứng với các khí cụ thể, tạo ra tín hiệu điện tương ứng với nồng độ khí Một cảm biến điện hóa bao gồm điện cực cảm nhận và điện cực đếm, được ngăn cách bởi một lớp chất điện phân mỏng Khi khí ô nhiễm đi qua lỗ mao dẫn, nó khuếch tán và phản ứng với điện cực, tạo ra tín hiệu điện thông qua các phản ứng oxy hóa hoặc khử Cảm biến điện hóa có thể đo các khí như Carbon Monoxide (CO) và Nitrogen oxide (NOx).
Ozone (O3) và Sulfur dioxide (SO2) là hai chất ô nhiễm quan trọng cần theo dõi Cảm biến điện hóa là lựa chọn lý tưởng để giám sát ô nhiễm môi trường theo thời gian thực nhờ vào tính di động và tiêu thụ điện năng thấp Trên thị trường hiện có nhiều thiết bị theo dõi khí đơn hoặc đa khí sử dụng cảm biến điện hóa, dễ dàng sử dụng với màn hình LCD hiển thị mức ô nhiễm Những thiết bị này tiêu thụ ít điện năng, có tuổi thọ lên đến hai năm và giá cả phải chăng, chỉ vài trăm đô la Mỹ Một giải pháp khả thi cho người đi làm là trang bị các thiết bị theo dõi khí trong xe để cảnh báo về nồng độ ô nhiễm cao, như Carbon Monoxide Tuy nhiên, hiện tại chưa có cách nào đáng tin cậy để chia sẻ thông tin ô nhiễm giữa những người đi làm cùng sử dụng những con phố tắc nghẽn, do đó cần một giải pháp cho phép các cá nhân có máy theo dõi môi trường cá nhân chia sẻ dữ liệu ô nhiễm với bạn đồng hành.
Với sự phát triển của thiết bị thông minh, khả năng thu thập và chia sẻ dữ liệu ô nhiễm môi trường trở nên rất tiềm năng Những thiết bị này tích hợp nhiều cảm biến như GPS, máy gia tốc, la bàn kỹ thuật số, máy ảnh và con quay hồi chuyển Chúng cũng có thể giao tiếp với các thiết bị khác qua công nghệ Wifi năng lượng thấp, mở ra nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như môi trường, sức khỏe, giao thông và giáo dục Cảm biến khí di động giá rẻ, kết hợp với kết nối của thiết bị thông minh, tạo ra giải pháp lý tưởng cho việc xây dựng mô hình cảm biến ô nhiễm di động, từ đó hình thành cộng đồng người dùng thu thập và chia sẻ dữ liệu chất lượng môi trường.
Việc thiết lập hệ thống đa cảm biến để thu thập dữ liệu theo thời gian và chia sẻ thông tin gặp nhiều thách thức Hiện nay, có nhiều loại máy theo dõi ô nhiễm môi trường cá nhân được thiết kế để phát hiện các loại khí như carbon monoxide và carbon dioxide Ngoài ra, nhiều thiết bị di động từ các nhà cung cấp như Apple, Google và Microsoft cũng đang được cung cấp trên thị trường.
Chọn chất lượng môi trường phù hợp để theo dõi giao diện hỗ trợ cho thiết bị thông minh tự hành là một quyết định phức tạp, đòi hỏi quản lý và lọc một lượng lớn dữ liệu cảm biến trong thời gian thực Hệ thống đa cảm biến cần xem xét các dữ liệu đo lường nhằm đánh giá ô nhiễm ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng, đồng thời nắm bắt thông tin về thời gian, vị trí địa lý và điều kiện thời tiết địa phương Việc tiêu chuẩn hóa và hài hòa chất lượng dữ liệu cảm biến cùng các mô hình tham chiếu là rất quan trọng để đảm bảo việc trao đổi và giải thích kết quả chính xác Dữ liệu thô được đo lường sẽ được chuyển đổi thành thông tin hữu ích, hỗ trợ con người trong việc ra quyết định và theo dõi tình hình.
Tình hình nghiên cứu hệ thống theo dõi môi trường
Do hạn chế trong việc theo dõi ô nhiễm môi trường tĩnh trên mặt đất, việc thu thập dữ liệu chất lượng môi trường chi tiết là rất cần thiết Nghiên cứu tại Đại học California cùng NRDC đã chỉ ra nguy cơ sức khỏe cho học sinh khi tiếp xúc với ô nhiễm diesel, nhấn mạnh nhu cầu cấp thiết về theo dõi chất lượng môi trường di động Một nghiên cứu của CQQLMT đã đo lường nồng độ ô nhiễm trong và ngoài cabin xe tải, nhưng chỉ sử dụng phương pháp thu thập mẫu không khí để phân tích trong phòng thí nghiệm Luận văn này đề xuất mô hình mới cho việc thu thập mẫu khí và phân tích ô nhiễm bằng cảm biến khí điện hóa Ngoài ra, mạng cảm biến không dây cũng được đề xuất để theo dõi mức độ phơi nhiễm ô nhiễm cá nhân, chất lượng không khí trong nhà và các khu vực nguy hiểm, nhằm rút ngắn khoảng cách giữa giai đoạn lấy mẫu và phân tích.
Cảm biến hàng hóa có khả năng cung cấp dữ liệu ô nhiễm theo thời gian thực, như được nghiên cứu bởi N-smarts và CommonSense từ UC Berkeley và Intel Nghiên cứu này tập trung vào việc thu thập dữ liệu môi trường thông qua các thiết bị di động gắn cảm biến và hỗ trợ GPS Để đáp ứng nhu cầu này, một thiết bị tùy chỉnh đã được phát triển, tuy nhiên, hiện tại những thiết bị như vậy vẫn chưa có sẵn cho người dùng muốn theo dõi chất lượng môi trường.
Công việc của tôi tập trung vào việc sử dụng các cảm biến môi trường thương mại để nâng cao hiệu quả ứng dụng và giảm chi phí cho thiết bị đề xuất Bên cạnh đó, tôi cũng đã thực hiện đánh giá các vấn đề thiết kế của bảng cảm biến nhằm cải thiện chất lượng theo dõi môi trường.
Bài viết này đề cập đến những thách thức trong việc bảo vệ quyền riêng tư của người tham gia cảm nhận cá nhân và giới thiệu một khung phần mềm thu thập dữ liệu bằng thiết bị thông minh Dự án chất lượng môi trường đã triển khai nền tảng cảm biến ô nhiễm cá nhân, cho phép lắp đặt hệ thống theo dõi mức độ ô nhiễm tại các vị trí cố định gần nhà Luận văn đề xuất một mô hình di động có thể sử dụng trên ô tô, cung cấp dữ liệu chất lượng môi trường theo thời gian thực tại tất cả các địa điểm mà người dùng di chuyển Dự án OpenSense, do EPFL và ETH Zurich thực hiện, nghiên cứu khả năng lắp đặt cảm biến trên các phương tiện công cộng để tạo ra một mạng lưới thu thập dữ liệu môi trường di động Mạng lưới cảm biến ô nhiễm cũng đã được thử nghiệm trên xe buýt tại Sharjah, UAE Mục tiêu của luận văn là mang lại khả năng theo dõi chất lượng môi trường cho người đi làm bằng phương tiện cá nhân, cung cấp thông tin chi tiết về chất lượng môi trường cho người dùng.
Dự án Hàng không là một thử nghiệm xã hội công cộng, mời gọi mọi người sử dụng thiết bị theo dõi máy bay di động để khám phá các khu vực lân cận và môi trường đô thị, nhằm phát hiện ô nhiễm và các điểm nóng liên quan đến việc đốt nhiên liệu Teco Envboard tập trung vào thiết kế nền tảng cảm biến thương mại để hỗ trợ dự án này.
Dự án cảm biến đô thị đã triển khai 13 cảm biến để đo lường carbon monoxide, carbon dioxide, ozone và nitơ oxit Một nghiên cứu thú vị đã chỉ ra rằng các phép đo chất lượng môi trường theo thời gian thực và lịch sử có thể được sử dụng để suy ra chất lượng môi trường hạt mịn trong thành phố Các kỹ thuật học máy tương tự cũng có thể áp dụng cho dữ liệu từ các thiết bị di động nhằm dự đoán sự phân tán của các chất ô nhiễm và chất lượng môi trường ở những khu vực không có thiết bị theo dõi hoạt động.
Hệ thống đa cảm biến môi trường
Hệ thống đa cảm biến đang được phát triển để thu thập dữ liệu môi trường, đáp ứng tiêu chuẩn của cơ quan quản lý Tài nguyên Môi trường Việc theo dõi các yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm và mức CO là rất quan trọng đối với doanh nghiệp, tổ chức giáo dục và y tế, vì chúng ảnh hưởng đến sức khỏe và năng suất của cá nhân Các cảm biến cung cấp thông tin về chất lượng môi trường trong nhà, hỗ trợ nhà thiết kế và đội bảo trì thực hiện biện pháp khắc phục để đảm bảo an toàn lao động Hệ thống đa cảm biến cũng có khả năng thay thế con người trong việc thu thập dữ liệu ở môi trường nguy hiểm Tôi đã tham gia nhóm thiết kế, chế tạo và thử nghiệm hệ thống đa cảm biến môi trường, có khả năng tích hợp trên xe ô tô để theo dõi và lập bản đồ dữ liệu trong các khu vực xác định.
Hệ thống xe ô tô được đề xuất cho việc theo dõi môi trường bao gồm hai phân hệ chính: phân hệ định vị dẫn đường và phân hệ đa cảm biến Phân hệ định vị dẫn đường có khả năng phát triển trên nền tảng hiện đại, giúp nâng cao hiệu quả trong việc giám sát môi trường.
Hệ điều hành Robot (ROS) tích hợp cảm biến dẫn đường như đơn vị đo lường quán tính (IMU) và bộ mã hóa để xác định vị trí, vận tốc và phương hướng của phương tiện di chuyển Máy ảnh RGB-D, chẳng hạn như Kinect của Microsoft, cũng là một công cụ hiệu quả để phát hiện các đối tượng và chướng ngại vật.
ROS là một hệ thống được sử dụng để lập bản đồ và định vị cho phương tiện di chuyển tự động Cấu trúc ngăn xếp điều hướng trong ROS hỗ trợ hoạt động tự động của phương tiện, cho phép chúng di chuyển qua các con đường đã được xác định trước và thu thập dữ liệu từ các cảm biến môi trường.
Hệ thống cảm biến môi trường tích hợp nhiều loại cảm biến như cảm biến độ ẩm, nhiệt độ, và cảm biến phát hiện khí CO, metan, cùng các khí khác Nghiên cứu này trình bày quy trình thiết kế, chế tạo, lập trình và triển khai một hệ thống đa cảm biến nhỏ gọn, lý tưởng để gắn trên xe ô tô nhằm theo dõi sự biến đổi của môi trường Luận văn cũng giới thiệu phương pháp cho phép sinh viên làm việc nhóm để phát triển cả phần cứng và phần mềm cho hệ thống đa cảm biến.
Hình 1.5 Kiến trúc phân lớp của phương tiện
Mục đích và phạm vi nghiên cứu
Trong dự án này, tôi tham gia triển khai hệ thống đa cảm biến với các cảm biến mở rộng kết nối với vi điều khiển Bên cạnh đó, nghiên cứu còn phát triển phân hệ truyền thông ứng dụng.
Công nghệ IoT cho phép thu thập dữ liệu và gửi chúng tới máy chủ từ xa Người dùng có thể sử dụng một hoặc nhiều thiết bị thông minh, như điện thoại di động, để theo dõi và điều khiển hệ thống theo dõi môi trường một cách hiệu quả thông qua sự hỗ trợ của máy chủ.
Hình 1.6 Sơ đồ phân hệ chức năng của hệ thống đa cảm biến thu thập dữ liệu
Mục đích của luận văn này là nghiên cứu và phân tích việc xây dựng hệ thống theo dõi chất lượng môi trường bằng các cảm biến nhỏ gọn Hệ thống này nhằm cung cấp thông tin về chất lượng môi trường theo thời gian thực, phục vụ cho việc theo dõi và điều hành hiệu quả.
Trong nghiên cứu này, tôi đề xuất một phương pháp hiệu quả để theo dõi môi trường bằng cách sử dụng cảm biến với công suất thấp, dễ sử dụng, kết hợp với công nghệ thiết bị thông minh và dịch vụ lưu trữ đám mây Mô hình cảm biến bao gồm cảm biến điện hóa, bộ vi điều khiển và bộ phát Wifi, cho phép kết nối và xuất bản dữ liệu cảm biến Thiết bị thông minh có khả năng lưu trữ và truyền tải dữ liệu tới các máy chủ đám mây, giúp người dùng không chỉ thu thập mà còn chia sẻ dữ liệu ô nhiễm thời gian thực Hy vọng rằng phương pháp này sẽ góp phần nâng cao khả năng kiểm soát chất lượng môi trường.
Luận văn của tôi tập trung vào việc phát triển một ứng dụng Android thân thiện với người dùng, cho phép theo dõi mức độ ô nhiễm không khí tại vị trí hiện tại của họ Ứng dụng này sẽ hỗ trợ người dùng trong việc kiểm tra tình trạng ô nhiễm tại các khu vực xung quanh Nếu người dùng sở hữu thiết bị cá nhân theo dõi ô nhiễm, họ có thể đăng ký và sử dụng để thu thập và chia sẻ dữ liệu ô nhiễm môi trường một cách hiệu quả.
Phân hệ lưu trữ, truyền thông máy chủ
Theo dõi ô nhiễm môi trường di động có thể nâng cao hệ thống đa cảm biến thu thập dữ liệu, giúp cải thiện độ chính xác của phép đo ô nhiễm mà dữ liệu hiện tại chưa có Cảm biến môi trường di động có thể đánh giá tình trạng ùn tắc giao thông trong giờ cao điểm và đo lường ô nhiễm trong không gian kín của phương tiện Với chi phí ngày càng giảm của cảm biến khí điện hóa và thiết bị thông minh, cùng với mức tiêu thụ điện năng và tính toán thấp, việc áp dụng công nghệ này trong cộng đồng để theo dõi chất lượng môi trường trở nên dễ dàng hơn.
Kết luận chương
Bài toán theo dõi môi trường đang trở nên cấp thiết, dẫn đến nhu cầu xây dựng một hệ thống đa cảm biến tích hợp trên xe ô tô Hệ thống này cho phép các cảm biến được cắm vào hoặc rút ra một cách linh hoạt mà không làm ảnh hưởng đến các thành phần khác Ngoài ra, các thiết bị cảm ứng có thể dễ dàng được thay thế bằng các cảm biến mới mà không cần thay đổi lập trình của hệ thống.
Hệ thống được xây dựng không chỉ giới hạn trong việc tích hợp mà còn có khả năng mở rộng sang các hệ thống thông minh khác Phạm vi nghiên cứu của luận văn sẽ được xác định trong thời gian thực hiện và trong bối cảnh làm việc cùng các cộng sự tại phòng thí nghiệm của Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN LINH KIỆN CHO HỆ THỐNG
Cảm biến
Bộ cảm biến là thiết bị điện tử có khả năng phát hiện các trạng thái hoặc quá trình vật lý, hóa học và sinh học trong môi trường khảo sát Chúng chuyển đổi những thông tin này thành tín hiệu điện, giúp thu thập dữ liệu về các trạng thái và quá trình đó.
Thông tin được xử lý nhằm rút ra các tham số định tính và định lượng của môi trường, phục vụ cho nhu cầu nghiên cứu khoa học, kỹ thuật và đời sống Quá trình này được gọi tắt là đo đạc, đóng vai trò quan trọng trong truyền tải, xử lý thông tin và điều khiển các quá trình khác.
Cảm biến thường được lắp đặt trong các vỏ bảo vệ, tạo thành đầu thu hoặc đầu dò, và có thể kèm theo các mạch điện hỗ trợ Trong nhiều tài liệu, thuật ngữ "cảm biến" ít được sử dụng cho các vật có kích thước lớn và không áp dụng cho một số chi tiết như núm công tắc bật đèn trong tủ lạnh, mặc dù về lý thuyết, núm này hoạt động như một cảm biến.
Có nhiều loại cảm biến khác nhau và có thể chia ra hai nhóm chính:
1 Cảm biến vật lý: sóng điện từ, ánh sáng, tử ngoại, hồng ngoại, tia X, tia gamma, hạt bức xạ, nhiệt độ, áp suất, âm thanh, rung động, khoảng cách, chuyển động, gia tốc, từ trường, trọng trường,
2 Cảm biến hóa học: độ ẩm, độ PH, các ion, hợp chất đặc hiệu, khói,
3 Cảm biến sinh học: đường glucose huyết, DNA/RNA, protein đặc hiệu cho các loại bệnh trong máu, vi khuẩn, vi rút
Một cảm biến được sử dụng khi đáp ứng các tiêu chí kỹ thuật xác định
− Độ nhạy: Gia số nhỏ nhất có thể phát hiện
− Mức tuyến tính: Khoảng giá trị được biến đổi có hệ số biến đổi cố định
− Dải biến đổi: Khoảng giá trị biến đổi sử dụng được
− Ảnh hưởng ngược: Khả năng gây thay đổi môi trường
− Mức nhiễu ồn: Tiếng ồn riêng và ảnh hưởng của tác nhân khác lên kết quả
− Sai số xác định: Phụ thuộc độ nhạy và mức nhiễu
− Độ trôi: Sự thay đổi tham số theo thời gian phục vụ hoặc thời gian tồn tại (date)
− Độ trễ: Mức độ đáp ứng với thay đổi của quá trình
− Độ tin cậy: Khả năng làm việc ổn định, chịu những biến động lớn của môi trường như sốc các loại
− Điều kiện môi trường: Dải nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, làm việc được
Tiêu chí đánh giá cảm biến có sự khác biệt tùy thuộc vào lĩnh vực ứng dụng Đối với các thiết bị số (digital) sử dụng cảm biến logic, độ tuyến tính không đóng vai trò quan trọng.
2.1.3.1 Phân loại theo nguồn năng lượng
Cảm biến chủ động và cảm biến bị động phân biệt ở nguồn năng lượng dùng cho phép biến đổi lấy từ đâu
1 Cảm biến chủ động không sử dụng điện năng bổ sung để chuyển sang tín hiệu điện Điển hình là cảm biến áp điện làm bằng vật liệu gốm, chuyển áp suất thành điện tích trên bề mặt Các antenna cũng thuộc kiểu cảm biến chủ động
2 Cảm biến bị động có sử dụng điện năng bổ sung để chuyển sang tín hiệu điện Điển hình là các photodiode khi có ánh sáng chiếu vào thì có thay đổi của điện trở tiếp giáp bán dẫn p-n được phân cực ngược Các cảm biến bằng biến trở cũng thuộc kiểu cảm biến bị động
Phân loại thì như vậy nhưng một số cảm biến nhiệt độ kiểu lưỡng kim dường như không thể xếp hẳn vào nhóm nào, nó nằm vào giữa
2.1.3.2 Phân loại theo nguyên lý hoạt động
1 Cảm biến điện trở: Hoạt động dựa theo di chuyển con chạy hoặc góc quay của biến trở, hoặc sự thay đổi điện trở do co giãn vật dẫn
− Cảm biến biến áp vi phân: Cảm biến vị trí (Linear variable differential transformer, LVDT)
− Cảm biến cảm ứng điện từ: các antenna
− Cảm biến dòng xoáy: Các đầu dò của máy dò khuyết tật trong kim loại, của máy dò mìn
− Cảm biến cảm ứng điện động: chuyển đổi chuyển động sang điện như microphone điện động, đầu thu sóng địa chấn trên bộ (Geophone)
3 Cảm biến điện dung: Sự thay đổi điện dung của cảm biến khi khoảng cách hay góc đến vật thể kim loại thay đổi
4 Cảm biến điện trường (FET): Sự thay đổi của điện trường ngoài dẩn đến sự thay đổi của cường độ dòng điện bên trong cảm biến
5 Cảm biến từ giảo (magnetoelastic): ít dùng
6 Cảm biến từ trường: Cảm biến hiệu ứng Hall, cảm biến từ trường dùng vật liệu sắt từ, dùng trong từ kế
7 Cảm biến áp điện: Chuyển đổi áp suất sang điện dùng gốm áp điện như titanat bari, trong các microphone thu âm, hay ở đầu thu sóng địa chấn trong nước (Hydrophone) như trong các máy Sonar
8 Cảm biến quang: Các cảm biến ảnh loại CMOS hay cảm biến CCD trong camera, các photodiode ở các vùng phổ khác nhau dùng trong nhiều lĩnh vực Ví dụ đơn giản nhất là đầu dò giấy trong khay của máy in làm bằng photodiode Chúng đang là nhóm đầu bảng được dùng phổ biến, nhỏ gọn và tin cậy cao
9 Cảm biến huỳnh quang, nhấp nháy: Sử dụng các chất phát quang thứ cấp để phát hiện các bức xạ năng lượng cao hơn, như các tấm kẽm sulfua
10 Cảm biến điện hóa: Các đầu dò ion, độ pH,
11 Cảm biến nhiệt độ: Cặp lưỡng kim, hoặc dạng linh kiện bán dẫn
Cảm biến nhiệt độ như Pt 56Ω, Pt 100Ω, hay còn gọi là can nhiệt, cặp nhiệt điện và nhiệt điện trở, là thiết bị dùng để đo nhiệt độ Khi nhiệt độ thay đổi, các cảm biến này sẽ phát tín hiệu, từ đó các bộ đọc có thể xác định và quy đổi thành giá trị nhiệt độ.
Cảm biến nhiệt độ, hay còn gọi là sensor nhiệt độ, cảm biến đo nhiệt độ, dây cảm biến nhiệt độ, và bộ cảm biến nhiệt độ, là thiết bị quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghiệp và gia đình Các tên gọi khác của nó bao gồm dây dò nhiệt và thiết bị cảm biến nhiệt độ, cho thấy sự đa dạng trong cách sử dụng và chức năng của sản phẩm này.
2.1.4.2 Đầu dò khói Đầu dò khói thường được đặt trong một vỏ nhựa hình đĩa đường kính
Máy dò khói thường có kích thước 150 mm (6 in) và độ dày 25 mm (1 in), nhưng hình dáng có thể khác nhau tùy thuộc vào nhà sản xuất hoặc dòng sản phẩm Thiết bị này đóng vai trò quan trọng trong việc phát hiện các vụ cháy, hoạt động bằng cách
Quang điện sử dụng LED phát sáng chiếu qua buồng thử nghiệm và thu nhận tín hiệu bằng photodiode để xác định mức độ trong suốt Thiết bị này có khả năng phản ứng nhanh chóng với khói trước khi xảy ra cháy thực sự.
• Ion hóa: Dùng nguồn phóng xạ như Americi Am 241 ion hóa buồng khí, để các hạt khói nếu có sẽ nhiễm điện và tụ lại
• Cả hai cách trên để tăng độ tin cậy
Cảm biến tốc độ, hay còn gọi là bộ mã hóa quang học, sử dụng đĩa mã với các vạch khắc cho phép ánh sáng đi qua Phototransistor được đặt phía sau đĩa mã và hoạt động dưới tác dụng của nguồn sáng Khi động cơ và đĩa mã quay đồng trục, ánh sáng sẽ chiếu đến phototransistor, tạo ra tín hiệu xung tại cực colecto Đĩa mã có hai vòng vạch A và B với số lượng vạch bằng nhau, nhưng lệch 90 độ, giúp xác định chính xác chuyển động khi đĩa mã quay.
21 kim đồng hồ thỡ chuỗi xung B sẽ nhanh hơn chuỗi xung A là ẵ chu kỳ và ngược lại Thiết bị đo tốc độ như DC Tachometer, AC Tachometer, Optical Tachometer
2.1.4.3 Cảm biến mức chất lỏng
Cảm biến mức chất lỏng (Level sensor) được sử dụng để đo mức chất lỏng hoặc chất rắn lỏng hóa như bùn, vật liệu dạng hạt và bột, cho phép xác định bề mặt tự do phía trên Các chất lỏng thường nằm ngang trong các thùng chứa do trọng lực, trong khi các chất rắn lớn có thể tạo thành góc nghiêng Chất cần đo có thể nằm trong thùng chứa hoặc trong các bể chứa tự nhiên như sông hồ Phép đo mức có thể là liên tục hoặc điểm; cảm biến mức liên tục đo lường trong một phạm vi xác định, trong khi cảm biến mức điểm chỉ xác định xem chất đó có ở trên hay dưới một mức nhất định Các mức phát hiện thường là quá cao hoặc quá thấp.
Cảm biến đo nồng độ bụi
Bụi là các hạt rắn có kích thước từ vài micrômet đến nửa milimet, chúng tự lắng xuống do trọng lượng nhưng vẫn có khả năng lơ lửng trong không khí trong một khoảng thời gian.
Bụi có nguồn gốc từ nhiều yếu tố khác nhau, bao gồm tế bào da chết, mẩu thức ăn, phấn hoa và các hạt đá từ không gian Thành phần của bụi thường phụ thuộc vào vị trí mà nó xuất hiện.
Bụi nhà và bụi ngoài trời có thành phần khác nhau, với bụi nhà chứa nhiều tế bào da và bụi xe có mảnh vụn đường Tuy nhiên, tác động của chúng thường tương tự nhau Một số bụi ngoài trời thậm chí có nguồn gốc từ không gian vũ trụ, được thổi khắp hành tinh Bụi có thể chứa nhiều loại hạt khác nhau, bất kể nguồn gốc của nó.
Bụi là những hạt nhỏ có thể di chuyển trong không khí, và chúng có thể xuất hiện từ nhiều nguồn khác nhau Trong số đó, bụi mịn, với kích thước chỉ khoảng 2,5 micron, đặc biệt nguy hiểm cho sức khỏe con người Các hạt bụi mịn này có khả năng xâm nhập vào hệ hô hấp, gây ra nhiều bệnh lý nghiêm trọng và ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe.
2.2.2 Một số cảm biến bụi
Trên thị trường có rất nhiều loại cảm biến bụi, sau đây là một số loại thông dụng:
• Module cảm biến bụi PPD42NS(SEEED)
Module cảm biến bụi PPD42NS là thiết bị đo chất lượng môi trường thông qua việc xác định nồng độ bụi trong không khí Nó hoạt động bằng cách đếm thời gian xung thấp (thời gian LPO) trong một khoảng thời gian nhất định, giúp xác định mức độ hạt vật chất (PM) trong không khí Thời gian LPO tỷ lệ thuận với nồng độ bụi, cung cấp thông tin chính xác về chất lượng không khí.
Hình 2.1 Module cảm biến bụi PPD42NS
- Độ ẩm hoạt động: 0-96% RH
- Phát hiện hạt bụi có đường kính tối thiểu; 1μm
- Dải nồng độ phát hiện được: 0 ~ 28.000 / 0 ~ 8000 chiếc / lít /chiếc / 0.01cf
• Module cảm biến bụi SDS011
Cảm biến bụi quang học này đo chất lượng môi trường một cách chính xác bằng cách phát hiện các hạt bụi trong không khí từ 0,3 đến 10um thông qua công nghệ laser Nó kết nối với đầu ra kỹ thuật số và có quạt tích hợp, đảm bảo sự ổn định và độ tin cậy Khi các hạt đi qua khu vực phát hiện, ánh sáng tán xạ được chuyển đổi thành tín hiệu điện, sau đó được khuếch đại và xử lý Phân tích dạng sóng tín hiệu cho phép xác định số lượng và đường kính của các hạt bụi, nhờ vào mối quan hệ giữa dạng sóng và kích thước hạt.
Hình 2.2 Module cảm biến bụi Laser PM2.5 SDS011
- Công suất tiêu thụ: 70mA ± 10mA (khi hoạt động),
