Nghiên cứu chế tạo hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu hỗ trợ quan trắc môi trường

Microsoft Word 26 nt 1819 bao cao tong ket de tai khoa hoc Thuan2 IUH1819 BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU.

IUH1819 BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌCCẤP TRƯỜNG Tên đề tài: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ THU THẬP DỮ LIỆU HỖ TRỢ QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG Mã số đề tài: IUH.KDT 20/16 Chủ nhiệm đề tài: PHẠM TRẦN BÍCH THUẬN Đơn vị thực hiện: KHOA CƠNG NGHỆ ĐIỆN TỬ Tp Hồ Chí Minh, … LỜI CÁM ƠN Trong trình thực đề tài "Nghiên cứu chế tạo hệ thống giám sát thu thập liệu hỗ trợ quan trắc môi trường", chúng Tôi nhận nhiều giúp đỡ, tạo điều kiện Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh, phịng Quản lý khoa học hợp tác quốc tế Khoa Công nghệ Điện tử Chúng Tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn chân thành giúp đỡ Chúng xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, người thân chúng Tơi động viên, khích lệ, tạo điều kiện để thực hoàn thành đề tài Chủ nhiệm đề tài Phạm Trần Bích Thuận PHẦN I THƠNG TIN CHUNG I Thông tin tổng quát 1.1 Tên đề tài: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ THU THẬP DỮ LIỆU HỖ TRỢ QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG 1.2 Mã số: IUH.KDT 20/16 1.3 Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực đề tài TT Họ tên (học hàm, học vị) Đơn vị cơng tác TS Phạm Trần Bích Thuận Khoa Cơng nghệ Điện tử, Bộ mơn Điện tử Máy tính Khoa Cơng nghệ Điện tử, ThS.Nguyễn Thế Hồng Bộ mơn Điện tử Viễn thơng GS-TSKH Lê Huy Bá Vai trị thực đề tài Chủ nhiệm đề tài Viện Khoa học Công nghệ Quản lý môi trường Tham gia Tham gia 1.4 Đơn vị chủ trì: 1.5 Thời gian thực hiện: 1.5.1 Theo hợp đồng: từ tháng năm 2016 đến tháng năm 2018 1.5.2 Gia hạn (nếu có): đến tháng năm 2018 1.5.3 Thực thực tế: từ tháng năm 2016 đến tháng năm 2018 1.6 Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có): (Về mục tiêu, nội dung, phương pháp, kết nghiên cứu tổ chức thực hiện; Nguyên nhân; Ý kiến Cơ quan quản lý) 1.7 Tổng kinh phí phê duyệt đề tài: năm mươi triệu đồng II Kết nghiên cứu Đặt vấn đề Hiện nay, việc quan trắc giám sát môi trường cần thiết Hệ thống cảnh báo kịp thời diễn biến bất thường hay nguy nhiễm, suy thối mơi trường tạo sở liệu chất lượng môi trường Hoạt động Trạm quan trắc môi trường tự động, liên tục góp phần xác định thay đổi diễn biến chất lượng môi trường (qua thông số) liên tục theo thời gian không gian Nhằm nâng cao khả cung cấp liệu kịp thời đưa cảnh báo nóng mơi trường khu vực Việc xây dựng quản lý hệ thống quan trắc môi trường liên tục nội dung công tác quản lý bảo vệ môi trường Việt Nam tất quốc gia giới [1] Trên giới: Hệ thống tiêu chuẩn chất lượng môi trường phù hợp với điều kiện nước đặt vấn đề sức khỏe người lên hàng đầu; Nguồn kinh phí cho hoạt động quan trắc lớn; nguồn nhân lực đào tạo bản, thường xuyên; Với số lượng trạm quan trắc tự động 1987 trạm Nhật, 200 ngàn dân đặt trạm quan trắc môi trường (QTMT) Mỹ [2] Mạng lưới QTMT tự động liên tục Việt Nam số lượng trạm QTMT khí tự động, liên tục cịn Từ năm 2009 đến 2013 với trạm QTMT tự động khơng khí Bộ Tài nguyên Môi trường đầu tư, lắp đặt 06 tỉnh: Hà Nội, Phú Thọ, Quảng Ninh, Thừa Thiên Huế, Đà Nẵng, Khánh Hòa; riêng Hà Nội đầu tư 02 Trạm, trạm Trung tâm khí tượng thủy văn quốc gia xe quan trắc tự động di động (tại Hà Nội Tp HCM) Với số lượng trạm cịn chưa đáp ứng yêu cầu công tác quản lý chưa phản ánh tồn diện chất lượng nước khơng khí theo thời gian Thiếu quy định tự quan trắc khí thải tự động số ngành cơng nghiệp [2,3] Tại Thành phố Hồ Chí Minh, từ năm 2002 Đan Mạch Na Uy tài trợ trạm QTMT khơng khí tự động Hệ thống với trạm quan trắc bán tự động trạm quan trắc thông số benzen, toluen xylen khơng khí ven đường tạo thành mạng lưới quan trắc cung cấp sở liệu chất lượng mơi trường; dự báo xu hướng, ứng phó cố xây dựng kế hoạch quản lý môi trường TP Tuy nhiên, từ năm 2009, toàn trạm quan trắc tự động benzen, toluen xylen khơng khí ngưng hoạt động Việc quan trắc chất lượng mơi trường khơng khí thực 15 vị trí với hình thức bán tự động.Về nguyên tắc, quan trắc tất thời điểm đáng tin cậy có quan trắc liên tục, tự động thực Với số lượng dân TP HCM cần tăng cường số lượng trạm quan trắc môi trường không khí xung quanh (10-15 trạm quan trắc tự động liên tục, 35-45 trạm quan trắc chủ động) để đánh giá kịp thời, chi tiết diễn biến trạng môi trường TP thời điểm tương lai Do đó, để có thơng tin kịp thời, xác chất lượng mơi trường khơng khí, TP cần tái đầu tư trạm quan trắc khơng khí tự động bị hư hỏng thời gian qua [4] Sở Tài nguyên Môi trường TP thực thủ tục đầu tư dự án “Trung tâm quan trắc phân tích mơi trường”, có phần đầu tư trạm quan trắc mơi trường khơng khí tự động liên tục Đồng thời, sở lập đề án “Tổng thể phát triển mạng lưới quan trắc chất lượng môi trường TP đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2030” Dự kiến, đến năm 2016 mở rộng thêm vị trí quan trắc mơi trường khơng khí Ủy ban nhân dân thành phố Hà Nội phê duyệt “Quy hoạch mạng lưới quan trắc khơng khí cố định địa bàn thành phố Hà Nội đến năm 2020” với việc bổ sung, nâng cấp hoàn thiện, kết nối chia sẻ thông tin bảo đảm thông suốt từ trung ướng đến địa phương với quản lý thống Sở Tài nguyên môi Trường Hà Nội Từng bước đại hóa cơng nghệ, máy móc thiết bị quan trắc sở áp dụng rộng rãi công nghệ nghiên cứu tạo nước tiếp thu, làm chủ cơng nghệ nước ngồi [5] Sở TN&MT thành phố Cần Thơ cho biết hệ thống quan trắc môi trường tự động trị giá gần 46 tỷ đồng, hoạt động từ cuối năm 2014 Các thông tin nước mặt khơng khí thành phố cập nhật, phân tích liên tục, giúp việc quản lý nhà nước môi trường chặt chẽ, doanh nghiệp điều chỉnh hoạt động để nâng cao hiệu sản xuất kinh doanh, sở xác cho báo cáo định môi trường định kỳ [6] Tuy nhiên khó khăn vướng mắc việc phát triển mạng QTMT đồng hầu hết trạm quan trắc dựa công nghệ nước ngồi trạm khí đầu tư công nghệ hãng Horiba – Nhật Bản Grim – Đức Trạm khí đặt khu vực Lăng Chủ tịch Hồ Chí Minh Quảng trường Ba Đình đầu tư theo công nghệ quang phổ hấp thụ vi sai (DOAS) hãng OPSIS – Thụy Điển 01 hệ thống tự động đo, cảnh báo phóng xạ RM-A1 [3], trạm cịn lại với cơng nghệ Mỹ, Úc Pháp [2,7,8] Sau lắp đặt xong công ty bàn giao trang thiết bị để khai thác khơng có mặt thường xun Việt Nam Điều dẫn đến gặp nhiều khó khăn việc hiệu chuẩn thiết bị hang khoảng cách địa lý nên việc phối hợp, xử lý cố chủ đầu tư, nhà thầu địa phương chưa kịp thời Hỗ trợ hãng chưa cao, nhiều cố gặp phải không nằm khuyến cáo nhà sản xuất Thêm vào đó, hầu hết kinh nghiệm cán tích lũy qua việc khắc phục, xử lý cố Vì vậy, đê có thê vận hành Trạm trơn tru, xử lý nhanh chóng cố cần khoảng thời gian lâu Một số cán kiêm nhiệm, nhiều trường hợp xử lý không kịp thời có cố đơi lúc chưa chủ động xử lý cố phối hợp với TTQTMT xử lý cố [2,7,8] Ngày nay, công nghiệp 4.0 (Industry 4.0) xem môi trường mà máy tính, tự động hóa người nói chung làm việc theo cách hoàn toàn Ngành cơng nghiệp mơi trường nói chung Quan trắc mơi trường mơi trường nói riêng dịch vụ sử dụng phổ biến việc cơng tác quản lý mơi trường, kiểm sốt ô nhiễm Để nâng cao hiệu quan trắc, kiểm sốt kịp thời nhiễm mơi trường trạm quan trắc tự động công cụ thiếu thời đại công nghệ 4.0 Quan trắc mơi trường việc theo dõi có hệ thống thành phần môi trường thường xuyên, cung cấp số liệu đo đạc cách xác nhằm phục vụ công tác theo dõi diễn biến chất lượng mơi trường, kiểm sốt nhiễm để bảo vệ môi trường tự nhiên sức khỏe người bền vững Dựa khái niệm mạng vạn vật kết nối (IoT), xu hướng sử dụng thiết bị đo trực tiếp phát triển mạnh mẽ, đặc biệt lĩnh vực quan trắc môi trường Quan trắc, giám sát tự động liên tục đảm bảo cung cấp liệu quan trắc truyền liệu theo thời gian thực trung tâm tích hợp liệu với khoảng cách không giới hạn; kết nối, xử lý đồng thời nhiều liệu; chia sẻ cho nhiều đối tượng người dùng; phục vụ cho việc đưa định, sách, dự báo kịp thời, xác Với mục tiêu kết nối trạm quan trắc theo xu hướng smart city làm chủ công nghệ thông qua có khắc phục cố kịp thời, quản lý thiết bị hiệu chỉnh, thay đổi phù hợp với môi trường địa lý Việt Nam Đề tài đề việc thiết kế xây dựng hệ thống quan trắc môi trường cách tự động với tảng IoT Trong đó, chúng tơi xây dựng thiết bị phần cứng thu thập liệu với đầu vào tín hiệu tương tự số cho phép gắn cảm biến giúp đo đạc thông số môi trường nhiệt độ, độ ẩm lượng CO, từ lưu trữ truyền trung tâm lưu trữ phân tích từ đưa cảnh báo kịp thời Những thông số chọn nhiệt độ, độ ẩm lượng CO thông số quy định định mức kinh tế - kỹ thuật cho hoạt động quan trắc mơi trường khơng khí ngồi trời Định mức quy định thông tư Ban hành Định mức kinh tế - kỹ thuật hoạt động quan trắc môi trường tài nguyên môi trường Số: 20 /2017/TT-BTNMT [9] Thiết bị phần cứng nút hệ thống IoT Ngồi ra, hệ thống cịn cho phép cảnh báo chỗ giá trị đo tại trường vượt mức an toàn nhiệt độ vượt ngữơng cho phép, có cảnh báo chỗ gửi cảnh báo server Trung tâm web server, cho phép thể thông số môi trường cho chuyên gia lưu trữ liệu cho người sử dụng cộng đồng khai thác hỗ trợ nghiên cứu khoa học Ngoài ra, hệ thống cho phép cảnh báo chỗ giá trị đo tại trường vượt mức an toàn nhiệt độ vượt ngững cho phép, có cảnh báo chỗ gửi qua SMS, từ thơng báo đến ban ngành có liên quan để có giải cách kịp thời Một khía cạnh khác đề tài mong muốn thiết kế chế tạo sản phẩm hỗ trợ cho ứng dụng đơn phù hợp cho việt nam với giá thành giảm nhiều so với việc nhập trang thiết bị từ nước Giả sử thu thập liệu sc1000 controller Hach Hach-Lange sử dụng trạm quan trắc Đồng Nai với giá trung bình 2,700 usd, với tính thiết kế theo đề tài giá giảm chì cịn chưa tới 50% Ngồi với việc làm chủ cơng nghệ, sản phẩm đề tài không dừng lại việc hỗ trợ quan trắc mơi trường mà cịn thay đổi thiết bị đầu vào hệ thống thay đổi giao diện thuật toán điều khiển để hỗ trợ cơng tác huấn luyện dạy học môn vi điều khiển, mơn giao tiếp thiết bị ngoại với việc phân tích cấu trúc, lập trình cho điều khiển trung tâm giao tiếp với web server Hoặc hỗ trợ việc giám sát nhiệt độ, lượng khí CO phịng thí nghiệm phịng vận hành máy móc khí, phịng thí nghiệm hóa học … Hoặc mở rộng lên việc thay đổi đầu dò để hỗ trợ việc xác định thông số nước sinh hoạt nước thải Hay hỗ trợ hướng ngày quan tâm ni trồng xanh, cho phép đo lượng nước từ đưa giải pháp tưới tiêu tự động hỗ trợ cho nông nghiệp tưới tiêu thông minh … [1] Tạ Hồng Yến - TT Quan trắc Bảo vệ môi trường, Sở tài nguyên môi trường Phú Thọ, “Giới thiệu hệ thống quan trắc mơi trường khơng khí tự động liên tục”, 2013 [2] Nguyễn Thị Nguyệt Ánh, “Giới thiệu hệ thống quan trắc môi trường tự động, liên tục”, Trung tâm Quan trắc môi trường, Tổng cục Môi trường, 2011 [3] Nguyễn Văn Thùy, Phạm Thị Vương Linh, Phạm Ngọc Hóa - Trung tâm Quan trắc mơi trường, Tổng cục Mơi trường, “Xây dựng, hồn thiện hệ thống trạm Quốc gia quan trắc tự động môi trường khơng khí.”, cổng thơng tin quan trắc mơi trường, tổng cục môi trường, 2014 [4] http://thietbiphantichmoitruong.com/THU-VIEN/2319138/23645/Cac-quy-dinhve-quan-trac-moi-truong-Quan-trac-moi-truong-tu-dong-lien-tuc.html [5] Quyết định số 355 / QĐ-UBND Ủy ban nhân dân thành phố Hà Nội “Quy hoạch mạng lưới quan trắc không khí cố định trênđịa bàn thành phố Hà Nội đến 2020”, 2012 [6]http://www.tienphong.vn/xa-hoi/he-thong-quan-trac-moi-truong-tu-dong843591.tpo [7] Trung tâm Quan trắc môi trường, “Tổng quan hệ thống quan trắc phân tích mơi trường”, 2013 [8] Tổng cục môi trường, Trung tâm quan trắc môi trường, “Tổng quan hoạt động quản lý vận hành trạm quan trắc mơi trường khơng khí tự động, cố định”, 2014 [9] Thông tư ban hành Định mức kinh tế - kỹ thuật hoạt động quan trắc môi trường Bộ tài nguyên môi trường Số: 20 /2017/TT-BTNMT Mục tiêu a Mục tiêu tổng quát: - Mục tiêu tổng quát thiết kế hệ thống thu thập liệu với đầu vào tín hiệu tương tự số cho phép gắn cảm biến giúp đo đạc thông số môi trườngnhư nhiệt độ, độ ẩm, chất lượng khơng khí, nồng độ khí thải Từ đó, thiết bị lưu trữ nhớ gắn chỗ có định vị GPS truyền trung tâm lưu trữ phân tích qua mạng di động GSM, từ đưa cảnh báo kịp thời - Trung tâm web server online, cho phép lưu trữ thể thông số môi trường cho chuyên gia ứng dụng quản lý mơi trường liên quan Ngồi ra, server lưu trữ liệu lâu dài cho người sử dụng cộng đồng khai thác hỗ trợ dự án nghiên cứu khoa học - Ngồi ra, hệ thống cịn cho phép cảnh báo chỗ giá trị đo tại trường vượt mức an toàn nhiệt độ vượt ngững cho phép, có cảnh báo chỗ gửi qua SMS, từ thơng báo đến ban ngành có liên quan để có giải cách kịp thời b Mục tiêu cụ thể: - Mơ hình thiết kế: - Thiết kế chế tạo thu thập liệu G407 với kết nối: o Đầu vào cảm biến: Nhiệt độ, độ ẩm khí CO môi trường (theo môi trường tại) Những thông số chọn nhiệt độ, độ ẩm lượng CO thông số quy định định mức kinh tế - kỹ thuật cho hoạt động quan trắc mơi trường khơng khí ngồi trời Định mức quy định thông tư Ban hành Định mức kinh tế - kỹ thuật hoạt động quan trắc môi trường Bộ tài nguyên môi trường Số: 20 /2017/TTBTNMT [9] o Các đầu relay điều khiển cấu chấp hành bên cịi báo o Hệ thống vơ tuyến theo cơng nghệ GSM để truyền liệu máy chủ - Ngoài thu thập liệu đánh giá kết hệ thốngvới đầu dò nhiệt độ, độ ẩm nồng độ khí CO, gửi trung tâm lưu trữ cảnh báo chỗ nhiệt độ vượt mức an tồn Server cài đặt chương trình giám sát lưu trữ liệu có cấu trúc để từ Smartphone máy tính khác truy cập Giao diện server xử lý hiển thị liệu dạng đồ thị, cấu hình hiển thị thiết bị đồ Phương pháp nghiên cứu - - - TT Sử dụng phương pháp khảo sát khoa học để nghiên cứu yêu cầu cụ thể ứng dụng quan trắc mơi trường, từ xác định u cầu thiết kế yêu cầu công nghệ Triển khai thiết kế hệ thống, sau thiết kế module thu thập liệu, thiết kế giao thức truyền thông thiết bị phần mềm thu thập liệu Cuối tiết kế phần mềm smartphone PC, tích hợp hệ thống Sử dụng phương pháp thực nghiệm khoa học để kiếm chứng thiết kế điều kiện thực tế, từ đánh giá kết quả, sai số đo, vấn đề tồn động đề tài Từ đưa phướng án khắc phục (Tên nội dung, công việc dự kiến cần phải thực để đạt mục tiêu đặt ra) Các nội dung, công việc chủ yếu cần thực Bộ thu thập liệu có định vị GPS truyền web server Kết cần đạt Thiết kế chế tạo thu thập liệu với thông số sau: ▪ Dual-Band: GSM 900 / 1800 MHz ▪ 3GPP release 99 ▪ GPRS multi-slot Class 10/8 ▪ Compliant to GSM phase 2/2+ ▪ Giao thức truyền HTTP/1.1 ▪ Tốc độ lấy mẫu tối đa 1giây, tốc độ truyền phút – 12 (cài đặt được) ▪ GPS chipset Channels: 66 parallel searching, 22 tracking channels Sensitivity: -165 dBm (Tracking) ▪ Tốc độ truyền ▪ Hỗ trợ Real Time Clock ▪ Hỗ trợ cảm biến nhiệt độ -30C -> 100C, độ sai số 0.5C tầm -10->85C Độ ẩm 0-95% sai số 2-5% Đầu dị đo khí CO: dãi phát từ 10-1000ppm • Điện áp hoạt động 7-15VDC , 0.5A • Cơng suất tiêu thụ khoảng 100C, độ sai số 0.5C tầm -10->85C Độ ẩm 0-95% sai số 2-5% Đầu dị đo khí CO: dãi phát từ 10-1000ppm • Điện áp hoạt động 7-15VDC , 0.5A • Cơng suất tiêu thụ khoảng