Bài viết Hệ thống đo lường và giám sát chất lượng không khí từ xa ứng dụng nền tảng kết nối vạn vật đề xuất và thực nghiệm hệ thống ứng dụng nền tảng kết nối vạn vật (Internet of Thing – IoT) nhằm đo lường và giám sát từ xa chất lượng môi trường với thông số nhiệt độ, độ ẩm, bụi mịn 2,5µm và nồng độ khí CO.
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 20, NO 11.2, 2022 61 HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG VÀ GIÁM SÁT CHẤT LƯỢNG KHƠNG KHÍ TỪ XA ỨNG DỤNG NỀN TẢNG KẾT NỐI VẠN VẬT INTERNET OF THINGS (IOT)-BASED SYSTEM FOR REMOTELY MEASURING AND MONITORING ENVIRONMENTAL QUALITY Phạm Văn Khoa*, Nguyễn Văn Thái Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh1 *Tác giả liên hệ: khoapv@hcmute.edu.vn (Nhận bài: 21/8/2022; Chấp nhận đăng: 11/10/2022) Tóm tắt - Ơ nhiễm mơi trường khơng khí vấn đề cấp thiết cần giải Nghiên cứu đề xuất thực nghiệm hệ thống ứng dụng tảng kết nối vạn vật (Internet of Thing – IoT) nhằm đo lường giám sát từ xa chất lượng môi trường với thông số nhiệt độ, độ ẩm, bụi mịn 2,5µm nồng độ khí CO Hệ thống thiết kế phù hợp có tính mở rộng qui mơ giám sát để triển khai tòa nhà phạm vi rộng trời nhờ ứng dụng tảng mạng cảm biến không dây tương ứng Wi-Fi LoRa Sự thay đổi thơng số mơi trường giám sát điều chỉnh từ xa thông qua ứng dụng thiết kế xây dựng tảng hệ điều hành Android Dựa thông số môi trường đo lường, số chất lượng không khí tính tốn và đưa cảnh báo đến người dùng So sánh với thiết bị thương mại, kết thực nghiệm cho thấy hệ thống có độ xác cao Abstract - Air pollution is a critical issue that must be addressed This study proposed and implemented an Internet of Things (IoT)-based system for remotely measuring and monitoring environmental quality with parameters including temperature, humidity, fine dust 2.5µm, and CO concentration Based on wireless communication platforms as Wi-Fi and LoRa, the system is well-suited for monitoring scalability and can be deployed in buildings as well as in a wide range of outdoor environments The graphic user interface designed and built on the Android operating system platform can remotely monitor environmental parameters The air quality index is calculated to give warnings to users based on the measured environmental parameters The experimental results show that the system has high accuracy in comparison to commercial devices Từ khóa - Hệ thống giám sát chất lượng khơng khí; bụi mịn 2.5; cảm biến khí CO; ESP-8266; mạng LoRa Key words - Air quality monitoring system; PM 2.5; CO sensor; ESP-8266; LoRa network Đặt vấn đề Theo số liệu từ tổ chức y tế giới WHO 90% dân số tồn cầu bị ảnh hưởng nhiễm khơng khí [1] Các nghiên cứu rằng, khoảng 3,8 triệu người giới tử vong hàng năm chất lượng khơng khí Trong đó, loại bụi mịn có đường kính nhỏ 2.5 micromet (PM2.5) nguyên nhân gây nhiều bệnh hô hấp loại hạt xâm nhập sâu vào thể người [2, 3] Khí CO sinh hoạt động đời sống gây tử vong người tiếp xúc thời gian dài [4] Mơi trường làm việc với khơng khí chất lượng làm giảm hiệu lao động người khả xử lý thông tin người Ở Việt Nam, hậu ô nhiễm không khí số địa phương lên đời sống người lớn mặt sức khỏe gây thiệt hại lớn kinh tế dân cư vùng bị ô nhiễm [5] Nhiều thành phố Việt Nam bước phát triển để trở thành thị thơng minh Trong tiêu chí phát triển thành phố xanh đại, xây dựng môi trường sống lành an toàn việc làm cần thiết nhằm đảm bảo sức khỏe, nâng cao chất lượng sống người Từ đó, việc đo lường giám sát mơi trường khơng khí ngày trở nên cấp thiết hợp với nhiều loại cảm biến để triển khai hệ thống giám sát chất lượng mơi trường Trong nghiên cứu kể đến số nghiên cứu điển nghiên cứu Grath [6] đưa phân tích tác hại giới hạn hại bụi mịn lên sức khỏe người theo tiêu chuẩn Châu Âu (CAFE) Nghiên cứu giới thiệu số tảng lập trình, phần cứng xử lý loại cảm biến sử dụng để thực thi giải pháp đo lường thu thập chất lượng mơi trường khơng khí Nghiên cứu Sherin Abraham [7] trình bày giải pháp thực thi hệ thống giám sát chất lượng khơng khí môi trường nhà với giá thành rẻ sử dụng tảng phần cứng Arduino giao diện truyền thông Xbee Hệ thống có khả nhận diện rị rỉ khí gas Nghiên cứu [8, 9] trình bày việc giám sát thời gian thực chất lượng không khí quản lý lượng tịa nhà ngồi trời thơng qua cảm biến đo lường Nghiên cứu [10, 11] đưa mơ hình giám sát cơng suất chi phí thấp nhằm chất lượng khơng khí nhà truyền thơng tin qua giao thức mạng không dây LPWAN LoRaWan Đối với nghiên cứu nước, tác giả Vũ Vân Thanh [12] đề xuất hệ thống quan trắc môi trường dựa tảng IoT Các thông số môi trường gồm CO, SO2, PM2.5 thu thập gửi đến server thông qua công nghệ di động 3G Các số môi trường giám sát từ xa thơng qua ứng dụng di động Tuy nghiên cứu trước đề xuất số giải pháp nhằm giám sát chất lượng mơi trường khơng khí tồn số hạn chế thực thi hệ thống Hệ thống đo lường chất lượng khơng khí 2.1 Các nghiên cứu liên quan Nhiều nghiên cứu trước ứng dụng tảng IoT kết HCMC University of Technology and Education (Pham Van Khoa, Nguyen Van Thai) Phạm Văn Khoa, Nguyễn Văn Thái 62 cách ghép nối thiết kế có sẵn dẫn đến độ hồn thiện, tính ổn định khơng cao khó triển khai môi trường thực tế; Chỉ thu thập vài số chất lượng môi trường không đề xuất giải pháp ghép nối để giám sát, tổng hợp thông tin thu thập phạm vi rộng; Các thiết kế đa phần sử dụng phương pháp truyền liệu phạm vi gần Wi-Fi hạ tầng mạng di động 3G, GSM [12, 13] dẫn đến hạn chế phạm vi triển khai hệ thống, qui mô số lượng điểm đo (node) chi phi vận hành cao lượng thông tin truyền liên tục thời gian dài Có thể thấy, phương pháp kết nối truyền liệu điểm đo quan trọng triển khai hệ thống gồm nhiều điểm đo lường giám sát Bảng trình bày số liệu khảo sát đặc điểm số chuẩn truyền thông không dây Bluetooth, Wi-Fi, Zigbee LoRa Dựa vào đặc điểm phương pháp truyền liệu nêu, Wi-Fi kết hợp LoRa xem giải pháp hiệu triển khai hệ thống đo lường qui mô rộng Chuẩn Wi-Fi hiệu triển khai phạm vi tịa nhà nơi mà thơng thường hạ tầng mạng Wi-Fi gần trang bị hoàn chỉnh Tuy nhiên, chuẩn giao tiếp WiFi hiệu triển khai hệ thống đo lường trời nơi mà mật độ phủ sóng Wi-Fi vị trí điểm đo đặt xa LoRa, chuẩn truyền thông không dây dành cho mạng cảm biến xem giải pháp nhằm khắc phục nhược điểm nêu truyền liệu xa node mạng với khoảng cách hàng ngàn mét sử dụng công suất tiêu thụ thấp Bảng Đặc điểm chuẩn truyền thông không dây [14] Bluetooth Wi-Fi Zigbee Tiêu chuẩn IEEE 802.15.1 IEEE 802.11 Tần số 2.4 Ghz ÷ 60 Ghz Tốc độ ÷ 24 Mbps ÷ 10 m ÷ 6.75 Gbps 20 ÷ 100 m IEEE 802.15.4 868/915 Mhz, 2.4 Ghz 40 ÷ 250 Kbps 10 ÷ 20 m Rất thấp Cao Thấp Rất thấp Thấp Cao Thấp Cao Khoảng cách Nguồn tiêu thụ Giá LoRa LoRaWAN R1.0 900 Mhz 0.3 ÷ 50 Kbps