Xây dựng hệ thống giám sát các thông số xử lý nước nhiễm mặn ứng dụng công nghệ IoT

Xây dựng hệ thống giám sát các thông số xử lý nước nhiễm mặn ứng dụng công nghệ IoTXây dựng hệ thống giám sát các thông số xử lý nước nhiễm mặn ứng dụng công nghệ IoTXây dựng hệ thống giám sát các thông số xử lý nước nhiễm mặn ứng dụng công nghệ IoTXây dựng hệ thống giám sát các thông số xử lý nước nhiễm mặn ứng dụng công nghệ IoTXây dựng hệ thống giám sát các thông số xử lý nước nhiễm mặn ứng dụng công nghệ IoTXây dựng hệ thống giám sát các thông số xử lý nước nhiễm mặn ứng dụng công nghệ IoTXây dựng hệ thống giám sát các thông số xử lý nước nhiễm mặn ứng dụng công nghệ IoTXây dựng hệ thống giám sát các thông số xử lý nước nhiễm mặn ứng dụng công nghệ IoTXây dựng hệ thống giám sát các thông số xử lý nước nhiễm mặn ứng dụng công nghệ IoTXây dựng hệ thống giám sát các thông số xử lý nước nhiễm mặn ứng dụng công nghệ IoTXây dựng hệ thống giám sát các thông số xử lý nước nhiễm mặn ứng dụng công nghệ IoTXây dựng hệ thống giám sát các thông số xử lý nước nhiễm mặn ứng dụng công nghệ IoTXây dựng hệ thống giám sát các thông số xử lý nước nhiễm mặn ứng dụng công nghệ IoTXây dựng hệ thống giám sát các thông số xử lý nước nhiễm mặn ứng dụng công nghệ IoTXây dựng hệ thống giám sát các thông số xử lý nước nhiễm mặn ứng dụng công nghệ IoTXây dựng hệ thống giám sát các thông số xử lý nước nhiễm mặn ứng dụng công nghệ IoTXây dựng hệ thống giám sát các thông số xử lý nước nhiễm mặn ứng dụng công nghệ IoTXây dựng hệ thống giám sát các thông số xử lý nước nhiễm mặn ứng dụng công nghệ IoTXây dựng hệ thống giám sát các thông số xử lý nước nhiễm mặn ứng dụng công nghệ IoTXây dựng hệ thống giám sát các thông số xử lý nước nhiễm mặn ứng dụng công nghệ IoTXây dựng hệ thống giám sát các thông số xử lý nước nhiễm mặn ứng dụng công nghệ IoTXây dựng hệ thống giám sát các thông số xử lý nước nhiễm mặn ứng dụng công nghệ IoTXây dựng hệ thống giám sát các thông số xử lý nước nhiễm mặn ứng dụng công nghệ IoTXây dựng hệ thống giám sát các thông số xử lý nước nhiễm mặn ứng dụng công nghệ IoTXây dựng hệ thống giám sát các thông số xử lý nước nhiễm mặn ứng dụng công nghệ IoTXây dựng hệ thống giám sát các thông số xử lý nước nhiễm mặn ứng dụng công nghệ IoTXây dựng hệ thống giám sát các thông số xử lý nước nhiễm mặn ứng dụng công nghệ IoTXây dựng hệ thống giám sát các thông số xử lý nước nhiễm mặn ứng dụng công nghệ IoTXây dựng hệ thống giám sát các thông số xử lý nước nhiễm mặn ứng dụng công nghệ IoTXây dựng hệ thống giám sát các thông số xử lý nước nhiễm mặn ứng dụng công nghệ IoTXây dựng hệ thống giám sát các thông số xử lý nước nhiễm mặn ứng dụng công nghệ IoT

Mai Thanh Thảo

XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT CÁC THÔNG SỐ XỬ LÝ NƯỚC NHIỄM MẶN

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ IOT

ĐỀ ÁN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng)

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - NĂM 2024

-

Mai Thanh Thảo

XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT CÁC THÔNG SỐ XỬ LÝ NƯỚC NHIỄM MẶN

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ IOT

CHUYÊN NGÀNH: HỆ THỐNG THÔNG TIN

MÃ SỐ: 8.48.01.04

ĐỀ ÁN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng)

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS TRẦN CÔNG HÙNG

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2024

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề án tốt nghiệp của tôi với tên đề tài: “ Xây dựng hệ thống

giám sát các thông số xử lý nước nhiễm mặn ứng dụng công nghệ IoT ” là công

trình nghiên cứu của riêng tôi Tôi đã sử dụng các nguồn tài liệu tham khảo chính xác và đầy đủ Tôi không sao chép hay sử dụng bất kỳ ý tưởng hay kết quả nghiên cứu của người khác mà không ghi rõ nguồn gốc

Đề án này được thực hiện dựa trên dự án “ Nghiên cứu xây dựng hệ thống xử

lý nước nhiễm mặn có ứng dụng IoT để cấp nước sinh hoạt cho người dân vùng bị xâm nhập mặn tỉnh Bến Tre và một số tỉnh lân cận ” do PGS.TS Phùng Chí Sỹ làm chủ nhiệm dự án Tôi đã được phép sử dụng các kết quả nghiên cứu của

dự án này trong đề án tốt nghiệp của mình

Tôi xin chịu trách nhiệm trước Hội đồng nếu có sai sót trong đề án tốt nghiệp của tôi

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 08 tháng 05 năm 2024

Học viên thực hiện đề án

Mai Thanh Thảo

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Trần Công Hùng,

người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành đề án tốt nghiệp này Xin chân thành cảm ơn những lời khuyên, chỉ bảo quý báu của Thầy đã giúp tôi có thêm kiến thức và kinh nghiệm trong quá trình nghiên cứu

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Khoa Đào tạo sau đại học – Học viện

Công nghệ Bưu chính Viễn thông đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt

quá trình học tập và hoàn thành đề án tốt nghiệp

Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn đến các nhà khoa học, các cán bộ nghiên cứu

của dự án “Nghiên cứu xây dựng hệ thống xử lý nước nhiễm mặn có ứng dụng

IoT để cấp nước sinh hoạt cho người dân vùng bị xâm nhập mặn tỉnh Bến Tre và một số tỉnh lân cận” do PGS.TS Phùng Chí Sỹ làm chủ nhiệm dự án đã cho

phép tôi sử dụng các kết quả nghiên cứu của dự án này trong đề án tốt nghiệp của mình

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã luôn động viên, ủng hộ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 08 tháng 05 năm 2024

Học viên thực hiện đề án

Mai Thanh Thảo

4.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

5.Phương pháp nghiên cứu 4

Chương 1:TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NHIỄM MẶN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ IOT 5

1.1 Một số công nghệ xử lý nước nhiễm mặn 5

1.2 Giới thiệu về công nghệ chưng cất 6

1.2.1 Giới thiệu về công nghệ thẩm thấu ngược – RO 6

1.2.2 Giới thiệu về công nghệ màng Nano (NF) 7

1.3 Ứng dụng IoT trong quản lý vận hành các hệ thống nước đô thị và trong các quy trình công nghệ khử mặn (nước mặn, nước lợ) 9

1.4 Kết luận chương 11

Chương 2:CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU

LIÊN QUAN 12

2.1 Công nghệ IoT ( Internet of Thing) 12

2.2 Các giao thức truyền dữ liệu phổ biến trong lĩnh vực IoT 14

2.2.1 Constrained Application Protocol (CoAP) 14

2.2.2 Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) 15

2.2.3 Advanced Message Queuing Protocol (AMQP) 17

2.2.4 Data Distribution Service (DDS) 18

2.2.5 Simple Text Oriented Messaging Protocol (STOMP) 19

2.3 Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network-WSN) 20

2.3.1 Tổng quan mạng cảm biến không dây 20

2.3.2 Một vài đặc điểm của mạng cảm biến không dây 22

2.3.3 Kỹ thuật xây dựng mạng cảm biến không dây 22

2.3.4 Các chuẩn truyền thông không dây giữa Node IoT và Gateway 24

2.4 Một số công trình nghiên cứu liên quan 28

2.4.1 Các công trình nghiên cứu tại Việt Nam 28

2.4.2 Một số công trình nghiên cứu trên thế giới 31

2.5 Kết luận chương 34

Chương 3:NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG MẠNG CẢM BIẾN IOT 36

3.1 Mô hình và các thông số cần giám sát trong xử lý nước nhiễm mặn 36

3.2 Các cảm biến sử dụng trong hệ thống xử lý nước nhiễm mặn 38

3.2.1 Các thông số cơ bản cho thiết kế IoT node 38

3.2.2 Các cảm biến sử dụng cho hệ thống xử lý nước nhiễm mặn 40

3.2.3 Thiết kế mạng cảm biến IoT cho hệ thống xử lý nước nhiễm mặn 46

3.2.4 Tích hợp bộ điều khiển trung tâm PLC với IoT gateway để đưa dữ liệu giám sát và điều khiển lên server để quản lý từ xa 49

3.2.5 Các bước thiết lập giao tiếp Modbus giữa PLC và IoT gateway 51

4.1.3 Sơ đồ dữ liệu từ các Node đến Gateway 60

4.1.4 Xây dựng bộ lệnh giao tiếp trong hệ thống các nút mạng IoT với gateway và giữa gateway với webserver 60

4.1.5 Phát triển module quản lý chính điều khiển hệ thống xử lý nước nhiễm mặn 63

4.1.6 Module cảnh báo Clo dư 64

4.1.7 Module thu thập số liệu cảm biến EC và pH 65

4.1.8 Module giám sát lưu lượng 67

4.2 Tổ chức cơ sở dữ liệu cho hệ thống giám sát 68

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT

BLE Bluetooth Low-Energy Bluetooth năng lượng thấp DMF Dual Media Filter Bộ lọc đa phương tiện

EC Electrical Conductivity Độ dẫn điện(Cảm biến đo độ mặn sử dụng độ dẫn điện để đo lường nồng độ muối trong nước)

FIT Flow Indicator Transmitter Bộ chỉ thị lưu lượng để đo lường và hiển thị lưu lượng nước

FL Flowmeter Cảm biến lưu lượng nước dạng cơ HMI Human-Machine Interface Giao diện người-máy

IoT Internet of Things Internet Vạn Vật LS Level Sensor Cảm biến mực nước

PG Pressure Gauge Đồng hồ đo áp suất dạng cơ

pH potential of Hydrogen pH là thước đo tính axit hoặc kiềm PLC Programmable Logic Controller Bộ điều khiển trung tâm

PS Pressure Sensor Cảm biến áp suất RF Radio Frequency Tần số vô tuyến RO Reverse Osmosis Thẩm thấu ngược RTU Remote Terminal Unit Thiết bị đầu cuối từ xa TDS Total Dissolved Solids Tổng chất rắn hòa tan WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1: Các công nghệ khử mặn 5

Hình 1.2: Công nghệ chưng cất thu nước ngọt từ nước nhiễm mặn 6

Hình 1.3: Hiện tượng thẩm thấu và quá trình thẩm thấu ngược 7

Hình 1.4: Giới thiệu về công nghệ điện thẩm tách – ED (Electro-Deionization) 8

Hình 1.5: Quá trình điện thẩm tách 9

Hình 2.1: Kiến trúc phân tầng IoT tiêu chuẩn 13

Hình 2.2: Kiến trúc giao thức CoAP 15

Hình 2.8: Các thành phần chức năng của nút cảm biến 24

Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống xử lý nước nhiễm mặn công suất 500 m3/ngày 37

Hình 3.2: Sơ đồ khối của Node điều khiển IoT 38

Hình 3.3: Sơ đồ khối của Node điều khiển IoT 39

Hình 3.4: Sơ đồ khối của Node cảm biến và điều khiển IoT kết hợp 40

Hình 3.5: Đầu đo pH HANNA HI6100805_ Máy đo pH HANNA PH BL931700-1 40

Hình 3.6: Điện cực EC/TDS Online cáp 4m HI7634-00/4_Máy đo BL983315-2 42

Hình 3.7: Cảm biến áp suất 43

Hình 3.8: Cảm biến lưu lượng nước 44

Hình 3.9: Đồng hồ selec MFM284 44

Hình 3.10: Cảm biến Clo dư FCL505 45

Hình 3.11: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tích hợp IoT 47

Hình 3.12: Sơ đồ tích hợp bộ truyền nhận không dây ứng dụng công nghệ Sub- Ghz 48

Hình 3.13: Sơ đồ khối giao tiếp Modbus RTU giữa PLC và IoT gateway 50

Hình 3.14: Lưu đồ giải thuật hệ thống 52

Hình 4.1: Sơ đồ tổng quát hệ thống xử lý nước nhiễm mặn để cung cấp nước sinh hoạt ứng dụng nền tảng công nghệ IoT 55

Hình 4.2: Sơ đồ khối nút IoT điều khiển thiết bị 58

Hình 4.3: Sơ đồ khối nút IoT thu thập dữ liệu cảm biến pH, EC và lưu lượng 59

Hình 4.4: Mô hình thiết bị gateway được đề xuất thiết kế 59

Hình 4.5: Sơ đồ dữ liệu từ các Node đến Gateway 60

Hình 4.6: Cấu hình kết nối từ Gateway đến Webserver 60

Hình 4.7: Giản đồ xây dựng mã nguồn chính cho IoT Gateway 63

Hình 4.8: Giản đồ xây dựng mã nguồn chính giao diện cho IoT Cloud Gateway 64

Hình 4.9: Giản đồ cấu trúc file trong IoT Cloud Gateway 64

Hình 4.10: Lưu đồ giải thuật module hệ thống cảnh báo 65

Hình 4.11: Lưu đồ giao thức gửi/nhận giá trị EC đến người dùng qua Remote UI 66

Hình 4.12: Lưu đồ giao tiếp với hệ thống xử lý nước nhiễm mặn để giám sát lưu lượng nước 67

Hình 4.13: Bật CB cấp nguồn cho hệ thống IoT 71

Hình 4.14: Bộ hiển thị độ đục 71

Hình 4.15: Bộ hiển thị năng lượng 71

Hình 4.16: Bộ hiển thị pH 72

Hình 4.17: Bộ hiển thị lưu lượng 72

Hình 4.18: Giao diện màn hình đăng nhập 73

Hình 4.19: Kết quả đo các thông số được gửi về từ các cảm biến 73

Hình 4.20: Biểu đồ giá trị pH đầu ra 74

Hình 4.21: Biểu đồ giá trị Clo đầu vào 74

Hình 4.22: Giá trị lưu lượng vào 75

Hình 4.23: Giá trị dòng điện 75

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 2.1: Một số đặc tính của 802.15.4 26Bảng 2.2: Bảng cài đặt chế độ làm việc cho LORA SX1278 27Bảng 3.1: So sánh công nghệ Sub-Ghz với các công nghệ khác (BLE, WiFi, ZigBee) 47Bảng 4.1: Danh mục các cảm biến sử dụng trong hệ thống 56Bảng 4.2: Danh mục các thiết bị cần điều khiển từ hệ thống 57Bảng 4.3: Tiêu chuẩn của các thông số đo đạc trong hệ thống xử lý nước nhiễm mặn 68

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Nước là nguồn tài nguyên quý báu, là điều kiện cần thiết cho sự tồn tại và phát triển của mọi hình thức sống trên trái đất Trong những năm gần đây, nhu cầu tiêu thụ nước ngọt tăng lên đáng kể Nước nhiễm mặn là một vấn đề cấp bách của nhiều quốc gia trên thế giới, trong đó có Việt Nam Xâm nhập mặn đang ngày càng nghiêm trọng, ảnh hưởng đến nguồn cung cấp nước sinh hoạt và sản xuất nông nghiệp tại các tỉnh đồng bằng sông Cửu Long Theo Tổng cục Thủy lợi (Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn), cập nhật đến ngày 10/04/2020, hạn hán, xâm nhập mặn tại Đồng bằng sông Cửu Long gây thiệt hại nặng nề khiến khoảng 79.200 hộ dân đang gặp khó khăn, thiếu nước sinh hoạt (Bến Tre có 12.700 hộ, Sóc Trăng: 19.000 hộ, Kiên Giang: 11.300 hộ, Cà Mau: 17.500 hộ, Bạc Liêu: 3.300 hộ, Long An: 7.900 hộ, Trà Vinh: 6.000 hộ) và 43.000 ha lúa đông xuân, 1.700 ha cây ăn quả, 79 ha rau màu bị thiệt hại

Để giải quyết vấn đề xâm nhập mặn, cần phải xây dựng các nhà máy xử lý nước nhiễm mặn Tuy nhiên, việc vận hành các nhà máy này gặp nhiều khó khăn

✓ Các thông số của nước nhiễm mặn thay đổi thất thường theo thời gian và theo vị trí địa lý

✓ Các thiết bị vận hành và xử lý nước nhiễm mặn thường phức tạp và đòi hỏi kỹ thuật cao

✓ Vị trí của các nhà máy xử lý nước nhiễm mặn thường nằm ở vùng xa xôi, khó khăn trong việc tiếp cận và kiểm tra

Công nghệ IoT (Internet of Things) là một công nghệ mới, hiện đại, có khả năng thu thập và xử lý dữ liệu từ xa Ứng dụng công nghệ IoT trong giám sát các thông số của nhà máy xử lý nước nhiễm mặn có thể mang lại nhiều lợi ích

✓ Tự động thu thập dữ liệu từ các cảm biến, giúp giám sát các thông số của nước nhiễm mặn một cách liên tục và chính xác

✓ Cung cấp thông tin kịp thời cho người vận hành, giúp đưa ra các quyết định điều chỉnh vận hành hợp lý

✓ Giảm thiểu chi phí vận hành và bảo trì

Từ đó học viên chọn đề án “ Xây dựng hệ thống giám sát các thông số xử lý

nước nhiễm mặn ứng dụng công nghệ IoT” Bố cục chia làm 3 phần:

- Phần mở đầu - Phần nội dung gồm:

+ Chương 1: Tổng quan về công nghệ xử lý nhiễm mặn ứng dụng công nghệ IoT

+ Chương 2: Cơ sở lý thuyết và các công trình nghiên cứu liên quan + Chương 3: Nghiên cứu hệ thống mạng cảm biến IoT

+ Chương 4: Xây dựng ứng dụng giám sát các thông số xử lý nước nhiễm mặn - Đánh giá hiệu quả của hệ thống thiết kế và kết luận

2 Tổng quan các đối tượng nghiên cứu

Hệ thống xử lý nước nhiễm mặn: Đây là đối tượng chính của đề tài, bao gồm các thiết bị, công nghệ xử lý nước nhiễm mặn Hệ thống xử lý nước nhiễm mặn cần được nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và thử nghiệm để đảm bảo hiệu quả xử lý nước nhiễm mặn đạt yêu cầu trong sinh hoạt

Công nghệ IoT: Đây là công nghệ được ứng dụng để giám sát các thông số của hệ thống xử lý nước nhiễm mặn Công nghệ IoT cần được nghiên cứu, thiết kế, triển khai và thử nghiệm để đảm bảo hệ thống giám sát hoạt động hiệu quả

3 Mục đích nghiên cứu

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu, thiết kế và xây dựng hệ thống giám sát các thông số xử lý nước nhiễm mặn cho một Hệ thống xử lý nước nhiễm mặn công suất 500 m3/ ngày tại Nhà máy nước Lương Quới, Xã Châu Hòa, Huyện Giồng Trôm, Tỉnh Bến Tre, bao gồm các nội dung chính sau:

Nghiên cứu, lựa chọn các thông số cần giám sát trong quá trình xử lý nước nhiễm mặn

Nghiên cứu, tìm hiểu các thiết bị IoT giám sát các thông số này Xây dựng mạng truyền thông không dây sử dụng công nghệ IoT

Tổ chức cơ sở dữ liệu cho hệ thống giám sát các thông số xử lý nước nhiễm mặn Xây dựng webserver phục vụ giám sát các thông số xử lý nước nhiễm mặn

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu

Công nghệ IoT: là công nghệ được ứng dụng trong đề tài để thu thập, truyền, lưu trữ, xử lý và giám sát dữ liệu của nhà máy xử lý nước nhiễm mặn

Các thiết bị cảm biến IoT: là các thiết bị được sử dụng để thu thập dữ liệu của nhà máy xử lý nước nhiễm mặn Các thiết bị này thường được tích hợp các cảm biến để đo các thông số như độ mặn, pH, nhiệt độ,

Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) là một mạng gồm các nút cảm biến được phân tán trong không gian để giám sát và ghi lại các điều kiện vật lý của môi trường và chuyển tiếp dữ liệu đã thu thập đến một vị trí trung tâm WSN có thể đo các điều kiện môi trường như nhiệt độ, âm thanh, mức độ ô nhiễm, độ ẩm và gió…

Các thông số xử lý nước nhiễm mặn: là các dữ liệu cần được thu thập, giám sát để đảm bảo hiệu quả vận hành của nhà máy

• Nhiệt độ: là thông số ảnh hưởng đến hiệu quả hoạt động của các thiết bị xử lý nước

• Lưu lượng nước: là thông số thể hiện lượng nước chảy qua nhà máy xử lý nước

• Áp suất nước: là thông số thể hiện lực tác động lên bề mặt của nước • Độ đục: là thông số thể hiện mức độ trong suốt của nước

• Clo dư trong nước: bảo vệ màng lọc RO

✓ Nghiên cứu các công nghệ IoT và mạng truyền thông không dây phù hợp để thu thập, truyền, lưu trữ và giám sát dữ liệu xử lý nước nhiễm mặn

✓ Phát triển webserver phục vụ giám sát các thông số xử lý nước nhiễm mặn

5 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài sẽ sử dụng các phương pháp nghiên cứu:

✓ Nghiên cứu tổng hợp tài liệu: Nghiên cứu các tài liệu, công trình nghiên cứu về ứng dụng công nghệ IoT trong giám sát các thông số xử lý nước nhiễm mặn ✓ Nghiên cứu thực nghiệm: Xây dựng ứng dụng giám sát các thông số xử lý

nước nhiễm mặn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NHIỄM MẶN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ IOT

1.1 Một số công nghệ xử lý nước nhiễm mặn

Lựa chọn phương pháp xử lý nước mặn (nước biển) và nước nhiễm mặn (nước lợ) phù hợp đóng vai trò quan trọng trong việc đáp ứng nhu cầu nước ngọt cho từng khu vực và lãnh thổ Quá trình lựa chọn này phụ thuộc vào các yếu tố cụ thể như điều kiện môi trường, và mục đích sử dụng Trên thế giới, đã có nhiều nghiên cứu nhằm so sánh hiệu quả của các phương pháp xử lý nước mặn và nước nhiễm mặn Công nghệ nhiệt và lọc màng là hai phương pháp chính được tập trung nghiên cứu [1]

+ Công nghệ nhiệt trên cơ sở cung cấp năng lượng nhiệt cho nước biển để bay hơi hơi nước và sau đó ngưng tụ [2] Công nghệ này thường được sử dụng trong vùng có độ mặn cao Điển hình Caribbean và Trung Đông [1] sử dụng các quá trình nhiệt dựa trên đèn flash đa tầng (Multi-Stage Flash -MSF), chưng cất đa hiệu ứng (Multiple Effect Distillation - MED), và chưng cất nén hơi [1]

+ Công nghệ màng lọc đang dần khẳng định vị thế phổ biến trong xử lý nước mặn và nước nhiễm mặn bởi những ưu điểm vượt trội so với các phương pháp truyền thống Nhờ mức tiêu thụ năng lượng hợp lý, ít tác động đến môi trường và khả năng ứng dụng linh hoạt [3] Một số công nghệ màng bao gồm siêu lọc, màng điện phân, và thẩm thấu ngược [1], [4] góp phần nâng cao hiệu quả xử lý nước, đảm bảo nguồn nước ngọt an toàn và bền vững cho con người

Hình 1.1: Các công nghệ khử mặn

1.2 Giới thiệu về công nghệ chưng cất

Hệ thống xử lý nước nhiễm mặn bằng năng lượng mặt trời hoạt động dựa trên nguyên lý bay hơi và ngưng tụ Nước nhiễm mặn được đưa vào bể chứa và phân tán đều trên diện tích tiếp xúc với ánh nắng mặt trời Năng lượng mặt trời được hấp thụ sẽ làm nóng nước, khiến nước bay hơi Hơi nước sau đó ngưng tụ lại trên bề mặt mát của tấm panel bằng nhựa composite bao quanh Nước ngưng tụ được thu gom vào phía dưới thiết bị và chảy ra ngoài qua ống dẫn Kết quả thu được là nước tinh khiết, không chứa vi khuẩn và mầm bệnh Loại nước này có thể được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau như: sinh hoạt, tưới tiêu, chăn nuôi, Hệ thống xử lý nước nhiễm mặn bằng năng lượng mặt trời là một giải pháp tiềm năng cho vấn đề thiếu nước ngọt trên thế giới Nó có thể giúp cung cấp nguồn nước sạch cho các khu vực thiếu nước, đặc biệt là những khu vực ven biển và đảo

Hình 1.2: Công nghệ chưng cất thu nước ngọt từ nước nhiễm mặn

1.2.1 Giới thiệu về công nghệ thẩm thấu ngược – RO

Thẩm thấu là một hiện tượng tự nhiên xảy ra khi nước di chuyển qua màng bán thẩm từ nơi có nồng độ chất tan thấp (như nước ngọt) đến nơi có nồng độ chất tan cao (như nước muối) Nước di chuyển nhằm mục đích cân bằng nồng độ chất tan ở hai bên màng Quá trình này sẽ tiếp tục cho đến khi nồng độ chất tan ở hai bên bằng nhau, tạo ra áp suất thẩm thấu

Công nghệ thẩm thấu ngược hoạt động dựa trên nguyên lý ngược lại với thẩm thấu thông thường Áp lực cao hơn áp suất thẩm thấu được tạo ra để đẩy nước từ nơi có nồng độ muối/khoáng cao (nước mặn) qua màng bán thẩm đến nơi có nồng độ muối/khoáng thấp (nước ngọt) Nhờ vậy, các tạp chất như muối, kim loại nặng, vi khuẩn, được giữ lại ở một bên màng, tạo ra nguồn nước tinh khiết ở bên còn lại

Hình 1.3: Hiện tượng thẩm thấu và quá trình thẩm thấu ngược

1.2.2 Giới thiệu về công nghệ màng Nano (NF)

Công nghệ lọc màng Nano là một phương pháp xử lý nước tiên tiến sử dụng màng lọc có kích thước nano để phân tách các phần tử trong nước Quá trình này dựa trên sự chênh lệch áp suất, điện thế, nồng độ dung dịch hoặc nhiệt độ để đẩy nước và các phần tử nhỏ hơn qua màng, giữ lại các tạp chất có kích thước lớn hơn

Có bốn thông số cơ bản ảnh hưởng đến quá trình lọc màng:

✓ Áp lực: Lực đẩy chính để nước và các phần tử nhỏ hơn đi qua màng Áp lực càng cao, tốc độ lọc càng nhanh Tuy nhiên, áp suất quá cao có thể làm giảm tuổi thọ của màng

✓ Cơ chế phân tách: Có hai cơ chế chính: lọc kích thước và lọc chọn lọc Lọc kích thước dựa trên kích thước của các phần tử để phân tách, trong khi lọc chọn lọc dựa trên tính chất hóa học

✓ Cấu trúc màng: Màng lọc có thể được làm từ nhiều vật liệu khác nhau, bao gồm polymer, gốm sứ và kim loại Cấu trúc màng quyết định kích thước và tính chất của các phần tử có thể đi qua

✓ Pha dung dịch: Dung dịch được lọc có thể ảnh hưởng đến hiệu quả lọc Ví dụ, độ nhớt và nồng độ dung dịch có thể ảnh hưởng đến tốc độ lọc và chất lượng nước đầu ra

Hình 1.4: Giới thiệu về công nghệ điện thẩm tách – ED (Electro-Deionization)

Công nghệ điện thẩm tách (ED) là một quy trình điện hóa sử dụng màng bán thấm ion chọn lọc để loại bỏ muối và các chất ô nhiễm khác khỏi nước Quá trình hoạt động dựa trên nguyên lý di chuyển của các ion qua màng dưới tác động của lực hút tĩnh điện giữa ion và hai điện cực được đặt ở hai đầu của hệ thống Điện cực dương (anot) được nối với nguồn điện dương và điện cực âm (catot) được nối với nguồn điện âm Nguồn điện cung cấp dòng điện một chiều cho hệ thống Nước muối được đưa vào buồng chứa và chảy qua các khe giữa các màng Dưới tác động của điện trường, các ion trong nước muối di chuyển về phía điện cực có điện tích trái dấu Các ion dương di chuyển về phía catot và các ion âm di chuyển về phía anot Do sự di chuyển của các ion, nước trong ngăn chứa catot có hàm lượng ion giảm đi, tạo thành nước mặn loãng Trong khi đó, nước trong ngăn chứa anot có hàm lượng ion tăng lên, tạo thành nước mặn đặc

Ứng dụng IoT trong tối ưu vận hành các hệ thống nước thải và cấp nước ở đô thị bao gồm cảm biến gắn trên đường ống (camera, thẻ nhận dạng tần số vô tuyến) và cảm biến chỉ số nước (dòng chảy, áp lực và pH) để xây dựng hệ thống quản lý thời gian thực của một hệ thống đường ống cung cấp nước uống có tổng chiều dài 50km [6] Hệ thống cảm biến IoT được xây dựng nhằm phát hiện nhanh các sự cố đường ống dẫn nước, giúp giảm thiểu thời gian và công sức bảo trì sửa chữa hệ thống dẫn nước đô thị [7] Hệ thống cảm biến IoT được lắp đặt trên các đồng hồ đo nước hộ gia đình và gửi dữ liệu sử dụng nước về trung tâm [8] nhằm dự báo chính xác theo thời gian thực nhu cầu và hành vi sử dụng nước [9] IoT cũng được ứng dụng xây

dựng mô hình dự đoán ngập cống trong vận hành các hệ thống thoát nước đô thị [10] Các cảm biến IoT đặt trong các van thông minh trong hệ thống thoát nước có thể giúp dự đoán và giảm bớt việc tràn ống nước thải hay nghẹt cống [11], [12]

Sử dụng IoT trong tối ưu vận hành nhà máy xử lý nước thải với dữ liệu thông số hệ thống thu thập từ cảm biến đo các chỉ số như oxy hòa tan, nitrogen tổng, phốt pho tổng trong các quy trình xử lý bằng bùn hoạt tính, bể hiếu khí và ở nước đầu vào/ra Hệ thống IoT đóng vai trò giao tiếp thông qua giao diện người dùng, lưu trữ dữ liệu và xử lý thuật toán ra quyết định Sau một năm hoạt động, hệ thống tối ưu IoT giúp giảm tiêu thụ điện 13,5%, tiêu thụ hóa chất khử phốt pho trong nước 14%, lượng bùn thải 17% [13]

Tối ưu vận hành nhà máy sử dụng công nghệ chưng cất đa tầng (Multi-Stage Flash Distillation-MSFD) ở Az- Zour (Kuwait) sử dụng dữ liệu các thông số với tần suất đo 2 lần/giờ Kết quả đầu ra (output) bao gồm: lưu lượng hơi nước vào bộ phận làm nóng nước thải (brine heater), sản lượng chưng cất và nhiệt độ nước thải Nhà máy Jeddah 1 (Ả Rập Saudi) sử dụng công nghệ RO chỉ với 6 thông số; kết quả phân tích có hai biến phụ thuộc (tốc độ thẩm thấu của nước đầu ra, độ dẫn điện) và bốn biến độc lập (nhiệt độ nước đầu vào, áp lực nước đầu vào, lưu lượng nước đầu vào và pH nước đầu ra) [14] Cần lưu ý là tại thời điểm thực hiện nghiên cứu, cảm biến IoT vẫn chưa được áp dụng mà thay vào đó dữ liệu được đo bằng các cảm biến thường và một số chỉ số được đo đạc tại chỗ

Gần đây nhất Yaqub và cộng sự (2019) đã mô phỏng một hệ thống IoT giám sát và tự động hóa quy trình hoạt động của một nhà máy khử mặn hoạt động dựa trên năng lượng mặt trời và năng lượng gió [15] Hệ thống IoT dựa trên CISCO Packet Tracer (công cụ mô phỏng IoT để xử lý dữ liệu từ các cảm biến)

Nghiên cứu của Young (2020) tập trung vào việc theo dõi dữ liệu và tự động hóa vận hành thời gian thực của hệ thống khử mặn RO quy mô nhỏ (500 L/giờ) sử dụng pin năng lượng mặt trời công suất 4,3 kW và có lưu trữ điện [16] Các cảm biến để đo và theo dõi thời gian thực dòng điện DC (Direct Current), AC (Alternating

Current) và lưu lượng nước và được ghi 15 phút/lần Hệ thống sử dụng nền tảng IoT (ThingSpeak) với phần cứng là bo mạch điều khiển ESP32 microcontroller có tích hợp WiFi và Bluetooth để thu nhận dữ liệu từ cảm biến và gửi dữ liệu lên máy chủ IoT, từ đó cho phép truy cập dữ liệu từ xa

1.4 Kết luận chương

Chương này trình bày các công nghệ xử lý nước nhiễm mặn, bao gồm:

Công nghệ chưng cất: sử dụng nhiệt để làm bay hơi nước và sau đó ngưng tụ lại thành nước ngọt Đây là công nghệ khử muối truyền thống nhất và có hiệu quả cao Tuy nhiên, công nghệ chưng cất cũng tốn nhiều năng lượng và chi phí vận hành cao

Công nghệ thẩm thấu ngược (RO): sử dụng màng lọc có kích thước rất nhỏ để loại bỏ muối và các tạp chất khác ra khỏi nước Công nghệ RO có hiệu quả cao và tiết kiệm năng lượng hơn so với công nghệ chưng cất Tuy nhiên, công nghệ RO cũng có chi phí đầu tư ban đầu cao hơn

Công nghệ màng Nano (NF): sử dụng màng lọc có kích thước lớn hơn so với màng RO để loại bỏ một phần muối và các tạp chất khác ra khỏi nước Công nghệ NF có hiệu quả thấp hơn so với công nghệ RO nhưng chi phí đầu tư ban đầu thấp hơn

Ngoài ra, chương này cũng giới thiệu việc ứng dụng IoT trong quản lý vận hành hệ thống nước đô thị và quy trình công nghệ khử mặn (nước mặn, nước lợ): Phần này tập trung vào việc áp dụng công nghệ Internet of Things (IoT) để tối ưu hóa quản lý và vận hành các hệ thống nước đô thị, cũng như quy trình công nghệ để xử lý nước mặn và nước lợ

Có nhiều công nghệ khác nhau để xử lý nước nhiễm mặn Lựa chọn công nghệ phù hợp phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nguồn nước, chất lượng nước đầu ra mong muốn, chi phí đầu tư và vận hành

Ứng dụng IoT có thể giúp nâng cao hiệu quả quản lý vận hành các hệ thống nước đô thị và các quy trình công nghệ khử mặn

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN

2.1 Công nghệ IoT ( Internet of Thing)

Internet of Things (IoT) là một mạng lưới liên kết các thiết bị vật lý, cơ điện và kỹ thuật số được tích hợp với cảm biến, phần mềm và khả năng kết nối mạng Các thiết bị này có thể thu thập và truyền tải dữ liệu qua Internet mà không cần sự can thiệp trực tiếp của con người Tương lai của IoT hứa hẹn một thế giới kết nối mọi thứ: từ các đồ dùng gia đình, thiết bị công nghiệp, phương tiện giao thông, đến con người và động vật Mỗi vật thể sẽ được gắn nhãn và có khả năng tự động truyền dữ liệu qua mạng, tạo ra một hệ sinh thái thông minh và tự động hóa Thuật ngữ "Internet vạn vật" được Kevin Ashton đề xuất lần đầu tiên vào năm 1999 Kể từ đó, IoT đã trở thành một lĩnh vực công nghệ phát triển nhanh chóng, với nhiều tiềm năng ứng dụng trong mọi lĩnh vực của cuộc sống

Theo Liên Hiệp Viễn Thông Quốc Tế (ITU), Internet vạn vật (IoT) là một cơ sở hạ tầng toàn cầu cho xã hội thông tin Nó cho phép cung cấp các dịch vụ tiên tiến thông qua việc kết nối các đối tượng (vật lý và ảo) dựa trên các công nghệ thông tin và truyền thông tương tác hiện tại và đang phát triển Định nghĩa này cũng cho thấy sự phát triển liên tục của IoT Nó đề cập đến các công nghệ "hiện tại và đang phát triển", cho thấy IoT là một lĩnh vực đang không ngừng đổi mới

Phạm vi của IoT đang mở rộng theo nhiều cách, khi các giải pháp dựa trên IoT đang mở rộng đến gần như tất cả các lĩnh vực của cuộc sống hàng ngày, từ nhà thông minh đến sản xuất công nghiệp thông minh Và sự phát triển của Công nghiệp 4.0 đã bắt đầu

Cụm từ 'Internet of Things' (IoT) bao gồm hai từ: Internet và things Từ 'things' đề cập đến nhiều loại thiết bị IoT có danh tính duy nhất, có khả năng cảm biến từ xa, điều khiển và giám sát trực tiếp một số loại dữ liệu nhất định Thiết bị IoT cũng được kích hoạt để trao đổi dữ liệu trực tiếp với các thiết bị và ứng dụng được kết

nối khác, trực tiếp hoặc gián tiếp, hoặc thu thập dữ liệu từ các thiết bị khác, xử lý và gửi nó đến các máy chủ khác nhau Thuật ngữ 'Internet' được định nghĩa là một mạng truyền thông toàn cầu kết nối hàng tỷ máy tính trên khắp hành tinh, cho phép chia sẻ thông tin

Hình 2.1: Kiến trúc phân tầng IoT tiêu chuẩn

Kiến trúc IoT

Vì IoT có khả năng kết nối hàng tỷ đối tượng không đồng nhất qua Internet, nên có nhu cầu ngày càng tăng đối với kiến trúc phân lớp động

Lớp đối tượng(Objects layer)

Lớp đầu tiên (lớp nhận thức-perception layer) đại diện cho các cảm biến vật lý của IoT, cảm nhận, thu thập và xử lý thông tin

Lớp trừu tượng đối tượng (Object abstraction layer)

Lớp này chuyển dữ liệu thu được bởi lớp đối tượng lên lớp quản lý dịch vụ thông qua các kênh bảo mật Dữ liệu có thể được truyền bằng các công nghệ khác nhau như 3G, 4G, Wi-Fi, Bluetooth và ZigBee

Lớp quản lý dịch vụ(Service management layer)

Lớp này cho phép các lập trình viên ứng dụng IoT làm việc với các đối tượng không đồng nhất, bất kể nền tảng phần cứng nào

Lớp ứng dụng(Application layer)

Lớp này cho phép các dịch vụ thông minh chất lượng cao lấy được những gì khách hàng cần Nó bao gồm nhà thông minh, đơn vị sản xuất thông minh, giao thông vận tải, thiết bị cảm biến sinh học dựa trên chăm sóc sức khỏe thông minh, v.v

Business layer

Lớp này quản lý các hoạt động và dịch vụ của hệ thống IoT nói chung Nó chịu trách nhiệm xây dựng mô hình kinh doanh, đồ thị và biểu đồ dựa trên dữ liệu thu được ở lớp ứng dụng

2.2 Các giao thức truyền dữ liệu phổ biến trong lĩnh vực IoT

Viện Kỹ sư Điện và Điện tử (Institute of Electrical and Electronics Engineers - IEEE) và Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu (European Telecommunications Standards Institute - ETSI) đã xác định một số giao thức quan trọng nhất cho IoT

2.2.1 Constrained Application Protocol (CoAP)

Giao thức CoAP được quy định theo tiêu chuẩn RFC 7252 Giao thức CoAP là một phương thức truyền dữ liệu web chuyên biệt để sử dụng với các giao thức trong HTTP như POST, GET, PUT, DELETE WebSocket là một giao thức đặc biệt trong CoAP thường được thiết kế cho các ứng dụng giữa máy và máy (M2M) như tự động hóa tòa nhà, giám sát năng lượng, giao thông thông minh Giao thức này cũng được phát triển cho các thiết bị IoT có ít bộ nhớ thấp và thông số kỹ thuật tiêu tốn ít năng lượng hơn

Gần đây, Open Mobile Alliance (OMA) đã định nghĩa “Lightweight M2M” là một cơ chế hỗ trợ dịch vụ và quản lý từ xa đơn giản, chi phí thấp

Websocket được phát triển trước HTML5, hỗ trợ truyền dữ liệu thời gian thực và Websocket được hỗ trợ hầu hết trên mọi trình duyệt, nhưng như vậy vẫn chưa đáp ứng được các yêu cầu truyền dữ liệu và không ngừng phát triển như các thiết bị IoT Do vậy, SocketIO được ra đời dựa trên nền tảng TCP/IP là Websocket, AJAX và một số giao thức truyền thông sử dụng tín hiệu bắt tay khác Các gói tin

trong SocketIO đa dạng: Video, hình ảnh, text và cho phép người dùng tùy chỉnh payload theo mong muốn, tự động chọn và sử dụng phương thức truyền tin tối ưu nhất, không giới hạn dung lượng gói tin và không cần quan tâm các header như giao thức HTTP/HTTPS Vì vậy, SocketIO là một phiên bản đặc biệt của Websocket và thường được dùng trong các mô hình truyền dữ liệu đến các nhóm thiết bị ở xa (multicast package)

SocketIO: là giao thức sử dụng EngineIO để thiết lập truyền thông dữ liệu song công dưới dạng kết nối kiểu Clients và Server

SocketIO có 4 I/O model: Blocking IO, Non-Blocking IO, multiplexing IO, and asynchronous IO

Hình 2.2: Kiến trúc giao thức CoAP

2.2.2 Message Queuing Telemetry Transport (MQTT)

MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) là một giao thức nhắn tin tiêu chuẩn OASIS (Organization for the Advancement of Structured Information Standards) cho Internet of Things (IoT) Nó được thiết kế như một phương tiện truyền tải tin nhắn publish/subscribe (xuất bản/đăng ký) cực kỳ nhẹ, lý tưởng để kết nối các thiết bị từ xa với băng thông mạng thấp

MQTT hoạt động như sau:

✓ Các thiết bị kết nối với một máy chủ MQTT, được gọi là broker

✓ Các thiết bị có thể gửi dữ liệu (publish) hoặc nhận dữ liệu (subscribe) từ các chủ đề

✓ Một chủ đề là một tên duy nhất để xác định một loại dữ liệu

✓ Khi một thiết bị publish dữ liệu, broker sẽ lưu trữ dữ liệu đó trong một hàng đợi

✓ Các thiết bị khác có thể subscribe vào chủ đề đó để nhận dữ liệu từ hàng đợi

2.2.3 Advanced Message Queuing Protocol (AMQP)

Giao thức AMQP là một tiêu chuẩn mở cho phép truyền tải tin nhắn giữa các ứng dụng một cách đáng tin cậy và hiệu quả AMQP được thiết kế để thay thế các hệ thống truyền tin độc quyền và không tương thích, giúp tăng cường khả năng tương tác và linh hoạt trong việc kết nối các ứng dụng

Những tính năng chính của AMQP:

Định hướng message: Cho phép xác định rõ ràng người gửi và người nhận của tin nhắn

Hàng đợi: Lưu trữ tin nhắn tạm thời cho đến khi người nhận sẵn sàng tiếp nhận

Định tuyến: Gửi tin nhắn đến đúng người nhận thông qua nhiều phương thức, bao gồm point-to-point và publish-subscribe

Độ tin cậy cao: Đảm bảo tin nhắn được truyền tải thành công và nguyên vẹn Bảo mật cao: Mã hóa tin nhắn và bảo vệ khỏi truy cập trái phép

Broker: Hoạt động như trung gian để truyền tải tin nhắn và cung cấp khả năng điều khiển luồng (Flow Control)

Hình 2.4: Kiến trúc AMQP

2.2.4 Data Distribution Service (DDS)

Giao thức IoT DDS cho việc truyền thông máy tính thời gian thực đã được phát triển bởi Tổ chức OMG (Object Management Group) Nó cho phép trao đổi dữ liệu có khả năng mở rộng, thời gian thực, đáng tin cậy, hiệu suất cao và tương thích thông qua phương pháp publish-subscribe So với các giao thức IoT như MQTT và CoAP, DDS sử dụng kiến trúc không có trung gian và multicast để mang lại chất lượng dịch vụ (Quality of Service-QoS) cao cho các ứng dụng DDS có thể triển khai trên các nền tảng từ các thiết bị có kích thước nhỏ đến đám mây và hỗ trợ việc sử dụng băng thông hiệu quả cũng như sự triển khai linh hoạt của các thành phần hệ thống

Giao thức DDS có hai lớp chính: data-centric publish-subscribe (DCPS) và data-local reconstruction layer (DLRL) DCPS chuyển thông tin đến người đăng ký, và DLRL cung cấp một giao diện cho các chức năng của DCPS, cho phép chia sẻ dữ liệu phân tán giữa các đối tượng được kích hoạt bởi IoT

Hình 2.5: Kiến trúc giao thức DDS

2.2.5 Simple Text Oriented Messaging Protocol (STOMP)

Giao thức STOMP dựa trên văn bản được phát triển để làm việc với phần mềm trung gian hướng tin nhắn Nó cung cấp một định dạng dữ liệu tương thích giữa các thành phần để cho phép các client STOMP truyền thông với bất kỳ trung tâm thông điệp STOMP nào, tạo điều kiện cho sự tương thích thông điệp rộng rãi giữa nhiều ngôn ngữ, nền tảng và trung tâm thông điệp Giống như AMQP, STOMP cung cấp tiêu đề thông điệp với các thuộc tính và thân gói tin

STOMP không sử dụng hàng đợi (queue) và chủ đề (topic) như các giao thức khác Thay vào đó, nó sử dụng thuật ngữ "SEND" cùng với một chuỗi "destination" Trung tâm thông điệp cần phải ánh xạ chuỗi "destination" này thành một đối tượng mà nó có thể hiểu được bên trong, như là một chủ đề (topic), hàng đợi (queue), hoặc sàn trao đổi (exchange) Sau đó, người tiêu thụ có thể đăng ký nhận tin nhắn từ các "destination" tương ứng Tuy nhiên, vì các "destination" không được định rõ trong các thông số kỹ thuật, các trung tâm thông điệp khác nhau có thể hỗ trợ các loại "destination" khác nhau Điều này có thể tạo ra khó khăn trong việc chuyển đổi mã giữa các nhà môi giới khác nhau

STOMP đơn giản và nhẹ (mặc dù hơi dài dòng), với nhiều ngôn ngữ kết nối Nó cũng cung cấp một số ngữ cảnh giao dịch Một trong những ví dụ thú vị nhất là RabbitMQ Web STOMP, cho phép bạn mở rộng thông điệp trong trình duyệt thông qua Websockets

Hình 2.6: Kiến trúc STOMP

2.3 Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network-WSN)

2.3.1 Tổng quan mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến (hay còn gọi là mạng cảm biến không dây - WSN) là một hệ thống gồm nhiều thiết bị cảm biến nhỏ được kết nối với nhau thông qua mạng không dây Các thiết bị này có khả năng thu thập dữ liệu từ môi trường xung quanh, xử lý thông tin và truyền tải dữ liệu đến một trạm trung tâm để phân tích và đưa ra quyết định

Mạng cảm biến hoạt động dựa trên 3 thành phần chính: Cảm biến dùng để thu thập dữ liệu từ môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, chuyển động, Xử lý dữ liệu thu thập được và đưa ra thông tin hữu ích, sau đó truyền tải dữ liệu đến trạm trung tâm thông qua mạng không dây

Mạng cảm biến có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau, như:

✓ Giám sát môi trường: Theo dõi các yếu tố môi trường như chất lượng không khí, nước, nhiệt độ,

✓ Y tế: Theo dõi sức khỏe bệnh nhân, giám sát các thiết bị y tế ✓ Quân sự: Phát hiện xâm nhập, trinh sát, theo dõi mục tiêu ✓ Công nghiệp: Giám sát quy trình sản xuất, bảo trì thiết bị ✓ Nông nghiệp: Theo dõi điều kiện canh tác, quản lý vật nuôi

Các thành phần cơ bản trong một mạng cảm biến không dây:

Nút cảm biến: là thành phần quan trọng nhất của mạng cảm biến Nút cảm biến có thể được chia thành hai loại chính:

✓ Nút cảm biến thụ động: Nút cảm biến thụ động không có nguồn điện riêng, mà được cung cấp năng lượng bởi nguồn điện từ trung tâm điều khiển ✓ Nút cảm biến chủ động: Nút cảm biến chủ động có nguồn điện riêng, cho

phép nút cảm biến hoạt động độc lập với trung tâm điều khiển

Trung tâm điều khiển: là thiết bị nhận dữ liệu từ các nút cảm biến và xử lý dữ liệu Trung tâm điều khiển có thể được chia thành hai loại chính:

✓ Trung tâm điều khiển tập trung: Tất cả dữ liệu từ các nút cảm biến đều được truyền đến trung tâm điều khiển tập trung

✓ Trung tâm điều khiển phân tán: Dữ liệu từ các nút cảm biến được truyền đến các trung tâm điều khiển phân tán, sau đó các trung tâm điều khiển phân tán sẽ truyền dữ liệu đến trung tâm điều khiển tập trung

Mạng không dây: là phương tiện kết nối các nút cảm biến với nhau và với trung tâm điều khiển Có nhiều loại mạng không dây có thể được sử dụng trong mạng cảm biến, chẳng hạn như:

✓ Wi-Fi: là loại mạng không dây phổ biến nhất, cung cấp tốc độ truyền dữ liệu cao

✓ Bluetooth: là loại mạng không dây tầm ngắn, tiêu thụ năng lượng thấp ✓ ZigBee: là loại mạng không dây tầm ngắn, tiêu thụ năng lượng cực thấp ✓ LoRaWAN: là loại mạng không dây tầm xa, tiêu thụ năng lượng thấp

Hiệu quả sử dụng công suất của WSN dựa trên các yếu tố:

Tần suất truyền dữ liệu càng cao thì mức tiêu thụ năng lượng càng lớn Do đó, cần giảm tần suất truyền dữ liệu xuống mức thấp nhất có thể, nhưng vẫn đảm bảo đáp ứng được yêu cầu của ứng dụng

Kích thước gói tin càng lớn thì mức tiêu thụ năng lượng càng lớn Do đó, cần giảm kích thước gói tin xuống mức thấp nhất có thể, nhưng vẫn đảm bảo dữ liệu được truyền đi đầy đủ và chính xác

Công nghệ truyền dẫn có thể ảnh hưởng đáng kể đến mức tiêu thụ năng lượng Do đó, cần lựa chọn công nghệ truyền dẫn phù hợp với ứng dụng, đảm bảo hiệu quả sử dụng công suất cao

Kiến trúc mạng có thể ảnh hưởng đến mức tiêu thụ năng lượng Do đó, cần thiết kế kiến trúc mạng hợp lý, đảm bảo giảm thiểu số lượng các nút cảm biến cần thiết, đồng thời tối ưu hóa đường đi truyền dữ liệu

Có nhiều kỹ thuật tiết kiệm năng lượng có thể được sử dụng để cải thiện hiệu quả sử dụng công suất của mạng cảm biến không dây WSN, chẳng hạn như:

✓ Tắt/mở nút cảm biến: Các nút cảm biến chỉ hoạt động khi cần thiết, giúp tiết kiệm năng lượng khi không có dữ liệu cần truyền

✓ Tiết kiệm năng lượng trong quá trình truyền dữ liệu: Sử dụng các kỹ thuật giảm nhiễu, mã hóa, nén dữ liệu, để giảm lượng năng lượng tiêu thụ trong quá trình truyền dữ liệu

✓ Tối ưu hóa đường đi truyền dữ liệu: Sử dụng các thuật toán tối ưu hóa để chọn đường đi truyền dữ liệu ngắn nhất, giúp giảm lượng năng lượng tiêu thụ trong quá trình truyền dữ liệu

2.3.2 Một vài đặc điểm của mạng cảm biến không dây

✓ Các nút cảm biến có thể được phân bố rộng rãi trong một khu vực rộng lớn, giúp thu thập dữ liệu từ nhiều vị trí khác nhau

✓ Các nút cảm biến có thể hoạt động tự động, không cần sự can thiệp của con người

✓ Các nút cảm biến thường có kích thước nhỏ gọn và sử dụng năng lượng thấp, giúp giảm chi phí triển khai và bảo trì

✓ Mạng cảm biến không dây có thể được triển khai nhanh chóng và dễ dàng, giúp đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng IoT

✓ Mạng cảm biến không dây có thể được mở rộng một cách dễ dàng, giúp đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng có quy mô lớn

✓ Các nút cảm biến trong mạng cảm biến không dây có thể tự tổ chức thành một mạng lưới, giúp giảm chi phí triển khai và quản lý

✓ Mạng cảm biến không dây có thể chịu được lỗi của một số nút cảm biến, giúp đảm bảo hoạt động của mạng

2.3.3 Kỹ thuật xây dựng mạng cảm biến không dây

Phần cứng

Các thành phần cấu tạo nên một node cảm biến:

- Một cảm biến (1 hay một dãy cảm biến) - Đơn vị xử lý

- Đơn vị liên lạc bằng vô tuyến - Nguồn cung cấp

Quản lý giao thức mạng: Tuân theo các quy tắc và quy định của mạng để đảm bảo truyền dữ liệu hiệu quả

Bắt tay với các node lân cận: Thiết lập kết nối và trao đổi dữ liệu với các node xung quanh

Truyền dữ liệu tới trung tâm: Gửi dữ liệu đã thu thập và xử lý đến trạm trung tâm để phân tích và lưu trữ

Nhờ những khả năng này, các node có thể hoạt động độc lập và phối hợp với nhau để thu thập dữ liệu một cách hiệu quả và chính xác

Hình 2.7: Các thành phần của một nút cảm biến

Hình 2.8: Các thành phần chức năng của nút cảm biến

2.3.4 Các chuẩn truyền thông không dây giữa Node IoT và Gateway

Chuẩn Bluetooth sử dụng cho IoT

Kết nối các thiết bị có cài đặt bluetooth:

1) Truyền tải dữ liệu không dây giữa thiết bị di động và máy tính: Khi kết nối điện thoại thông minh với máy tính, 2 thiết bị cần ở gần nhau (dưới 10 m) và phải được kích hoạt tùy chọn bluetooth và tiến hành chọn và gửi dữ liệu

2) Truyền tải dữ liệu không dây giữa 2 máy tính: Khi kết nối không dây 2 máy tính qua bluetooth, 2 thiết bị cần ở gần nhau (dưới 10 m) và phải được kích hoạt tùy chọn bluetooth và tiến hành chọn và gửi dữ liệu

3) Chia sẻ kết nối mạng internet giữa 2 thiết bị: Sau khi kết nối Bluetooth đun, server sẽ quét để tìm thiết bị mới, ta sẽ nhận được thiết bị ngoại vi

mô-Các giao thức kết nối IoT năng lượng thấp

Giao thức Bluetooth được giới thiệu gần đây trong số các giao thức IoT là giao thức BLE (Bluetooth Low-Energy) Nó có khả năng làm cho Bluetooth thông thường kết hợp với ưu thế tiêu thụ điện năng thấp hơn

Lưu ý rằng BLE không được thiết kế để truyền các tệp lớn mà chỉ hoàn hảo cho dữ liệu nhỏ Thông số kỹ thuật Bluetooth Core 4.2 mới ra đời có bổ sung thêm một hồ sơ hỗ trợ giao thức Internet sáng tạo Nó cho phép cảm biến Bluetooth thông minh truy cập trực tiếp trên internet thông qua 6LoAPAN IPv6, là một giao thức Lớp Internet để kết nối mạng chuyển mạch gói và cung cấp truyền dữ liệu từ đầu đến cuối trên nhiều mạng IP 6LoWPAN là từ viết tắt của IPv6 qua Mạng không dây cá nhân công suất thấp Đây là lớp thích ứng cho IPv6 qua các liên kết IEEE802.15.4 Giao thức này chỉ hoạt động ở dải tần 2,4 GHz với tốc độ truyền 1 Mbps, phạm vi 50 – 150 m,

Giao thức Internet 6LowPAN là giao thức cho mạng cá nhân không dây công suất thấp IPv6 Đây là giao thức mạng xác định các cơ chế nén và đóng gói Tiêu chuẩn này không phụ thuộc dải tần, lớp vật lý và cũng có thể được sử dụng trên nhiều nền tảng truyền thông, bao gồm Ethernet, WiFi, 802.15.4 và ISM dưới 1 GHz Một thuộc tính quan trọng là ngăn xếp IPv6 (Giao thức Internet phiên bản 6), đây là phần quan trọng gần đây để sử dụng trong IoT IPv6 là sự kế thừa cho IPv4 và cung cấp khoảng 5 x 1028 địa chỉ cho người dùng trên thế giới, cho phép mọi đối tượng hoặc thiết bị nhúng có địa chỉ IP duy nhất của riêng mình và kết nối với Internet Ví dụ, trong thiết kế tự động hóa tòa nhà, IPv6 cung cấp một cơ

chế điều khiển và giám sát các hệ thống điều khiển phức tạp, giá thành thấp thông qua mạng không dây công suất thấp

Tiêu chuẩn này được thiết kế để gửi các gói IPv6 qua các mạng dựa trên IEEE802.15.4 và thực hiện các tiêu chuẩn IP mở bao gồm TCP, UDP, HTTP, COAP, MQTT và websockets Tiêu chuẩn này cung cấp các nút có thể định địa chỉ đầu cuối, cho phép bộ định tuyến kết nối mạng với IP

6LowPAN là một mạng lưới mạnh mẽ, có thể mở rộng và tự phục hồi Các thiết bị định tuyến dạng lưới có thể định tuyến dữ liệu dành cho các thiết bị khác, trong khi máy chủ có thể ngủ trong thời gian dài

Các giao thức kết nối Zigbee

Với mục đích hợp chuẩn thiết bị và kỹ thuật điều khiển, Tổ chức IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), được bảo trợ bởi hơn 150 thành viên, với các thành viên chính có Mitsubishi, Motorola, Philips, Ember, Honeywell, Invensys, Samsung đã xây dựng tiêu chuẩn cho truyền thông không dây IEEE đã xây dựng và phát triển chuẩn truyền thông không dây IEEE 802, trong đó: Nhóm IEEE 802.11 xây dựng chuẩn để giao tiếp không dây bằng sóng RF (Radio Frequency) Nhóm 802.15.4 xây dựng chuẩn giao tiếp không dây cơ sở cho các ứng dụng như Zigbee và liên tục phát triển những phiên bản mới nhằm nâng cao tốc độ truyền lên hơn (từ 250 bps hiện tại lên 1 Mbps), khoảng cách truyền xa hơn (20m hiện tại lên khoảng hơn 100 m) với độ tin cậy cao hơn Có hai nhóm riêng biệt, 802.15.4a tiến hành định nghĩa lại lớp vật lý trong khi 802.15.4b cải tiến lớp MAC (Media Access Control)

Các đặc tính cơ bản của chuẩn 802.15.4 trình bày trong Bảng 2.1

Bảng 2.1: Một số đặc tính của 802.15.4

Tốc độ truyền Châu Âu – 868 MHz : 20 kb/s; Mỹ – 915 MHz: 40 kb/s; Những nơi khác – 2.4 MHz: 250 kp/s

Tầm hoạt động 10 – 100 mét, một số mô-đun có thể cho kết quả lên đến 1.2 km

Độ trễ Thấp nhất là 15.36 ms

Các giao thức kết nối LoRa

Giao thức kết nối Lora là giao thức được sử dụng để kết nối IoT Node và Gateway với nhau

Để board hoạt động truyền nhận bình thường, khi sử dụng kết nối bằng đun LoRa SX1278, ta cần set 2 chân M0 và M1 về mức 0, ngoài ra ta có thể kết nối 2 chân này với 2 chân GPIO của vi điều khiển để cài đặt các chế độ hoạt động của mô-đun Chế độ làm việc của mô-đun LoRa SX1278 được quy định như trong Bảng 2.2

mô-Bảng 2.2: mô-Bảng cài đặt chế độ làm việc cho LORA SX1278

Kiểu 0 - Bình thường 0 0 Mở kênh nối tiếp và không dây, truyền thông suốt

Kiểu 1 – Đánh thức 0 1 Mở kênh truyền nối tiếp và không dây

Kiểu 2 - Tiết kiệm

Đóng kênh nối tiếp và kiểu đánh thức

Kiểu 3 - Ngủ 1 1 Ngủ, và có thể nhận lệnh xác lập thông số

2.4 Một số công trình nghiên cứu liên quan

2.4.1 Các công trình nghiên cứu tại Việt Nam

Các nghiên cứu về khử mặn nước biển đã bắt đầu từ cuối những năm 1990 và các công nghệ khử mặn hiện nay đang được ứng dụng, bao gồm công nghệ chưng cất nhiệt, công nghệ hạt nhựa trao đổi ion, công nghệ sử dụng màng nano (NF), công nghệ điện thẩm tách (ED), và công nghệ chưng cất màng (MD) Tại Việt Nam, Viện Hóa học (Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam) đang nghiên cứu và ứng dụng công nghệ cất nước biển bằng năng lượng mặt trời, với giá thành khoảng 1 triệu đồng/m3, công suất khi đưa vào sử dụng cung cấp từ 120-150 lít/ngày cho đội công nhân 8 người và cũng được lắp đặt tại hộ gia đình Công nghệ này hiện đang được thử nghiệm tại Bến Tre và Thừa Thiên-Huế Một hệ được đặt tại ngư trường Bình Đại đã cung cấp từ 120-150 lít nước sạch mỗi ngày cho đội công nhân 8 người Hệ còn lại, nhỏ hơn, được lắp đặt tại một hộ gia đình ở thị xã Bến Tre và đã mang lại hiệu quả cao

Năm 1992, Viện Kỹ thuật Quân sự II nhập về 01 bộ thiết bị lọc nước di động từ Nga, sử dụng công nghệ kết hợp UF/RO Nghiên cứu thử nghiệm được tiến hành tại Cần Giờ - Tp HCM, nhưng do chi phí đầu tư và vận hành quá cao cho mục đích dân sự nên không được phát triển tiếp Năm 2003, một dây chuyền gồm 05 thiết bị xử lý nước biển qua 05 công đoạn khác nhau đã được nghiên cứu và lắp đặt tại đảo Bạch Long Vĩ, trong đó thiết bị cuối cùng sử dụng màng lọc RO Năm 2005, Viện Khoa học Công nghệ Nhiệt lạnh - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã nghiên cứu quy trình chưng cất nước ngọt từ nước biển bằng năng lượng mặt trời, với công suất sản xuất khoảng 15-20 lít nước/ngày Tuy nhiên, điểm hạn chế của dự án này là công suất sản xuất thấp và diện tích lắp đặt lớn

Công nghệ màng RO đã được nghiên cứu và áp dụng trong những năm gần đây, đặc biệt trong các hệ thống xử lý nước biển do tính linh hoạt, khả năng kiểm soát công suất và chất lượng nước sau xử lý Năm 2008, Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã chuyển giao và đưa vào