báo cáo nhập môn ngành điện đề tài trình bày tìm hiểu về hệ thống giám sát môi trường

 Lưu trữ thông tin để xây dựng cơ sở dữ liệu, phục vụ cho các hoạt động liênquan đến môi trường ở hiện tại và tương lai, cung cấp và trao đổi thông tintrong phạm vi quốc gia và quốc tế.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÁO CÁO NHẬP MÔN NGÀNH ĐIỆN

Đề tài: Trình bày tìm hiểu về hệ thống giám sát môi trường

Tên sinh viên:

Giảng viên:

Nguyễn Trung Kiên 20232154

Giáo sư Lê Minh Thùy

Hà Nội, 01/2024

BÁO CÁO TÌM HIỂU VỀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT MÔI

TRƯỜNG

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT MÔI

TRƯỜNG

1 Khái niệm

- Hệ thống quản lý môi trường (EMS) là một tập hợp các quy trình và thực tiễn cho phép một tổ chức giảm đi các tác động của môi trường và tăng hiệu quả hoạt động như một cách đồng thời

- Hệ thống quản lý môi trường được mô tả chi tiết tại tiêu chuẩn ISO 14001,

hệ thống điều khiển môi trường như một khung nguyên tắc giúp tổ chức đạt được các lợi ích kinh tế lẫn mục tiêu về môi trường thông qua việc xem xét, đánh giá và cải thiện hiệu suất môi trường nhất quán

2 Các yếu tố cơ bản của EMS

+ Xem xét các mục tiêu môi trường của tổ chức

+ Phân tích tác động môi trường và tác động pháp lí của nó

+ Giám sát và đo lường tiến độ trong việc đạt được các mục tiêu

+ Đặt mục tiêu môi trường để giảm tác động môi trường và tuân thủ các yêu cầu pháp lý

+ Xem xét tiến độ cuả EMS và cải thiện

3 Lợi ích khi áp dụng hệ thống quản lí môi trường

- Thực tiễn đa số chính phủ trên các nước toàn cầu đều có sự quan tâm đặc

biệt đến vấn đề bảo vệ môi trường, cụ thể đã có nhiều điều luật được ban hành quy định nhằm hạn chế những tác động xấu do hoạt động sản xuất xả thải Bên cạnh đó không ít các chính sách miễn trừ ưu đãi dành cho các tổ chức áp dụng các biện pháp môi trường Chính vì vậy việc xây dựng và áp dụng khi hiệu quả EMS

đã và đang đem lại nhiều lợi ích cho doanh nghiệp:

+ Giúp tổ chức giải quyết các nhu cầu pháp lý của mình một cách có

hệ thống và hiệu quả về chi phí

+ Cải thiện sức khoẻ và an toàn cho người dân

+ Phòng ngừa ô nhiễm, bảo tồn tài nguyên môi trường

4 Những vấn đề chính cần quan tâm trong giám sát môi trường

a Giám sát chất lượng không khí

- Quá trình giám sát này được thực hiện bởi những nhà nghiên cứu để kiểm tra, theo dõi chất lượng không khí Thông qua dữ liệu thu thập được về chất lượng không khí theo không gian và thời gian, có thể đánh giá những ảnh hưởng sức khỏe liên quan đến phơi nhiễm với các mức theo dõi

b Giám sát chất lượng đất

- Đây là hành động cần thiết nhằm đánh giá mức độ nhiễm độc của đất xung quanh doanh nghiệp, xưởng sản xuất, nhà máy, khu dân cư

c Giám sát chất lượng nước

- Cắt giảm lượng nước sử dụng trong sinh hoạt, kinh doanh, sản xuất quá nhiều mà không có mục đích rõ ràng, nguồn nước được đảm bảo an toàn, vệ sinh là mục tiêu hệ thống giám sát chất lượng nước hướng đến

5 Nhiệm vụ, vai trò của EMS

Hệ thống giám sát môi trường đảm nhận những vai trò quan trọng như sau:

 Theo dõi, thu thập thông tin, đánh giá thực trạng môi trường nhằm đưa ra hướng cảnh báo, cải tạo và xây dựng báo cáo diễn biến môi trường

 Kịp thời đưa ra cảnh báo diễn biến bất thường hay nguy cơ ô nhiễm, suy thoái môi trường

 Lưu trữ thông tin để xây dựng cơ sở dữ liệu, phục vụ cho các hoạt động liên quan đến môi trường ở hiện tại và tương lai, cung cấp và trao đổi thông tin trong phạm vi quốc gia và quốc tế

 Đánh giá hiệu quả hoạt động của hệ thống xử lý chất thải, hỗ trợ nhà nước trong việc quản lý, phát hiện và xử phạt các đơn vị không thực hiện đúng quy định xử lý chất thải, bảo vệ môi trường

6 Phân loại hệ thống giám sát môi trường

- Hiện nay, có 2 phương án chính để thực hiện giám sát môi trường là quan trắc trực tiếp định kỳ và sử dụng hệ thống quan trắc môi trường tự động (trạm quan trắc môi trường online)

- Hệ thống giám sát môi trường tự động cơ bản bao gồm:

Quan trắc môi trường không khí

Hệ thống quan trắc môi trường gồm các thông số giám sát cố định môi trường không khí gồm: lưu lượng, nhiệt độ, áp suất, O2 dư, bụi tổng, SO2, NOX, CO Ngoài ra còn các thông số đặc thù khác theo ngành nghề cụ thể

Quan trắc môi trường nước

Các thông số cơ bản khi thực hiện quan trắc môi trường nước gồm: lưu lượng nước thải đầu vào và đầu ra, nhiệt độ, độ pH, tổng chất rắn lơ lửng TSS, COD online, Amoni Ngoài ra còn có các thông số đặc trưng khác theo yêu cầu của nhà nước đối với đặc thù của từng nguồn nước

CHƯƠNG II: HỆ THỐNG GIÁM SÁT CHẤT LƯỢNG KHÔNG

KHÍ FIMI

Fi-Mi là dự án nghiên cứu và phát triển các thiết bị giám sát chất lượng không khí hạng nhẹ gắn trên xe buýt bằng cách tận dụng công nghệ cảm biến, giao tiếp và

AI Một mặt, bằng cách khai thác các kỹ thuật dự đoán dựa trên học sâu và động của xe buýt, Fi-Mi có thể mở rộng các khu vực giám sát và cung cấp thông tin chất lượng không khí chi tiết Mặt khác, bằng cách sử dụng các thiết bị giám sát tiết kiệm chi phí, Fi-Mi có thể giảm đáng kể chi phí so với các phương pháp hiện có như hệ thống giám sát không khí dựa trên UAV – thiết bị máy bay không người lái

1 Ý tưởng kiến trúc và nguyên mẫu thiết bị

a) Các tầng trong kiến trúc và sự hợp tác giữa chúng trong FIMI

Kiến trúc FIMI bao gồm ba tầng: cảm biến, truyền thông và ứng dụng:

Tầng cảm biến

Tầng cảm biến chịu trách nhiệm cảm nhận chất lượng không khí và báo cáo dữ liệu được cảm nhận Các thiết bị này đo chất lượng không khí trên các tuyến xe buýt và định vị của chúng Thiết bị có thuật toán hiệu chỉnh dựa trên phần sụn để giảm nhiễu khi đo

Chúng có thể được điều chỉnh dựa trên nhiều yếu tố khác nhau, bao gồm năng lượng dư trên thiết bị, RSSI (cường độ sóng, cường đọ tín hiệu ) , mức độ biến đổi của các chỉ số chất lượng không khí, v.v

Tầng giao tiếp

Tầng giao tiếp chịu trách nhiệm truyền dữ liệu được cảm nhận và thông tin RSSI được đo bằng thiết bị giám sát của máy chủ Bên cạnh cơ sở hạ tầng dựa như mạng không dây di động, Fi-Mi còn hướng tới khai thác truyền thông đặc biệt để nâng cao chất lượng đồng thời giảm chi phí

Các phương tiện thuộc tầng giao tiếp còn có thể quyết định thời điểm, địa điểm và cách thức để truyền dữ liệu dựa trên vị trí tại thời điểm đó và mức độ khẩn cấp của thông tin

Tầng ứng dụng

Tầng ứng dụng là bắt buộc để kiểm soát hành vi của các thiết bị giám sát, xử lý dữ liệu được cảm nhận và cung cấp các dịch vụ tương tác cho người dùng

Trong Fi-Mi, tầng này sẽ phải thực hiện các nhiệm vụ sau Đầu tiên, nó thực hiện các nhiệm vụ tối ưu hóa để điều chỉnh các thông số hệ thống một cách linh hoạt và các thuật toán bản địa hóa để định vị chính xác các thiết bị giám sát Hơn nữa, nó còn góp phần hiệu chuẩn để cải thiện độ chính xác của dữ liệu thô nhận được Quan trọng hơn, tầng ứng dụng cũng áp dụng các kỹ thuật dựa trên deep learning

để dự báo chất lượng không khí Tầng này cũng cung cấp phần phụ trợ cho người dùng, bao gồm trang web và ứng dụng điện thoại thông minh

b) Thiết bị giám sát chất lượng không khí ( Thuộc tầng cảm biến )

b.1) Thiết kế và phần cứng

Thiết bị giám sát chất lượng không khí gồm 4 phần: khối cảm biến, bộ vi điều khiển (MCU), khối giao tiếp và nguồn điện

+ Khối cảm biến Fi-Mi có 4 cảm biến chịu trách nhiệm theo dõi mật độ carbon monoxide (CO), Ozone (O3), Sulfur dioxide (SO2), PMx (tức là PM1.0 bụi siêu mịn, PM2.5 bụi mịn và PM10.0 những hạt có đường kính nhỏ hơn 10 micrometer ), nhiệt độ và độ ẩm

+ Khối MCU trong Fi-Mi là STM32F103C6T8 có hiệu suất tốt, tiết kiệm chi phí Tần số cao của MCU cho phép tăng tốc độ đọc dữ liệu cảm biến và tương tác với tầng giao tiếp, giảm thời gian cần thiết để trao đổi dữ liệu với ngoại vi

+ Khối giao tiếp Fi-Mi được thiết kế để hỗ trợ hai công nghệ không dây phổ biến (ví dụ: Wi-Fi và 4G (LTE)) và Hệ thống định vị toàn cầu (GPS) Nguyên nhân

là do thiết bị là thiết bị di động và nó cần báo cáo dữ liệu cảm biến với địa điểm đã được liên kết Do chi phí của 4G (LTE) hoặc sự giới hạn vùng phủ sóng tín hiệu, thiết bị Fi-Mi có thể sử dụng Wi-Fi để gửi dữ liệu Ở thời điểm hiện tại, thiết bị ưu tiên Wi-Fi hơn 4G (LTE) Khi thiết bị có dữ liệu cần gửi, đầu tiên nó sẽ kiểm tra kết nối Wi-Fi có khả dụng hay không MCU sẽ gửi dữ liệu đến máy chủ thông qua kết nối Wi-Fi nếu có sẵn sàng Nếu không, liên kết 4G (LTE) sẽ được sử dụng Khi

số lần thử vượt quá ngưỡng được xác định trước, MCU sẽ đặt lại giao tiếp chặn và thử lại Hiện tại, ngưỡng thử lại là 3

+ Bộ nguồn được thiết kế đảm bảo cho thiết bị Fi-Mi hoạt động ổn định không bị gián đoạn Thiết bị Fi-Mi có thể hoạt động ở chế độ ngủ để tiết kiệm năng lượng Ba loại cung cấp điện áp được sử dụng là:

DC 5 V cho mô-đun cảm biến

DC 4.2 V cho mô-đun giao tiếp 4G (LTE)

DC 3,3 cho mô-đun MCU, mô-đun Wi-Fi

Thiết bị Fi-Mi có thể nhận nguồn điện từ ba nguồn: pin sạc 3,7V 4000mAh, một tấm pin năng lượng mặt trời, một bộ ắc quy gắn với phương tiện giao thông

b.2) Phần mềm

Chương trình hoạt động của FIMI được xây dựng trong môi trường STM32CUBE Chương trình chính bắt đầu bằng cách khởi tạo khối giao tiếp, thẻ SD và thiết lập thanh ghi MCU Quá trình khởi tạo mất khoảng một đến hai phút để đảm bảo thiết

bị hoạt động tốt Sau đó, MCU sẽ thu thập và đọc dữ liệu từ các cảm biến trong khoảng 0,3 giây và tải lên máy chủ thông qua giao diện Wi-Fi hoặc 4G (LTE) Đồng thời, dữ liệu cảm biến cũng được lưu trữ trong thẻ SD Sau khi gửi dữ liệu, thiết bị FIMI chuyển từ chế độ hoạt động sang chế độ sleep để tiết kiệm năng lượng

c) Đánh giá và kết quả thử nghiệm

- Phần này trình bày đánh giá hiệu suất và triển khai thử nghiệm thiết bị Fi-Mi trên đường phố Hà Nội Bên cạnh việc xác minh các thông số chất lượng không khí, đội ngũ FIMI còn:

+ Đánh giá cảm biến thời gan đọc và giao tiếp của FIMI đối với máy chủ

+ Nghiên cứu tỉ lệ phân phối và độ trễ qua mạng WIFI và 4G (LTE)

- Thử nghiệm đầu tiên như sau Thiết bị Fi-Mi tĩnh đã được lắp đặt tại khuôn viên trường Đại học Bách khoa Hà Nội Để đo thời gian cảm nhận, đội ngũ FIMI cho MCU đọc tất cả các chỉ số chất lượng không khí 100 lần và tính toán độ trễ trung bình Về thời gian truyền, họ truyền 100 gói dữ liệu truyền dữ liệu được cảm nhận đến máy chủ trên mạng Wi-Fi và 4G (LTE) Tổng độ trễ để truy xuất thông tin từ các cảm biến và truyền dữ liệu được cảm nhận về máy chủ lần lượt là 0,32, 0,99 giây khi sử dụng Wi-Fi, 4G (LTE) Ngoài ra, thời gian cảm nhận trung bình

là 0,26 giây

- Trong thử nghiệm thứ hai , thiết bị FIMI được gắn trên một phương tiện đang chạy có điểm truy cập Wi-Fi Xe chạy với vận tốc khoảng 30 km/h dọc theo quãng đường 9 km trên đường phố Hà Nội Trước tiên, chúng tôi đo mức độ hao hụt gói dữ liệu qua Wi-Fi và 4G (LTE) Kết quả chi tiết được trình bày trong bảng sau, trong đó đường truyền 4G (LTE) đạt hiệu suất hoàn hảo với tỷ lệ phân phối gói là 100% Trong khi đó, Wi-Fi có thể đảm bảo được 97%

CHƯƠNG III: CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ DỰA TRÊN

CẢM BIẾN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY BLE

Hệ thống bản địa hoá trong nhà dựa trên tần số vô tuyến đã thu hút các nhà phát triển và nhà nghiên cứu thương mại trong vài thập kỷ qua Bản báo cáo này trình bày về một hệ thống bản địa hoá trong nhà sử dụng mạng cảm biến không dây (WSN) với cấu hình, thuật toán đơn giản, dễ triển khai, mở rộng và cải tiến Các nút cảm biến sử dụng công nghệ Bluetooth Low Energy (BLE) và hoạt động ở băng tần 2,4 Ghz

1 Khái niệm.

a) WSN (Wireless Sensor Network)

 Mạng cảm biến không dây (WSN) là một lĩnh vực đầy hứa hẹn đã được phát triển mạnh mẽ nhờ các tính năng tương tác, dễ triển khai, chi phí thấp mà nó cung cấp trong công nghiệp, y tế, dân sự và quân sự

 WSN đóng một chức năng quan trọng trong việc thu thập dữ liệu đo lường,

xử lý thông tin thu thập được và bản địa hóa trong tất cả ứng dụng hệ thống Internet of Thing (IoT)

b) BLE (Bluetooth Low Energy)

 BLE viết tắt của Bluetooth Low Energy hay Bluetooth 4.0 là công nghệ

dựa trên Bluetooth được phát hành vào năm 2011 BLE được thiết kế để cung cấp nhiều tính năng tương tự như Bluetooth nhưng tập trung vào công suất thấp, điểm khác biệt chính là khả năng tiêu thụ năng lượng thấp.

 BLE không nhanh bằng Bluetooth và không thích hợp để chuyển các tệp lớn Nhưng rất lý tưởng để truyền một lượng nhỏ dữ liệu với mức tiêu thụ điện năng thấp hơn rất nhiều BLE đã giúp cho một loạt các thiết bị IoT nhỏ như các cảm biến có thể giao tiếp mặc dù không có dung lượng pin lớn

 Sự khác biệt là các thiết bị sử dụng BLE với Bluetooth cổ điển là chúng vẫn

ở chế độ ngủ giữa các kết nối Chúng cũng được thiết kế để chỉ giao tiếp trong vài giây khi chúng kết nối

c) Công nghệ bản địa hoá trong nhà.

 Các nút cảm biến không dây thường được chôn dưới lòng đất để theo dõi địa chấn hoặc đặt ở các khu vực cần giám sát môi trường như rừng rậm, đại dương, sông ngòi, nhà máy, bệnh viện, khu công nghiệp hoặc trang trại; gắn vào động vật để theo dõi thói quen, hành vi và khu vực di chuyển; gắn vào người hoặc robot để định hướng, định vị và giao tiếp với người già, trẻ em hoặc người khuyết tật; tích hợp vào ô tô để kiểm soát giao thông ở các khu vực cụ thể

 Việc chọn vị trí của các nút là một khía cạnh quan trọng và có mối liên hệ trực tiếp tới hiệu quả của hệ thống như tính toàn vẹn của bộ dữ liệu thu được

về nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, ánh sáng và chất ô nhiễm Thách thức chính của việc này là độ chính xác, độ ổn định, khoảng thời gian phản hồi, thời gian cài đặt và độ phức tạp trong quá trình triển khai

2 Hệ thống định vị dựa trên WSN BLE.

a) Tổng quan.

 Hệ thống định vị trong nhà là hệ thống được xem xét ở môi trường định vị bên trong nhà Các vị trí của người sử dụng hoặc các thiết bị của họ trong mạng cá nhân (Personal Network) có thể xác định bằng cách đo vị trí các thiết bị di động trong nhà

 Các thiết bị cảm biến sẽ chuyển đổi tín hiệu, dữ liệu thu được sang các giá trị về khoảng cách hoặc góc Từ đó có thể xác định được vị trí của thiết bị di động trong nhà dựa trên thuật toán được xây dựng sẵn

 Việc sử dụng công nghệ BLE cho phép kết nối các thiết bị tạo thành các mạng không dây, giúp hỗ trợ việc truyền nhận dữ liệu qua các khoảng cách ngắn giữa các các thiết bị di động

b) Cấu trúc hệ thống.

- Các nút cảm biến được sử dụng trong hệ thống bao gồm:

- 1 nút di chuyển (đối tượng định vị): được đặt ở giữa khi vực, phát thông tin của nó bằng kênh quảng cáo

- 2 nút tĩnh: nhận thông tin từ nút di chuyển

- 1 cổng: hoạt động như một nút tĩnh, đồng thời nhận dữ liệu từ 2 nút tĩnh khác, xử lý tất cả dữ liệu nhận được và gửi đến máy chủ, tạo ra cấu trúc liên kết cây đơn giản

- Quy trình hoạt động của hệ thống:

- Khi nút chuyển động đi vào vùng kiểm tra, 2 nút tĩnh và cổng sẽ nhận RSS (Received signal strength) từ nút di chuyển

- Các nút tĩnh gửi thông tin nhận được của chúng đến cổng để cổng có thể tổng hợp và xử lý

- Sau đó, dữ liệu đã được xử lý sẽ được gửi đến máy chủ

Dữ liệu được gửi đến máy chủ bằng cách sử dụng giao diện lập trình ứng dụng HTTP hiện có và được hiển thị cho người dùng, tức là đã cung cấp tên người dùng và mật khẩu, thông qua màn hình tùy chỉnh trong máy chủ này

Giao diện người máy (HMI) của hệ thống:

Bố cục của phòng giám sát được hiển thị ở bên trái, trong đó ba nút cảm biến BLE

và 30 điểm tham chiếu được biểu thị bằng ba vòng tròn màu xanh lá cây và 30 vòng tròn màu đỏ

Căn phòng là một môi trường rất phức tạp với bốn khu vực nhỏ bao gồm hai tủ thí nghiệm, tủ lạnh, bàn, máy tính, máy móc và các mạch điện khác.

Đối tượng được định vị và hiển thị trực tuyến trong bố cục này để chúng ta có thể biết được vị trí, trạng thái của đối tượng khi sử dụng giao diện này.

Hệ thống này rất hữu ích để theo dõi người già và trẻ em trong các ứng dụng hệ thống chăm sóc sức khỏe tại nhà và chăm sóc tại nhà.