Luận văn thạc sĩ Công nghệ thông tin: Xây dựng hệ thống cảm biến quan trắc và bộ cơ sở dữ liệu ô nhiễm môi trường (AQI)

Trong bài luận văn này, chúng tôi xây dựng một hệ thống cảm biến quan trắc đo lườngAQI ứng dụng cho việc theo dõi liên tục nồng độ của các chất ô nhiễm trong không khí nhưPMa.s, PM\o, NO

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

⁄Z

Nguyễn Tài Tan Lộc

LUẬN VĂN THẠC SĨXÂY DUNG HỆ THONG CAM BIEN QUAN TRAC VA

BỘ CƠ SỞ DU LIEU Ô NHIEM MOI TRƯỜNG (AQD)

Constructing The System of Air Sensors and Air pollution database (AQD)

NGANH CONG NGHE THONG TIN

Mã số: 8480201

GIANG VIÊN HƯỚNG DẪN

TS Nguyên Thành Dương

TP HỒ CHÍ MINH, 2022

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng luận văn thạc sĩ này được viết và trình bày bởi chính tôi Đây làkết quả nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn trực tiếp của Thầy TS Nguyễn Thành Dương

và Thầy TS Đào Minh Sơn Mọi tham khảo trong luận văn này đều được trích dẫn rõ ràng.Đồng thời, tôi xin cam đoan rằng các kết quả thực nghiệm được trình bày trong luận vănnày là trung thực Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về mọi sao chép không hợp lệ hoặccác vi phạm về quy chế đào tạo

TP Ho Chí Minh, ngày 17 tháng 04 năm 2022

Học Viên Thực Hiện

Nguyễn Tài Tắn Lộc

LỜI CẢM ON

Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Tiến sĩ Nguyễn Thành Dương,

Thay Tiến sĩ Đào Minh Sơn Người đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tôi hoàn thành luậnvăn Cảm ơn Thầy đã hướng dẫn, cung cấp tài liệu, phương pháp nghiên cứu vấn đề và giúptôi đưa ra ý tưởng để thực hiện luận văn này Chúc thay luôn đồi dào sức khỏe, thành côngtrong sự nghiệp nghiên cứu khoa học, giảng dạy, công việc và cuộc sống

Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Quý Thầy Cô Trường Đại Học Công Nghệ ThôngTin TP.Hồ Chí Minh đã hết lòng tận tụy, nhiệt huyết truyền tải những kiến thức quý giátrong suốt thời gian tôi học tại trường

Cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới BGH nhà trường, Phòng Đào Tạo Sau Đại Học,

Khoa Công Nghệ Thông Tin Trường Đại Học Công Nghệ Thông Tin TP.Hồ Chí Minh đãtạo điều kiện thuận lợi cho tôi để hoàn thành luận văn một cách tốt nhất trong suốt quá trình

mong nhận được sự đóng góp ý kiến của Quy Thay, Cô

Xin chân thành cảm ơn! `

TP Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 04 năm 2022

Học Viên Thực Hiện

Nguyễn Tài Tắn Lộc

Mục lục

1 GIỚI THIỆU|

Ld Tinh cap thiệt của đề tài|

1.1.1 Giới thiệu dé tài|

13 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

14 Y nghĩa thực tiễn và khoa học|

1.5 Co sở lý thuyét và các nghiên cứu

3.2 Tổng quan hệ thống cảm biến quan trắc

trạm| -3.3 _ Phân cứng - Thông so kỹ thuật

3.4 Phan mềm - Điều khiển hệ thống trạm từ

xa| -3.5 Hiệu năng của hệ thống|

(3.6 _ Những bản thiết kế đã ra mắt của đề

tài| -4_ KET QUA THỰC NGHIỆM

4.2 Hệ thống cảm biến quan trắc tram|

5 ỨNG DỤNG

4.1 Hệ thống cảm biên quan trắc di động] Le ee

6 KET LUẬN VA HƯỚNG NGHIÊN CỨU TƯƠNG LAI|

TÀI LIỆU THAM KHẢO)

Danh sách hình vẽ

3.1 Kiên trúc mô hình thu thập dữ liệu di động| 21

3.2 Kiến trúc mô hình thu thập dữ liệu rạm| - 23

3.3 Sơ đồ khối tổng quan của thiết bị di động| 24

3.4 Sơ đồ khối tổng quan của thiết bị trạm| - 25

3.5 Kết nối cách chân thiết bị trong hệ thống| 25

3.6 Phiên bản di động vi.0Ì - 27

3.7 Phiên ban di động v4.0| 27 3.8 Phiên bản di động v2.0 27 3.9 Phiên ban di động v3.0| 27 3.10 Phiên ban di động v5.0| 28 3.11 Phiên ban tram v0 .Z A0 | / 28

4.1 Thiết bị dé tài (bên trái) và thiết bị của NICT (bên phải| 30

(4.2 Độ chính xác so với thiệt bị NICT| 30 4.3 Đánh giá bụi mịn PM›„| 31 4.4 Đánh giá bụi mịn PMjo| 31 4.5 Đánh giá nhiệt đội 31 4.6 Đánh giá độ ẩm| 31 4.7 Đánh giá khí Ozone(Ớ3)} - 31

4.8 _ Đánh giá khí Nitơ dioxide (WØ;)| - 31

4.9 Hệ thong cảm biến quan trắc trạm] - 32

5.1 _ Các tuyên đường thu thập dữ liệu AQI - [MNR-HCM Datal| 34

5.2 Các hình ảnh được chụp bằng điện thoại và camera dọc theo tuyên đường -[_——— [MNRHCMDaua] 34

5.3 Các tuyên đường thu thập dữ liệu AQI - [MNR-HCMII]} 35

5.4 _ Server hiển thi dữ liệu trạm cảm biến thu thập được thời gian thực - [Asean

KP 35

5.5 _ Server hiển thị hình ảnh camera dang quay ở các trạm - [Asean Ivo] 35

Danh sách bảng

2.1 Bộ cảm biến cơ sở của dé tài|

3.I Bảng câu hỏi khảo sátcảm nhận|

3.2 Phan cứng chi tiết của thiệt bị cảm biên di động|

3.3 Phần cứng chỉ tiết của thiết bị cảm biến trạm|3.4 _ Tập lệnh điều khiển hệ thống cảm biến trạm

TÓM TẮT

Ô nhiễm môi trường là một trong những vấn dé đang được nhiều quốc gia quan tâm, đặc

biệt là ô nhiễm không khí bởi nó ảnh hưởng trực tiếp tới sức khỏe của nhiều người Ô nhiễmkhông khí là sự gia tăng đột biến các chất khí độc hại trong bầu khí quyển xuất phát từ tựnhiên hoặc nhân tạo Vì thế việc theo dõi, giám sát nồng độ các chất ô nhiễm trong khôngkhí đang trở nên rất cần thiết cho mỗi quốc gia Trong đó AQI (Air Quality Index - Chỉ sốchất lượng không khí) là một đơn vị đo phổ biến trên thế giới, được chia thành nhiều cấp

từ an toàn đến cực kỳ nguy hiểm cho con người, và được điều chỉnh cho từng quốc gia tùytheo tiêu chuẩn đánh giá không khí của quốc gia đó

Trong bài luận văn này, chúng tôi xây dựng một hệ thống cảm biến quan trắc đo lườngAQI ứng dụng cho việc theo dõi liên tục nồng độ của các chất ô nhiễm trong không khí nhưPMa.s, PM\o, NO2, CO, SO2, và O3 Hệ thông được thiết kế gồm có 2 loại: Hệ thống quantrắc đi động và hệ thống quan trắc trạm Giống như tên gọi, hệ thống quan trắc di động

chúng sẽ được mang vác đi khắp khu vực cần đo đạc, thu thập dữ liệu chính xác cho từng

con đường, góc phố, con hẻm, bờ kênh, ven sông, Thiết bị được thiết kế với kích thướcnhỏ, tính di động cao Hệ thống quan trắc trạm thì được đặt cố định và có thể nhanh chóng

triển khai lắp đặt để theo doi chất lượng không khí tại một khu vực mới Hai hệ thống trên

được tích hợp bởi nhiều cảm biến rời rạc có chỉ phí thấp được bán phổ biến trên thị trường

Dữ liệu thu thập được sẽ tự động lưu trữ lên điện toán đám mây và thẻ nhớ của thiết bị

Đề tài còn tổ chức thực hiện thu thập bộ cơ sở dữ liệu theo SEPHLA II

SEPHLA-MediaEval 2019 Ngoài thông số AQI ra thì chúng ta cần các dữ liệu khác như hình

ảnh xung quanh vị trí đo đặc, cảm xúc khi đi qua khu vực đó, thời gian, vị trí thu thập dữ

liệu, Từ đó có thể xây dựng được bộ cơ sở dữ liệu có nhiều mồi tương quan, đặc tính cho

việc nghiên cứu sâu.

Trong nghiên cứu này, luận văn tập trung xây dựng hệ thống cảm biến quan trắc và bộ

cơ sở dữ liệu ô nhiễm môi trường (AQD) bao gồm sáu chương: Chương {I} [GIỚI THIỆU]

HƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3||xXÂY DUNG HỆ THÔNG| Chương

E||KẾT QUÁ THUC NGHIỆM| Chuong|5} Cuối cùng, chương|6||KẾT LUẬN|

[VA HƯỚNG NGHIÊN CÚU TƯƠNG LAI|

Chương 1

GIGI THIEU

1.1 Tính cấp thiết của dé tài

1.11 Giới thiệu đề tài

Hiện nay, tình trạng ô nhiễm không khí là một trong những vấn đề rất được quan tâm

ở các thành phó, vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người Nhằm góp phần trực

quan hóa sự ô nhiễm không khí và cảnh báo mọi người về tình trạng ô nhiễm hiện tại củathành phó, luận văn đề xuất một hướng giải quyết là xây dựng hệ thông cảm biến quan trắcchất lượng không khí (AQI: Air Quality Index - Chỉ số chất lượng không khí) để theo dõi,giám sát nồng độ các chất ô nhiễm trong không khí Hệ thống cảm biến đo đặc các chỉ sốcần thiết để có thể đánh giá chất lượng không khí như: PM s, PMo, NO2, CO, SO2, và O3,các chỉ số khí hậu như: nhiệt độ, độ ẩm, tia UV ảnh hưởng trực tiếp đến da, hệ hô hấp củacon người, ngoài ra hệ thông bao gồm định vị để xác định được vị trí đo đạc Hệ thông cảm

biến được phát triển trong luận văn gồm có 2 loại: Hệ thống quan trắc di động và hệ thống.

quan trắc trạm, chúng có thể thu thập dữ liệu liên tục thời gian thực, tự động lưu trữ dữ liệulên điện toán đám mây, từ đó xây dựng bộ cơ sở dữ ô nhiễm môi trường cho các ứng dụngtrực quan hóa, các nghiên cứu sâu nhằm cải thiện chất lượng sống của thành phó

Vn dé đặt ra là các thành phố đang bị ảnh hưởng bởi ô nhiễm không khí và tinh trạng này

có thể tiếp tục trong thời gian dài Rất nhiều nghiên cứu, cũng như giải pháp được nghiêncứu và đề xuất nhằm cải thiện tình hình Tuy nhiên, một trong các trở ngại chính cho việcnghiên cứu cũng như đánh giá tình trạng ô nhiễm trong thời gian thực là thiếu dữ liệu trựctuyến và cục bộ

1.1.2 Lý do chọn dé tài

Hiện tại trên thị trường có rất nhiều hệ thống cảm biến AQI, nhưng phần lớn chúng khôngthu thập được tat cả các loại khí, bụi ảnh hưởng đến chất lượng không khí Các hệ thông

này hầu hết chi dùng PA;.s để suy ra AQI, giá thành của chúng khá đắt, và khá tốn kém

khi nghỉ tới phương án lắp đặt toàn thành phố Các cảm biến này được đặt cố định Vì lý

do đó, đề tài này sẽ giải quyết các vấn đề trên Xây dựng một hệ thống cảm biến có thé thuthập được tat cả các khí, bụi ảnh hưởng đến AQI như: PM2.s, PMo, NO, CO, SÓa, va 03,

một cách đồng bộ và thời gian thực Giá thành thiết bị rẻ, chỉ phí vận hành trên toàn thành

phố thấp Hệ thống cảm biến mới có định vị, vì vậy có thể mang theo người hoặc lắp vào

xe để thu thập data cả tuyến đường, cung cấp dữ liệu cho các nghiên cứu sâu trong hệ thôngthành phố thông minh

1.13 Thách thức

Một trong các thách thức để giải quyết vấn đề này là:

* Thông số của cảm biến không nằm trong ngưỡng nhiệt độ, độ ẩm của môi trường cần

đo đạc Như cảm biến SDS011 - PMz,s ngưỡng độ ẩm tối da hoạt động là 70%, nhưngkhi đem thiết bị lên Đà Lạt thì ộ ẩm trung bình tại nơi đây lớn hơn 80% dẫn đến cảmbiến cho kết quả không chính xác Để giải quyết được vấn đề này thì đề tài trải quanhiều lần thay thế cảm biến, sao cho chúng phù hợp với khí hậu ở Đà Lạt

* Tìm kiếm và duy trì đội ngũ thu thập dữ liệu hàng ngày cho hệ thống quan trắc di

động.

* Thiết kế cách quản lý và điều khiển thiết bị trạm từ xa như khởi động lại, cài đặt thời

gian gửi tín hiệu (30 giây/data, hoặc 5 phút/data, ).

* Lựa chọn nguồn cung cấp phù hợp cho hệ thống di động va trạm Hệ thống di độngdùng PIN dự phòng để dé dàng mang theo người, hệ thống tram dùng tim PIN nănglượng mặt trời Việc này sẽ ảnh hưởng đến phần cứng của 2 hệ thống

* Chọn lựa và tích hợp cảm biến thích hợp để có thể có một hộp thiết bị di động gọnnhẹ, và hộp thiết bị trạm thì có thể để ngoài trời

+ Kiến thức về linh kiện điện tử còn hạn chế

10

+ Tổ chức code cho tất cả cảm biến chạy tuần tự, không xung đột dữ liệu cùng thời điểm.

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

1⁄2.1 Mục tiêu chung

Xây dựng hệ thống cảm biến quan trắc có thể thu thập tắt cả các loại thông số ảnh hưởng

đến chất lượng không khí (AQD) trong thời gian thực và tự động lưu trữ dữ liệu về điện toánđám mây, đồng thời trên thẻ nhớ của thiết bị, thời gian đáp ứng có thể tùy chỉnh từ ngườidùng Hệ thống cảm biến di động thiết kế nhỏ gọn dùng PIN dự phòng và sóng WIFI đểtruyền nhận dữ liệu Hệ thống cảm biến trạm thiết kế chồng được nước mua, dùng PIN năng

lượng mặt trời, truyền nhận dữ liệu bằng sóng 4G.

Xây dựng bộ cơ sở dữ liệu ô nhiễm môi trường nhằm bổ sung cho sự thiếu dữ liệu và ứng

dụng liên quan từ các hệ thống di động và nguồn dữ liệu mở chất lượng cao cho nghiên cứu

sâu, làm giàu dữ liệu.

1.2.2 Mục tiêu cụ thể

s Nghiên cứu và tích hợp được nhiều cảm biến AQI chất lượng chạy thời gian thực trêncùng một hệ thống Xác định được thời gian - địa điểm thu thập dữ liệu Chọn vi điềukhiển phù hợp cho hệ thống để có đủ chân (Analog/Digital) kết nồi với tắt cả cảm biến.Xây dựng và phát triển thiết bị đo chất lượng không khí có độ chính xác cao so vớithiết bị của NICT

* Chon vi điều khiển kết nối mạng để truyền nhận dữ liệu cho hệ thống, lưu trữ hệ thonglên điện toán đám mây và thẻ nhớ của hệ thống Thiết kế đường truyền internet về

server liên tục, không gián đoạn.

* Thiết kế nguồn điện cung cấp phù hợp cho hệ thống cảm biến di động và trạm Vỏ,hộp của hệ thống được thiết kế chắc chắn, gọn, nhẹ, thoáng khí và chống nước

+ Bộ cơ sở dữ liệu thống nhất thời gian - địa điểm cụ thé, dé dàng truy xuất, lưu trữ Chất

lượng dữ liệu đáng tin cậy.

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Do hạn chế về thời gian và nguồn lực dé tài chỉ thực hiện trong giới han sau:

in

+ Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống phần cứng quan trắc đo chất lượng không khí và dữ

liệu thu thập được ở 2 thành phố lớn là Hồ Chính Minh và Da Lạt từ năm 2020 - 2022

+ Pham vi nghiên cứu: Thành phố Hồ Chí Minh và Thành phó Đà Lạt

1.4 Ý nghĩa thực tiễn và khoa học

+ Ý nghĩa thực tiễn: Với mục tiêu thiết kế, chế tạo một hệ thống đo đạc ô nhiễm không.

khí, đề tài đã xây dựng một giải pháp thiết kế, chế tạo các hệ thống quan trắc chất

lượng không khí có kích thước nhỏ, gọn với giá thành hợp lý Giải pháp của đề tài này

có thể được sử dụng phát triển mạng lưới các hệ thống quan trắc chất lượng không khícho thành phố, khu vực trên nền tảng IOT cải thiện tình trạng thiếu hụt dữ liệu chonghiên cứu và đánh giá chất lượng không khí ở nước ta hiện nay

+ Ý nghĩa khoa học: Đề tài đã nghiên cứu và vận hành thành công hệ thống cảm biến

và mô hình thu thập dữ liệu theo SEPHLA II cung cấp dữ liệu cho nhiều bài báo.

nghiên cứu khoa học về AQI (i (6 lỦR

1.5 Cơ sở lý thuyết và các nghiên cứu liên quan

1.5.1 Cơ sở lý thuyết

Thành phố Hồ Chí Minh đang bị ảnh hưởng bởi ô nhiễm không khí và tình trạng này

có thể tiếp tục trong thời gian dài Rất nhiều nghiên cứu, cũng như giải pháp được nghiên

cứu và đề xuất nhằm cải thiện tình hình Tuy nhiên, một trong các trở ngại chính cho việc

nghiên cứu cũng như đánh giá tình trạng ô nhiễm trong thời gian thực là thiếu dữ liệu trực

tuyến và cục bộ

Về ô nhiễm không khí, chỉ số ô nhiễm không khí AQI là một đơn vị đo phổ biến trênthế giới AQI thường được tính trên các thông số như: PM: s, PMio, NO2, CO, SÓa, va 03.Mức độ AQI level được chia thành nhiều cấp từ an toàn đến cực kỳ nguy hiểm cho conngười Tuy nhiên mức AQI này được điều chỉnh cho từng quốc gia tùy theo tiêu chuẩn đánh

giá không khí của quốc gia đó Thông thường, các yếu tố này được đo từ các trạm chuyên

dụng, đa ở hữu bởi nhà nước Tuy nhiên, không phải quốc gia nào, và thành phố nàocũng có thể có một hệ thống trạm quan trắc có thể cho biết AQI cho từng khu vực nhỏ Do

vay, các nghiên cứu sâu về dự đoán ô nhiễm không khí — sức khỏe người dân gặp khó khănkhi thiếu dữ liệu.

ặt mục tiêu tạo được một hệ thống trạm quan trắc đi động và trạm bao phủ thành

Đề tài

phố, và cung cấp dữ liệu cho các nghiên cứu sâu trong hệ thống thành phố thông minh,nhằm cải thiện chất lượng sống của thành phó

1.5.2 Các nghiên cứu liên quan

Mặc dù ô nhiễm không khí là một yêu cầu mới nổi, nhưng chưa có nhiều nỗ lực để thuthập ô nhiễm không khí với mức độ hạt nhỏ hơn và mật độ cao Các nhà nghiên cứu rất khótiếp cận nguồn dữ liệu ô nhiễm không khí tốt, ngoại trừ một số trang web va ứng dung công

cộng nhằm phục vụ công dân bình thường như AirVisual [23], EnviSoft [24], IQAir [25], AQIcn [26], va Breezometer 27] để kể tên một số Thật không may, không phải tất cả đều

miễn phí và các nhà nghiên cứu phải trả rất nhiều tiền để có bộ dữ liệu cần thiết cho nghiêncứu của họ Bên cạnh đó, các nguồn dữ liệu này không cung cấp độ chỉ tiết nhỏ hơn và mật

độ cao Hầu hết các nguồn được dé cập chỉ cung cấp một giá trị cho toàn bộ thành phố bat

kể quy mô của nó Một lựa chọn khác cho các nhà nghiên cứu là tìm kiếm các bộ dữ liệu

do các quốc gia khác tạo ra Thật không may, các bộ dữ liệu này chủ yếu đến từ các nguồnkhí tượng hoặc vệ tinh có thể không phản ánh chính xác tình hình mặt dat [28], [29]

13

Chương 2

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Hiện trạng và cơ sở nghiên cứu

Ô nhiễm không khí đã và đang là mối quan tâm ngày càng tăng ở Việt Nam trong vài năm

gần đây Nó đã trở thành một trong những lý do quan trọng tác động đến nhiều khía cạnhcủa đời sống con người từ xã hội, chăm sóc sức khỏe đến nên kinh tế, đặc biệt là ở các khu

vực đô thị và khu công nghiệp [9]

Hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của ô nhiễm không khí đối với sức khỏe con người để tìm ra

chính sách phù hợp nhằm đối phó nhanh chóng là nhu cầu đang nổi lên từ cả chính phủ và

các nhà khoa học [1] Trong [10], các tác giả đã đưa ra bằng chứng đáng kể về mối tương

quan chặt chẽ giữa ô nhiễm không khí và nguy cơ nhập viện về hô hap va tim mạch, đặc

biệt là ở thành phố đông dân nhất Việt Nam Trong các đối tượng khác nhau, trẻ em là đốitượng dễ bị tổn thương bởi ô nhiễm không khí, đặc biệt là về hệ hô hấp và trí não của con

Ô nhiễm không khí cũng tác động đến du lịch, vốn là một thành phần thiết yếu

của GDP của Việt Nam Trong [12], các tác giả tuyên bố rằng việc tiếp xúc ngắn hạn vớicác chất gây ô nhiễm không khí trong khi đến thăm các vùng có mức ô nhiễm không khícao có thể dẫn đến những ảnh hưởng sức khỏe cấp tính Nhiều nguyên nhân dẫn đến tinh

trạng ô nhiễm không khí ở các đô thị ngày càng cao Trong 69] các tác giả chỉ ra rằng ở

Việt Nam, đặc biệt là ở các đô thị, nguyên nhân hàng đầu gay ô nhiễm không khí là do giao

thông vận tải và xây dựng, trong khi ở các khu công nghiệp, nguyên nhân chính bắt nguồn

từ các nhà máy.

Bên cạnh đó trong tác giả đưa ra nhiều bằng chứng thu thập từ nhiều nguồn tham

khảo và chỉ ra tác động của ô nhiễm không khí đối với các cá nhân trong nhiều khía cạnh

14

(sức khỏe, tâm lý) Các yếu tố ô nhiễm được dé cập bao gồm các yếu tố môi trường (ví dụ:PM:.s, PM\o, NÓ, CO, SÓa, và Ø3), các biên thời tiết (ví dụ: nhiệt độ, độ ẩm), và tính chất

đô thị, giao thông Thật không may, hầu hết các cuộc điều tra về lĩnh vực này tập trung vào

việc đo chỉ số chất lượng không khí bằng dữ liệu cảm biến mà không quan tâm đến việc

mọi người cảm thấy như thế nào về chất lượng không khí xung quanh họ Do đó, MediaEval

2019 Insight cho nhiệm vụ an sinh thách thức người tham gia khôi phục dữ liệu bị thiếu docảm biến ô nhiễm không khí đo được (ví dụ: PM? s) [13] và yêu cầu đo chỉ số chất lượngkhông khí cá nhân (PAQI - Person Air Quality Index - Chỉ số chất lượng không khí cảm

nhận) bằng dif liệu trung tâm (ví dụ: hình ảnh đời sống, nhịp tim, số bước, chú thích của

người dùng) và dữ liệu môi trường xung quanh (ví dụ: ô nhiễm không khí, thời tiết) Chúng

tôi đã giải thành công bài toán đó [13] và đã phát hành 2 bài báo

Để giải quyết thách thức, hiểu tác động của các yếu tố rủi ro môi trường đối với sức khỏecon người, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện Mặc dù tác động này rất đa dạng và phứctạp ở cả mức độ nghiêm trọng và dau hiệu lâm sang, hầu hết các nghiên cứu đều đồng ýrằng những người sống ở khu vực bị ô nhiễm có xu hướng kết quả sức khỏe kém hơn so với

những người sống trong khu vực sạch

Trong [31], các yếu tố môi trường, nồng độ chất ô nhiễm (ví dụ: Hạt vật chất PM2.s,

PMho, NO>, CO, SO>, và Os), bién đổi khí hậu (ví dụ: nhiệt độ, độ ẩm), thiên nhiên đô thị

(GPS, Images, comments) là những yếu tố phổ biến được sử dụng để tìm ra mối liên hệ với

sự suy tim và suy hô hap trong kết quả sức khỏe

Trong [32], Ảnh hưởng của việc tiếp xúc với PMạ„s đối với hô hấp của người trưởng.

thành bao gồm: hen suyễn, viêm xoang và viêm phế quản mãn tính dựa vào kết quả điều tra

USA từ 2002 -2005 Dữ liệu PM; s được thu thập từ cơ quan United States Environmental

Protection Agency (USEPA), trong khi dữ liệu về sức khỏe được thu thập từ tỷ lệ báo cáo,National Health Interview Survey (NHIS) Hai hiệp phương sai bổ sung cũng được ghi

nhận: (1) Hiệp Phương sai liên quan sức khỏe: giới tính, tuổi tác, chỉ số cơ thể (BMI), tình

trạng hút thuốc và tập thể dục, và (2) Hiệp phương sai nhân khẩu học: chủng tộc và sắc tộc,

giáo dục và đô thị Cùng với kết luận rằng việc tăng PMz,s có thé gây ra gánh nặng viêmxoang, các tác giả phát hiện ra rằng người da đen không phải gốc Tây Ban Nha có thể cónhiều rủi ro về kết quả hen do PM),5, hơn những người khác

Trong 3i , các tác giả chú ý đến mối liên hệ của sự ô nhiễm không khí (Vi du: Carbon

15

monoxide CO, 03 và PMjo thu được từ USEPA) và sức khỏe đường hô hap của trẻ em.Nghiên cứu quan sát nhiều năm quá trình điều trị sức khỏe cho gần 700,000 trẻ em từ năm

1997 đến 1999 tại California, Hoa Kỳ Kết luận của nghiên cứu này cho thấy mối quan hệchặt chẽ giữa CO và O3 và Phương pháp điều trị hô hấp đồng thời cho trẻ em

Trong [34] s

trong một nhóm người lớn ở London 2005-2001 được điều tra Trong nghiên cứu nay, NO2

a ô nhiễm do giao thông và tỷ lệ kết quả mắc bệnh tim - hô hấp

và PMa.s được coi là yếu tố rủi ro ô nhiễm do giao thông gây ra Kết quả tim - hô hấp (vídụ: bệnh tim mạch vành, đột quy, suy tim, bệnh phổi tắc nghẽn mãn tính, viêm phổi) đượcthu thập từ dif liệu lâm sàng qua mã bưu điện dân cư Hiệp Phương sai bổ là hút thuốc lá vàBMI cũng góp mặt Kết luận chỉ ra mối liên quan lớn nhất được quan sát là giữa ô nhiễm

không khí do giao thông liên quan đến suy tim

Trong 5] các nước thu nhập thấp và trung bình khu vực Đông Á và Thái Bình Dương

(LMIC) là đối tượng nghiên cứu Ở những khu vực này, ô nhiễm không khí và chất lượng

y tế toi hơn các nước có thu nhập cao Các chất gây ô nhiễm không khí bao gồm WÓ2¿, 03,ŠØ; và được thu thập theo hướng khí tượng Các kết quả về tim-hô hap được thu thập thông

qua các trường hợp tử vong và nhập viện và nhập viện cấp cứu cộng với dữ liệu được thu

thập từ các nguồn mở như PubMed3, Web of Science, Embase, LILACs, Global Health vàProQuest Nghiên cứu chỉ ra rằng mối liên quan lớn nhất được quan sát có liên quan đến

tỷ lệ tử vong do tim mạch Theo cùng một hướng nghiên cứu như được mô tả trong [35],trong [36], các tác giả phát hiện ra mồi liên hệ toàn cầu về ô nhiễm không khí và các bệnh

về tim mạch trên 28 quốc gia CO, SÓa, NO2, 03, PM s và PM được coi là các yêu tốrủi ro chính của ô nhiễm không khí ảnh hưởng đến các bệnh tim mạch và hô hap có dữ liệuđược thu thập thông qua các báo cáo nhập viện và tử vong của bệnh viện Ngoài ra, các yếu

tố bổ sung như năng lượng, giao thông và tình trạng kinh tế xã hội có thể đóng vai trò quan

trọng trong quy mô khác nhau của mối liên hệ này

Tac động của ô nhiễm không khí đối với sự đau khổ về tâm lý cũng là một chủ đề nghiên

cứu thú vị Trong B7] , tác giả phát hiện ra rằng sự gia tăng nồng độ chất ô nhiễm có mối

liên hệ tác động sự kích thích thị giác và không có khả năng tập trung Trong nghiên cứu

này, SO, NO2, NO, CnHm - CH¿ và bụi bẩn được thu thập hằng ngày qua các tram trong

thành phố, được coi là yếu tố chính của nồng độ chất ô nhiễm Nhận thức (nghĩa là khả

năng tập trung, thời gian phản ứng) là tự đánh giá hàng ngày Các cortisol và catecholamine

16

trong nước tiểu, huyết áp và phản ứng tiêu cực thể được đo hàng tuần Kinh nghiệm được

thực hiện tại Bavaria, Đức trong 2 tháng.

Trong [38] ảnh hưởng của ô nhiễm không khí đối với sự suy yếu tâm lý cá nhân đượcnghiên cứu ở Hoa Kỳ từ năm 1999 đến năm 2011 PM2.s được đo quanh các địa điểm thínghiệm được coi là yếu tố nguy cơ chính của ô nhiễm không khí Những dữ liệu này đượcthu thập từ USEPA với sự hỗ trợ của PSID L4 bổ sung từ Geospatial Match File Đầu ra của

nghiên cứu nay là PM› s có liên quan đáng kể với tâm lý đau khổ gia tăng Khia cạnh cụ thể

của nghiên cứu này là dữ liệu được xem xét ở cấp độ cá nhân nơi nhân khẩu học, kinh tế xãhội và sức khỏe của các cá nhân được tính đến như là hiệp phương sai bổ sung

Tắt cả các phương pháp được dé cập ở trên tập trung vào việc tìm

môi trường và kết quả sức khỏe theo cách tiếp xúc lâu dài Trong các tác giả chú ý đến

việc thực hiện các kinh nghiệm theo cách tiếp xúc ngắn hạn Các tác giả đã tính đến SO>,NO;, PMjo, nhiệt độ, áp suất và độ ẩm là các yếu tố môi trường Tỷ lệ tử vong do các bệnh

về đường hô hấp được thu thập bởi hệ thong đăng ký khai tử tai Hubei Provincial Center for

Disease Control and Prevention Trong [40], các tác giả chỉ ra vai trò quan trọng của thiên

nhiên đô thị đối với những cư dân khỏe mạnh Dựa trên thực tế là phần lớn dân số sống ởthành phố, nhu cầu tìm hiểu mối liên hệ giữa thiên nhiên đô thị và sức khỏe tâm thần để cómột công cụ hiệu quả về chỉ phí để giảm thiểu rủi ro sức khỏe hiện nay là yêu cầu tối đa

2.2 Cơ sở hình thành dé tai

Cách tiếp cận hiện nay cho các ứng dụng quan trắc hiện đại đa số được dựa trên nền tảng Internet of Things (IoT - Internet Vạn Vật) Cu thể, các điểm quan trắc có kích thước nhỏ,

mỗi điểm quan trắc được gắn các cảm biến cần thiết cho việc lấy thông số về môi trường

Một số lượng lớn các điểm quan trắc này được phân bố rộng khắp môi trường cần giám

sát, và gửi thông tin (bằng giao tiếp không dây) về 1 trạm chủ Máy chủ sẽ chọn lọc, xử

lý dữ liệu từ các điểm quan trắc để đưa ra kết luận về chất lượng môi trường Với mô hìnhnày, thông tin về môi trường có thể liên tục được cập nhật từng phút, hoặc thậm chí là từnggiây Yêu cầu nay là không thể đối với các tram quan trắc cố định truyền thống Thêm nữa,các điểm quan trắc thường có kích thước nhỏ và có giá thành thấp, nên rất thuận tiện choviệc mở rộng ứng dụng, lắp đặt Người dùng có thể truy xuất được thông tin môi trườngxung quanh minh bằng cách truy van dữ liệu từ các điểm cảm biến gần vị trí của mình nhất

17

Chính vì thé, các hệ thống quan trắc môi trường dựa trên IoT được xem là thế hệ mới trong

quan trắc môi trường [41]

Tuy nhiên, mô hình quan trắc dựa trên IoT có một hạn chế lớn về độ bền của các cảm

biến tại điểm quan trắc Với một số lượng lớn các cảm biến được phân bồ rải rác khắp thành

phó, việc thường xuyên phải bảo trì hoặc thay thé cảm biến là điều không khả thi va rất tonchỉ phí Hạn chế này sẽ là vấn đề lớn khi áp dụng ở Việt Nam với thời tiết nóng ẩm và mưa

nhiều Để khắc phục hạn chế này, các hệ thống quan trắc gần đây được cải tiến bằng cách

sử dụng kết hợp với hệ thống lấy mẫu Thay vì các cảm biến được lắp đặt tương tác trựctiếp với môi trường, các cảm biến sẽ được bảo vệ cẩn thận để đảm bảo độ bền và an toàn.Khi cần do đạc thông tin về môi trường, hệ thống lấy mẫu sẽ hoạt động trước, rút trích mộtphần mẫu vật và đưa vào cho các cảm biến Tại đây, các cảm biến mới bắt đầu xử lý lấy dữ

liệu [41].

Như đã đề cập ở trên, đề tài thấy được tính cấp bách về dữ liệu ô nhiễm môi trường rấtcần thiết cho hiện tại và tương lai, chúng ta cần làm gì đó để trực quan hóa chúng, đánh giáchúng, giảm thiểu chúng, tat cả đòi hỏi phải có dữ liệu Do đó, dé tài đã được hình thànhvới định hướng xây dựng được một hệ thống cảm biến quan trắc tự động thu thập AQI trongthời gian dài và đủ các thông số can thiết như: PM2.5, PMo, NO2, CO, SO2, và O3, nhiệt

độ, độ ẩm, vị trí và thời gian xác định

Tit những thông số cần thiết đó, chúng ta cần phải chọn lựa cảm biến cho phù hợp vớichất lượng tốt, tính ổn định cao, dễ dàng tích hợp, thay thế Và để giải quyết những yêucầu cho việc lựa chọn cảm biến, đề tài đã tìm hiểu và nghiên cứu được bộ cảm biến chấtlương, được nhiều bài báo triển khai nghiên cứu, va giá thành rẻ Căn cứ vào bảng |2 I| vàthang đo AQI ở [22] dé tài xây dựng được bộ cảm biến cơ sở.

"Tên thiệt bị Cảm biến

SDSOII PM:s, PMio

MQI36 SƠ;

MQI3I 3

CIMCU-6814 | NO2, CO

Bảng 2.1: Bộ cảm biến cơ sở của đề tài

Kênh truyền nhận dữ liệu thì đề tài đã nghiên cứu và so sánh giữa mạng không dây Lora

và mạng 4G Mang Lora được áp dụng rộng rãi trong việc truyền nhận dữ liệu IơT khoảngcách xa, với chỉ phí và mức tiêu hao năng lượng thấp Nhưng mạng Lora có vài hạn chế ở

18

đây như: tốn chi phí để xây dựng tram Lora, không phải là sự lựa chọn hoàn hảo cho bộ

sensor theo dõi theo thời gian thực, Lora bị chặn bởi các vật thể cao và to mà Đà Lạt thì

toàn núi, đồi nên sẽ hoạt động không tốt Hơn nửa mạng Lora sẽ bị giới hạn bởi khu vực,không thể thay đổi khu vực thu thập dữ liệu linh động như mạng 4G Mạng 4G tốc độ caogiờ đây đã phủ 6.300 xã trên toàn quốc, tương đương 70% số xã, kể cả ở vùng sâu, vùng xa,

Do đó đề tài đã chọn mạng 4G làm kênh truyền nhận dữ liệu, có

biên giới và hải đảo

thể lắp đặt linh động từ thôn quê đến thành phố mà không bị giới hạn của hệ thống truyền

tải phức tạp.

19

Chương 3

XÂY DUNG HỆ THONG

3.1 Tổng quan hệ thống cảm biến quan trắc di động

Mô hình thu thập này được tổ chức theo cách thu thập dữ liệu của NICT (National Institute

of Information and Communications Technology - Viện Công nghệ Thông tin và Truyềnthông Quốc gia Nhật Bản) Mô hình thu thập dữ liệu di động [2] gồm 3 phan: camera lifelog(bên trái), hệ thống cảm biến quan trắc di động (ở giữa), khảo sát của tình nguyện viên (bênphải) Hệ thống sử dụng pin dự phòng để hoạt động và WIFI được cung cấp từ thiết bị phátchuyên dụng khác Mô hình này được sử dụng để thu thập dữ liệu ở thành phố Hồ Chí Minh

nên được gọi là MNR-HCM Dataset.

Đề tài luận văn chi tập trung vào hệ thống sensor (Sensor Box), riêng phần

Lifelog-Camera và Collecting emotion tags chỉ là thu thập dữ liệu thô, không qua xử lý, nhằm cung

cấp thêm dữ liệu cho nghiên cứu dựa theo mô hình SEPHLA [I].

3.11 Lifelog Camera

Camera này được lắp đặt và chụp ảnh tự động dọc tuyến đường thu thập dữ liệu với 3 giây

một ảnh Hình ảnh từ camera này sẽ cho thấy được mức độ xe lưu thông trên đường, đườngđại lộ, đường giao lộ, cây xanh, phương tiện và người đang tham gia giao thông Tat cả hình

ảnh chụp được lưu vào thẻ nhớ va tải thủ công lên cloud.