Nghiên cứu xây dựng hệ thống thu thập dữ liệu và cảnh báo môi trường từ xa

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn : Nguyễn Tiến Đức Đề tài luận văn: Nghiên cứu xây dựng hệ thống thu thập liệu cảnh báo môi trường từ xa Chuyên ngành: Kỹ thuật truyền thông Mã số SV: CB120682 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 11/4/2015 với nội dung sau: …………………………………………………………………………………………………… ……… …………………………………………………………………………………………… ………………… ………………………………………………………………………………… …………………………… ……………………………………………………………………… ……………………………………… …………………………………………………………… ………………………………………………… ………………………………………………… …………………………………………………………… ……………………… Ngày 16 tháng năm 2015 Giáo viên hướng dẫn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG Tác giả luận văn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu thực hướng dẫn TS Trần Văn Cúc Các kết tham khảo từ nguồn tài liệu cơng trình nghiên cứu khoa học khác trích dẫn đầy đủ Nếu có vấn đề sai phạm quyền, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm trước nhà trường Hà Nội, tháng năm 2015 Học viên Nguyễn Tiến Đức LỜI CÁM ƠN Lời xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới TS Trần Văn Cúc, thầy người tận tình hướng dẫn mặt khoa học cho tơi suốt q trình nghiên cứu hoàn luận văn Xin chân thành cảm ơn thầy, cô giáo Viện Điện tử - Viễn thơng dẫn, đóng góp nhiều ý kiến bổ ích q trình hồn thành luận văn Tơi xin bày tỏ lòng cảm ơn đến cán bộ, lãnh đạo Viện Khoa học kỹ thuật Bưu điện, nơi làm việc tạo điều kiện tốt để tơi hồn thiện luận văn Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè thường xuyên động viên, giúp đỡ để tơi hồn thành luận văn MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU MỞ ĐẦU CHƯƠNG : TỔNG QUAN VỀ GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG 11 1.1 Thực trạng ô nhiễm môi trường Việt Nam 11 1.2 Khái quát giám sát môi trường [5] 17 1.2.1 Khái niệm giám sát môi trường 17 1.2.2 Phân loại giám sát môi trường 18 1.3 Các thơng số để đánh giá chất lượng môi trường nước mặt [4] 23 1.3.1 pH 24 1.3.2 Nhiệt độ 24 1.3.3 Hàm lượng chất rắn 24 1.3.4 Độ đục (Tur – Turbidity) 25 1.3.5 Độ dẫn điện (EC – electrical conductivity) 26 1.3.6 Oxy hòa tan (DO – Dissolved Oxygen) 26 1.3.7 Nhu cầu oxy hóa học (COD – Chemical Oxygen Demand) 26 1.3.8 Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD – Biochemical Oxygen Demand) 27 1.3.9 Độ muối (S‰ - Salinity) 27 1.3.10 Kim loại kim loại nặng 28 CHƯƠNG : NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT MƠ HÌNH HỆ THỐNGTHU THẬP DỮ LIỆU VÀ CẢNH BÁO MÔI TRƯỜNG TỪ XA 29 2.1 Mô hình tổng thể hệ thống thu thập liệu cảnh báo môi trường từ xa 29 2.2 Phân hệ thu thập liệu trạm quan trắc 30 2.2.1 Yêu cầu chức phân hệ thu thập liệu trạm quan trắc 30 2.2.2 Sơ đồ khối thiết kế thu thập liệu Datalogger 31 2.2.3 Giải pháp nguồn cấp cho thiết bị thu thập liệu Datalogger 34 2.3 Phân hệ giám sát điều khiển trung tâm quan trắc 35 2.3.1 Yêu cầu chức phân hệ giám sát điều khiển trung tâm 35 2.3.2 Tổ chức lưu trữ liệu file 36 2.4 Phân hệ quản lý thơng tin quan trắc tích hợp cổng thông tin điện tử 37 2.4.1 Yêu cầu chức phân hệ quản lý thông tin quan trắc 37 2.4.2 Mô tả kiến trúc hệ thống [7] 38 2.4.3 Đặc tả hệ thống 39 2.4.4 Thiết kế giao diện người sử dụng 47 CHƯƠNG : KẾT QUẢ XÂY DỰNG HỆ THỐNG 52 3.1 Thiết bị thu thập liệu Datalogger 52 3.1.1 Cấu tạo thiết bị thu thập liệu Datalogger: 52 3.1.2 Các tính đặc tính kỹ thuật 53 3.1.3 Kết đo đạc thử nghiệm thiết bị thu thập liệu datalogger 54 3.2 Phần mềm thu thập liệu cảnh báo trung tâm 56 3.2.1 Các chức phần mềm 56 3.2.2 Kết đánh giá thử nghiệm phần mềm: 62 CHƯƠNG : TRIỂN KHAI THỬ NGHIỆM THỰC TẾ TẠI ĐỊA BÀN TỈNH LÂM ĐỒNG 65 4.1 Kịch triển khai thử nghiệm Hồ Xuân Hương 65 4.2 Kịch triển khai thử nghiệm tạiđập tràn hồ Tuyền Lâm 75 4.3 Nhận xét kết thử nghiệm 79 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 PHỤ LỤC: 84 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Tiếng Anh Tên viết tắt Tiếng Việt BVMT Bảo vệ môi trường CSDL Cơ sở liệu National NSAP Survey Pollution Background BAPMoN Air Khảo sát quốc gia ô nhiễm không khí Pollution Hệ thống trạm giám sát ô Air nhiễm không khí Monitoring Network Environmental Hệ thống trạm giám sát môi Global GEMS/AIR of Monitoring System/ Air trường khơng khí tồn cầu TS Total Solid Chất rắn tổng TSS Total Suspended Solid Tổng chất rắn lơ lửng Tur Turbidity Độ đục EC Electrical conductivity Độ dẫn điện DO Dissolved Oxygen Oxy hòa tan COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa học BOD Biochemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy sinh hóa Global GSM System Mobile Hệ thống thơng tin di động tồn cầu for communication LCD Liquid crystal display Màn hình tinh thể lỏng MCU Micro Controller Unit Khối vi điều khiển DANH MỤC HÌNH VẼ Hình : Mơ hình hệ thống thu thập liệu cảnh báo môi trường từ xa 29 Hình : Sơ đồ khối thiết kế thu thập liệu Datalogger 32 Hình : Sơ đồ giải pháp cung cấp nguồn cho thiết bị đầu thu 35 Hình : Dữ liệu quan trắc lưu trữ binary trung tâm 36 Hình : Định dạng liệu lưu trữ theo ngày, tháng, năm log file trung tâm liệu 37 Hình : Mơ hình tổng thể kiến trúc hệ thống 38 Hình : Tác nhân phần mềm Hệ thống 39 Hình : Mơ hình usecase nhóm chng:năng qunh usecase nhóm .40 Hình : Mơ hình usecase nhóm chức quản lý thơng tin quan trắc 43 Hình 10 : Cấu tạo mặt vỏ thiết bị thu thập liệu Datalogger .52 Hình 11 : Cấu tạo bên thiết bị thu thập liệu Datalogger .53 Hình 12 : Giao diện đăng nhập phần mềm 56 Hình 13 : Chức phân quyền người sử dụng .57 Hình 14 : Chức thiết lập cấu hình hệ thống 59 Hình 15 : Chức cấu hình kỹ thuật 59 Hình 16 : Chức quản lý mức độ nghiêm trọng cảnh báo 60 Hình 17 : Chức cấu hình tham số trạm .61 Hình 18 : Đánh giá độ chiếm dụng phần mềm quản lý giám sát .63 Hình 19 : Server hoạt động với 100 thiết bị khả tiêu thụ tài nguyên 64 Hình 20 : Sơ đồ nguyên lý thành phần thiết bị thử nghiệm lắp đặt trạm Hồ Xuân Hương 66 Hình 21 :Thử nghiệm thiết bị thu thập liệutại Hồ Xuân Hương 67 Hình 22 : Mặt vị trí lắp đặt thử nghiệm thiết bị thu thập liệu Datalogger Hồ Xuân Hương 68 Hình 23 : Sơ đồ lắp đặt thiết bị thu thập liệu trạm Hồ Xuân Hương 68 Hình 24 : Mặt trước kích thước tủ thiết bị thu thập liệu (Datalogger) 69 Hình 25 : Tổng thể cột đỡ giàn Pin mặt trời trạm Hồ Xuân Hương 70 Hình 26 : Thiết kế, chế tạo lắp đặt giá đỡ giàn Pin cột đỡ .72 Hình 27 : Chế tạo, lắp đặt cọc định vị, bảo vệ Sensor quan trắc môi trường nước 73 Hình 28 : Cấu tạo Sensor quan trắc mơi trường nước .73 Hình 29 : Các tham số môi trường thu thập trạm Hồ Xuân Hương .74 Hình 30 : Đồ thị giám sát online tham số trạm Hồ Xuân Hương 74 Hình 31 : Thống kê tiêu Do trạm Hồ Xuân Hương tháng 2/2015 75 Hình 32 : Sơ đồ nguyên lý thành phần thiết bị thử nghiệm đập tràn hồ Tuyền Lâm 76 Hình 33 : Thử nghiệm thiết bị liệu Datalogger Hồ Tuyền Lâm .76 Hình 34 : Mặt vị trí lắp đặt thiết bị thử nghiệm trạm Hồ Tuyền Lâm 77 Hình 35 : Sơ đồ lắp đặt thiết bị thu thập liệu (Datalogger) Hồ Tuyền Lâm 77 Hình 36 : Các tham số môi trường thu thập trạm hồ Tuyền Lâm 78 Hình 37 :Đồ thị giám sát online tham số trạm hồ Tuyền Lâm 78 Hình 38 :Đồ thị giám sát online tham số trạm hồ Tuyền Lâm 79 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng : Bảng thử nghiệm kênh đo nhiệt độ 55 Bảng : Bảng thử nghiệm kênh đo độ ẩm 55 Bảng : Bảng phân quyền người sử dụng 57 MỞ ĐẦU Tài ngun thiên nhiên có vai trị quan trọng phát triển kinh tế - xã hội quốc gia Tuy nhiên, nhiều nguồn tài nguyên thiên nhiên tài nguyên nước nói chung tài nguyên nước mặt nói riêng bị khai thác, sử dụng lãng phí, hiệu Điều khiến môi trường nước mặt bị phá hoại nghiêm trọng, nhiễm suy thối đến mức báo động Sự nhiễm mơi trường nước mặt có ảnh hưởng lớn đến hoạt động kinh tế sức khỏe người dân Để góp phần bảo vệ môi trường nước mặt, từ đầu năm 2000, Tổng cục Môi trường tiến hành xây dựng mạng lưới quan trắc môi trường nước mặt lưu vực sông lớn như: sông Nhuệ - Đáy, sông Cầu sông Đồng Nai… Tuy nhiên, hoạt động quan trắc chủ yếu quan trắc bán tự động có tần suất - lần/ năm Dữ liệu thu thập từ hoạt động quan trắc liệu khơng liên tục góp phần đánh giá trạng chất lượng môi trường nước thời điểm tiến hành quan trắc Ngày nay, với phát triển khoa học công nghệ nhiều quốc gia giới đưa vào sử dụng hệ thống quan trắc môi trường nước tự động, liên tục nhằm khai thác sử dụng có hiệu nguồn tài nguyên nước mặt Ở nước ta, số lượng trạm quan trắc mơi trường nước tự động cịn hạn chế Theo “Quy hoạch tổng thể mạng lưới quan trắc tài nguyên môi trường quốc gia đến năm 2020”, đến năm 2020 số lượng trạm quan trắc nước mặt phải đạt 348 trạm, có 270 trạm quan trắc lượng nước sông, 116 trạm quan trắc chất lượng nước sơng, hồ 1580 điểm đo mưa Vì cần thiết phải tăng cường đầu tư lắp đặt nhiều trạm quan trắc môi trường nước thời gian tới Những trạm quan trắc môi trường nước mặt nước cung cấp Các trạm quan trắc môi trường nước tự động, liên tục ngoại nhập giá thành cao, chi phí trì hoạt động lớn, khả nâng cấp mở rộng khó, cụ thể số trạm quan trắc môi trường nước Tổng cục Môi trường bàn giao cho địa phương sử dụng thiết bị hãng HACH (Mỹ), Aqualytic (Đức), … hỏng phải mua module thay hãng  Kết triển khai thử nghiệm Sau khi, lắp đặt thu thập liệu đập tràn hồ Tuyền Lâm Kết đo đạc sensor truyền giám sát trung tâm thông qua giao diện phần mềm thu thập liệu cảnh báo sau: Hình 36 : Các tham số môi trường thu thập trạm hồ Tuyền Lâm Hình 37 :Đồ thị giám sát online tham số trạm hồ Tuyền Lâm 78 Hình 38 :Đồ thị giám sát online tham số trạm hồ Tuyền Lâm 4.3 Nhận xét kết thử nghiệm Hệ thống bắt đầu triển khai thử nghiệm từ ngày 12/01/2015 Kết đo đạc sensor truyền trung tâm lưu vào CSDL Qua thời gian tháng từ ngày triển khai thiết bị, có nhận xét sau đây: - Thiết bị thu thập liệu datalogger hoạt động liên tục ổn định - Quá trình truyền liệu từ thiết bị trung tâm giám sát diễn liên tục, khơng bị ngắt qng, ko có tượng liệu Ngay kết nối bị mất, thiết bị lưu số liệu thẻ nhớ khắc phục đường truyền, liệu đẩy trả lại nhằm đảm bảo tính liên tục tồn vẹn q trình gửi liệu Chu kỳ truyền liệu max 15s Thời gian đáp ứng nhu cầu giám sát online - Trung tâm giám sát thu thập liệu có khả phục vụ nhiều thiết bị lúc, khả xử lý lữu trữ đạt mức độ cho phép, đảm bảo việc lưu trữ thông tin cách lâu dài phục vụ cho ứng dụng yêu cầu tra cứu thơng tin liên quan - Q trình hiển thị liệu lên giao diện portal diễn nhanh, không bị trễ, người sử dụng quản trị dễ dàng tra cứu theo dõi thơng tin 79 trạm theo thời gian thực Nhờ có biểu đồ theo dõi, phân tích số liệu, người quản trị dễ dàng đánh giá đưa điều chỉnh thích hợp theo thực trạng môi trường trạm - Thông tin quan trắc thu thập phản ánh xác trạng môi trường nước mặt địa điểm triển khai Hồ Xuân Hương hồ Tuyền Lâm 80 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Quá trình thực luận văn với đề tài “Nghiên cứu xây dựng hệ thống thu thập liệu cảnh báo môi trường từ xa” với lý thuyết thực nghiệm, tác giả rút số kết luận sau: Luận văn đề xuất mơ hình tổng thể hệ thống thu thập liệu cảnh báo môi trường từ xa, với yêu cầu chức cho phân hệ cụ thể Các hệ thống quan trắc môi trường nước mặt triển khai thực tế giống với hệ thống trình bày luận văn đa phần trạm sử dụng module nhập từ nước Sau thời gian hoạt động có nhiều cố Việc khắc phục cố chủ yếu mua thiết bị, module thay với giá thành cao Nghiên cứu trình bày luận văn tác giả khái quát trình nghiên cứu, đề xuất triển khai hệ thống thu thập liệu cảnh báo môi trường từ xa với chức tương đối hoàn thiện từ phần cứng đến phần mềm đặc biệt giao diện quản lý thông tin quan trắc tích hợp cổng thơng tin điện tử Ngồi ra, tác giả cơng bố kết nghiên cứu vài hội nghị tạp chí nước Những phản hồi tích cực từ nhà khoa học hàng đầu lĩnh vực quan trắc môi trường phần giúp tác giả có định hướng rõ ràng hệ thống phương pháp khác để tối ưu Về hướng phát triển thời gian tới, thời gian có hạn thơng tin liên quan đến lĩnh vực quan trắc mơi trường cịn hạn chế, nên đề tài dừng lại việc xây dựng hệ thống thu thập cảnh báo môi trường cho mơi trường nước mặt Do cần tiếp tục nghiên cứu để xây dựng hoàn thiện hệ thống đáp ứng yêu cầu quan trắc mơi trường khác chẳng hạn mơi trường khơng khí, chất lượng nước thải … Cần nghiên cứu ứng dụng công nghệ GIS vào hệ thống thu thập liệu cảnh báo môi trường để xây dựng CSDL GIS tài ngun mơi trường đặc biệt hồn thiện sở liệu trạng diễn biến môi trường nước mặt Việt Nam đề phục vụ công tác quản lý nhà nước chuyên ngành Tài nguyên môi trường 81 DANH MỤC CÁC BÀI BÁO KHOA HỌC Trần Thiện Chính, Nguyễn Tiến Đức, Lê Xn Cơng, Xây dựng sở liệu quản lý tài nguyên môi trường phục vụ phát triển bền vững tỉnh Thanh Hóa, Kỷ yếu Hội thảo CLB Khoa học Cơng nghệ trường đại học kỹ thuật lần thứ 45, số 45, p.207-212, 2014 Trần Thiện Chính, Nguyễn Tiến Đức, Lê Xuân Công, Nghiên cứu xây dựng hệ thống thông tin quản lý tiêu tài nguyên môi trường vùng Tây Nguyên, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Mỏ - Địa chất (ISSN 1859-1469) số 48/7-2014, p 92-97, 2014 Nguyen Tien Duc, Tran Thien Chinh, Nguyen Bao Trung, A Database Model for Environmental and Natural Resource Management in the Central Highlands of Vietnam, Journal of Science & Technology, Technical Universities, (ISSN 08683980) No 105, p 52-56, 2015 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bộ Tài nguyên Môi trường (2012), Dự thảo Thông tư “Quy định yêu cầu đặc tính kỹ thuật cho trạm quan trắc môi trường nước tự động, liên tục” [2] Dương Kiều Hoa, Tơn Thất Hịa (2006), Phân tích thiết kế hệ thống thông tin với UML [3] Phạm Công Nhất (12/10/2014), Ơ nhiễm mơi trường nơng thơn, http://www.nhandan.com.vn/mobile/_mobile_khoahoc/_mobile_moitruong/item/24 546402.html [4] Tăng Văn Đồn, Trần Đức Hạ (2010), Giáo trình sở kỹ thuật môi trường, Nhà xuất Giáo dục [5] Tổng cục mơi trường, Giáo trình Bồi dưỡng cán quan trắc môi trường [6] Trần Đắc Hiến (24/03/2011), Ơ nhiễm mơi trường nước ta – Thực trạng số giải pháp khắc phục, http://moitruong.com.vn/Home/Default.aspx?portalid=33&tabid=19&distid=1636 [7] Trần Thiện Chính, Nguyễn Tiến Đức, Lê Xuân Công, Nghiên cứu xây dựng hệ thống thông tin quản lý tiêu tài nguyên môi trường vùng Tây Nguyên, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Mỏ - Địa chất (ISSN 1859-1469) số 48/7-2014, p 92-97, 2014 83 PHỤ LỤC: Kết đo kiểm hệ thống thu thập liệu cảnh báo môi trường từ xa 84 85 86 87 88 89 90 91 92 ... : NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT MƠ HÌNH HỆ THỐNGTHU THẬP DỮ LIỆU VÀ CẢNH BÁO MÔI TRƯỜNG TỪ XA 2.1 Mơ hình tổng thể hệ thống thu thập liệu cảnh báo môi trường từ xa Với mục đích thu thập cảnh báo mơi trường. .. : NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH HỆ THỐNGTHU THẬP DỮ LIỆU VÀ CẢNH BÁO MƠI TRƯỜNG TỪ XA 29 2.1 Mơ hình tổng thể hệ thống thu thập liệu cảnh báo môi trường từ xa 29 2.2 Phân hệ thu thập liệu. .. từ yêu cầu thực tế luận văn lựa chọn đề tài ? ?Nghiên cứu xây dựng hệ thống thu thập liệu cảnh báo môi trường từ xa? ?? Mục tiêu đề tài nghiên cứu đề xuất mơ hình tổng thể hệ thống thu thập liệu cảnh