Trang chủ Công nghệ & Ứng dụng Công nghệ & Ứng dụng Ứng dụng IoT xây dựng hệ thống quan trắc tự động các thông số nước thải, khí thải

Ứng dụng IoT xây dựng hệ thống quan trắc tự động các thông số nước thải, khí thải

Ngày nay với hệ thống mạng kết nối vạn vật (internet of things), ta có thể triển khai xây dựng được các hệ thống giám sát chất lượng nước thải/khí thải đầu ra của nhà máy tại các khu công nghiệp ở phạm vi rộng lớn. Bài báo này trình bày những thành phần cơ bản của hệ thống mạng kết nối vạn vật và ứng dụng thiết kế hệ thống quan trắc tự động các thông số nước thải/khí thải đầu ra của nhà máy tại các khu công nghiệp ở cấp tỉnh/cấp quốc gia.

Hệ thống mạng kết nối vạn vật

Hệ thống mạng kết nối vạn vật (IoT - Internet of Things) là một tập hợp các thiết bị máy móc có khả năng kết nối với nhau và với internet, để truyền tải trao đổi thông tin dữ liệu, nhằm thực hiện một nhiệm vụ cụ thể nào đó, mà không cần đến sự tương tác giữa con người với con người, hay giữa con người với thiết bị máy móc. IoT bao gồm ba loại hình kết nối, đó là máy móc - máy móc (M2M - machine to machine), con người - máy móc (P2M - person to machine) và con người - con người (P2P - person to person), trong đó kết nối M2M đóng vai trò vô cùng quan trọng trong hoạt động của IoT. Các thiết bị máy móc trong IoT sẽ “phản ứng” dựa vào các sự kiện diễn ra trong lúc chúng hoạt động theo thời gian thực.

Có được điều này là do một mạng lưới các cảm biến (sensors) của IoT thực hiện chức năng đo lường thu thập dữ liệu và truyền tải về máy chủ trung tâm/trung tâm dữ liệu đám mây để phân tích xử lý, sau đó các máy móc thiết bị và/hoặc con người có thể sử dụng dữ liệu đó một cách tốt nhất trong thời gian thực hoặc có thể thực hiện mọi yêu cầu của người dùng ngay trên nền điện toán đám mây. Công nghệ điện toán đám mây và công nghệ ảo hóa là nền tảng cho sự phát triển mạnh mẽ của các ứng dụng IoT. Các ứng dụng IoT được phát triển trên nền điện toán đám mây cho phép phân tích xử lý và chuyển đổi khối lượng dữ liệu lớn (big data) từ vô số các cảm biến đo lường. Công nghệ ảo hóa và điện toán đám mây cho phép các ứng dụng hoạt động bất cứ lúc nào và ở bất cứ nơi đâu.

Hạ tầng kỹ thuật truyền dẫn giữa các thiết bị trong IoT có thể sử dụng bất cứ công nghệ kết nối nào hiện nay. Các thiết bị kết nối M2M hoạt động và làm việc trong cùng một phương thức kết nối. Một số thiết bị M2M kết nối thông qua mạng di động, một số thông qua wifi hoặc đường truyền hữu tuyến, cụ thể đó là phương thức truyền dữ liệu tầm ngắn như công nghệ không dây có sẵn, gồm RFID, NFC, Wi-Fi, Bluetooth, XBee, Zigbee, Z-Wave, M-Bus; mạng truyền dẫn cố định như: Ethernet, HomePlug, HomePNA, HomeGrid,  LonWorks. Đối với khả năng truyền dữ liệu tầm xa, hoặc diện rộng thì có mạng di động sử dụng các công nghê vệ tinh và GSM, GPRS, 3G, LTE hay WiMAX. Hiện nay cũng đang nổi lên một số công nghệ không dây dành riêng cho kết nối M2M như SIGFOX-ultra-narrowband và NeulNET-TV white-space. Một số nền tảng như WaspMote Libelium, có thể được cấu hình để phù hợp với nhiều lựa chọn kết nối tầm ngắn và diện rộng cũng đang phát triển cho M2M.

Bên cạnh mạng lưới các cảm biến, hạ tầng kỹ thuật truyền dẫn, một thành phần không thể thiếu của IoT chính là trung tâm lưu trữ, phân tích xử lý dữ liệu lớn (bigdata), mà tiêu biểu là software framework Apache Hadoop - một nền tảng phần mềm mã nguồn mở, miễn phí, dựa trên Java, hỗ trợ các ứng dụng phân tán mạnh để lưu trữ và quản lý dữ liệu lớn bigdata. Nó chạy các ứng dụng trên các cụm phần cứng lớn với hàng ngàn máy tính tính toán độc lập và xử lý hàng ngàn terabytes dữ liệu trên hàng ngàn nút (nodes). Apache Hadoop được bắt nguồn từ Google MapReduce và Google File System (GFS). Điểm mạnh của nền tảng Hadoop là cung cấp độ tin cậy và tính sẵn sàng cao, hiệu năng xử lý cao.

Hệ thống quan trắc tự động các thông số nước thải/khí thải nhà máy khu công nghiệp

Ngày nay thông số về nước thải/khí thải từ các nhà máy ở các khu công nghiệp tại các tỉnh thành địa phương chưa được cập nhật liên tục về các cơ quan quản lý ở cấp tỉnh cũng như cấp trung ương. Điều này khiến công tác giám sát, thanh tra, kiểm tra và theo dõi sát sao việc đạt chuẩn nước thải/khí thải đầu ra tại các nhà máy khu công nghiệp thực sự khó khăn. Thường thì cơ quan ban ngành cũng chỉ thực hiện kiểm tra, thanh tra có định kì theo tháng/quý/năm các hoạt động nước thải/khí thải tại các nhà máy hoặc khi có khiếu kiện vi phạm môi trường của người dân. Đa phần các cơ quan quản lý cũng chỉ biết “tin” vào doanh nghiệp dựa vào các báo cáo về hệ thống xử lý nước thải/khí thải nhà máy đã đạt chuẩn và nhà máy thì “báo cáo là” luôn thực hiện xả thải theo đúng quy trình quy định, nước thải/khí thải đầu ra luôn đạt chuẩn Việt Nam. Tuy nhiên không phải tất cả các nhà máy đều tuân thủ đúng quy trình xử lý nước thải/khí thải và cũng không ai dám chắc rằng hệ thống xử lý nước thải/khí thải hoạt động liên tục nhiều tháng năm mà không có những lỗi/sự cố xẩy ra, như trường hợp Formosa là một minh chứng hiện thực đau xót cho việc vi phạm nghiệm trọng môi trường biển nước ta.

Và để khắc phục tình trạng “bị động, xem báo cáo một chiều” về nước thải/khí thải đầu ra từ các nhà máy ở các khu công nghiệp gửi đến cơ quan chức năng, giảm việc đi thanh tra giám sát hiện trường xử lý khí thải/nước thải nhà máy, mà vẫn có được bộ dữ liệu thông số đúng đắn, khách quan về tình trạng khí thải/nước thải đầu ra của nhà máy, một giải pháp đề xuất trong bài báo này là xây dựng hệ thống quan trắc tự động các thông số môi trường khí thải/nước thải nhà máy khu công nghiệp ở cấp tỉnh, có thể mở rộng ở cấp quốc gia. Hệ thống này được xây dựng dựa trên việc ứng dụng các công nghệ hiện đại nhất hiện nay: hệ thống mạng kết nối vạn vật – IoT, công nghệ ảo hóa và điện toán đám mây. Sơ đồ khối cấu trúc đề xuất của hệ thống quan trắc tự động các thông số môi trường nước thải/khí thải nhà máy khu công nghiệp như hình

Hình 1. Cấu trúc sơ đồ khối hệ thống quan trắc tự động thông số nước thải/khí thải

Hệ thống này bao gồm:

- Các trạm quan trắc thông số nước thải/khí thải tự động;

- Hạ tầng kỹ thuật thiết bị truyền dẫn dữ liệu thông số đo lường;

- Trung tâm lưu trữ, phân tích xử lý dữ liệu lớn bigdata dựa trên Hadoop.

- Trung tâm giám sát các thông số môi trường nhà máy khu công nghiệp.

Các trạm quan trắc thông số nước thải/khí thải tự động được bố trí ở khu vực đầu ra của nước thải/khí thải của nhà máy, có nhiệm vụ đo lường các thông số quan trọng của khí thải/nước thải đầu ra của nhà máy, đồng thời hiển thị tại trạm và truyền số liệu gốc về trung tâm lưu trữ, phân tích xử lý dữ liệu lớn bigdata. Mỗi trạm quan trắc các thông số môi trường khí thải/nước thải bao gồm các thiết bị/phần mền sau:

+ Thiết bị điện năng lượng mặt trời dự phòng, để cung cấp điện cho trạm hoạt động khi có sự cố mất điện, thời gian duy trì cho trạm hoạt động tối thiểu 03 ngày.

+ Thiết bị truyền/nhận dữ liệu sử dụng công nghệ GSM/GPRS/3G/4G.

+ Thiết bị đo lường các thông số khí thải, gồm độ bụi, độ ồn, nồng độ axit ….

+ Thiết bị đo lường các thông số nước thải, gồm pH, COD, BOD5, TSS, …

+ Thiết bị lấy và bảo quản mẫu đo nước thải/khí thải trong điều kiện ổn định.

+ Thiết bị ghi hình và camera giám sát hoạt động trạm quan trắc.

+ Phần mềm tập hợp số liệu gốc.

+ Phần mềm xử lý số liệu và hiển thị tại trạm.

+ Phần mềm truyền/nhận số liệu gốc về trung tâm lưu trữ.

+ Phần mềm cài đặt/ứng dụng chuyên dụng khác.

Hạ tầng kỹ thuật thiết bị truyền dẫn dữ liệu thông số đo lường nước thải/khí thải có nhiệm vụ thiết lập đường truyền băng thông rộng cáp quang hoặc đường truyền di động phục vụ việc truyền nhận/trao đổi dữ liệu từ các cảm biến đến trung tâm lưu trữ dữ liệu và từ trung tâm này phân tán dữ liệu cho các ứng dụng người dùng: Trung tâm giám sát thông số môi trường nhà máy khu công nghiệp; Các ứng dụng tự động gửi SMS/Email đến người dùng; Các ứng dụng trên thiết bị di động mọi lúc mọi nơi khi thiết bị di động có kết nối internet. Hạ tầng kỹ thuật đề xuất sử dụng là mạng cáp quang tại trung tâm lưu trữ dữ liệu và trung tâm giám sát, kết hợp với mạng LAN, còn với khoảng cách truyền dẫn xa thì sử dụng mạng di động GSM/GPRS/3G/4G - truyền số liệu từ các trạm quan trắc đến trung tâm dữ liệu lớn bigdata.

Trung tâm lưu trữ, phân tích xử lý dữ liệu lớn bigdata được thiết kế dựa trên kiến trúc Hadoop, cho phép lưu trữ, xử lý phân tích khối lượng dữ liệu cực lớn với kiểu dữ liệu đa dạng, mà hiệu quả xử lý rất cao. Trung tâm lưu trữ dữ liệu quan trắc này xây dựng dựa trên công nghệ ảo hóa và điện toán đám mây nên cho phép thu thập dữ liệu đo/quan sát từ một số lượng rất lớn các trạm quan trắc nhà máy. Dựa trên một số lượng xác định các máy chủ vật lí, nhờ công nghệ ảo hóa và điện toán đám mây, sẽ tạo ra một số lượng lớn các máy chủ ảo, từ đó cho phép lưu trữ phân tán dữ liệu đo lường các thông số môi trường nhà máy với khối lượng cực kì lớn, an toàn, tin cậy và có hiệu quả xử lý rất cao.

Trung tâm giám sát môi trường nhà máy khu công nghiệp là nơi theo dõi và cập nhật liên tục theo thời gian thực các thông số nước thải/khí thải đầu ra của các nhà máy tại các khu công nghiệp được lắp đặt trạm quan trắc tự động. Số liệu đo này được cập nhật liên tục, được hiển thị theo thời gian thực trên giao diện giám sát trên máy tính, giúp nhà quản lý thuận tiện trong việc giám sát chất lượng nước thải/khí thải đầu ra của bất kì nhà máy nào, đồng thời đưa ra các cảnh bảo phù hợp cho nhà quản lý/chủ nhà máy tùy theo mức chất lượng nước thải/khí thải đầu ra của nhà máy. Ngoài trung tâm giám sát các thông số môi trường nhà máy khu công nghiệp được triển khai xây dựng cụ thể để cung cấp về tình trạng môi trường tại bất kỳ một nhà máy nào đó, thì dựa vào trung tâm dữ liệu đám mây, người  dùng có thể nhận được các thông tin cảnh báo về mức độ ô nhiễm môi trường từ bất kỳ nhà máy nào đó qua email/sms, hoặc có thể truy cập xem chi tiết các thông tin về môi trường của bất kỳ nhà máy nào từ xa trên thiết bị di động có kết nối mạng khi được cấp phép quyền truy nhập.

Kết luận

Giám sát thông số môi trường sống là rất quan trọng và vô cùng cấp bách tại các nước đang phát triển như nước ta. Giờ đây với hệ thống mạng kết nối vạn vật, cho phép ta có thể triển khai được hệ thống quan trắc các thông số môi trường nước thải/khí thải đầu ra của nhà máy tại các khu công nghiệp, nhằm kiểm soát liên tục theo thời gian thực chất lượng nước thải/khí thải đầu ra ở các cơ sở này. Điều này không chỉ góp phần phát triển bền vững các cơ sở sản xuất mà còn đảm bảo môi trường sống của chúng ta luôn trong lành, là cơ sở để phát triển nền kinh tế công nghiệp “xanh” bền vững.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Atzori, Luigi and Iera, Antonio and Morabito, Giacomo (2010), The internet of things: A survey, Computer Networks, Elsevier, The Netherlands.
[2]. Vongsingthong, S.; Smanchat, S. (2014). Internet of Things: A review of applications & technologies, Suranaree Journal of Science and Technology.

Trịnh Lương Miên
Địa chỉ email này đã được bảo vệ từ spam bots, bạn cần kích hoạt Javascript để xem nó. | Đại học Giao thông Vận tải

Số 185 (7/2016)♦Tạp chí tự động hóa ngày nay


Newer news items:
Older news items:

 

Hỗ trợ online

Hỗ trợ Web
Mr Phương: 0988906030

Liên kết & Quảng cáo


 
 
 

logost new




 


 



Nhà tài trợ


Sửa biến tần

Mới cập nhật

Tìm kiếm

Quảng cáo&Liên kết