01/04/2022
Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ sản xuất và nhu cầu về các sản phẩm đa dạng, ô nhiễm không khí ngày càng trở nên nghiêm trọng. Do đó, các cơ quan môi trường trên thế giới cũng như ở Việt Nam đã và đang thực hiện các hành động để bảo vệ môi trường, bao gồm ban hành luật mới và xây dựng hệ thống giám sát ô nhiễm không khí tự động, nhằm phát hiện và xử lý sớm để đảm bảo môi trường trong sạch. Vì thế, nhóm kỹ sư, chuyên gia tại Trung tâm Nghiên cứu triển khai Khu Công nghệ cao (SHTPLABS), thuộc Sở Khoa học và Công nghệ TP. Hồ Chí Minh đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công thiết bị IoT Gateway tích hợp giải pháp bảo mật trên nền tảng IoT (internet vạn vật). Giải pháp này mở ra hướng triển khai mới và hiệu quả hơn cho công tác quan trắc không khí, giám sát an ninh trong không gian đô thị, phù hợp với nhiệm vụ xây dựng TP. Hồ Chí Minh trở thành thành phố thông minh, đô thị hiện đại.
1. Ứng dụng IoT trong quản lý môi trường tại một số nơi trên thế giới
Trên thực tế, nhiều công nghệ cấu thành nên công nghệ có tên gọi IoT hiện nay đã có quá trình phát triển qua nhiều năm với các phiên bản được cải tiến liên tục, đặc biệt trong lĩnh vực công nghiệp, tự động hóa sản xuất. Những năm gần đây, sự trưởng thành của nhiều công nghệ cấu thành tạo điều kiện cho sự phổ biến của IoT, với hàng loạt phiên bản công nghệ mới được thương mại hóa trên thị trường và đưa vào ứng dụng, nhúng trong các sản phẩm điện tử gia dụng, thiết bị công nghiệp, xe hơi, máy móc tự động, giải pháp ngôi nhà thông minh, đô thị thông minh… Một sáng kiến ứng dụng IoT có thể kể đến ở đây là ứng dụng IoT vào để góp phần giảm thiểu thiệt hại và khắc phục hậu quả trong vụ nổ lò phản ứng hạt nhân tại Nhật Bản năm 2011. Sáng kiến trên được triển khai tại khu vực lân cận Fukushima với dịch vụ ứng dụng bản đồ trực quan về mức độ phóng xạ tại khu vực lân cận xảy ra thảm họa, được lập trên cơ sở dữ liệu thu thập từ dữ liệu đo đóng góp bởi người dân. Dữ liệu được thu thập bằng thiết bị đo cá nhân tại vị trí hiện tại, gửi thông qua một ứng dụng cho di động mã nguồn mở có thể tùy chỉnh, đưa về xử lý tập trung trên nền tảng xử lý dữ liệu (xively) và ánh xạ lên hệ thống bản đồ số hóa trong khu vực. Với giải pháp này, bản đồ trực quan hiển thị trực quan hình ảnh về mức độ phóng xạ trong môi trường khu vực, cung cấp trực tuyến, người sử dụng sau khi cung cấp dữ liệu có thể nhận ước tính về hàm lượng phóng xạ ở khu vực xung quanh mình. Mặc dù vẫn còn những bàn luận về mức độ chính xác của phương pháp đo lường và kết quả cung cấp từ nguồn dữ liệu cá nhân, kết quả bước đầu của việc triển khai sáng kiến này cũng đã góp phần trong việc giải quyết thách thức về môi trường tại khu vực.
Một sáng kiến khác về ứng dụng công nghệ IoT được triển khai tại khu vực châu Âu, từ năm 2011 là dự án được triển khai trong lĩnh vực môi trường và giao thông đô thị. Dự án được tài trợ bởi hội đồng liên minh châu Âu, nhằm cải thiện chất lượng môi trường, trong đó, nguồn phát thải từ các phương tiện giao thông được xem là một nguồn gây ô nhiễm, chiếm tới 25% khí thải gây ô nhiễm môi trường tại các thành phố ở châu Âu. Giải pháp thử nghiệm đã được đưa vào ứng dụng tại một số thành phố ở Tây Ban Nha để tìm ra phương thức tốt nhất nhằm cải thiện chất lượng không khí tại các khu vực đô thị. Về giải pháp kỹ thuật, thiết bị đo được đặt tại các vị trí cố định tại các tuyến đường giao thông, kết nối thông qua mạng cảm biến cho phép đo lường và truyền các tham số như nhiệt độ, độ ẩm, hàm lượng CO, NO2, tiếng ồn, bụi trên các tuyến đường giao thông. Một bảng mạch điện tử được phát triển, đặt tại các vị trí cố định, tích hợp module định vị toàn cầu (GPS), module truyền thông sử dụng công nghệ GPRS, có thể vận hành trên 4 băng tần khác nhau. Dữ liệu được thu thập được gửi về tập trung xử lý trên nền tảng xử lý thông tin. Nhờ hệ thống này, cơ quan quản lý có một phương tiện hiệu quả để quản lý các tham số môi trường tại thành phố lớn cũng như có cơ sở để vận hành và xây dựng các chính sách cải thiện chất lượng môi trường cũng như điều kiện giao thông. Dữ liệu sau khi thu thập được phân quyền xử lý phù hợp cho các cán bộ có trách nhiệm, hỗ trợ bởi hệ thống mô phỏng và dự báo nhờ đó giúp cho việc quản lý và vận hành hoạt động giao thông và môi trường đô thị hiệu quả hơn.
Thiết bị IoT Gateway (IoTGW_SHTPLABS)
Tại Hà Lan, IoT cũng đã được sử dụng để xác định sự tương quan giữa tiếng ồn vượt trên mức cho phép với các hoạt động giao thông tại địa bàn. Tiếng ồn cũng có thể gây hại đến sức khỏe, có thể dẫn đến mất thính giác, điếc và ảnh hưởng đến nhịp tim. Các cảm biến tiếng ồn được triển khai, truyền liên tục dữ liệu đo lường về một cơ sở dữ liệu trung tâm qua kết nối Internet. Các cảm biến này nhỏ, rẻ, dễ bảo trì và có thể đặt ở bất kỳ đâu, vận hành liên lục, gửi kết quả đo thông qua mạng về cơ sở dữ liệu, sau đó tiếp tục được phân tích, xử lý. Cũng tại quốc gia này, IoT cũng được triển khai cho bài toán xử lý rác thải. Các thùng rác có gắn thẻ sử dụng công nghệ thẻ RFID cho phép định vị, đo lường và tái phân loại các túi đựng rác thải. Nhờ các thông tin từ các thùng rác, các xe gom rác được điều phối phù hợp bởi đơn vị quản lý, dựa trên lượng rác cần thu gom trong các thùng rác có gắn thẻ định vị RFID gắn định danh với hộ gia đình. Khi vận hành, thiết bị đọc thẻ gắn trên xe thu gom rác sẽ đọc thông tin thẻ RFID gắn trên túi rác ngay qua kết nối không dây, khi nó được thu vào thùng xe, nhờ đó, lượng rác thải của hộ gia đình có thể được đo lường từ đầu quá trình thu gom và xử lý. Hệ thống còn có thể xác định được mức độ lẫn lộn của rác thải (rác được đóng trong các túi có gắn thẻ RFID) và thậm chí xác định được rác thải có khả năng tái chế ngay khi loại rác đó được cho vào thùng. Ngay khi loại rác thải tái chế được nhận dạng, thông tin về rác đó được truyền về hệ thống xử lý trung tâm và chuyển tiếp xử lý tới các bên liên quan, chẳng hạn như các doanh nghiệp xử lý rác thải hay cơ quan quản lý môi trường.
Ở TP. Luân Đôn (Anh), IoT được ứng dụng trong dự án giám sát chất lượng nước, giúp cơ quan bảo vệ môi trường địa phương hiểu rõ về các thay đổi trong chất lượng nước, nhờ giải pháp ứng dụng cảm biến đo thông số chất lượng nước. Thông qua các trạm giám sát triển khai phân tán, thiết bị IoT sẽ giám sát tình trạng hoạt động của các thiết bị trong bồn xử lý nước, tín hiệu sẽ được chuyển tiếp về các trạm theo dõi và gửi tới các máy tính công nghiệp. Sau khi dữ liệu được xử lý, các máy tính điều khiển sẽ gửi các lệnh điều khiển đóng, mở từng thiết bị trong các bồn xử lý nước và nhờ đó tự động hóa tiến trình. Quy trình xử lý nước được thực hiện kịp thời, giúp tiết kiệm năng lượng, phát triển nền kinh tế với hàm lượng các-bon thấp. Dự án khi được triển khai mở rộng còn có thể tiếp tục mở rộng sử dụng IoT để theo dõi tự động chất lượng nước sông, giám sát và dự báo các rủi ro có thể xảy ra đối với nguồn nước và cảnh báo kịp thời để có biện pháp phòng, tránh các thảm họa môi trường…
2. IoT Gateway đo chất lượng không khí tại TP. Hồ Chí Minh
Nhằm giải quyết bài toán thu thập dữ liệu môi trường bằng phương pháp quan trắc tự động không sử dụng mạng viễn thông trong phạm vi của Khu công nghệ cao TP. Hồ Chí Minh thông qua việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các thiết bị IoT Gateway, IoT Node và phần cứng mã hóa quan trắc chất lượng không khí, Sở KH&CN TP. Hồ Chí Minh đã giao cho SHTPLABS thực hiện đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị IoT Gateway tích hợp giải pháp bảo mật trên nền tảng IoT ứng dụng thí điểm quan trắc chất lượng không khí tại Khu công nghệ cao TP. Hồ Chí Minh”. Hệ thống gồm thiết bị IoT Gateway, IoT node quan trắc môi trường không khí, cùng bộ phần cứng mã hóa bảo mật đường truyền, phần mềm trên máy chủ đám mây, phần mềm ứng dụng quan trắc chất lượng không khí, phục vụ lưu trữ, xử lý dữ liệu thu thập từ các thiết bị IoT. Thiết bị IoT Gateway hỗ trợ các ứng dụng chạy thời gian thực, hỗ trợ các giao thức để điều khiển, truy xuất từ xa, cho phép ứng dụng chạy trên Gateway giao tiếp được trực tiếp với máy chủ đám mây (Cloud Server). Thiết bị IoT Node quan trắc môi trường không khí sử dụng nhiều loại cảm biến (sensor) để quan trắc nhiều loại chỉ tiêu khác nhau như SO2, NO2, PM2.5, PM10, nhiệt độ, độ ẩm.
Các thiết bị được vận hành tự động bằng phần mềm chạy trên nền tảng máy chủ đám mây, được xây dựng nhằm cập nhật dữ liệu tự động về hình ảnh, chỉ số quan trắc chất lượng không khí, có tính năng thông báo tình trạng ô nhiễm và đánh giá môi trường khu vực được lắp đặt. Phần mềm có các mô-đun quản lý thiết bị kết nối mạng từ các Gateway như quản lý bảo mật, người dùng, định tuyến và kết nối, đăng ký thiết bị mới… Kết quả quan trắc được cung cấp bằng phần mềm ứng dụng quan trắc chất lượng không khí (chạy trên iOS và Android). Sau quá trình nghiên cứu, các thiết bị đã được lắp đặt thử nghiệm tại một số địa điểm trong khu vực Khu công nghệ cao TP. Hồ Chí Minh, chân cầu Phú Hữu và vòng xoay Liên Phường (TP. Thủ Đức, TP. Hồ Chí Minh) để đo kiểm, đánh giá thực nghiệm hoạt động theo điều kiện môi trường, thời gian khác nhau. Kết quả thử nghiệm thực tế cho thấy, các gói dữ liệu được truyền tải đầy đủ và đặc biệt là độ chính xác của thiết bị quan trắc đáp ứng tiêu chuẩn của ngành Khí tượng thủy văn. Các thiết bị IoTGW_SHTPLABS và IoTN_SHTPLABS đều đạt chứng nhận kiểm định TCVN của các đơn vị chức năng.
Thiết bị IoT Node - IoTN_SHTPLABS và Phần cứng mã hóa bảo mật đường truyền
Sau quá trình triển khai thử nhiệm, nhóm đã cho ra đời 5 bộ thiết bị IoT Gateway (IoTGW_SHTPLABS), 10 bộ thiết bị IoT node quan trắc 6 chỉ số trong không khí (IoTN_SHTPLABS) và 6 bộ phần cứng mã hóa bảo mật đường truyền (Scard_SHTPLABS) đạt chứng nhận kiểm định TCVN của các đơn vị chức năng. Cùng với đó là 1 nền tảng IoT mềm trên máy chủ, phần mềm ứng dụng quan trắc chất lượng không khí phục vụ lưu trữ, xử lý dữ liệu thu thập từ các thiết bị IoT Node mà không sử dụng mạng viễn thông GPRS/3G/4G. Đặc biệt, đề tài đã đưa ra “Phương pháp mã hoá, giải mã trên đường truyền từ máy chủ đến thiết bị cổng kết nối Internet vạn vật (IoTs – Internet of Things)”, phương pháp này có sử dụng thuật toán của Ban Cơ yếu Chính phủ, đây là một trong những điểm khác biệt, cũng là ưu điểm giữa thiết bị ngoại nhập và thiết bị được làm chủ từ thiết kế đến chế tạo tại Việt Nam. Phương pháp này đã được đăng ký quyền sáng chế tại Cục Sở hữu trí tuệ vào tháng 9/2020.
Các hệ thống quan trắc chất lượng không khí như kết quả của đề tài mà nhóm đã thực hiện có thể được sử dụng làm nền tảng công nghệ cho các giải pháp chuyên ngành trên nền tảng IoT sử dụng các công nghệ truyền thông LoRaWan. Tổng thể giải pháp hiện nay đó là có thể được sử dụng trong việc giám sát công nhân/nhân viên theo tiêu chí 3 tại chỗ của các doanh nghiệp trong Khu chế xuất, Khu công nghệ cao trong giai đoạn phòng chống Covid19 của Thành phố. Theo đó các công nhân sẽ được đeo cảm biến giao tiếp với IoT Node được bố trí theo các Zone (khu vực sản xuất, ăn uống, nghỉ ngơi) và truyền thông tin về Gateway dữ liệu được mã hoá gửi về Server của Doanh nghiệp. Qua đó có thể triển khai xây dựng một mạng lưới các trạm quan trắc chất lượng không khí thông minh trong đô thị (vài trạm/km, mỗi trạm sử dụng những cảm biến nhỏ gọn đo trong phạm vi quan trắc bán kính 1 mét) và áp dụng thuật toán mô hình hóa lan truyền thì quá trình đo lường chất lượng không khí sẽ chính xác và tự động (> 5 phút/lần) làm cho dữ liệu quan trắc chất lượng không khí sẽ dày hơn cơ sở dữ liệu hiện có. Mặt khác, với chi phí đầu tư thấp hơn 3-5 lần so với thiết bị tương tự nhập từ nước ngoài và thấp hơn 10 lần so với phương pháp truyền thống (trạm truyền thống) thì mô hình các trạm IoT Node được bố trí thành mạng xung quanh trạm truyền thống (trạm chuẩn) hiện nay là mô hình trên thế giới khuyến nghị nên sử dụng với mục tiêu không phải là để thay thế các phương pháp đo chất lượng không khí truyền thống mà sử dụng để bổ sung và làm dày hơn cơ sở dữ liệu hiện có, đặc biệt cũng rất hữu ích trong việc giải quyết giảm thiểu ô nhiễm không khí
Có thể thấy rằng, với việc làm chủ công nghệ thiết kế mạch điện tử tốc độ cao (từ 6 lớp trở lên) của các sản phẩm IoT, làm chủ và tích hợp thuật toán bảo mật thì quá trình vận hành các thiết bị IoT sẽ được đảm bảo về yếu tố an ninh quốc phòng, tránh phụ thuộc vào nước ngoài, là cơ sở nền tảng để phát triển thành phố thông minh trong tương lai. Hơn thế, việc nắm giữ công nghệ còn cho phép phát triển thêm nhiều sản phẩm công nghệ cao, ứng dụng IoT phục vụ phát triển đô thị thông minh, nhà thông minh, nông nghiệp công nghệ cao.
Đinh Tiến Dũng
Sở Khoa học và Công nghệ TP. Hồ Chí Minh
(Nguồn: Bài đăng trên Tạp chí Môi trường số 3/2022)
