Nghiên cứu xây dựng trạm đo đánh giá mức độ ô nhiễm bằng công nghệ IoT

Ô nhiễm môi trường nước có tên gọi bằng tiếng Anh là Water pollution, dùng để chỉ hiện tượng nguồn nước (bao gồm cả nước mặt và nước ngầm) bị nhiễm bẩn, thay đổi thành phần và chất lượng theo chiều hướng xấu, trong nước có các chất độc hại ảnh hưởng nghiêm trọng đến đời sống, sức khỏe người và hệ sinh vật. Biểu hiện ô nhiễm môi trường nước thường thấy nhất là nước có màu lạ (màu vàng, màu đen, màu nâu đỏ,...), mùi lạ (mùi tanh hôi, thối nồng nặc, mùi thum thủm,…) và xuất hiện váng, nổi bọt khí, có nhiều sinh vật sống trong nước bị chết.

Ô nhiễm nước sông Tô Lịch (Hà Nội)

Ô nhiễm khí thải tại cơ sở chăn nuôi

Theo ước tính của Cục Chăn nuôi (Bộ NN&PTNT), mỗi năm có trung bình 61 triệu tấn phân và trên 304 triệu m³ nước thải chăn nuôi được thải ra từ các loại vật nuôi chính. Một phần trong số đó (khoảng trên 20%) được xử lý, tái sử dụng (làm khí sinh học, ủ phân phục vụ cây trồng, nuôi giun, cho cá ăn,…). Tuy nhiên, phần lớn hơn được thải ra môi trường (khoảng gần 80%) gây lãng phí và ô nhiễm nghiêm trọng, ảnh hưởng đến an toàn thực phẩm, phát sinh dịch bệnh, sức khỏe cộng đồng, an sinh xã hội.

Ô nhiễm khí thải tại cơ sở chăn nuôi

Trong mối quan tâm chung về ô nhiễm môi trường và tìm ra giải pháp góp phần giảm thiểu ô nhiễm, nhóm nghiên cứu của Khoa Công nghệ thông tin tiến hành thu thập dữ liệu khí thải chăn nuôi từ một số cơ sở thú ý trên địa bàn huyện Gia Lâm, thành phố Hà Nội có sử dụng các cảm biến khí kết hợp công nghệ IoT để làm bộ dữ liệu huấn luyện cho các mô hình học máy phục vụ cho các đề xuất giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Với dòng cảm biến giá rẻ MQ, kết hợp với bộ vi xử lý ESP32, nhóm nghiên cứu đã tiến hành phát triển các trạm đo để thu thập dữ liệu mùi ô nhiễm, từ đó đưa ra những đánh giá ban đầu về khả năng ứng dụng cảm biến trong thu thập và phân tích dữ liệu mùi gây ô nhiễm.

Họ cảm biển khí MQ

Có nhiều loại cảm biến khí thuộc họ MQ, mỗi loại được thiết kế để phát hiện các loại khí khác nhau gây ô nhiễm. Các loại cảm biến khí MQ phổ biến nhất là:

-    MQ-2: nhạy với khí methane (CH₄) và propane (C₃H₈)

-    MQ-3: nhạy với khí ethanol (C₂H₅OH) và khí methanol (CH₃OH)

-    MQ-4: nhạy với khí methane (CH₄) và khí ammonia (NH₃)

-    MQ-5: nhạy với khí LPG, i-butane, propane, methane và khí hydrogen

-    MQ-6: nhạy với khí LPG, i-butane, propane, methane và khí hydrogen

-    MQ-7: nhạy với khí carbon monoxide (CO)

-    MQ-8: nhạy với khí hydrogen (H₂)

-    MQ-9: nhạy với khí carbon monoxide (CO), khí methane (CH₄) và khí LPG

-    MQ-135: nhạy với khí ammonia (NH₃), khí nitrogen oxide (NOx) và khí ozone (O₃)

Họ cảm biến khí MQ

Nguyên lý hoạt động của họ cảm biến MQ dựa trên sự thay đổi điện trở của đầu dò cảm biến, đầu dò này được phủ một lớp thiếc Dioxit (SnO₂) có điện trở rất lớn (R₀) trong không khí sạch (không bị ô nhiễm). Trong môi trường có khí gây ô nhiễm, do tương tác của các phân tử khí này với đầu dò cảm biến dẫn tới điện trở của cảm biến giảm đi (R_S). Nồng độ của khí thải gây ô nhiễm, ppm, có thể được đánh giá thông qua tỉ số R_S/R₀.

Bộ vi xử lý ESP32

ESP32 là một loại board mạch vi điều khiển phổ biến được sử dụng để kết nối với các cảm biến khí MQ và trả về giá trị đo nằm trong khoảng từ 0 tới 4096 tương ứng với mã hóa 12 bit. ESP32 có các chân sau:

-    VCC: chân cung cấp điện áp cho board mạch

-    GND: chân nối cho board mạch

-    GPIO: chân để kết nối với cảm biến khí MQ

Vi điền khiển ESP32

Thiết kế trạm đo

Để đo chất lượng không khí đặt tại phòng khám thú y trên địa bàn huyện Gia Lâm, Hà Nội, nhóm nghiên cứu đã thiết kế một trạm đo bao gồm: 03 cảm biến MQ (lựa chọn tổ hợp 03 loại cảm biến khác nhau của họ MQ để kiểm tra độ nhạy với khí ô nhiễm của các cảm biến với môi trường lắp đặt thực tế), 01 cảm biến DHT, 01 ESP32, 01 hộp bảo vệ cùng với dây cáp nối.

Thiết kế một trạm đo chất lượng không khí

Để sử dụng cảm biến khí MQ và cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT với ESP32, nhóm nghiên cứu kết nối các chân của cảm biến khí MQ, DHT với các chân của ESP32 và sử dụng API của ESP32 để đọc giá trị đo được. Sau đó, nhóm nghiên cứu sử dụng kênh truyền dữ liệu thông qua mạng Wifi (có sẵn tại các phòng khám thú y) hoặc Bluetooth lên Google cloud, dữ liệu được lưu trữ và trích xuất thành file .csv.

Một số hình ảnh kết quả thực nghiệm:

Các đồ thị thể hiện kết quả đo, đánh giá phát hiện ô nhiễm mùi sử dụng hệ thống IoT