Đồ án tốt nghiệp: Hệ thống giám sát môi trường khu công nghiệp (ĐH Bách Khoa Đà Nẵng)

Tham khảo đồ án tốt nghiệp hệ thống giám sát môi trường khu công nghiệp ứng dụng IoT. Đề tài trình bày chi tiết thiết kế phần cứng và phần mềm hệ thống.

• Tác giả: Bùi Minh Trí
• Người hướng dẫn: Kỹ Sư Lê Hồng Nam
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
• Đề tài: Hệ thống giám sát môi trường khu công nghiệp
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Đà Nẵng

Tóm tắt

I. Tổng quan về Hệ thống Giám sát Môi trường Khu Công nghiệp IoT

Hệ thống giám sát môi trường khu công nghiệp là một giải pháp công nghệ tiên tiến dựa trên nền tảng IoT (Internet of Things) nhằm theo dõi và quản lý các chỉ tiêu môi trường trong các khu vực công nghiệp. Đề tài này được phát triển bởi sinh viên Bùi Minh Trí và Phan Ngọc Triều từ Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, dưới sự hướng dẫn của các kỹ sư Lê Hồng Nam và Huỳnh Thanh Tùng. Hệ thống kết hợp các cảm biến điện năng, cảm biến chất lượng nước với công nghệ truyền tín hiệu hiện đại, cho phép người quản lý theo dõi và điều khiển môi trường từ xa thông qua ứng dụng internet. Với khả năng hoạt động ở chế độ tự động, hệ thống mang lại hiệu quả cao trong việc bảo vệ và quản lý môi trường khu công nghiệp.

1.1. Khái niệm và Tầm quan trọng của IoT trong Giám sát Môi trường

IoT (Internet of Things) hay Internet vạn vật là công nghệ kết nối các thiết bị thông minh để thu thập và chia sẻ dữ liệu. Trong lĩnh vực giám sát môi trường, IoT đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp dữ liệu thực tế, chính xác về điều kiện môi trường. Hệ thống giám sát IoT giúp các khu công nghiệp tuân thủ các tiêu chuẩn môi trường, phát hiện sớm các sự cố ô nhiễm, và tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên nước và điện.

1.2. Mục tiêu và Ý nghĩa của Đề tài

Đề tài hệ thống giám sát môi trường khu công nghiệp nhằm xây dựng một giải pháp toàn diện để theo dõi các chỉ tiêu môi trường quan trọng. Hệ thống được thiết kế với diện tích 50 m² và khoảng cách 50m từ trung tâm đến phân nguồn nước, sử dụng máy bơm xoay chiều 220V/400W. Ý nghĩa của đề tài là cung cấp công cụ hiệu quả giúp các doanh nghiệp công nghiệp nâng cao khả năng quản lý và bảo vệ môi trường.

II. Thiết kế và Cấu trúc Hệ thống Giám sát

Hệ thống giám sát môi trường được thiết kế theo kiến trúc phân tầng, bao gồm tầng cảm biến, tầng xử lý dữ liệu, và tầng ứng dụng người dùng. Các cảm biến chất lượng nước và cảm biến điện năng PZEM-004T được lắp đặt tại các vị trí chiến l略để thu thập dữ liệu môi trường. Dữ liệu được truyền từ Node MCU đến server ThingSpeak thông qua kết nối internet, cho phép người dùng truy cập thông tin từ bất kỳ nơi đâu. Hệ thống hỗ trợ ứng dụng Blynk để điều khiển các thiết bị từ xa và nhận thông báo cảnh báo khi các chỉ tiêu vượt quá ngưỡng cho phép.

2.1. Phần cứng Các Thành phần Chính

Phần cứng hệ thống bao gồm: Node MCU làm bộ xử lý trung tâm, cảm biến PZEM-004T để đo điện năng, cảm biến chất lượng nước (PH, TDS), mô-đun LoRa để truyền dữ liệu, LCD hiển thị thông tin real-time, và máy bơm xoay chiều. Các thành phần được lắp ráp với mạch in chuyên biệt để đảm bảo độ ổn định và khả năng chống nhiễu trong môi trường công nghiệp.

2.2. Phần mềm Thuật toán và Ứng dụng

Phần mềm hệ thống được thiết kế để xử lý dữ liệu từ cảm biến điện năng và cảm biến chất lượng nước với độ chính xác cao. Ứng dụng hỗ trợ chế độ hoạt động tự động, cho phép hệ thống tự điều chỉnh các tham số khi phát hiện bất thường. Giao diện Blynk App cung cấp khả năng giám sát và điều khiển trực quan, hiển thị dữ liệu realtime và lịch sử.

III. Quá trình Triển khai và Kết quả Đạt được

Quá trình phát triển đồ án hệ thống giám sát môi trường được tiến hành theo từng giai đoạn từ tháng 3 đến tháng 6 năm 2022. Sinh viên thực hiện bắt đầu từ việc tìm hiểu tổng quan về IoT và cảm biến điện năng, sau đó phát triển code demo để nhận tín hiệu từ cảm biến và gửi lên server ThingSpeak. Etape quan trọng là thực hành đọc cảm biến điện năng PZEM-004T và thiết lập truyền tín hiệu LoRa giữa các Node MCU. Cuối cùng, nhóm hoàn thành tính toán khối công suất, khối nguồn, vẽ mạch in, thiết kế phần mềm và lắp ráp toàn bộ hệ thống với hiệu quả cao.

3.1. Các Bước Triển khai Chính

Bước 1 tập trung vào tìm hiểu đề tài và lên ý tưởng. Bước 2 nghiên cứu thiết bị cảm biến cần dùng. Bước 3-4 code demo nhận tín hiệu từ cảm biến và gửi lên server ThingSpeak (15%). Bước 5-6 thực hành đọc cảm biến PZEM-004T và truyền LoRa (25%). Bước 7-8 gửi tín hiệu lên Blynk App (30%). Giai đoạn cuối tập trung vào tính toán công suất (50%), lắp ráp hệ thống (60%), vẽ mạch in (65%), thiết kế phần mềm (75%), viết báo cáo (90%) và hoàn thành 100%.

3.2. Thành tựu và Ứng dụng Thực tiễn

Hệ thống giám sát đã được xây dựng thành công với khả năng đo điện năng, chất lượng nước và điều khiển từ xa qua internet. Hệ thống có tính cấp thiết cao trong bối cảnh các khu công nghiệp cần tuân thủ tiêu chuẩn môi trường ngặt nghèo. Khả năng ứng dụng thực tiễn là rất lớn, có thể mở rộng để giám sát các chỉ tiêu môi trường khác như khí thải, độ ồn, chất lượng không khí.

IV. Giá trị Khoa học và Hướng Phát triển Tương lai

Đồ án hệ thống giám sát môi trường khu công nghiệp mang giá trị khoa học cao trong việc ứng dụng công nghệ IoT vào bảo vệ môi trường. Hệ thống được thiết kế dựa trên các nguyên lý kỹ thuật điện tử hiện đại, kết hợp cảm biến chất lượng cao với các mô-đun truyền thông tiên tiến. Hướng phát triển tương lai của dự án bao gồm mở rộng phạm vi giám sát để theo dõi nhiều chỉ tiêu môi trường hơn, tích hợp machine learning để dự báo các sự cố, và phát triển giao diện người dùng thân thiện hơn cho các nhà quản lý công nghiệp.

4.1. Giá trị Khoa học và Công nghệ

Đề tài thể hiện giá trị khoa học trong việc kết hợp IoT, cảm biến thông minh và cloud computing. Công nghệ LoRa được sử dụng cho phép truyền tín hiệu ổn định trên khoảng cách xa. Hệ thống chứng minh khả năng tích hợp phần cứng và phần mềm hiệu quả, với khả năng hoạt động tự động và điều khiển từ xa. Đây là bước tiến đáng kể trong lĩnh vực quản lý môi trường khu công nghiệp.

4.2. Định hướng Phát triển Trong Tương lai

Hệ thống giám sát có thể được nâng cấp bằng cách tích hợp AI và dự báo dữ liệu, thiết lập hệ thống cảnh báo thông minh, mở rộng các loại cảm biến để giám sát khí thải, độ ồn. Có thể phát triển ứng dụng mobile chuyên biệt với giao diện bản đồ tương tác. Tương lai, hệ thống giám sát IoT sẽ là công cụ không thể thiếu giúp các khu công nghiệp đạt tiêu chuẩn môi trường quốc tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Mục tiêu đề tài: Theo thống kế của tổ chức Y tế thế giới WHO có đến 92% dân số hiện đang sống trong bầu không khí bị ô nhiễm. Vấn đề này trở thành vấn đề nhức nhối của thế giới và trong đó Việt Nam cũng không ngoại lệ. Theo báo cáo thường niên về chỉ số môi trường (The Environmental Performance Index - EPI) do tổ chức Môi trường Mỹ thực hiện, Việt Nam chúng ta là một trong 10 nước ô nhiễm môi trường không khí hàng đầu Châu Á. Tiêu biểu là ô nhiễm bụi (PM10, PM2.

Thành phố Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh là nơi bị ô nhiễm không khí nặng nhất của cả nước, có nhiều thời điểm bụi mịn (PM 2.5) bao phủ cả bầu trời làm hạn chế tầm nhìn, ảnh hưởng rất lớn đến sức khỏe của người dân. Bên cạnh đó, vấn đề ô nhiễm môi trường nguồn nước cũng là một vấn đề đáng báo động ở Việt Nam. Việt Nam với hơn 2.360 con sông, suối dài hơn 10km và hàng nghìn ao, hồ. Với tình trạng đô thị hóa chóng mặt như hiện nay, cùng với khối lượng chất thải, rác thải , nước thải khổng lồ đi vào môi trường.

Các loại nước thải sinh hoạt, nước thải bệnh viện, nước thải công nghiệp khi vào môi trường mà không qua xử lý sẽ tàn phá nghiêm trọng môi trường, ảnh hướng trực tiếp tới cuộc sống của chính con người. Theo thống kê: ✓ Tại cụm công nghiệp Tham Lương, thành phố Hồ Chí Minh, nguồn nước bị nhiễm bẩn bởi nước thải công nghiệp với tổng lượng nước thải ước tính 500.000 m3/ngày từ các nhà máy giấy, bột giặt, nhuộm, dệt,… ✓ Thái Nguyên, nước thải công nghiệp thải ra từ các cơ sở sản xuất giấy, luyện gang thép, luyện kim màu, khai thác than về tổng lượng nước thải khu vực thành phố Thái Nguyên chiếm khoảng 15% lưu lượng sông Cầu, nước thải từ sản xuất giấy có pH từ 8,4-9 và hàm lượng NH4 là 4mg/1, hàm lượng chất hữu cơ cao, nước thải có màu nâu, mùi khó chịu… ✓ Khảo sát một số làng nghề sắt thép, đúc đồng, nhôm, chì, giấy, dệt nhuộm ở Bắc Ninh cho thấy có lượng nước thải hàng ngàn m3/ ngày không qua xử lý, gây ô nhiễm nguồn nước và môi trường trong khu vực. ✓ Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh. Ở các thành phố này, nước thải sinh hoạt không có hệ thống xử lý tập trung mà trực tiếp xả ra nguồn tiếp nhận (sông, hồ, kênh, mương) vô cùng lớn mà không thể nào đo được.

✓ Các bệnh viện và cơ sở y tế lớn chưa có hệ thống xử lý nước thải, một lượng rác thải rắn lớn trong thành phố không thu gom hết được… đều được 20 xả thải trực tiếp ra bên ngoài môi trường gây ảnh hưởng trực tiếp đến nguồn nước. ✓ Sông Hồng qua Phú Thọ, Vĩnh Phúc hầu hết các thông số vượt QCVN 08:2008 – A1, một số địa điểm gần các nhà máy thậm chí xấp xỉ B1, các thông số vượt ngưỡng B1 nhiều lần. ✓ Sông Cầu thời gian qua nhiều đoạn đã bị ô nhiễm nghiêm trọng, lưu vực sông Nhuệ – Đáy nhiều đoạn bị ô nhiễm tới mức báo động, vào mùa khô giá trị các thông số BOD5, COD, TSS… tại các điểm đo vượt QCVN 08:2008 loại A1 nhiều lần. ✓ Miền Trung và Tây Nguyên có một số khu vực chất lượng nước giảm do việc đổi dòng phục vụ các công trình thủy lợi (hiện tượng ô nhiễm trên sông Ba vào mùa khô).

Nguồn ô nhiễm chính khu vực Đông Nam Bộ là nguồn ô nhiễm nước mặt chủ yếu do nước thải công nghiệp và sinh hoạt. ✓ Sông Sài Gòn trong những năm gần đây mức độ ô nhiễm mở rộng hơn về phía thượng lưu. Sông Thị Vải các khu vực ô nhiễm trước đây đã từng bước được khắc phục một số điểm ô nhiễm cục bộ. ✓ Hệ thống sông ở Đồng bằng sông Cửu Long nước thải nông nghiệp lớn nhất nước (70% lượng phân bón được cây và đất hấp thụ, 30% đi vào môi trường nước).

✓ Việt Nam có gần 76% dân số đang sinh sống ở nông thôn là nơi cơ sở hạ tầng còn lạc hậu, phần lớn các chất thải của con người và gia súc không được xử lý nên thấm xuống đất hoặc bị rửa trôi, làm cho tình trạng ô nhiễm nguồn nước về mặt hữu cơ và vi sinh vật ngày càng cao. Theo báo cáo của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, số vi khuẩn Feca coliform trung bình biến đổi từ 1.500MNP/100ml ở các vùng ven sông Tiền và sông Hậu, tăng lên tới 3800-12.500MNP/100ML ở các kênh tưới tiêu. Dựa trên các số liệu trên ta có thể thấy rằng – nguyên nhân gây ô nhiễm chính đến từ các hoạt động sản xuất công, nông nghiệp. Bởi họ chưa có hệ thống giám sát môi trường không khí và nước hợp lí để có thể xử lý các nguồn nước thải cũng như là thanh lọc bụi khi nồng độ bụi quá cao.

Từ thực trạng đó chúng tôi ao ước và mong muốn vận dụng những gì đã học để lên ý tưởng và thiết kế ra hệ thống giám sát môi trường ở các khu công nghiệp nhằm đảm giám sát chất lượng nguồn nước thải và môi trường không khí tại đó. Bởi cớ đó, chúng tôi đã lên thực hiện ý tưởng của mình để tạo ra hệ thống “Giám sát môi trường khu công nghiệp”. Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu, phân tích và thiết kế được mạch có khả năng giám sát môi trường của khu công nghiệp thông qua các thông tin cảm biến thu thập về. Thông qua mức độ bụi của không khí, nồng cộ CO2 và các dữ liệu cảm biến khác của nước được cảm biến đo đạt rồi truyền tới khối xử lý dữ liệu.

Dựa 21 vào các thông tin trên và theo các ngưỡng mực nước để điều khiển xử lý các hoạt động cần thiết nhằm ngăn chạy việc nguồn nước bị ô nhiễm. Hệ thống giám sát nguồn nước khu công nghiệp được xây dựng dựa trên hệ thống IoT – nhằm tự động hóa quá trình giám sát, điều khiển cũng như là giúp con người dễ kiểm soát hơn so với phương pháp thủ công – hệ thống này sẽ nâng cao được chất lượng nguồn nước của khu công nghiệp cũng như là giúp họ kiểm soát nguồn nước tốt hơn. Để thực hiện được điều đó chúng ta cần tìm hiểu sơ qua hệ thống IoT mà chúng ta sẽ sử dụng để tạo ra sản phẩm này. Phạm vi đề tài và đối tượng nghiên cứu: Hệ thống giám sát nguồn nước khu công nghiệp thu thập các dữ liệu liên quan đến thời tiết gửi về trung tâm qua mạng không dây LoRa, dùng internet để đưa dữ liệu từ trung tâm lên Websever và hiển thị ở app Blynk và website Thingspeak.

Dựa vào các số liệu thu thập được, trung tâm sẽ phân tích và đưa ra những cảnh báo và các biện pháp xử lý thích hợp. Đối tượng nghiên cứu là các sinh viên điện tử, những người làm trong khu công nghiệp. Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu xuyên suốt đồ án là tìm hiểu các đề tài, bài báo quốc tế tin cậy có nội dung liên quan đến công nghệ không dây LoRa, các kỹ thuật liên quan đến đo đạc dữ liệu nguồn nước, so sánh và đánh giá ưu khuyết điểm của các mô hình, thuật toán, các công nghệ không dây. Từ đó thiết kế, thực hiện và kiểm tra tính hiệu quả của hệ thống đã xây dựng.

Cấu trúc của đồ án tốt nghiệp: Cấu trúc của đồ án bao gồm 5 chương: Chương 1:Tổng quan về hệ thống IOT Giới thiệu tổng quan về hệ thống IOT. Chương 2: Hệ thống giám sát môi trường khu công nghiệp Giới thiệu về các linh kiện sử dụng trong hệ thống, các giao thức truyền dữ liệu giữa các thành phần trong hệ thống. Chương 3: Thi công hệ thống 22 Thiết kế sơ đồ mạch từng khối, vẽ mạch in và tính chọn để lựa chọn các thông số phù hợp của từng loại linh kiện trong hệ thống rồi tiến hành thiết kế hệ thống. Vẽ và phân tích lưu đồ thuật toán, thiết kế chương trình cho từng Node, hệ thống.

Chương 4: Kết quả và đánh giá Trình bày về những kết quả đạt được về phần cứng và phần mềm, kết quả truyền tải dữ liệu thông qua mạng không dây LoRa sau đó đưa ra đánh giá những kết quả đạt được. Tuy nhiên do thời gian có hạn nên báo cáo chưa đề cập đầy đủ mọi vấn đề liên quan và chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót. Chúng tôi rất mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp của các thầy cô để chúng tôi có thêm những kiến thức quý báu cho những công việc trong tương lai. Chúng tôi xin chân thành cảm ơn! 23 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG IOT 1.1 Giới thiệu chương: Công nghệ Internet of Things (IoT) được tích hợp từ các kỹ thuật điện tử, tin học và viễn thông tiên tiến vào trong mục đích nghiên cứu, giải trí, sản xuất, kinh doanh,… phạm vi này ngày càng được mở rộng, để tạo ra các ứng dụng đáp ứng cho các nhu cầu trên các lĩnh vực khác nhau.

Hiện nay, khái niệm IoT đã trở nên khá quen thuộc và được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực đời sống con người, đặc biệt ở các nước có nền khoa học công nghệ tiên tiến. IoT tạo nên cho con người một môi trường làm việc thông minh, tiết kiệm thời gian, chi phí mà ít phải mất sức hơn trong lao động phổ thông. Nhờ công nghệ IoT mà nhiều ngành công nghiệp được năng cao, chất lượng sản phẩm ngày một tốt hơn và thế giới ngày càng ưa chuộng hơn.2 Giới thiệu về hệ thống IoT: 1.1 Khái niệm IoT: IoT là viết tắt của cụm từ tiếng Anh Internet of Things, hay Internet vạn vật, dùng để chỉ các thiết bị vật lý được kết nối internet có khả năng thu thập dữ liệu, chia sẻ thông tin với độ bao phủ toàn cầu, nghĩa là bất cứ thiết bị vật lý nào có khả năng kết nối internet, thu thập, lưu giữ và chia sẻ thông tin thì đều là IoT. Chúng ta hoàn toàn có thể tạo ra các thiết bị IoT nhờ có bộ xử lý thông minh bên trong cùng mạng không dây, giống như các thiết bị trên, biến mọi thứ trở nên thông minh và chủ động hơn bao giờ hết.1 Sơ đồ hệ thống IoT (1) 24 Một hệ thống IoT hiện đại bao gồm các thành phần sau: Things.

“thing” là một vật được trang bị các cảm biến thu thập dữ liệu sẽ được truyền qua mạng và bộ truyền động cho phép mọi thứ hoạt động (ví dụ: bật hoặc tắt đèn, mở hoặc đóng cửa, tăng hoặc giảm tốc độ quay của động cơ và hơn thế nữa).