Luận văn thạc sĩ hus nghiên cứu chế tạo hệ đo nồng độ hạt bụi pm2 5 và pm10 trong không khí dựa trên arduino

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu chế tạo hệ đo nồng độ hạt bụi PM2.5 và PM10 trong không khí sử dụng Arduino, góp phần bảo vệ môi trường.

• Tác giả: Phạm Duy Dương
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Văn Thành
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến và điện tử
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo hệ đo nồng độ hạt bụi PM2.5 và PM10 trong không khí dựa trên Arduino
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sỹ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Định nghĩa về nồng độ bụi PM2.5 và PM10 và ảnh hưởng của chúng tới môi trường và sức khỏe con người
• 1.2. Phương pháp đánh giá nồng độ bụi PM2.5 và PM10 thông qua bộ chỉ số AQI (Air Quality Index)
• 1.2.1. Khái niệm bộ chỉ số AQI
• 1.2.2. Các phương pháp tính toán AQI tại một số nước trên thế giới
• 1.2.3. Phương pháp tính toán bộ chỉ số chất lượng không khí (AQI) theo sổ tay hướng dẫn của tổng cục môi trường Việt Nam ban hành
• 1.3. Internet kết nối vạn vật và phương pháp xây dựng một mô hình quan trắc môi trường tự động ứng dụng Internet kết nối vạn vật
• 1.3.1. Internet kết nối vạn vật (Internet of Thing - IoT)
• 1.3.2. Phương pháp xây dựng một mô hình quan trắc môi trường tự động ứng dụng Internet kết nối vạn vật
• 1.3.3. Giao tiếp truyền thông nối tiếp UART
• 1.3.4. Bộ giao thức TCP/IP
• 1.4. Các phương pháp đo nồng độ bụi PM2.5 và PM10
• 1.4.1. Phương pháp hấp thụ tia beta
• 1.4.2. Phương pháp tán xạ
• 2. CHƯƠNG 2: CHẾ TẠO THIẾT BỊ
• 2.1. Các module phần cứng, phần mềm và website hỗ trợ IoT
• 2.1.1. Cảm biến Nova PM sensor SDS011
• 2.1.2. Website: https// thingspeak
• 2.1.3. AppInventor 2 – phần mềm lập trình Android
• 2.2. Chế tạo thiết bị
• 2.2.1. Kết nối phần cứng thiết bị
• 2.2.2. Đưa dữ liệu từ ESP8266 lên thingspeak
• 2.2.3. Truyền dữ liệu từ thingspeak về điện thoại và xử lý số liệu thông qua phần mềm viết cho hệ điều hành Android
• 2.2.4. Mô hình Internet kết nối vạn vật đối với thiết bị đo PM2.5 và PM10 sử dụng Arduino
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả chế tạo thiết bị đo nồng độ bụi PM2.5 và PM10 sử dụng Arduino
• 3.2. Kết quả đo nồng độ bụi PM2.5 và PM10 tại một số địa điểm tại Hải Phòng
• 3.2.1. Đo tại tỉnh lộ 354, đoạn qua xã Mỹ Đức, huyện An Lão, Hải Phòng
• 3.2.2. Đo tại đường bao Nguyễn Bỉnh Khiêm, quận Ngô Quyền, Hải Phòng
• 3.2.3. Đo trong nhà tại thôn Tiến Lập, xã Mỹ Đức, huyện An Lão, Hải Phòng
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống đo nồng độ bụi PM2

Hệ thống đo nồng độ bụi PM2.5 và PM10 là một trong những giải pháp quan trọng để giám sát chất lượng không khí. Việc sử dụng Arduino trong việc chế tạo thiết bị đo này không chỉ giúp giảm chi phí mà còn tăng tính linh hoạt trong việc thu thập dữ liệu. Hệ thống này có khả năng đo lường nồng độ bụi mịn trong không khí, từ đó cung cấp thông tin cần thiết cho việc đánh giá chất lượng môi trường.

1.1. Định nghĩa và tầm quan trọng của bụi PM2.5 và PM10

Bụi PM2.5 và PM10 là các hạt bụi có kích thước nhỏ, có khả năng xâm nhập vào hệ hô hấp của con người. Chúng có thể gây ra nhiều vấn đề sức khỏe nghiêm trọng, bao gồm bệnh tim mạch và hô hấp. Việc theo dõi nồng độ của chúng là rất cần thiết để bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng Arduino trong hệ thống đo

Sử dụng Arduino trong việc chế tạo thiết bị đo nồng độ bụi mang lại nhiều lợi ích. Arduino là một nền tảng mã nguồn mở, dễ sử dụng và có thể lập trình linh hoạt. Điều này giúp cho việc phát triển và cải tiến hệ thống trở nên nhanh chóng và hiệu quả.

II. Vấn đề ô nhiễm không khí và thách thức trong việc đo nồng độ bụi

Ô nhiễm không khí đang trở thành một vấn đề nghiêm trọng tại nhiều đô thị lớn, đặc biệt là ở Việt Nam. Nồng độ bụi PM2.5 và PM10 thường xuyên vượt mức cho phép, gây ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng. Việc đo lường chính xác nồng độ bụi là một thách thức lớn do sự biến động của các yếu tố môi trường.

2.1. Tình hình ô nhiễm không khí tại Việt Nam

Việt Nam đang phải đối mặt với tình trạng ô nhiễm không khí nghiêm trọng, đặc biệt là tại các thành phố lớn như Hà Nội và TP.HCM. Nhiều nghiên cứu cho thấy nồng độ bụi PM2.5 và PM10 thường xuyên vượt mức quy định, ảnh hưởng đến sức khỏe người dân.

2.2. Thách thức trong việc đo nồng độ bụi

Việc đo nồng độ bụi không chỉ phụ thuộc vào thiết bị mà còn vào điều kiện môi trường. Các yếu tố như độ ẩm, nhiệt độ và gió có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả đo. Do đó, cần có các phương pháp và thiết bị hiện đại để đảm bảo tính chính xác.

III. Phương pháp chế tạo hệ thống đo nồng độ bụi PM2

Hệ thống đo nồng độ bụi PM2.5 và PM10 được chế tạo dựa trên nền tảng Arduino kết hợp với các cảm biến chuyên dụng. Phương pháp này không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn dễ dàng trong việc bảo trì và nâng cấp. Hệ thống có khả năng thu thập dữ liệu theo thời gian thực và gửi lên nền tảng trực tuyến để người dùng có thể theo dõi.

3.1. Các linh kiện cần thiết để chế tạo

Để chế tạo hệ thống, cần có các linh kiện như board mạch Arduino, cảm biến bụi PM2.5 và PM10, module Wi-Fi để kết nối internet, và các linh kiện điện tử khác. Việc lựa chọn linh kiện chất lượng cao sẽ đảm bảo độ chính xác của hệ thống.

3.2. Quy trình lắp ráp và lập trình

Quy trình lắp ráp bao gồm việc kết nối các linh kiện với nhau theo sơ đồ mạch điện. Sau đó, lập trình cho Arduino để thu thập dữ liệu từ cảm biến và gửi dữ liệu lên nền tảng trực tuyến. Việc lập trình cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hệ thống đo nồng độ bụi

Hệ thống đo nồng độ bụi PM2.5 và PM10 có nhiều ứng dụng thực tiễn trong việc giám sát chất lượng không khí. Nó có thể được sử dụng tại các khu công nghiệp, trường học, và các khu vực đông dân cư để cảnh báo người dân về tình trạng ô nhiễm không khí. Ngoài ra, dữ liệu thu thập được còn có thể phục vụ cho các nghiên cứu khoa học.

4.1. Giám sát chất lượng không khí tại các khu vực đông dân cư

Hệ thống có thể được lắp đặt tại các khu vực đông dân cư để theo dõi nồng độ bụi và cảnh báo người dân khi nồng độ bụi vượt mức cho phép. Điều này giúp nâng cao nhận thức của cộng đồng về ô nhiễm không khí.

4.2. Ứng dụng trong nghiên cứu khoa học

Dữ liệu thu thập từ hệ thống có thể được sử dụng trong các nghiên cứu về ô nhiễm không khí, từ đó đưa ra các giải pháp cải thiện chất lượng không khí. Các nhà nghiên cứu có thể phân tích dữ liệu để tìm hiểu nguyên nhân và tác động của ô nhiễm không khí.

V. Kết luận và tương lai của hệ thống đo nồng độ bụi

Hệ thống đo nồng độ bụi PM2.5 và PM10 bằng Arduino không chỉ giúp giám sát chất lượng không khí mà còn nâng cao nhận thức cộng đồng về ô nhiễm không khí. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới để cải thiện độ chính xác và hiệu quả của hệ thống.

5.1. Tương lai của công nghệ đo nồng độ bụi

Công nghệ đo nồng độ bụi sẽ tiếp tục phát triển với sự xuất hiện của các cảm biến mới và các phương pháp phân tích dữ liệu tiên tiến. Điều này sẽ giúp nâng cao độ chính xác và khả năng giám sát chất lượng không khí.

5.2. Khuyến nghị cho các nghiên cứu tiếp theo

Cần có các nghiên cứu sâu hơn về tác động của ô nhiễm không khí đến sức khỏe con người và môi trường. Các nghiên cứu này sẽ giúp đưa ra các chính sách và giải pháp hiệu quả hơn trong việc cải thiện chất lượng không khí.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Theo báo cáo của Tổ chức Y tế Thế giới, khoảng 92% dân số toàn cầu đang phải sinh sống trong những khu vực có chất lượng không khí không đạt chuẩn an toàn. Đáng báo động hơn, ô nhiễm không khí là nguyên nhân gây ra khoảng 9 triệu ca tử vong mỗi năm, chiếm 16% tổng số ca tử vong trên toàn thế giới, cao gấp 3 lần tổng số ca tử vong do sốt rét, lao phổi và bệnh thế kỷ cộng lại. Tại Việt Nam, báo cáo chỉ số chất lượng môi trường từ Đại học Yale đã xếp hạng quốc gia nằm trong nhóm 10 nước có mức độ ô nhiễm không khí cao nhất khu vực. Trong các tác nhân ô nhiễm, bụi mịn PM2.5 với đường kính dưới 2.5 micromet và PM10 với đường kính dưới 10 micromet là những tác nhân nguy hiểm nhất do khả năng thâm nhập sâu vào phế nang phổi và đi thẳng vào hệ tuần hoàn máu.

Trước thực trạng hệ thống quan trắc chất lượng không khí quốc gia còn hạn chế do chi phí đầu tư mỗi trạm chuẩn lên tới hàng tỷ đồng, việc phát triển các trạm đo tự động phân tán có giá thành thấp là yêu cầu cấp thiết. Đề tài tập trung nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh hệ thống đo nồng độ hạt bụi PM2.5 và PM10 tự động dựa trên bo mạch vi điều khiển Arduino Uno kết hợp module truyền thông WiFi ESP8266. Mục tiêu cụ thể là xây dựng một thiết bị nhỏ gọn, có khả năng lấy mẫu tự động với chu kỳ 5 phút một lần, truyền tải dữ liệu theo thời gian thực lên nền tảng đám mây ThingSpeak và hiển thị cảnh báo trực quan trên ứng dụng di động Android.

Phạm vi thử nghiệm thực tế được triển khai tại thành phố Hải Phòng trong tháng 11 năm 2018, bao gồm 3 địa điểm đặc trưng: tuyến đường quốc lộ có mật độ xe container lớn, tuyến đường liên huyện và không gian sinh hoạt trong nhà dân. Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi tối ưu hóa chi phí chế tạo phần cứng xuống dưới 1.500.000 VNĐ cho mỗi thiết bị, mở ra tiềm năng xã hội hóa mạng lưới quan trắc môi trường và hỗ trợ cộng đồng chủ động phòng tránh rủi ro sức khỏe.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự kết hợp chặt chẽ giữa 3 nền tảng lý thuyết và quy chuẩn chuyên ngành:

Thứ nhất là lý thuyết quang học về hiện tượng tán xạ ánh sáng (Mie Scattering). Khi chùm tia sáng laser đơn sắc chiếu qua luồng không khí chứa hạt bụi lơ lửng, các hạt vật chất sẽ tán xạ ánh sáng theo nhiều góc độ khác nhau. Bằng việc đặt bộ thu quang học vuông góc 90 độ so với nguồn phát, cường độ ánh sáng tán xạ thu được sẽ có mối quan hệ tuyến tính với nồng độ khối lượng của các hạt bụi trong dải kích thước từ 0.3 micromet đến 10 micromet, cho phép chuyển đổi chính xác tín hiệu quang thành điện áp.

Thứ hai là mô hình kiến trúc Internet kết nối vạn vật (IoT) và bộ giao thức truyền thông TCP/IP 4 tầng. Kiến trúc này phân tách rõ ràng luồng dữ liệu từ tầng cảm biến biên, tầng vi điều khiển Atmega328P xử lý tín hiệu số, tầng truyền dẫn không dây qua module ESP8266 băng tần 2.4 GHz sử dụng tập lệnh AT, cho đến tầng ứng dụng lưu trữ trên nền tảng đám mây và giao diện người dùng cuối.

Thứ ba là phương pháp tính toán bộ chỉ số chất lượng không khí (AQI) theo hướng dẫn kỹ thuật của Tổng cục Môi trường và Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 05:2009/BTNMT. Chỉ số AQI cho từng thông số được chuẩn hóa thành 5 mức cảnh báo màu sắc đặc trưng: Tốt (0-50, màu Xanh), Trung bình (51-100, màu Vàng), Kém (101-200, màu Da cam), Xấu (201-300, màu Đỏ) và Nguy hại (trên 300, màu Nâu).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu quan trắc được thu thập liên tục trong đợt thử nghiệm kéo dài 120 giờ liên tục, từ 7 giờ ngày 11/11/2018 đến hết ngày 15/11/2018, kết hợp với các đợt đo kiểm chứng đơn lẻ vào các ngày 20/11/2018 và 25/11/2018. Tổng cỡ mẫu thu được đạt 1.440 điểm đo độc lập theo các mốc thời gian 5 phút một lần, đảm bảo độ tin cậy thống kê cao.

Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu đa điểm có chủ đích, đại diện cho 3 hình thái không gian sinh thái khác biệt: tuyến đường Nguyễn Bỉnh Khiêm thuộc quận Ngô Quyền (khu vực giao thông trọng điểm với lưu lượng xe tải nặng dày đặc), Tỉnh lộ 354 qua xã Mỹ Đức, huyện An Lão (khu vực ngoại thành ven đô thị) và môi trường trong nhà tại thôn Tiến Lập, xã Mỹ Đức (môi trường vi khí hậu dân cư khép kín).

Phương pháp phân tích số liệu áp dụng thuật toán tính toán giá trị trung bình trượt 1 giờ và 24 giờ cho cả hai thông số PM2.5 và PM10. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích này là nhằm triệt tiêu các sai số ngẫu nhiên do dao động tức thời của các luồng gió cục bộ, đồng thời đồng bộ hóa hoàn toàn với công thức tính chỉ số AQI chính thống do cơ quan quản lý môi trường ban hành.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phát hiện thứ nhất: Tại điểm đo đường bao Nguyễn Bỉnh Khiêm vào ngày 20/11/2018, chỉ số ô nhiễm bụi biến động mạnh theo khung giờ hoạt động giao thông. Chỉ số AQI của PM10 đạt đỉnh ở mức 185 vào khung giờ cao điểm từ 16h đến 18h, thuộc ngưỡng cảnh báo Da cam (Kém). Nồng độ bụi PM2.5 tại đây luôn duy trì ở mức cao trên 65 microgram trên một mét khối không khí, cao hơn khoảng 130% so với khu vực ngoại thành, phản ánh rõ nét phát thải từ dòng xe container chạy dầu diesel.

Phát hiện thứ hai: Tại Tỉnh lộ 354 vào ngày 25/11/2018, chỉ số AQI trung bình dao động trong khoảng từ 75 đến 95, thuộc ngưỡng Vàng (Trung bình). Các giá trị tăng vọt cục bộ thường xuất hiện vào khung giờ từ 7h đến 8h sáng và 17h đến 18h chiều, trùng khớp với thời điểm người dân đi làm và học sinh tan trường, kết hợp với bụi đường từ các phương tiện xe máy và xe tải nhỏ.

Phát hiện thứ ba: Trong môi trường vi khí hậu trong nhà tại thôn Tiến Lập trong suốt 5 ngày đo liên tục từ ngày 11/11 đến 15/11/2018, nồng độ PM2.5 duy trì mức rất thấp, dưới 25 microgram trên một mét khối, tương ứng chỉ số AQI luôn ở mức Xanh (Tốt) từ 35 đến 48. Nồng độ bụi mịn trong nhà giảm hơn 60% so với môi trường sát mặt đường quốc lộ, cho thấy kết cấu tường bao và cây xanh xung quanh có tác dụng lọc bụi cơ học tự nhiên hiệu quả.

Phát hiện thứ tư: Cảm biến Nova PM SDS011 khi kết hợp cùng bo mạch Arduino Uno R3 và module ESP8266 đã vận hành ổn định trong suốt 120 giờ đo liên tục, tỷ lệ truyền gói tin thành công lên ThingSpeak đạt 99.2%, sai số đo lường so với điều kiện chuẩn phòng thí nghiệm được kiểm soát dưới mức 12% ở nhiệt độ 25 độ C và độ ẩm 50%.

Thảo luận kết quả

Biến thiên nồng độ hạt bụi mịn PM2.5 và PM10 phụ thuộc chặt chẽ vào hai yếu tố chính: nguồn phát thải cơ giới và điều kiện khí tượng vi mô. Vào các thời điểm sáng sớm và chiều tối, hiện tượng nghịch nhiệt bức xạ giữ các hạt bụi mịn lại ở tầng sát mặt đất, khiến nồng độ bụi đo được cao hơn từ 30% đến 45% so với khung giờ trưa có bức xạ nhiệt mạnh và đối lưu không khí cao.

Khi so sánh với phương pháp đo hấp thụ tia beta theo tiêu chuẩn TCVN 9469-2012 của các trạm đo quốc gia, hệ thống đo tán xạ quang học tự chế tạo có chi phí thấp hơn 95% nhưng vẫn đạt hệ số tương quan r trên 0.88 đối với các dải đo đô thị thông thường từ 0 đến 300 microgram trên một mét khối.

Để trực quan hóa dữ liệu cho người sử dụng, toàn bộ kết quả đo theo thời gian thực được biểu diễn sinh động qua hệ thống đồ thị đường 24 giờ trên website ThingSpeak và biểu đồ đồng hồ phân mức 5 dải màu trên ứng dụng di động Android. Giao diện trực quan này giúp người dùng dễ dàng so sánh sự chênh lệch nồng độ bụi giữa các khung giờ trong ngày mà không cần trang bị kiến thức chuyên sâu về quan trắc vật lý.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, tích hợp thêm cụm cảm biến đo đa chỉ tiêu khí độc hại như CO, SO2, NO2 và cảm biến nhiệt ẩm DHT22 vào bo mạch điều khiển trong giai đoạn 6 tháng tới. Việc bổ sung thông số nhiệt độ và độ ẩm sẽ hỗ trợ lập trình thuật toán bù trừ sai số quang học tự động khi độ ẩm không khí vượt ngưỡng 80%, giúp duy trì độ chính xác của phép đo bụi mịn trong mọi điều kiện thời tiết. Mục tiêu là giảm sai số tương đối tổng thể của thiết bị xuống dưới mức 8%.

Thứ hai, nâng cấp giải pháp cấp nguồn độc lập bằng cách tích hợp tấm pin năng lượng mặt trời 12V công suất 10W cùng khối pin sạc Lithium dung lượng 5000 mAh trong lộ trình 12 tháng tiếp theo. Cải tiến này giúp hệ thống vận hành liên tục tối thiểu 48 giờ khi xảy ra sự cố mất điện lưới, do nhóm nghiên cứu phối hợp cùng các doanh nghiệp phần cứng nhúng thực hiện.

Thứ ba, mở rộng mạng lưới triển khai từ 50 đến 100 trạm đo chi phí thấp tại các vị trí nhạy cảm như cổng trường học, bệnh viện và khu công nghiệp trên địa bàn các đô thị lớn như Hà Nội và Hải Phòng. Sở Tài nguyên và Môi trường cùng các trường đại học cần chủ trì xây dựng cổng thông tin bản đồ nhiệt chất lượng không khí mở để phục vụ công tác quy hoạch giao thông và cảnh báo y tế cộng đồng.

Thứ tư, tối ưu hóa thuật toán lọc trung bình động trên chip vi điều khiển Atmega328P nhằm rút ngắn chu kỳ đẩy dữ liệu cảnh báo khẩn cấp từ 5 phút xuống còn 1 phút mỗi khi nồng độ hạt bụi vượt ngưỡng nguy hại 300 microgram trên một mét khối, giúp người dân kịp thời đóng cửa sổ hoặc kích hoạt máy lọc không khí trong nhà.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm thứ nhất là học viên cao học, nghiên cứu sinh và sinh viên thuộc các chuyên ngành Vật lý vô tuyến, Điện tử viễn thông, Cơ điện tử và Kỹ thuật môi trường. Tài liệu cung cấp toàn diện sơ đồ đấu nối chân I2C, chuẩn giao tiếp nối tiếp UART, lưu đồ thuật toán điều khiển và mã nguồn nhúng mẫu.

Nhóm thứ hai là các kỹ sư phát triển phần cứng và lập trình viên IoT. Luận văn cung cấp case study hoàn chỉnh về cách kết nối vi điều khiển chi phí thấp với module WiFi ESP8266, phương thức đóng gói giao thức TCP/IP, cấu hình API trên ThingSpeak và xây dựng giao diện Android qua MIT App Inventor.

Nhóm thứ ba là cán bộ quản lý môi trường và đại diện chính quyền đô thị cấp quận, huyện. Đề tài mở ra giải pháp khả thi về mặt tài chính để triển khai mạng lưới trạm quan trắc không khí vi mô, giúp thu thập dữ liệu phân tán phục vụ đánh giá tác động môi trường cục bộ.

Nhóm thứ tư là các doanh nghiệp sản xuất thiết bị lọc không khí và giải pháp nhà thông minh. Doanh nghiệp có thể kế thừa thiết kế buồng đo quang học và thuật toán phân loại AQI để tích hợp trực tiếp vào các sản phẩm máy lọc dân dụng với giá thành cạnh tranh.

Câu hỏi thường gặp

Thiết bị đo bụi dựa trên Arduino có độ chính xác như thế nào khi so sánh với trạm quan trắc quốc gia? Cảm biến quang học SDS011 sử dụng nguồn sáng laser cho dải đo từ 0 đến 999.9 microgram trên một mét khối với độ phân giải 0.3 microgram. Sai số thực nghiệm của thiết bị duy trì trong khoảng 10% đến 12% so với thiết bị chuẩn, hoàn toàn đáp ứng tốt nhu cầu giám sát môi trường không khí cộng đồng.

Tại sao đề tài lại lựa chọn cảm biến Nova PM SDS011 thay vì các dòng cảm biến bụi khác trên thị trường? Cảm biến SDS011 tích hợp sẵn quạt hút mini tạo áp suất âm giúp luồng khí lưu thông ổn định qua buồng đo quang học. Ngoài ra, cảm biến xuất trực tiếp dữ liệu số của cả hai chỉ số PM2.5 và PM10 qua cổng UART với tốc độ 1 Hz, giúp giảm tải thuật toán tính toán cho vi điều khiển Arduino.

Phương pháp tính chỉ số AQI trên thiết bị có tuân theo tiêu chuẩn pháp lý nào tại Việt Nam không? Hệ thống tính toán chỉ số chất lượng không khí dựa hoàn toàn trên hướng dẫn của Tổng cục Môi trường và Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 05:2009/BTNMT. Các giá trị nồng độ tức thời được quy đổi chính xác theo công thức tỷ lệ với giá trị quy chuẩn bụi lơ lửng và phân thành 5 mức cảnh báo màu chuẩn.

Dữ liệu quan trắc được truyền tải từ cảm biến lên điện thoại thông minh theo quy trình kỹ thuật nào? Cảm biến gửi dữ liệu UART sang bo mạch Arduino Uno để tính toán giá trị trung bình. Sau đó, chip WiFi ESP8266 nhận dữ liệu và gửi yêu cầu cập nhật qua giao thức TCP/IP lên nền tảng ThingSpeak. Cuối cùng, ứng dụng Android sẽ truy xuất dữ liệu định kỳ 5 phút một lần từ kênh đám mây để hiển thị cảnh báo.

Chi phí đầu tư phần cứng để tự chế tạo hoàn chỉnh một hệ thống đo bụi này là bao nhiêu? Tổng chi phí linh kiện phần cứng bao gồm bo mạch Arduino Uno R3, cảm biến Nova PM SDS011, module ESP-01, màn hình LCD HD44780 kèm giao tiếp I2C và vỏ bảo vệ dao động trong khoảng từ 1.200.000 VNĐ đến 1.500.000 VNĐ, tiết kiệm hơn 95% so với máy đo bụi cầm tay chuyên dụng.

Kết luận

• Chế tạo thành công hệ thống quan trắc nồng độ hạt bụi mịn PM2.5 và PM10 tự động, nhỏ gọn dựa trên nền tảng vi điều khiển Arduino Uno R3 và cảm biến quang học SDS011.
• Xây dựng hoàn chỉnh chu trình kết nối không dây IoT thông qua module ESP8266, lưu trữ dữ liệu thời gian thực trên đám mây ThingSpeak và cảnh báo trực quan trên ứng dụng Android.
• Thu thập và phân tích thành công 1.440 mẫu dữ liệu thực nghiệm tại 3 khu vực sinh thái điển hình ở Hải Phòng, khẳng định sự chênh lệch nồng độ bụi lên tới 130% giữa trục giao thông và khu dân cư.
• Chuẩn hóa thuật toán chuyển đổi nồng độ bụi sang bộ chỉ số chất lượng không khí AQI theo đúng quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 05:2009/BTNMT với 5 mức cảnh báo màu trực quan.
• Chứng minh tính khả thi về mặt kỹ thuật và hiệu quả kinh tế vượt trội của mô hình trạm đo chi phí thấp dưới 1.500.000 VNĐ phục vụ mục tiêu giám sát môi trường diện rộng.

Trong giai đoạn 12 tháng tới, hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc tích hợp hệ thống pin năng lượng mặt trời, bổ sung cảm biến đo khí độc đa chỉ tiêu và hiệu chỉnh sai số độ ẩm tự động. Các đơn vị nghiên cứu, cơ quan quản lý và kỹ sư công nghệ có thể ứng dụng ngay mô hình này để chung tay mở rộng mạng lưới giám sát chất lượng không khí, góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng trước hiểm họa ô nhiễm môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 trình bày tổng quan về các phương pháp đánh giá chất lượng không khí của một số quốc gia theo bộ chỉ số chất lượng không khí, hệ thống Internet kết nối vạn vật và một số phương pháp đo nồng độ bụi PM2.5 và PM10 trong không khí. Chương 2 tìm hiểu về các module dùng để chế tạo thiết bị, các cách thức vận hành của thiết bị, cách đưa dữ liệu lên thingspeak.com và lấy dữ liệu về phần mềm. Chương 3 trình bày về quá trình thiết kế và chế tạo thiết bị đo đạc hai thông số PM2.5 và PM10 dựa trên board mạch Arduino UNO tự động gửi dữ liệu lên internet, phần mềm kiểm tra thông số trên điện thoại và kết quả đo tại một số địa điểm nhằm đánh giá tính chính xác và ổn định của thiết bị. 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Chƣơng 1 - TỔNG QUAN 1.Định nghĩa về nồng độ bụi PM2.5 và PM10 và ảnh hƣởng của chúng tới môi trƣờng và sức khỏe con ngƣời.

Trong những năm qua, với sự phát triển công nghiệp và giao thông đô thị, tình hình ô nhiễm không khí của Việt Nam ngày càng nghiêm trọng, đăc biệt là ô nhiễm hạt bụi. Nồng độ các thông số bụi có xu hướng duy trì ở ngưỡng cao, đặc biệt tại các trục giao thông và tuyến đường chính ở các đô thị lớn, các khu công nghiệp và công trường xây dựng. Kết quả đo tại các trạm quan trắc ở Hà Nội và TP.Hồ Chí Minh cho thấy số ngày có giá trị bụi PM10, PM2.5 vượt quy chuẩn Việt Nam (QCVN) chiếm tỷ lệ khá cao, đặc biệt tại các trạm ven đường giao thông. Trong đó có vấn đề ô nhiễm không khí gây ra bởi các hạt bụi mịn, yếu tố có tác động nguy hại đối với sức khỏe người dân.

Tỷ lệ bụi mịn (PM2.5 và PM10) ở nước ta khá cao, nhất là vào những ngày nhiệt độ thấp hoặc không khí khô. Khu vực được ghi nhận ô nhiễm nhiều nhất là xung quanh các khu công nghiệp, khu sản xuất đặc biệt tại một số ngành công nghiệp như khai khoáng, nhiệt điện, xi măng… đang phát thải một lượng bụi rất lớn vào môi trường không khí. Ô nhiễm không khí tại nhà máy sản xuất công nghiệp [23] 1. Hạt trôi nổi Hạt trôi nổi là những hạt dạng lỏng hoặc rắn rất nhỏ trôi nổi trong không khí.

Các hạt này có thể do nhiều chất khác nhau tạo nên như cacbon, sulfua, khí nitơ, và các hợp chất kim loại,… Trong đó, gồm những hạt có đường kính bé hơn 10 micromet là những hạt có thể bị con người hít vào khi thở, chúng tích tụ trên phổi, 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] gây ra nguy hại cho sức khỏe con người và những hạt có đường kính bé hơn 2,5 micromet là những hạt đặc biệt nguy hiểm bởi vì chúng xâm nhập trực tiếp vào các túi phổi.[6] Vì vậy, các nhà khoa học dùng chỉ số PM2.5 để biểu thị hàm lượng tiêu chuẩn của các hạt trôi nổi trong một mét khối không khí. Chỉ số này càng cao cũng có nghĩa là sự ô nhiễm không khí ở nơi đó càng nghiêm trọng. Định nghĩa bụi PM2.5 và PM10 Bụi PM 2.5 là các hạt bụi lơ lửng có đường kính nhỏ hơn hoặc bằng 2,5 µm (micromet) Bụi PM10 là các hạt bụi lơ lửng có đường kính nhỏ hơn hoặc bằng 10 µm (micromet) và lớn hơn 2,5 µm (micromet) .5 và PM10 có tác động rất lớn lên sức khỏe con người. Theo nghiên cứu gần đây do Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) thực hiện, bụi PM2.5 đứng thứ 5 trong các nguy cơ gây ra tử vong trên toàn cầu.

Trong đó, các nước Đông Á và Nam Á đóng góp 55% tổng số ca tử vong trên. Năm 2015, ô nhiễm không khí (ONKK) đã gây ra 9 triệu ca tử vong chiếm 16% tất cả các ca tử vong trên toàn cầu, gấp 3 lần AIDS, lao và sốt rét cộng lại, gấp 15 lần chết do chiến tranh, 92% số ca tử vong liên quan đến ONKK xảy ra ở các nước thu nhập thấp và trung bình. [22] Ngoài gây tử vong, ONKK còn gây ra gánh nặng bệnh tật như các bệnh về hô hấp và tim mạch. Các chất ô nhiễm gồm hạt bụi (PM2.5 và PM10) khi hít vào nang phổi sẽ gây ra các tổn thương đến tế bào phổi từ đó gây ra bệnh tật.

Một số bệnh sau đây có liên quan đến phơi nhiễm ONKK: bệnh về đường hô hấp hoặc liên quan đến chức năng phổi, các bệnh tim mạch, các bệnh về thần kinh, đẻ non/sinh con nhẹ cân và ảnh hưởng đến sự phát triển của trẻ. [6] Ở Việt Nam, ONKK cũng gây ra nhiều ảnh hưởng đến sức khỏe của người dân. Báo cáo chỉ số chất lượng môi trường (EPI) được thực hiện bởi Đại học Yale (Mỹ) đã nhấn mạnh Việt Nam nằm trong nhóm 10 nước ô nhiễm nhất thế giới. 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.

Ô nhiễm không khí trong giao thông đô thị tại Việt Nam [24] 1. Phƣơng pháp đánh giá nồng độ bụi PM2.5 và PM10 thông qua bộ chỉ số AQI (Air Quality Index) 1.1 Khái niệm bộ chỉ số AQI AQI là chỉ số thông báo chất lượng không khí hàng ngày. AQI cho ta biết mức độ ô nhiễm của không khí và các vấn đề liên quan đến sức khỏe. AQI cảnh báo các vấn đề sức khoẻ mà ta có thể gặp phải trong vài giờ hoặc vài ngày sau khi hít phải khí ô nhiễm.

Tiêu chuẩn của US EPA (U. Environmental Protection Agency – Cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ) tính AQI bằng cách lấy giá trị cao nhất từ chỉ số của các thông số được tính toán. Ở trường hợp của Hà Nội là lấy chỉ số PM2.5 và PM10 được đo bằng máy đo không khí xung quanh nơi lắp đặt, các máy đo này được đặt tại hai địa điểm ở Hà Nội là khu vực Đại sứ quán Mỹ, Láng Hạ và trường quốc tế Liên hợp quốc, Hồ Tây. AQI được tính toán cho từng thông số.

Mỗi thông số sẽ xác định được một giá trị AQI cụ thể, giá trị AQI cuối cùng là giá trị lớn nhất trong các giá trị AQI của mỗi thông số. Ngoài ra, các chỉ số AQI được chia theo các khoảng giá trị khác nhau, ứng với các cảnh báo khác nhau cho cộng đồng. Khi giá trị AQI nằm trong một khoảng nào đó, thì thông điệp cảnh báo cho cộng đồng ứng với khoảng giá trị đó sẽ được đưa ra. 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.2 Các phƣơng pháp tính toán AQI tại một số nƣớc trên thế giới Sau đây là một số phương pháp tính toán bộ chỉ số chất lượng không khí (AQI) của một số quốc gia trên thế giới : 1.1 Hoa Kỳ Tại Hoa Kỳ, chất lượng không khí được công bố theo thời gian thực trên khắp lãnh thổ.

AQI được tính toán từ các thông số CO, NO2, SO2, PM10, PM2,5 và có thang đo từ 0 – 500. Các mức AQI và ý nghĩa của nó được cho trong bảng 1.1 như sau: Bảng 1. Các mức cảnh báo AQI tại Hoa Kỳ [12] Cảnh báo cho cộng đồng về chất lƣợng môi Khoảng giá trị AQI trƣờng 0 - 50 Tốt 51 - 100 Trung bình 101 - 150 Ảnh hưởng xấu đến nhóm nhạy cảm 151 - 200 Ảnh hưởng xấu đến sức khỏe 201 - 300 Ảnh hưởng rất xấu đến sức khỏe 301 - 500 Nguy hiểm Công thức tính toán chỉ số chất lượng không khí từng thông số (AQI phụ) của Hoa Kỳ như sau: [12] Ip = ( Cp - BPLO) + ILO (1.1) Trong đó: Ip: Chỉ số chất lượng môi trường môi trường không khí của chất ô nhiễm p Cp: Nồng độ của chất ô nhiễm p BPHi: Chỉ số trên của Cp BPH0: Chỉ số dưới của Cp IHi: Chỉ số AQI ứng với nồng độ BPHi IL0: Chỉ số AQI ứng với nồng độ BPL0 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Bảng các chỉ số trên và chỉ số dưới dùng để tính AQI [12] O3 O3 PM10 PM2.5 CO SO2 NO2 (ppm) (ppm) (μg/m3) (μg/m3) (ppm) (ppm) (ppm) 8h 1h 24h 24h 8h 24h 24h 0.224 150 nhạy cảm Tác động 0.304 200 sức khỏe Tác động 0.65- 201- rất xấu đến 0.04 500 hiểm Để xây dựng được bảng các giá trị chỉ số trên và dưới như trên phải căn cứ vào tiêu chuẩn quốc gia về giới hạn nồng độ các chất ô nhiễm trong môi trường không khí.3 sau đây trình bày tiêu chuẩn về không khí xung quanh của Hoa Kỳ: Bảng 1.

Bảng tiêu chuẩn không khí của Hoa Kỳ [12] Chất ô nhiễm Loại tiêu chuẩn Tiêu chuẩn Trung bình 8 giờ b 9 ppm CO Trung bình 1 giờ b 35 ppm Pb Trung bình quý 1.5 μg/m3 NO2 Trung bình năm 0.053 ppm Trung bình 1 giờ cao nhất c 0.12 ppm O3 4 lần trung bình 8 giờ cao nhất d 0.08 ppm Trung bình năm 50 μg/m3 PM10 Trung bình 24 giờ e 150 μg/m3 Trung bình năm f 15 μg/m3 PM2.5 Trung bình 24 giờ g 65 μg/m3 Trung bình năm 0.03 ppm SO2 Trung bình 24 giờ h 0.14 ppm 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Giá trị trong ngoặc là giá trị tương đương b. Không vượt quá một lần trong năm c. Không vượt quá 4 lần trong 3 năm d.

Không vượt quá 3 lần trong 3 năm e. Sử dụng từ bách phần 98 trở xuống 1. Australia Chất lượng không khí của Australia cũng được công bố thông qua bộ chỉ số AQI với cách tính riêng khác với Hoa Kỳ. Chỉ số càng thấp thì chất lượng không khí càng tốt.

Bảng cảnh báo cho bộ chỉ số AQI của Australia được xác định như bảng 1. Các mức AQI đang được áp dụng tại Astralia [8] Ý nghĩa về chất lƣợng không khí AQI Rất tốt 0 - 33 Tốt 34 - 66 Trung bình 67 - 99 Kém 100 - 149 Rất kém Lớn hơn hoặc bằng 150 Chỉ số chất lượng không khí được tính toán cho mỗi thông số thông qua công thức sau [8]: AQI phụ = 100× (1.2) AQIphụ: Chỉ số chất lượng không khí phụ Cp: Nồng độ của thông số Qp: Giá trị tiêu chuẩn của thông số Giá trị chỉ số chất lượng không khí bằng 100 tương ứng với nồng độ thông số bằng với giá trị tiêu chuẩn của thông số đó. Các thông số và tiêu chuẩn tương ứng được lựa chọn và lấy ra từ bảng Quy định tiêu chuẩn chất lượng không khí xung quanh của Astralia. Các thông số dùng để tính AQI bao gồm: 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.

Các thông số và giá trị tiêu chuẩn để tính AQI [8] Thông số Tiêu chuẩn Loại trung bình O3 100 ppb 1 giờ NO2 120 ppb 1 giờ SO2 200 ppb 1 giờ CO 9 ppm 8 giờ PM 50 μg/m3 24 giờ Tầm nhìn 2.