Luận văn thạc sĩ về ứng dụng công nghệ IoT trong giám sát chất lượng không khí tại Hà Nội

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích nghiên cứu công nghệ iot và ứng dụng trong hệ thống giám sát chất lượng không khí hà nội, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải

• Tác giả: Đồng Xuân Hoàng
• Người hướng dẫn: TS. Hà Mạnh Đào
• Trường học: Công Nghệ Thông Tin Hà Nội
• Chuyên ngành: Hệ Thống Giám Sát Chất Lượng Không Khí
• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Dụng Công Nghệ IoT Trong Giám Sát Chất Lượng Không Khí Tại Hà Nội
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VÀ Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ VÀ CÁC CÔNG NGHỆ NỀN TẢNG
• 1.1. MẶC ĐỊ ĐẶ QUAN TRỌNG VIỆC GIÁM SÁT CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ
• 1.2. CẤU TRÚC CHUNG CỦA HỆ THỐNG GIÁM SÁT CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ HIỆN ĐẠI
• 1.3. CÁC CÔNG NGHỆ TRONG CÁC HỆ THỐNG GIÁM SÁT CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ
• 2. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ
• 2.1. MÔ HÌNH HỆ THỐNG
• 2.2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG
• 2.3. THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
• 2.4. CƠ SỞ DỮ LIỆU
• 2.5. MÔ ĐUN THU THẬP DỮ LIỆU CỦA HỆ THỐNG GIÁM SÁT THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG
• 2.6. THIẾT KẾ ĐIỆN TOÁN ĐÁM MÂY THINGSPEAK
• 3. CHƯƠNG 3: THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ
• 3.1. MÔ HÌNH THỬ NGHIỆM
• 3.2. CÁC KỊCH BẢN THỬ NGHIỆM
• 3.3. BẢNG CÁC KỊCH BẢN THỬ NGHIỆM
• 3.4. MẶT SẢ KỊCH BẢN THỬ NGHIỆM
• 3.5. ĐÁNH GIÁ THỰC NGHIỆM
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về ô nhiễm không khí và công nghệ IoT

Ô nhiễm không khí đang trở thành một trong những vấn đề nghiêm trọng nhất trên toàn cầu, đặc biệt là tại các đô thị lớn như Hà Nội. Việc giám sát chất lượng không khí là rất cần thiết để phát hiện và xử lý kịp thời các vấn đề ô nhiễm. Công nghệ IoT (Internet of Things) đã mang đến những giải pháp mới cho việc giám sát ô nhiễm không khí. Hệ thống giám sát chất lượng không khí sử dụng các cảm biến không khí để thu thập dữ liệu về các chỉ số ô nhiễm như PM2.5, PM10, CO, NO2, SO2, và O3. Dữ liệu này được truyền tải qua mạng đến các trung tâm xử lý, cho phép các cơ quan quản lý môi trường theo dõi và đưa ra cảnh báo kịp thời. Theo báo cáo của WHO, khoảng 99% dân số thế giới sống trong khu vực có mức ô nhiễm không khí vượt ngưỡng an toàn. Điều này cho thấy sự cần thiết của việc áp dụng công nghệ IoT trong giám sát chất lượng không khí tại Hà Nội.

1.1. Tình hình ô nhiễm không khí tại Hà Nội

Hà Nội là một trong những thành phố có mức độ ô nhiễm không khí cao nhất tại Việt Nam. Các nguồn ô nhiễm chủ yếu đến từ giao thông, công nghiệp và hoạt động sinh hoạt hàng ngày. Dữ liệu từ các trạm giám sát cho thấy nồng độ các hạt bụi mịn PM2.5 thường xuyên vượt ngưỡng cho phép. Điều này không chỉ ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng mà còn tác động tiêu cực đến môi trường. Việc triển khai các hệ thống giám sát chất lượng không khí bằng công nghệ IoT sẽ giúp nhận diện các khu vực ô nhiễm nặng, từ đó đưa ra các biện pháp cải thiện hiệu quả hơn.

II. Thiết kế hệ thống giám sát chất lượng không khí

Hệ thống giám sát chất lượng không khí được thiết kế dựa trên kiến trúc IoT hiện đại, bao gồm các thành phần như cảm biến, thiết bị thu thập dữ liệu, và nền tảng phân tích dữ liệu. Các cảm biến không khí được lắp đặt tại nhiều vị trí chiến lược trong thành phố để thu thập dữ liệu theo thời gian thực. Dữ liệu này sau đó được truyền tải về các trung tâm xử lý qua mạng internet hoặc mạng di động. Hệ thống sử dụng điện toán đám mây để lưu trữ và phân tích dữ liệu, giúp tối ưu hóa quy trình quản lý và đưa ra các cảnh báo kịp thời khi chất lượng không khí xuống thấp. Việc áp dụng công nghệ này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả giám sát mà còn tiết kiệm chi phí cho các cơ quan quản lý môi trường.

2.1. Các thành phần chính của hệ thống

Hệ thống giám sát chất lượng không khí bao gồm các thành phần chính như cảm biến, thiết bị truyền tải dữ liệu, và nền tảng phân tích. Cảm biến không khí có khả năng đo lường các thông số ô nhiễm như PM2.5, PM10, CO, NO2, SO2 và O3. Thiết bị truyền tải dữ liệu sẽ gửi thông tin thu thập được đến nền tảng phân tích thông qua internet. Tại nền tảng này, dữ liệu sẽ được xử lý và phân tích để đưa ra các thông tin cần thiết cho việc quản lý chất lượng không khí. Hệ thống cũng có khả năng gửi cảnh báo đến người dân khi phát hiện mức độ ô nhiễm cao.

III. Đánh giá và phân tích kết quả nghiên cứu

Việc áp dụng công nghệ IoT trong giám sát chất lượng không khí tại Hà Nội đã cho thấy nhiều kết quả tích cực. Hệ thống đã cung cấp thông tin chính xác và kịp thời về tình hình ô nhiễm không khí, giúp các cơ quan chức năng có thể đưa ra các biện pháp ứng phó hiệu quả. Qua các số liệu thu thập được, có thể nhận thấy sự thay đổi về chất lượng không khí theo thời gian và theo các mùa trong năm. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc lập kế hoạch và chính sách bảo vệ môi trường, cũng như nâng cao nhận thức của cộng đồng về vấn đề ô nhiễm không khí.

3.1. Tác động đến sức khỏe cộng đồng

Ô nhiễm không khí có tác động trực tiếp đến sức khỏe con người, gây ra nhiều bệnh lý nghiêm trọng như bệnh hô hấp, tim mạch và thậm chí là tử vong sớm. Việc giám sát chất lượng không khí thông qua công nghệ IoT không chỉ giúp phát hiện kịp thời các mức độ ô nhiễm mà còn tạo ra các cảnh báo cho người dân, giúp họ chủ động hơn trong việc bảo vệ sức khỏe. Các thông tin này cũng có thể được sử dụng để cải thiện chính sách môi trường và quản lý ô nhiễm không khí tại Hà Nội.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Bà CÔNG TH¯¡NG TR¯àNG Đ¾I HàC CÔNG NGHIâP HÀ NÞI ------------------ Đ¾NG XUÂN HOÀNG NGHIÊN CĄU CÔNG NGHâ IOT VÀ ĄNG DĀNG TRONG Hâ THÞNG GIÁM SÁT CHÂT L¯þNG KHÔNG KHÍ HÀ NÞI Đ ÁN TàT NGHIâP TH¾C S) NGÀNH Hâ THàNG THÔNG TIN Hà Nßi - 2024 Bà CÔNG TH¯¡NG TR¯àNG Đ¾I HàC CÔNG NGHIâP HÀ NÞI Đ¾NG XUÂN HOÀNG NGHIÊN CĄU CÔNG NGHâ IOT VÀ ĄNG DĀNG TRONG Hâ THÞNG GIÁM SÁT CHÂT L¯þNG KHÔNG KHÍ HÀ NÞI Ngành Hã Tháng Thông Tin Mã sá : 8480104 Đ ÁN TàT NGHIâP TH¾C S) Hâ THàNG THÔNG TIN NG¯äI H¯âNG DÀN: TS. HÀ M¾NH ĐÀO Hà Nái – 2024 i MĀC LĀC MĂC LĂC. iii DANH MĂC CÁC TĂ VIÀT TÄT. 1 CH¯¡NG 1 - TàNG QUAN VÂ Ô NHIàM KHÔNG KHÍ VÀ CÁC CÔNG NGHâ NÂN TÀNG.

Māc đá quan trọng viãc giám sát chÃt l°āng không khí. Hiãn tr¿ng ô nhiám không khí hiãn nay. Hiãn tr¿ng hã tháng giám sát chÃt l°āng không khí cÿa Hà Nái. CÃu trúc chung cÿa hã tháng giám sát chÃt l°āng không khí hiãn đ¿i.

Các công nghã trong các hã tháng giám sát chÃt l°āng không khí. Công nghã IoT. Công nghã Điãn toán đám mây (Cloud Computing). Phát trißn hã tháng IoT vãi điãn toán đám mây.

Các công nghã khác. KÁt luÃn ch°¢ng 1. 26 CH¯¡NG 2 THIÀT KÀ Hâ THàNG GIÁM SÁT CHÂT L¯ĀNG KHÔNG KHÍ 27 2. Mô hình hã tháng.

ThiÁt kÁ hã tháng. ThiÁt kÁ phÅn cāng. C¢ sç dữ liãu. Mô đun thu thÃp dữ liãu cÿa hã tháng giám sát thông sá môi tr°ång 43 2.

ThiÁt kÁ điãn toán đám mây Thingspeak. KÁt luÃn ch°¢ng 2. THĄ NGHIâM VÀ ĐÁNH GIÁ. Mô hình thą nghiãm.

Các kịch bÁn thą nghiãm. BÁng các kịch bÁn thą nghiãm. Mát sá kịch bÁn thą nghiãm. Đánh giá thực nghiãm.

KÁt LuÃn ch°¢ng 3. 66 DANH MĂC TÀI LIâU THAM KHÀO. 67 iii MĀC LĀC CÁC HÌNH Hình 1. BÁng tr¿m kißm sát.3: KiÁn trúc IoT chu¿n.

Các kiÁn trúc phân tÅng cÿa IoT. Ví dă các thành phÅn cÿa giao thāc MQTT. Giao thāc thông điãp nâng cao AMQP. Mô hình IoT są dăng giao thāc DDS.

Mô hình IoT vãi giao thāc XMPP. Mô hình IoT są dăng giao thāc CoAP. Quá trình phát trißn điãn toán đám mây. Mô hình điãn toán đám mây (NIST) theo nguyên tÅc 5-4-3.

Mô hình kinh doanh cÿa điãn toán đám mây. Mô hình trißn khai cÿa điãn toán đám mây. a) Đám mây Google; b) Đám mây AWS cÿa Amazon;. 16 c) Đám mây Azure cÿa Microsoft.

Mô hình điãn toán đám mây di đáng. NÃn tÁng đám mây cÿa Google (PaaS). Mô hình GCIoTCore. Hã tháng IoT są dăng IoT core cÿa Google.

Ho¿t đáng cÿa AWS IoT. Các thành phÅn AWS IoT. KiÁn trúc các thành phÅn AWS IoT core. Các dịch vă cÿa AWS IoT cát lõi.

Công nghã, dịch vă, giÁi pháp cÿa Azure. Mô hình cÿa ThingSpeak .1 Mô hình hã tháng giám sát chÃt l°āng không khí. CÃu trúc cÿa nút thiÁt bị đÅu cuái. Mô đun ESP32.

S¢ đß chân mô đun ESP32. CÃu trúc cÿa mô đun ESP32. Mô đun và chân cÿa DHT11. S¢ đß kÁt nái điãn tą cÿa mô đun DHT11 vãi ESP32.

Quá trình truyÃn thông cÿa DHT11. Mô đun MQ135 và các chân tín hiãu. CÃu t¿o cÿa cÁm biÁn GP2Y1014AU0F. hình d¿ng và s¢ đß chân cÿa cÁm biÃn GP2Y1014AU0F.

S¢ đß thuÃt toán thu thÃp dữ liãu .S¢ đß thuÃt toán đọc, xą lý dữ liãu cÿa thiÁt bị đÅu cuái. S¢ đß thuÃt toán thu thÃp và cÃp nhÃt dữ liãu cÿa Thingspeak. S¢ đß truy cÃp giám sát thông sá môi tr°ång tă thiÁt bị đÅu cuái. T¿o tài khoÁn Thingspeak.

T¿o kênh truyÃn thông. T¿o kênh truyÃn thông vãi 2 tr°ång Data_1, Data_2. Server l°u trữ dữ liãu. CÃp nhÃt dữ liãu lên Server.

Thay đái thông sá cÿa kênh truyÃn thông. Dùng khóa Key đß đọc/viÁt dữ liãu tă kênh truyÃn thông. Mô hình thą nghiãm. Mát sá hình Ánh hã tháng thą nghiãm.

Mát sá hình Ánh kÁt quÁ thu đ°āc ch¿y trong m¿ng căc bá. KÁt quÁ ch¿y hã tháng vãi đám mây Thingspeak. 65 v DANH MĀC CÁC TĆ VI¾T TÀT STT Tă viÁt tÅt TiÁng Anh TiÁng Viãt 1 IOT Internet Of Things Intermet v¿n vÃt 2 CLKK - ChÃt l°āng không khí 3 API Application Progmraming Giao diãn lÃp trình Interface āng dăng 4 MQTT Message Queue Telemetry Giao Thāc TruyÃn Transport Thông Hàng Đāi Đo L°ång 5 AMQP Advanced Message Queing Giao Thāc Hàng Đāi Protocol Tin NhÅn Tiên TiÁn 6 DDS Data distribution service Dịch Vă Phân Phái Dữ Liãu 7 XMPP Extensible Messaging and Giao Thāc Tin NhÅn Presence Protocol và Sự Hiãn Diãn Mç Ráng 8 CoAP Constrained Application Giao Thāc Āng Dăng Protocol H¿n ChÁ 9 ĐTĐM Cloud Coputing Điãn toán đám mây 10 GCP Google Cloud Platform NÃn tÁng đám mây cÿa Google 11 AWS Amazon web service Dịch vă điãn toán đám mây Amazon 12 HTTPS Hypertext Transfer Protocol - Giao thāc truyÃn siêu Secure) vn bÁn - BÁo mÃt vi LàI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan sá liãu và kÁt quÁ nghiên cāu trong đà án tát nghiãp này là trung thực. Mọi sự giúp đÿ cho viãc thực hiãn đà án tát nghiãp này đã đ°āc cÁm ¢n và các thông tin trích dÁn trong đà án tát nghiãp đã đ°āc chỉ rõ ngußn gác rõ ràng và đ°āc phép công bá.

Ng°åi thực hiãn đà án tát nghiãp Đ¿ng Xuân Hoàng 1 Mâ ĐÄU 1. Đ¿t vÃn đÁ Trong tình hình hiãn nay, tình tr¿ng ô nhiám không khí đang ngày càng trç nên nghiêm trọng và Ánh h°çng đÁn sāc khße con ng°åi và môi tr°ång. Các ngußn gác ô nhiám bao gßm khí thÁi tă các ph°¢ng tiãn giao thông, nhà máy sÁn xuÃt, nng l°āng hoá th¿ch, và cÁ các ho¿t đáng hàng ngày nh° nÃu n°ãng và s°çi Ãm. Ô nhiám không khí góp phÅn vào nhiÃu vÃn đà sāc khße nghiêm trọng nh° các bãnh hô hÃp, bãnh tim m¿ch, và thÃm chí có thß dÁn đÁn tą vong.

Ngoài ra, ô nhiám cũng gây h¿i cho môi tr°ång, gây ra hiãn t°āng asid hóa m°a, nghiêm trọng hóa tình tr¿ng nóng lên toàn cÅu, và trực tiÁp Ánh h°çng tãi hã sinh thái đa d¿ng. æ bái cÁnh này, Công nghã Internet of Things (IoT) đã nái lên nh° mát giÁi pháp tiÃm nng đß giám sát và giÁm thißu ô nhiám không khí. IoT cho phép các thiÁt bị thông minh và cÁm biÁn kÁt nái vãi nhau qua internet, t¿o thành mát m¿ng l°ãi thông tin liên tăc và chÃt l°āng không khí t¿i các vị trí khác nhau. ĐiÃu này giúp chúng ta thu thÃp dữ liãu thåi gian thực và māc đá ô nhiám, tă đó đ°a ra các quyÁt định thông minh và cách giÁm thißu tác đáng cÿa ô nhiám không khí.

NhiÃu āng dăng công nghã IoT trong giÁm ô nhiám không khí là rÃt đa d¿ng. Chẳng h¿n, chúng ta có thß trißn khai cÁm biÁn đß đo l°ång māc đá ô nhiám t¿i các đißm khác nhau trong Hà Nái, tă đó s¿ xác định các khu vực có māc ô nhiám cao và đ°a ra ph°¢ng án cÁi thiãn. Ngoài ra, thông tin và chÃt l°āng không khí có thß đ°āc cÃp nhÃt liên tăc qua các phÅn mÃm di đáng, giúp ng°åi dân có thß cÁnh báo và điÃu chỉnh hành vi cÿa họ đß tránh tiÁp xúc vãi không khí ô nhiám. Ngoài viãc giám sát, cũng có thß IoT đ°āc są dăng đß tự đáng hóa thiÁt bị và hã tháng nh° hã tháng điÃu hòa không khí trong nhà hoặc hã tháng giao thông thông minh.

ĐiÃu này giúp tiÁt kiãm nhiÃu nng l°āng và giÁm ngußn gác gây ô nhiám. Đ°āc sự định h°ãng và t° vÃn chính vì vÃy tôi quyÁt định chọn đà tài <Nghiên cāu công nghã IOT và āng dăng trong hã tháng giám sát chÃt l°āng không khí Hà Nái= là đà tài đß tìm hißu và nghiên cāu. Māc tiêu đÁ tài Măc tiêu cÿa luÃn vn là nghiên cāu công nghã ESP32 và tích hāp vãi công nghã đám mây.Sau đó āng dăng hã tháng vào giám sát thông sá môi tr°ång đái vãi các đái t°āng cÅn theo dõi hoặc quan tâm nhằm phăc vă các măc đích khác nhau. Nßi dung nghiên cąu 2 - Nghiên cāu tình tr¿ng ô nhiám môi tr°ång - Hiãn tr¿ng giám sát chÃt l°āng không khí - Nghiên cāu hã tháng giám sát chÃt l°āng không khí - Nghiên cāu công nghã IOT trong giám sát CLKK - Nghiên cāu công nghã ESP32 - Xây dựng mô hình thực nghiãm hã tháng - TiÁn hành thực hiãn kịch bÁn thực nghiãm và đánh giá 4.

Ph°¢ng pháp nghiên cąu Ph°¢ng pháp nghiên cāu chÿ đ¿o là nghiên cāu lý thuyÁt kÁt hāp vãi thực nghiãm. Các công viãc thực hiãn tÃp trung vào nghiên cāu, táng hāp, phân tích và đ°a ra giÁi pháp cho bài toán. K¿t quÁ dā ki¿n - Báo cáo luÃn vn - Mô hình thą nghiãm 6. CÃu trúc đÁ án Đà án gßm 3 ch°¢ng chính: Ch°¢ng 1: Táng quan và ô nhiám không khí và các công nghã.

TÅm quan trọng cÿa viãc giám sát chÃt l°āng không khí. Nêu cÃu trúc chung cÿa hã tháng giám sát chÃt l°āng không khí và công nghã IOT Ch°¢ng 2: Táng hāp các kiÁn thāc liên quan đÁn phân tích, thiÁt kÁ hã tháng giám sát chÃt l°āng không khí, trình bày các yêu cÅu cÿa hã tháng các s¢ đß mô tą, l°u đß thuÃt toán. Ngoài ra giãi thiãu và phÅn cāng ESP32 và Thingspeak. Ch°¢ng 3: Trình bày các kịch bÁn thą nghiãm và kÁt quÁ cÿa thực nghiãm đß đ°a ra đánh giá và hã tháng.

3 CH¯¡NG 1 - TỔNG QUAN VÀ Ô NHIàM KHÔNG KHÍ VÀ CÁC CÔNG NGHâ NÀN TÀNG 1. MĄC ĐÞ QUAN TRàNG VIâC GIÁM SÁT CHÂT L¯þNG KHÔNG KHÍ 1. Hiãn tr¿ng ô nhiám không khí hiãn nay 1. Tình hình ô nhiễm không khí trên toàn cầu Tình tr¿ng ô nhiám không khí trên toàn cÅu, nh° đ°āc báo cáo và đánh giá trong Tình tr¿ng không khí toàn cÅu nm 2020 cÿa Viãn Ành h°çng Sāc khße (HEI) và Viãn Đo l°ång, Đánh giá Sāc khße (IHME) cÿa Đ¿i học Washington và Đ¿i học British Columbia, đã tă lâu là mát vÃn đà nguy hißm.

Tuy nhiên, cho đÁn nay, không có biãn pháp că thß nào đ°āc đ°a ra đß giÁi quyÁt tình tr¿ng này. Dữ liãu mãi nhÃt tă Tá chāc Y tÁ ThÁ giãi (WHO) chỉ ra rằng gÅn nh° toàn bá dân sá thÁ giãi (99%) phÁi sáng vãi māc ô nhiám không khí cao, đặc biãt là ç các thành phá cÿa các quác gia thu nhÃp thÃp hoặc trung bình. Ngußn gác chính cÿa ô nhiám không khí là các h¿t băi mịn PM 2.5, có khÁ nng xâm nhÃp vào c¢ thß con ng°åi và gây ra nhiÃu vÃn đà sāc khße nh° bãnh tim m¿ch, hen suyán, và khó thç.