Nghiên cứu chế tạo hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu hỗ trợ quan trắc môi trường

IUH1819

BỘ CƠNG THƯƠNG
ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC
KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU KHOA HỌCCẤP TRƯỜNG

Tên đề tài: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ
THU THẬP DỮ LIỆU HỖ TRỢ QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG
Mã số đề tài: IUH.KDT 20/16
Chủ nhiệm đề tài: PHẠM TRẦN BÍCH THUẬN
Đơn vị thực hiện: KHOA CƠNG NGHỆ ĐIỆN TỬ

Tp. Hồ Chí Minh, ........…


LỜI CÁM ƠN

Trong quá trình thực hiện đề tài "Nghiên cứu chế tạo hệ thống giám sát và thu
thập dữ liệu hỗ trợ quan trắc môi trường", chúng Tôi nhận được nhiều sự giúp đỡ, tạo
điều kiện của Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh, phịng Quản lý
khoa học và hợp tác quốc tế và Khoa Công nghệ Điện tử. Chúng Tơi xin bày tỏ lịng
cảm ơn chân thành về sự giúp đỡ này.
Chúng tôi cũng xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, người thân của chúng
Tơi đã động viên, khích lệ, tạo điều kiện để thực hiện hoàn thành đề tài này.

Chủ nhiệm đề tài
Phạm Trần Bích Thuận

1


PHẦN I. THƠNG TIN CHUNG
I. Thơng tin tổng qt
1.1. Tên đề tài: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ THU THẬP
DỮ LIỆU HỖ TRỢ QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG
1.2. Mã số: IUH.KDT 20/16
1.3. Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực hiện đề tài
TT
1
2
3

Họ và tên
(học hàm, học vị)

Đơn vị cơng tác

TS. Phạm Trần Bích Thuận Khoa Cơng nghệ Điện tử,
Bộ mơn Điện tử Máy tính
Khoa Cơng nghệ Điện tử,
ThS.Nguyễn Thế Hồng
Bộ mơn Điện tử Viễn thơng
GS-TSKH Lê Huy Bá

Vai trò thực hiện đề
tài
Chủ nhiệm đề tài

Viện Khoa học Công nghệ
và Quản lý môi trường

Tham gia
Tham gia

1.4. Đơn vị chủ trì:
1.5. Thời gian thực hiện:
1.5.1. Theo hợp đồng: từ tháng 5 năm 2016 đến tháng 5 năm 2018
1.5.2. Gia hạn (nếu có): đến tháng 5 năm 2018
1.5.3. Thực hiện thực tế:
từ tháng 8 năm 2016 đến tháng 5 năm 2018
1.6. Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có):
(Về mục tiêu, nội dung, phương pháp, kết quả nghiên cứu và tổ chức thực hiện; Nguyên
nhân; Ý kiến của Cơ quan quản lý)
1.7. Tổng kinh phí được phê duyệt của đề tài: năm mươi triệu đồng.
II. Kết quả nghiên cứu
1. Đặt vấn đề
Hiện nay, việc quan trắc và giám sát môi trường là rất cần thiết. Hệ thống có thể
cảnh báo kịp thời các diễn biến bất thường hay các nguy cơ ơ nhiễm, suy thối mơi
trường và tạo ra một cơ sở dữ liệu về chất lượng môi trường. Hoạt động của Trạm quan
trắc môi trường tự động, liên tục góp phần xác định các thay đổi hoặc diễn biến chất
lượng môi trường (qua các thông số) liên tục theo thời gian và không gian. Nhằm nâng
cao khả năng cung cấp dữ liệu kịp thời và đưa ra các cảnh báo nóng về mơi trường khu
vực. Việc xây dựng và quản lý hệ thống quan trắc môi trường liên tục là một trong
những nội dung của công tác quản lý bảo vệ môi trường ở Việt Nam cũng như tất cả các
quốc gia trên thế giới [1].
Trên thế giới: Hệ thống tiêu chuẩn chất lượng môi trường phù hợp với điều kiện
từng nước và đặt vấn đề sức khỏe con người lên hàng đầu; Nguồn kinh phí cho các hoạt
động quan trắc lớn; nguồn nhân lực được đào tạo bài bản, thường xuyên; Với số lượng

2


các trạm quan trắc tự động 1987 trạm tại Nhật, cứ 200 ngàn dân sẽ đặt 1 trạm quan trắc
môi trường (QTMT) tại Mỹ [2].
Mạng lưới QTMT tự động liên tục tại Việt Nam số lượng trạm QTMT khí tự động,
liên tục cịn ít. Từ năm 2009 đến 2013 với 7 trạm QTMT tự động khơng khí đã được Bộ
Tài nguyên và Môi trường đầu tư, lắp đặt tại 06 tỉnh: Hà Nội, Phú Thọ, Quảng Ninh,
Thừa Thiên Huế, Đà Nẵng, và Khánh Hòa; riêng tại Hà Nội được đầu tư 02 Trạm, 8
trạm của Trung tâm khí tượng thủy văn quốc gia và 2 xe quan trắc tự động di động (tại
Hà Nội và Tp. HCM). Với số lượng trạm cịn ít chưa đáp ứng được u cầu cơng tác
quản lý và chưa phản ánh được toàn diện chất lượng nước và khơng khí theo thời gian.
Thiếu các quy định về tự quan trắc khí thải tự động đối với một số ngành cơng nghiệp
[2,3].
Tại Thành phố Hồ Chí Minh, từ năm 2002 được Đan Mạch và Na Uy tài trợ 9 trạm
QTMT khơng khí tự động. Hệ thống này cùng với 6 trạm quan trắc bán tự động và 8
trạm quan trắc các thông số benzen, toluen và xylen trong khơng khí ven đường đã tạo
thành mạng lưới quan trắc cung cấp cơ sở dữ liệu về chất lượng mơi trường; dự báo xu
hướng, ứng phó sự cố cũng như xây dựng các kế hoạch về quản lý mơi trường của TP.
Tuy nhiên, từ năm 2009, tồn bộ trạm quan trắc tự động và benzen, toluen và xylen
trong khơng khí đã ngưng hoạt động. Việc quan trắc chất lượng mơi trường khơng khí
được thực hiện tại 15 vị trí với hình thức bán tự động.Về ngun tắc, quan trắc tại tất cả
mọi thời điểm là đáng tin cậy nhất và chỉ có quan trắc liên tục, tự động mới thực hiện
được. Với số lượng dân như TP HCM cần tăng cường số lượng các trạm quan trắc về
môi trường khơng khí xung quanh (10-15 trạm quan trắc tự động liên tục, 35-45 trạm
quan trắc chủ động) để có thể đánh giá kịp thời, chi tiết về diễn biến hiện trạng môi
trường của TP trong thời điểm hiện tại cũng như tương lai. Do đó, để có những thơng
tin kịp thời, chính xác về chất lượng mơi trường khơng khí, TP cần tái đầu tư 9 trạm
quan trắc khơng khí tự động đã bị hư hỏng trong thời gian qua [4].
Sở Tài nguyên và Môi trường TP đang thực hiện thủ tục đầu tư dự án “Trung tâm

quan trắc và phân tích mơi trường”, trong đó có phần đầu tư 2 trạm quan trắc mơi
trường khơng khí tự động liên tục. Đồng thời, sở cũng đang lập đề án “Tổng thể phát
triển mạng lưới quan trắc chất lượng môi trường TP đến năm 2020, tầm nhìn đến năm
2030”. Dự kiến, đến năm 2016 sẽ mở rộng thêm 5 vị trí quan trắc mơi trường khơng khí.
Ủy ban nhân dân thành phố Hà Nội cũng đã phê duyệt “Quy hoạch mạng lưới quan
trắc khơng khí cố định trên địa bàn thành phố Hà Nội đến năm 2020” với việc bổ sung,
nâng cấp và hoàn thiện, kết nối và chia sẻ thông tin bảo đảm thông suốt từ trung ướng
đến địa phương với sự quản lý thống nhất của Sở Tài ngun và mơi Trường Hà Nội.
Từng bước hiện đại hóa cơng nghệ, máy móc và thiết bị quan trắc trên cơ sở áp dụng
rộng rãi các công nghệ nghiên cứu tạo ra trong nước và tiếp thu, làm chủ được các cơng
nghệ của nước ngồi [5].
Sở TN&MT thành phố Cần Thơ cho biết hệ thống quan trắc môi trường tự động trị
giá gần 46 tỷ đồng, hoạt động từ cuối năm 2014 .Các thơng tin về nước mặt và khơng
khí của thành phố được cập nhật, phân tích liên tục, giúp việc quản lý nhà nước về môi
3


trường chặt chẽ, các doanh nghiệp điều chỉnh hoạt động để nâng cao hiệu quả sản xuất
kinh doanh, và là cơ sở chính xác cho các báo cáo thậm định mơi trường định kỳ [6].
Tuy nhiên những khó khăn và vướng mắc trong việc phát triển mạng QTMT đồng
bộ đó là hầu hết các trạm quan trắc đều dựa trên cơng nghệ nước ngồi như 6 trạm khí
được đầu tư công nghệ của hãng Horiba – Nhật Bản và Grim – Đức. Trạm khí đặt tại
khu vực Lăng Chủ tịch Hồ Chí Minh và Quảng trường Ba Đình được đầu tư theo công
nghệ quang phổ hấp thụ vi sai (DOAS) của hãng OPSIS – Thụy Điển và 01 hệ thống tự
động đo, cảnh báo phóng xạ RM-A1 [3], các trạm cịn lại với cơng nghệ của Mỹ, Úc và
Pháp [2,7,8]. Sau khi lắp đặt xong thì các cơng ty cũng chỉ bàn giao trang thiết bị để
khai thác cứ không có mặt thường xuyên tại Việt Nam. Điều này dẫn đến gặp nhiều khó
khăn về việc hiệu chuẩn thiết bị chính hang do khoảng cách địa lý nên việc phối hợp, xử
lý sự cố giữa chủ đầu tư, nhà thầu và địa phương chưa được kịp thời. Hỗ trợ của chính
hãng chưa được cao, rất nhiều sự cố gặp phải không nằm trong khuyến cáo của nhà sản

xuất. Thêm vào đó, hầu hết kinh nghiệm của các cán bộ tích lũy được qua việc khắc
phục, xử lý sự cố. Vì vậy, đê có thê vận hành Trạm trơn tru, xử lý nhanh chóng các sự
cố cần một khoảng thời gian rất lâu. Một số cán bộ kiêm nhiệm, vì vậy trong nhiều
trường hợp xử lý khơng kịp thời khi có sự cố đôi lúc chưa chủ động trong xử lý sự cố và
phối hợp với TTQTMT trong xử lý sự cố [2,7,8].
Ngày nay, công nghiệp 4.0 (Industry 4.0) được xem như là một mơi trường mà máy
tính, tự động hóa và con người nói chung sẽ cùng nhau làm việc theo một cách hồn
tồn mới. Ngành cơng nghiệp mơi trường nói chung và Quan trắc mơi trường mơi
trường nói riêng đang và sẽ là dịch vụ được sử dụng phổ biến hiện nay trong việc công
tác quản lý môi trường, kiểm sốt ơ nhiễm. Để nâng cao hiệu quả quan trắc, kiểm sốt
kịp thời ơ nhiễm mơi trường thì các trạm quan trắc tự động là một công cụ không thể
thiếu trong thời đại công nghệ 4.0 hiện nay. Quan trắc mơi trường là việc theo dõi có hệ
thống các thành phần môi trường thường xuyên, cung cấp các số liệu đo đạc được một
cách chính xác nhất nhằm phục vụ công tác theo dõi diễn biến chất lượng môi trường,
kiểm sốt ơ nhiễm để bảo vệ mơi trường tự nhiên cũng như sức khỏe con người bền
vững.
Dựa trên khái niệm mạng vạn vật kết nối (IoT), xu hướng sử dụng các thiết bị đo
trực tiếp đang phát triển mạnh mẽ, đặc biệt trong lĩnh vực quan trắc môi trường. Quan
trắc, giám sát tự động liên tục sẽ đảm bảo cung cấp bộ dữ liệu quan trắc và truyền dữ
liệu theo thời gian thực về trung tâm tích hợp dữ liệu với khoảng cách không giới hạn;
kết nối, xử lý đồng thời nhiều bộ dữ liệu; chia sẻ cho nhiều đối tượng người dùng; phục
vụ cho việc đưa ra các quyết định, chính sách, dự báo kịp thời, chính xác.
Với mục tiêu kết nối các trạm quan trắc theo xu hướng smart city và làm chủ cơng
nghệ thơng qua đó sẽ có những sự khắc phục sự cố kịp thời, cũng như có thể quản lý
được thiết bị và hiệu chỉnh, thay đổi phù hợp với môi trường và địa lý của Việt Nam.
Đề tài của chúng tôi đề ra việc thiết kế và xây dựng một hệ thống quan trắc môi trường
một cách tự động với nền tảng IoT. Trong đó, chúng tơi xây dựng một thiết bị phần
cứng thu thập dữ liệu với đầu vào là các tín hiệu tương tự và số cho phép gắn các cảm
biến giúp đo đạc các thông số môi trường như nhiệt độ, độ ẩm và lượng CO, từ đó sẽ
4

lưu trữ truyền về trung tâm lưu trữ và phân tích từ đó đưa ra những cảnh báo kịp thời.
Những thông số được chọn như nhiệt độ, độ ẩm và lượng CO là những thông số được
quy định trong định mức kinh tế - kỹ thuật cho hoạt động quan trắc mơi trường khơng
khí ngồi trời. Định mức này được quy định trong thông tư Ban hành Định mức kinh tế
- kỹ thuật hoạt động quan trắc môi trường của bộ tài nguyên và môi trường. Số: 20
/2017/TT-BTNMT [9]. Thiết bị phần cứng này như một nút trong hệ thống IoT. Ngồi
ra, hệ thống cịn cho phép cảnh báo tại chỗ khi giá trị đo hiện tại tại hiện trường vượt
mức an toàn như nhiệt độ vượt ngữơng cho phép, sẽ có cảnh báo tại chỗ và gửi cảnh báo
về server.
Trung tâm là một web server, cho phép thể hiện thông số của môi trường cho các
chuyên gia và lưu trữ dữ liệu cho các người sử dụng trong cộng đồng có thể khai thác
hỗ trợ các nghiên cứu khoa học.
Ngồi ra, hệ thống cịn cho phép cảnh báo tại chỗ khi giá trị đo hiện tại tại hiện
trường vượt mức an toàn như nhiệt độ vượt ngững cho phép, sẽ có cảnh báo tại chỗ và
hoặc gửi qua SMS, từ đó thơng báo đến những ban ngành có liên quan để có những giải
quyết một cách kịp thời.
Một khía cạnh khác của đề tài là mong muốn thiết kế và chế tạo ra những sản phẩm
hỗ trợ cho những ứng dụng đơn thuần phù hợp cho việt nam với giá thành giảm nhiều
so với việc nhập các trang thiết bị từ nước ngoài. Giả sử như bộ thu thập dữ liệu sc1000
controller của Hach và Hach-Lange đang được sử dụng tại các trạm quan trắc ở Đồng
Nai với giá trung bình 2,700 usd, nhưng với những tính năng và được thiết kế theo đề
tài giá giảm chì cịn chưa tới 50%.
Ngồi ra với việc làm chủ cơng nghệ, sản phẩm của đề tài không chỉ dừng lại ở việc
hỗ trợ quan trắc mơi trường mà cịn có thể thay đổi các thiết bị đầu vào của hệ thống và
thay đổi giao diện cũng như thuật toán trong bộ điều khiển để có thể hỗ trợ trong cơng
tác huấn luyện và dạy học như môn vi điều khiển, môn giao tiếp thiết bị ngoại vì với
việc phân tích cấu trúc, lập trình cho bộ điều khiển trung tâm và giao tiếp với web
server. Hoặc có thể hỗ trợ trong việc giám sát nhiệt độ, lượng khí CO trong các phịng

thí nghiệm như phịng vận hành máy móc cơ khí, các phịng thí nghiệm hóa học …
Hoặc có thể mở rộng lên việc thay đổi các đầu dò để hỗ trợ trong việc xác định các
thông số về nước sinh hoạt và nước thải. Hay như hỗ trợ được một trong những hướng
ngày nay đang được quan tâm đó là ni trồng xanh, cho phép đo lượng nước từ đó sẽ
đưa ra những giải pháp tưới tiêu tự động hỗ trợ cho nông nghiệp tưới tiêu thông
minh …
[1] Tạ Hồng Yến - TT Quan trắc và Bảo vệ môi trường, Sở tài nguyên và môi
trường Phú Thọ, “Giới thiệu về hệ thống quan trắc mơi trường khơng khí tự động liên
tục”, 2013
[2] Nguyễn Thị Nguyệt Ánh, “Giới thiệu hệ thống quan trắc môi trường tự động,
liên tục”, Trung tâm Quan trắc môi trường, Tổng cục Môi trường, 2011.
[3] Nguyễn Văn Thùy, Phạm Thị Vương Linh, Phạm Ngọc Hóa - Trung tâm Quan
trắc mơi trường, Tổng cục Mơi trường, “Xây dựng, hồn thiện hệ thống trạm Quốc gia
5


quan trắc tự động mơi trường khơng khí.”, cổng thơng tin quan trắc môi trường, tổng
cục môi trường, 2014
[4] />[5] Quyết định số 355 / QĐ-UBND của Ủy ban nhân dân thành phố Hà Nội về
“Quy hoạch mạng lưới quan trắc khơng khí cố định trênđịa bàn thành phố Hà Nội đến
2020”, 2012
[6] />[7] Trung tâm Quan trắc môi trường, “Tổng quan hệ thống quan trắc và phân tích
mơi trường”, 2013.
[8] Tổng cục môi trường, Trung tâm quan trắc môi trường, “Tổng quan hoạt động
quản lý vận hành của các trạm quan trắc mơi trường khơng khí tự động, cố định”, 2014.
[9] Thông tư ban hành Định mức kinh tế - kỹ thuật hoạt động quan trắc môi trường.
Bộ tài nguyên và môi trường. Số: 20 /2017/TT-BTNMT.
2. Mục tiêu
a. Mục tiêu tổng quát:
- Mục tiêu tổng quát là thiết kế hệ thống thu thập dữ liệu với đầu vào là các tín hiệu

tương tự và số cho phép gắn các cảm biến giúp đo đạc các thông số môi
trườngnhư nhiệt độ, độ ẩm, chất lượng khơng khí, nồng độ khí thải. Từ đó, thiết
bị sẽ lưu trữ ngay trên bộ nhớ được gắn tại chỗ có định vị GPS và truyền về trung
tâm lưu trữ và phân tích qua mạng di động GSM, từ đó đưa ra những cảnh báo
kịp thời.
- Trung tâm là một web server online, cho phép lưu trữ và thể hiện thông số của
môi trường cho các chuyên gia và các ứng dụng quản lý môi trường liên quan.
Ngoài ra, server cũng lưu trữ dữ liệu lâu dài cho các người sử dụng trong cộng
đồng có thể khai thác hỗ trợ các dự án nghiên cứu khoa học.
- Ngồi ra, hệ thống cịn cho phép cảnh báo tại chỗ khi giá trị đo hiện tại tại hiện
trường vượt mức an toàn như nhiệt độ vượt ngững cho phép, sẽ có cảnh báo tại
chỗ và hoặc gửi qua SMS, từ đó thơng báo đến những ban ngành có liên quan để
có những giải quyết một cách kịp thời.
b. Mục tiêu cụ thể:
- Mơ hình thiết kế:

6


-

Thiết kế chế tạo bộ thu thập dữ liệu G407 với các kết nối:
o Đầu vào là cảm biến: Nhiệt độ, độ ẩm và khí CO mơi trường (theo mơi
trường hiện tại). Những thông số được chọn như nhiệt độ, độ ẩm và lượng
CO là những thông số được quy định trong định mức kinh tế - kỹ thuật cho
hoạt động quan trắc mơi trường khơng khí ngồi trời. Định mức này được
quy định trong thông tư Ban hành Định mức kinh tế - kỹ thuật hoạt động
quan trắc môi trường của Bộ tài nguyên và môi trường. Số: 20 /2017/TTBTNMT [9].
o Các đầu ra là các relay có thể điều khiển các cơ cấu chấp hành bên ngồi
như cịi báo.

o Hệ thống vô tuyến theo công nghệ GSM để truyền dữ liệu về máy chủ.
- Ngoài ra bộ thu thập dữ liệu sẽ đánh giá kết quả hệ thốngvới đầu dị nhiệt độ, độ
ẩm và nồng độ khí CO, gửi về trung tâm lưu trữ và cảnh báo ngay tại chỗ nếu
nhiệt độ vượt mức an toàn.
Server được cài đặt chương trình giám sát và lưu trữ dữ liệu có cấu trúc để từ đó các
Smartphone và những máy tính khác có thể truy cập. Giao diện trên server sẽ xử lý và
hiển thị dữ liệu ở dạng đồ thị, cấu hình và hiển thị thiết bị trên bản đồ.
3. Phương pháp nghiên cứu
-

-

-

TT
1

Sử dụng phương pháp khảo sát khoa học để nghiên cứu về các yêu cầu cụ thể
trong ứng dụng quan trắc mơi trường, từ đó xác định các yêu cầu của thiết kế và
yêu cầu công nghệ.
Triển khai thiết kế hệ thống, sau đó thiết kế các module thu thập dữ liệu, thiết kế
giao thức truyền thông giữa thiết bị và phần mềm thu thập dữ liệu. Cuối cùng tiết
kế phần mềm trên smartphone và PC, và tích hợp hệ thống.
Sử dụng phương pháp thực nghiệm khoa học để kiếm chứng thiết kế trong điều
kiện thực tế, từ đó đánh giá kết quả, các sai số đo, các vấn đề tồn động của đề tài.
Từ đó đưa ra phướng án khắc phục.
(Tên các nội dung, công việc dự kiến cần phải thực hiện để đạt được mục tiêu đặt
ra)
Các nội dung, công việc
chủ yếu cần được thực hiện

Bộ thu thập dữ liệu có định vị
GPS và truyền về web server

Kết quả
cần đạt được
Thiết kế và chế tạo được bộ thu thập dữ
liệu với các thông số sau:
▪ Dual-Band: GSM 900 / 1800 MHz
▪ 3GPP release 99
▪ GPRS multi-slot Class 10/8
▪ Compliant to GSM phase 2/2+
▪ Giao thức truyền HTTP/1.1
▪ Tốc độ lấy mẫu tối đa 1giây, tốc độ truyền
1 phút – 12 giờ (cài đặt được).
▪ GPS chipset
7


Channels: 66 parallel searching, 22 tracking
channels
Sensitivity: -165 dBm (Tracking)
▪ Tốc độ truyền
▪ Hỗ trợ Real Time Clock
▪ Hỗ trợ cảm biến nhiệt độ -30C -> 100C,
độ sai số 0.5C trong tầm -10->85C. Độ ẩm
0-95% sai số 2-5%. Đầu dò đo khí CO: dãi
phát hiện từ 10-1000ppm.
• Điện áp hoạt động 7-15VDC , 0.5A.
• Cơng suất tiêu thụ khoảng <200mW
2

Phần mềm giám sát và lưu trữ dữ Phần mềm cài trên Server sẽ có các chức
liệu trên Server trung tâm để từ
năng:
đó các Smartphone và những PC • Phần mềm nhận dữ liệu từ thiết bị gởi về
khác có thể truy cập
qua mạng internet.
• Lưu dữ liệu vào database có cấu trúc
• Xử lý và hiển thị dữ liệu ở dạng đồ thị,
cấu hình và hiển thị thiết bị trên bản đồ.
• Có giao diện hiển thị trên smartphone.

3

Viết báo khoa học đăng trên tạp
chí uy tín liên quan đến kết quả
thực nghiệm

Bài báo đạt chuẩn trong danh sách tính
điểm. Đặc biệt là các tạp chí khoa học có
liên quan đến môi trường và của trường.

4. Tổng kết về kết quả nghiên cứu
TT
1

Các nội dung, công việc
được thực hiện
Bộ thu thập dữ liệu có định vị
GPS và truyền về web server

Kết quả
đã đạt được
Đã thiết kế và chế tạo được bộ thu thập dữ
liệu với các thông số sau:
▪ Dual-Band: GSM 900 / 1800 MHz
▪ 3GPP release 99
▪ GPRS multi-slot Class 10/8
▪ Compliant to GSM phase 2/2+
▪ Giao thức truyền HTTP/1.1
▪ Tốc độ lấy mẫu tối đa 1giây, tốc độ truyền
1 phút – 12 giờ (cài đặt được).
▪ GPS chipset
Channels: 66 parallel searching, 22 tracking
channels
Sensitivity: -165 dBm (Tracking)
▪ Tốc độ truyền
▪ Hỗ trợ Real Time Clock
▪ Hỗ trợ cảm biến nhiệt độ -30C -> 100C,
độ sai số 0.5C trong tầm -10->85C. Độ ẩm
8


0-95% sai số 2-5%. Đầu dị đo khí CO: dãi
phát hiện từ 10-1000ppm.
• Điện áp hoạt động 7-15VDC , 0.5A.
• Công suất tiêu thụ khoảng <200mW
2

Phần mềm giám sát và lưu trữ dữ Đã thiếp lập và vận hành server cùng hần

liệu trên Server trung tâm để từ
mềm cài trên Server sẽ có các chức năng:
đó các Smartphone và những PC • Phần mềm nhận dữ liệu từ thiết bị gởi về
khác có thể truy cập
qua mạng internet.
• Lưu dữ liệu vào database có cấu trúc
• Xử lý và hiển thị dữ liệu ở dạng đồ thị,
cấu hình và hiển thị thiết bị trên bản đồ.
• Có giao diện hiển thị trên smartphone.

3

Viết báo khoa học đăng trên tạp
chí uy tín liên quan đến kết quả
thực nghiệm

- Bài báo: DESIGNING DATA
ACQUISITION KIT SUPPORT FOR
ENVIRONMENT MONITORING.
Đã đăng trên tạp chí Khoa học và
Cơng nghệ, Số 26, 2017 © 2017
Trường Đại học Cơng nghiệp thành
phố Hồ Chí Minh, trang 44 – 52.
- Bài báo: A NOVEL DESIGNING OF
WIRELESS SENSOR NODE FOR
HUMIDITY AND TEMPERATURE
MONITOR. Đã chấp thuận cho đăng
trên tạp chí Cơ khí Việt nam – Tổng
hội Cơ khí Việt nam. Số 6 năm 2018.

5. Đánh giá các kết quả đã đạt được và kết luận
Đề tài đặt ra 3 mục tiêu cần thực hiện là:
a. Tạo bộ thu thập dữ liệu qua GPRS và truyền về web server.
b. Phần mềm giám sát và lưu trữ dữ liệu trên Server trung tâm để từ đó các
Smartphone và những PC khác có thể truy cập.
c. Các tạp chí tính điểm trong nước, hoặc tạp chí Trường Đh Cơng nghiệp tp HCM,
hoặc tạp chí uy tín trong nước. Đặc biệt tạp chí về quan trắc môi trường.
Và kết quả đạt được là: Chúng tôi đã hồn thành xong 3 cơng việc đó là
a. Thiết kế, lắp ráp và vận hành chạy bộ thu thập dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm và CO gửi
về trung tâm lư trữ dữ liệu với 1 mẫu (nhiệt độ, độ ẩm và CO)/ 5 phút. Bộ thu thập
đạt được các thơng số đề ra được trình bày ở sản phẩm dạng 1 phần 4.
b. Đã cài đặt xong server để nhận dữ liệu từ bộ thu thập dữ liệu truyền về và thể hiện
kết quả trên website cho người sử dụng khai thác cũng như đã chạy được thuật
toán máy học cho phép dự đoán được nhiệt độ, độ ẩm trong những ngày sắp tới.
Tên website là www.emspro.ml. Chi tiết các cơng cụ được trình bài ở những phần
sau trong báo cáo.
9


c. Bài báo:
- Đã được đăng trên tạp chí tạp chí Khoa học và Cơng nghệ - Trường Đại học
Cơng nghiệp TP.HCM (Journal of Science and Technology - Industrial
University of HCMC, ISSN: 2525-2267) với tên “DESIGNING DATA
ACQUISITION KIT SUPPORT FOR ENVIRONMENT MONITORING”
theo quyết định số 22/ TCKHCN, mã số 2017040202, ngày 25/8/2017. Trang
44 – 52.
- Đã được chấp nhận cho đăng trên Tạp chí Cơ khí Việt nam – Tổng hội Cơ khí
Việt nam. Số 6 năm 2018. Tên bài báo A NOVEL DESIGNING OF
WIRELESS SENSOR NODE FOR HUMIDITY AND TEMPERATURE
MONITOR. Theo quyết định ngày 8/6/2018.

6. Tóm tắt kết quả (tiếng Việt và tiếng Anh)
Tóm tắt kết quả bằng tiếng Việt (Tối đa một trang A4)
Ngành công nghiệp môi trường nói chung và Quan trắc mơi trường nói riêng đang
và sẽ là dịch vụ được sử dụng phổ biến hiện nay trong việc cơng tác quản lý mơi trường,
kiểm sốt ô nhiễm. Để nâng cao hiệu quả quan trắc, kiểm sốt kịp thời ơ nhiễm mơi
trường thì các trạm quan trắc tự động là một công cụ không thể thiếu trong thời đại công
nghệ 4.0 hiện nay. Quan trắc môi trường là việc theo dõi có hệ thống các thành phần
môi trường thường xuyên, cung cấp các số liệu đo đạc được một cách chính xác nhất
nhằm phục vụ cơng tác theo dõi diễn biến chất lượng môi trường, kiểm sốt ơ nhiễm để
bảo vệ mơi trường tự nhiên cũng như sức khỏe con người bền vững.
Dựa trên khái niệm mạng vạn vật kết nối (IoT), xu hướng sử dụng các thiết bị đo
trực tiếp đang phát triển mạnh mẽ, đặc biệt trong lĩnh vực quan trắc môi trường tự động.
Dữ liệu quan trắc và truyền dữ liệu theo thời gian thực về trung tâm tích hợp dữ liệu với
khoảng cách không giới hạn; kết nối, xử lý đồng thời nhiều bộ dữ liệu; chia sẻ cho
nhiều đối tượng người dùng; phục vụ cho việc đưa ra các quyết định, chính sách, dự báo
kịp thời, chính xác.
Với mục tiêu kết nối các trạm quan trắc theo xu hướng smart city và làm chủ cơng
nghệ thơng qua đó sẽ có những sự khắc phục sự cố kịp thời, cũng như có thể quản lý
được thiết bị và hiệu chỉnh, thay đổi phù hợp với môi trường và địa lý của Việt Nam.
Đề tài của chúng tôi đề ra việc thiết kế và xây dựng một hệ thống quan trắc môi trường
một cách tự động với nền tảng IoT. Trong đó, chúng tôi xây dựng một thiết bị phần
cứng thu thập dữ liệu với đầu vào là các tín hiệu tương tự và số cho phép gắn các cảm
biến giúp đo đạc các thông số môi trường như nhiệt độ, độ ẩm và lượng CO, từ đó sẽ
lưu trữ truyền về trung tâm lưu trữ và phân tích từ đó đưa ra những cảnh báo kịp thời.
Thiết bị phần cứng này như một nút trong hệ thống IoT. Ngoài ra, hệ thống còn cho
phép cảnh báo tại chỗ khi giá trị đo hiện tại tại hiện trường vượt mức an toàn như nhiệt
độ vượt ngữơng cho phép, sẽ có cảnh báo tại chỗ và gửi cảnh báo về server. Trung tâm
là một server lưu trữ dự liệu truyền về một cách tự động và cho phép thể hiện thông số
của môi trường cho các chuyên gia và lưu trữ dữ liệu cho các người sử dụng trong cộng
đồng có thể khai thác hỗ trợ các nghiên cứu khoa học.

10


Đề tài đã đạt được mục tiêu đề ra là thiết kế hoàn chỉnh một bộ thu thập dữ liệu gồm
nhiệt độ, độ ẩm và CO truyền thời gian thực liên tục về trung tâm trong thời gian qui
định 1 mẫu/ 5p thông qua gửi SMS trên nền tảng 3G. Website trên server đã được thiết
xong cho phép thể hiện các thông số thu về từ bộ thu thập qua đồ thị và chạy thuật toán
máy học được mở rộng thêm cho đề tài cho dự đốn các thơng số nhiệt độ, độ ẩm và
CO trong các ngày kế tiếp.
Abstract bằng tiếng Anh (Tối đa một trang A4)
The Environment Industry in general and Environmental Monitoring in particular
have been being commonly used in the environmetal management and pollution control
today. In order to improve the effectiveness of monitoring, control in time the
environmental pollution, automatic monitoring stations are indispensable tools in the
current Industry 4.0. Environment monitoring is a systematic monitoring regularly on
environmental components, provides the most accurate measurement data to serve the
monitoring on the changes in environmental quality, controls the pollution to protect
natural environment as well as human health sustainabilitily.
Based on definition of the Internet of Things (IoT), the tendency towards the use of
direct measurement devices is growing vigorously, especially in the automated
environmental monitoring field. Monitoring data and real-time data transfer back to the
data centre with unlimited distance; connect, process multiple data sets simultaneously;
share with many user objects; in order to make decisions, policies and forecasts in time
and accurately
The goal is to connect monitoring stations in a “Smart City’’ way and master the
technology so that there will be timely troubleshootings as well as the ability to manage
and adjust the equipment, adjust according to the environment and geography of Viet
Nam. Our project proposes to design and build the automated environmental monitoring
system that based on an IoT. To be more specific, we built a data acquisition hardware
device with analog and digital inputs which allow to attach sensors that help in

measuring environmental parameters such as temperature, humidity and CO so that it
will be stored and transferred back to the storage and analysis centre in order to issue
warnings in time. This hardware device can be seen as a node in the IoT system.
Furthermore, the system also allows on-site warnings when the current measures value
in the field exceeds the safe level such as over-allowed temperature, there will be onsite warnings and warnings sending to the server. Centre is a server which stores
received data automatically and allows to display those environmental parameters to
experts and stored data for users in community to exploit to support scientific research.
The project has reached the goal which was to complete a set of data collection,
which includes temperature, humidity and CO, transmitting the process time
continuously to the center within a specified time of 1 sample/5 minutes via sending
SMS on the 3G groundwork. The website on the server is designed to allow displaying
the parameters collected from the graph and run the extra machine learning algorithm to
predict parameters of temperature, humidity and CO in the next day.
11


III. Sản phẩm đề tài, công bố và kết quả đào tạo
3.1. Kết quả nghiên cứu ( sản phẩm dạng 1,2,3)
TT
1

Tên sản phẩm
Bộ thu thập dữ liệu qua
GPRS và truyền về web
server

Yêu cầu khoa học hoặc/và chỉ tiêu
kinh tế - kỹ thuật
Đăng ký
▪ Dual-Band: GSM 900

/ 1800 MHz
▪ 3GPP release 99
▪ GPRS multi-slot
Class 10/8
▪ Compliant to GSM
phase 2/2+
▪ Giao thức truyền
HTTP/1.1
▪ Tốc độ lấy mẫu tối đa
1giây, tốc độ truyền 1
phút – 12 giờ (cài đặt
được).
▪ GPS chipset
Channels: 66 parallel
searching, 22 tracking
channels
Sensitivity: -165 dBm
(Tracking)
▪ Tốc độ truyền
▪ Hỗ trợ Real Time
Clock
▪ Hỗ trợ cảm biến nhiệt
độ -30C -> 100C, độ
sai số 0.5C trong tầm 10->85C. Độ ẩm 095% sai số 2-5%. Đầu
dị đo khí CO: dãi phát
hiện từ 10-1000ppm
• Điện áp hoạt động 715VDC , 0.5A.
• Cơng suất tiêu thụ
khoảng <200mW

Đạt được
▪ Dual-Band: GSM 900 /
1800 MHz
▪ 3GPP release 99
▪ GPRS multi-slot Class
10/8
▪ Compliant to GSM
phase 2/2+
▪ Giao thức truyền
HTTP/1.1
▪ Tốc độ lấy mẫu tối đa
1giây, tốc độ truyền 1
phút – 12 giờ (cài đặt
được).
▪ GPS chipset
Channels: 66 parallel
searching, 22 tracking
channels
Sensitivity: -165 dBm
(Tracking)
▪ Tốc độ truyền
▪ Hỗ trợ Real Time
Clock
▪ Hỗ trợ cảm biến nhiệt
độ -30C -> 100C, độ sai
số 0.5C trong tầm -10>85C. ▪ Độ ẩm 0-95%
sai số 2-5%.
▪ Đầu dị đo khí CO: dãi
phát hiện từ 101000ppm
• Điện áp hoạt động 715VDC , 0.5A.

• Cơng suất tiêu thụ
khoảng <200mW

12


2

Phần mềm giám sát và lưu
trữ dữ liệu trên Server
trung tâm để từ đó các
Smartphone và những PC
khác có thể truy cập

3

Bài báo: DESIGNING
DATA ACQUISITION
KIT SUPPORT FOR
ENVIRONMENT
MONITORING

Bài báo: A NOVEL
DESIGNING OF
WIRELESS SENSOR
NODE FOR HUMIDITY
AND TEMPERATURE
MONITOR
Ghi chú:

• Phần mềm nhận dữ
liệu từ thiết bị gởi về
qua mạng internet.
• Lưu dữ liệu vào
database có cấu trúc
• Xử lý và hiển thị dữ
liệu ở dạng đồ thị, cấu
hình và hiển thị thiết bị
trên bản đồ.
• Có giao diện hiển thị
trên smartphone.
Tạp chí Khoa học và
Cơng nghệ, Số 26,
2017, trang 44 – 52.
© 2017 Trường Đại
học Cơng nghiệp thành
phố Hồ Chí Minh
Tạp chí Cơ khí Việt
nam – Tổng hội Cơ khí
Việt nam. Số 6 năm
2018.

• Phần mềm nhận dữ
liệu từ thiết bị gởi về qua
mạng internet.
• Lưu dữ liệu vào
database có cấu trúc
• Xử lý và hiển thị dữ
liệu ở dạng đồ thị, cấu
hình và hiển thị thiết bị

trên bản đồ.
• Có giao diện hiển thị
trên smartphone.
Đã đăng

Đã chấp thuận cho đăng
trên tạp chí

- Các ấn phẩm khoa học (bài báo, báo cáo KH, sách chuyên khảo…) chỉ được chấp
nhận nếu có ghi nhận địa chỉ và cảm ơn trường ĐH Công Nghiệp Tp. HCM đã cấp kính phí
thực hiện nghiên cứu theo đúng quy định.
- Các ấn phẩm ( bản photo) đính kèm trong phần phụ lục minh chứng ở cuối báo cáo.
(đối với ấn phẩm là sách, giáo trình cần có bản photo trang bìa, trang chính và trang cuối
kèm thơng tin quyết định và số hiệu xuất bản)
3.2. Kết quả đào tạo
Thời gian
Tên đề tài
TT Họ và tên
thực hiện đề tài
Tên chuyên đề nếu là NCS
Đã bảo vệ
Tên luận văn nếu là Cao học
Nghiên cứu sinh
Học viên cao học
Sinh viên Đại học
Ghi chú:

13

- Kèm bản photo trang bìa chuyên đề nghiên cứu sinh/ luận văn/ khóa luận và bằng/giấy
chứng nhận nghiên cứu sinh/thạc sỹ nếu học viên đã bảo vệ thành công luận án/ luận
văn;( thể hiện tại phần cuối trong báo cáo khoa học)
IV. Tình hình sử dụng kinh phí
T
T
A
1
2
3
4
5
6
7
8
B
1
2

Nội dung chi
Chi phí trực tiếp
Th khốn chun mơn
Ngun, nhiên vật liệu, cây con..
Thiết bị, dụng cụ
Cơng tác phí
Dịch vụ th ngồi
Hội nghị, hội thảo,thù lao nghiệm thu giữa kỳ
In ấn, Văn phịng phẩm
Chi phí khác
Chi phí gián tiếp

Quản lý phí
Chi phí điện, nước
Tổng số

Kinh phí
được duyệt
(triệu đồng)

Kinh phí
thực hiện
(triệu đồng)

10
18

10
18

12
2
1
2

12
2
1
2

5

5

50

50

Ghi
chú

V. Kiến nghị ( về phát triển các kết quả nghiên cứu của đề tài)
Trong xu hướng phát triển đô thị thông minh đang tăng tốc rất nhanh bởi những tác
động từ sự bùng nổ mạnh mẽ của cách mạng công nghiệp 4.0 (Industry 4.0), Với kết nối
số, dữ liệu lớn (Big Data) hay trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligence - AI) thì tại Việt
Nam, vạn vật kết nối (Internet of Things - IoT) vẫn được đánh giá là nền tảng phù hợp
để phát triển smart city và cách mạng công nghiệp 4.0.
Đề tài của chúng tôi đã tạo ra một nền tảng về phần cứng đó là bộ thu thập dữ liệu
với các đầu vào Analog/ Digital, cho phép tùy biến với các cảm biến đầu vào phù hợp
với những yêu cầu cần thu thập dữ liệu cho những ứng dụng khác nhau. Bộ Kit cịn có
thêm chức năng rất quan trọng đó là kết nối truyển dữ liệu trên nền tảng GPRS để
truyền dữ liệu về trung tâm là một máy chủ lưu trữ dữ liệu. Bộ thu thập này là một nút
(node) trong mơ hình IoT.
Hướng phát triển của kết quả nghiên cứu là nhân rộng bộ thu thập ra thành rất nhiều
bộ, cài vào mỗi bộ một địa chỉ (đó là 1 số thứ tự - ID - Identification) và lắp đặt tại
nhiều địa điểm để thu thập dữ liệu. Với bộ kit hiện tại là thu thập nhiệt độ, độ ẩm, khí
CO thì có thể gắn các cảm biến khác và chỉnh lại code bên trong để thu thập thêm các
cảm biến như độ sáng, độ Ph,… để ứng dụng cho sự phát triển một đô thị thơng minh.
Ngồi ra với máy chủ chúng tơi đã xây dựng một cơ hạ tầng chung đó là nhận dữ
liệu gửi về từ bộ Kit có lưu ID và các giá trị lấy mẫu cũng như thời gian mẫu được gửi
lên. Từ cơ sở dữ liệu này là Big Data cho phép tùy người sử dụng chọn giá trị cần thể
hiện, hoặc làm dữ liệu cho những giải thuật AI giúp cho sự thông minh ngày càng được

phát triển hơn khái niệm thành phố thông minh.
14


VI. Phụ lục ( liệt kê minh chứng các sản phẩm nêu ở Phần III)
 Bộ thu thập dữ liệu gồm nhiệt độ, độ ẩm và CO từ đó truyền về máy chủ trung tâm
trên nền tảng GPRS.
 Phần mềm giám sát và lưu trữ dữ liệu trên Server trung tâm để từ đó các Smartphone
và những PC khác có thể truy cập qua giao diện website
 Giấy chấp thuận và bản in bài báo của đề tài đăng trên tạp chí Khoa học và cơng
nghệ của trường Đại học Cơng nghiệp Tp Hồ Chí Minh. Giấy chấp thuận đăng bài
trên Tạp chí Cơ khí Việt nam – Tổng hội Cơ khí Việt nam. Số 6 năm 2018.

Tp. HCM, ngày ........ tháng........ năm .......
Chủ nhiệm đề tài

Phòng QLKH&HTQT

(ĐƠN VỊ)
Trưởng (đơn vị)
(Họ tên, chữ ký)

15


PHẦN II.

MỤC LỤC
Trang
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

QTMT: quan trắc môi trường ...................................................................................3
TP: thành phố ...........................................................................................................3
TP HCM: thành phố Hồ Chí Minh ............................................................................3
TN&MT: Sở Tài nguyên và Môi trường ...................................................................3
DOAS: công nghệ quang phổ hấp thụ vi sai..............................................................4
TTQTMT: trung tâm quan trắc môi trường ...............................................................4
IoT (Internet of Things): vạn vật kết nối ...................................................................4
VLSI (Very-large-scale integration): tích hợp với mật độ rất lớn ..............................27
ADC (Analog Digital Converter): bộ chuyển đổi tương tự sang số ........................... 27
API (Application Programming Interface): cung cấp các kênh giao tiếp .................. 34
HTML (HyperText Markup Language): Ngôn ngữ Đánh dấu Siêu văn bản ............. 38
CSS (Cascading Style Sheets): Các tập tin định kiểu theo tầng ................................. 40
PHP (PHP Hypertext Preprocessor): ngơn ngữ lập trình kịch bản ............................. 40
AJAX (Asynchronous JavaScript and XML): JavaScript và XML khơng đồng bộ....40
AI (Artificial Intelligence): Trí Tuệ Nhân Tạo ......................................................... 46
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Khung gói dữ liệu truyền từ Bộ thu thập truyền lên trung tâm .................16
Bảng 2.2: Khung gói dữ liệu phản hồi từ trung tâm về Bộ thu thập ...........................32
Bảng 2.3: Những lệnh được dùng giao tiếp giữa bộ thu thập-trung tâm ................... 32
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Mơ hình thiết kế và chế tạo trong đề tài..................................................... 22
Hình 2.1: (a) Mơ hình trạm quan trắc khơng khí; (b) Sơ đồ bố trí các thiết bị bên trong
trạm; (c) Sơ đồ các hợp phần của trạm [8] ..............................................23
Hình 2.2: Mơ hình lưu trữ và truyền dữ liệu giữa trạm quan trắc môi trường khơng khí
và trung tâm [8] ......................................................................................24
Hình 2.3: Mơ hình lưu trữ và truyền dữ liệu giữa trạm quan trắc mơi trường khơng khí
và trung tâm trong hướng sắp tới [8] .......................................................24
Hình 2.4: Mơ hình lưu trữ và truyền dữ liệu giữa trạm quan trắc mơi trường khơng khí
và trung tâm trong hướng sắp tới [8] ....................................................... 24
Hình 2.5: Sơ đồ khối thiết kế bộ thu thập dữ liệu phiên bản 1 ...................................26

Hình 2.6: Sơ đồ khối thiết kế bộ thu thập dữ liệu phiên bản 2 ...................................26
Hình 2.7: Sơ đồ khối cấu trúc ARM Cortex®-M4 (STM32L476)[11] ......................28
Hình 2.8: Cấu trúc bên trong và đóng gói ADS 1220 [12]......................................... 29
Hình 2.9: Cấu trúc bên trong, đóng gói cho cảm biến AM2301 [13,14] .................. 30
Hình 2.10: Cấu trúc bên trong và đóng gói cho cảm biến MQ–7[15,16] ................... 30
16


Hình 2.11: Các chức năng và đóng gói của BGS2-W [18] ........................................31
Hình 2.12: Lưu đồ giải thuật chương trình của bộ thu thập dữ liệu ........................... 33
Hình 3.1: Mơ hình nền tảng kết nối giữa bộ thu thập dữ liệu và trung tâm lưu trữ dữ
liệu cũng như thể hiện giá trị qua website ...............................................34
Hình 3.2: Mơ hình máy chủ nhận dữ liệu từ bộ thu thập dữ liệu................................ 35
Hình 3.3: Mơ hình giao tiếp với người sử dụng trên máy chủ ................................... 36
Hình 3.4: Ảnh chụp thao tác cấu hình tên miền ......................................................... 37
Hình 3.5: Ảnh chụp thao tác cấu hình hệ quản trị này có thể được cấu hình điều chỉnh
thơng tin .................................................................................................39
Hình 4.1: (a -b) trước và sau khi hàn lắp ráp thiết bị cho mặt 1. (a -b) trước và sau khi
hàn lắp ráp thiết bị cho mặt 2 .................................................................. 42
Hình 4.2: Mơ hình của bộ thu thập dữ liệu được lắp ráp và hoạt động thử nghiệm ....43
Hình 4.3: Hình chụp giá trị được lưu trên máy chủ ................................................... 44
Hình 4.4: Xem thống kê trong một ngày ...................................................................44
Hình 4.5: Xem thống kê nhiều ngày .........................................................................45
Hình 4.6: Thông số nhiệt độ được thể hiện dưới dạng đồ thị ..................................... 45
Hình 4.7: Thơng số độ ẩm được thể hiện dưới dạng đồ thị ........................................ 45
Hình 4.8: Thơng số CO được thể hiện dưới dạng đồ thị ............................................46
Hình 4.9 Xuất giá trị thông kê ra file Excel ............................................................... 46
Hình 4.10: Kết quả “Dự báo thời tiết“ theo mơ hình Hồi quy tuyến tính ..................47
CHƯƠNG I - TỔNG QUAN ....................................................................................19
1.1. Tình trạng hệ thống quan trắc tại Việt nam hiện nay.................................19

1.2. Mục tiêu của đề tài........................................................................................21
CHƯƠNG II – THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG BỘ THU THẬP DỮ LIỆU CĨ ĐỊNH VỊ
GPRS VÀ TRUYỀN VỀ SERVER ...........................................................................23
2.1. Mục tiêu và mơ hình thiết kế ........................................................................23
2.2. Thiết kế và cài đặt Kit giám sát thu thập dữ liệu ........................................25
2.2.1. Bộ xử lý trung tâm .............................................................................. 27
2.2.2. Bộ chuyển đổi tương tự sang số .........................................................28
2.2.3. Các cảm biến được sử dụng trong đề tài ............................................ 29
2.2.4. Bộ định vị và truyền dữ liệu qua GPRS ............................................. 30
2.2.5. Giao thức truyền giữa Kit và máy tính trung tâm .............................. 31
2.2.6. Cơng suất của module thu thập dữ liệu ............................................. 32
2.2.7.Lưu đồ giải thuật và sự hoạt động của bộ thu thập dữ liệu ................ 32
CHƯƠNG III – THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG PHẦN MỀM GIÁM SÁT VÀ LƯU TRỮ
DỮ LIỆU TRÊN SERVER ........................................................................................34
3.1. Mục tiêu và mơ hình thiết kế ........................................................................34
3.2. Thiết kế hoạt động của phần mềm ...............................................................34
3.2.1. Máy chủ nhận dữ liệu gửi từ bộ thu thập dữ liệu .............................. 34
3.2.2. Phía người dùng ................................................................................. 36
17


3.3. Hiện thực máy chủ nhận dữ liệu dựa trên mơ hình và mơ tả hành vi của
người dùng...................................................................................................36
CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ ĐỀ TÀI ........................................................................... 42
4.1. Bộ thu thập dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm và CO truyền về máy chủ thông qua
GPRS ........................................................................................................... 42
4.2. Máy chủ và phần mềm .................................................................................43
4.3. Bài báo...........................................................................................................51
CHƯƠNG V: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ...............................................................52
5.1. Kết luận .........................................................................................................52

5.2. Đề nghị ..........................................................................................................52
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................54
PHỤ LỤC ĐÍNH KÈM ............................................................................................. 56
1.
2.
3.
4.

Hợp đồng thực hiện đề tài nghiên cứu khoa học
Thuyết minh đề tài đã được phê duyệt
Quyết định nghiệm thu
Hồ sơ nghiệm thu (biên bản họp, phiếu đánh giá, bảng tổng hợp điểm, bản giải
trình, phiếu phản biện)
5. Sản phẩm nghiên cứu (bài báo, bản vẽ, mơ hình.......)

18


CHƯƠNG I - TỔNG QUAN
1.1. Tình trạng hệ thống quan trắc tại Việt nam hiện nay
Hiện nay, việc quan trắc và giám sát môi trường là rất cần thiết. Hệ thống có thể
cảnh báo kịp thời các diễn biến bất thường hay các nguy cơ ơ nhiễm, suy thối mơi
trường và tạo ra một cơ sở dữ liệu về chất lượng môi trường. Hoạt động của Trạm quan
trắc môi trường tự động, liên tục góp phần xác định các thay đổi hoặc diễn biến chất
lượng môi trường (qua các thông số) liên tục theo thời gian và không gian. Nhằm nâng
cao khả năng cung cấp dữ liệu kịp thời và đưa ra các cảnh báo nóng về mơi trường khu
vực. Việc xây dựng và quản lý hệ thống quan trắc môi trường liên tục là một trong
những nội dung của công tác quản lý bảo vệ môi trường ở Việt Nam cũng như tất cả các
quốc gia trên thế giới [1].
Trên thế giới: Hệ thống tiêu chuẩn chất lượng môi trường phù hợp với điều kiện

từng nước và đặt vấn đề sức khỏe con người lên hàng đầu; Nguồn kinh phí cho các hoạt
động quan trắc lớn; nguồn nhân lực được đào tạo bài bản, thường xuyên; Với số lượng
các trạm quan trắc tự động 1987 trạm tại Nhật, cứ 200 ngàn dân sẽ đặt 1 trạm quan trắc
môi trường (QTMT) tại Mỹ [2].
Mạng lưới QTMT tự động liên tục tại Việt Nam số lượng trạm QTMT khí tự động,
liên tục cịn ít . Từ năm 2009 đến 2013 với 7 trạm QTMT tự động khơng khí đã được
QTMT đầu tư, lắp đặt tại 06 tỉnh: Hà Nội, Phú Thọ, Quảng Ninh, Thừa Thiên Huế, Đà
Nẵng, và Khánh Hòa; riêng tại Hà Nội được đầu tư 02 Trạm, 8 trạm của Trung tâm khí
tượng thủy văn quốc gia và 2 xe quan trắc tự động di động (tại Hà Nội và Tp. HCM).
Với số lượng trạm cịn ít chưa đáp ứng được yêu cầu công tác quản lý và chưa phản ánh
được tồn diện chất lượng nước và khơng khí theo thời gian. Thiếu các quy định về tự
quan trắc khí thải tự động đối với một số ngành cơng nghiệp [2,3].
Tại Thành phố Hồ Chí Minh, từ năm 2002 được Đan Mạch và Na Uy tài trợ 9 trạm
QTMT khơng khí tự động. Hệ thống này cùng với 6 trạm quan trắc bán tự động và 8
trạm quan trắc các thơng số benzen, toluen và xylen trong khơng khí ven đường đã tạo
thành mạng lưới quan trắc cung cấp cơ sở dữ liệu về chất lượng môi trường; dự báo xu
hướng, ứng phó sự cố cũng như xây dựng các kế hoạch về quản lý môi trường của TP.
Tuy nhiên, từ năm 2009, toàn bộ trạm quan trắc tự động và benzen, toluen và xylen
trong khơng khí đã ngưng hoạt động. Việc quan trắc chất lượng môi trường không khí
được thực hiện tại 15 vị trí với hình thức bán tự động.Về nguyên tắc, quan trắc tại tất cả
mọi thời điểm là đáng tin cậy nhất và chỉ có quan trắc liên tục, tự động mới thực hiện
được. Với số lượng dân như TP HCM cần tăng cường số lượng các trạm quan trắc về
mơi trường khơng khí xung quanh (10-15 trạm quan trắc tự động liên tục, 35-45 trạm
quan trắc chủ động) để có thể đánh giá kịp thời, chi tiết về diễn biến hiện trạng môi
trường của TP trong thời điểm hiện tại cũng như tương lai. Do đó, để có những thơng
tin kịp thời, chính xác về chất lượng mơi trường khơng khí, TP cần tái đầu tư 9 trạm
quan trắc khơng khí tự động đã bị hư hỏng trong thời gian qua.[4].
Sở Tài nguyên và Môi trường TP đang thực hiện thủ tục đầu tư dự án “Trung tâm
quan trắc và phân tích mơi trường”, trong đó có phần đầu tư 2 trạm quan trắc môi
19

trường khơng khí tự động liên tục. Đồng thời, sở cũng đang lập đề án “Tổng thể phát
triển mạng lưới quan trắc chất lượng môi trường TP đến năm 2020, tầm nhìn đến năm
2030”. Dự kiến, đến năm 2016 sẽ mở rộng thêm 5 vị trí quan trắc mơi trường khơng
khí.
Ủy ban nhân dân thành phố Hà Nội cũng đã phê duyệt “Quy hoạch mạng lưới quan
trắc khơng khí cố định trên địa bàn thành phố Hà Nội đến năm 2020” với việc bổ sung,
nâng cấp và hoàn thiện, kết nối và chia sẻ thông tin bảo đảm thông suốt từ trung ướng
đến địa phương với sự quản lý thống nhất của Sở Tài nguyên và Môi trường Hà Nội.
Từng bước hiện đại hóa cơng nghệ, máy móc và thiết bị quan trắc trên cơ sở áp dụng
rộng rãi các công nghệ nghiên cứu tạo ra trong nước và tiếp thu, làm chủ được các cơng
nghệ của nước ngồi [5]
Sở Sở Tài nguyên và Môi trường (TN&MT) thành phố Cần Thơ cho biết hệ thống
quan trắc môi trường tự động trị giá gần 46 tỷ đồng, hoạt động từ cuối năm 2014 .Các
thơng tin về nước mặt và khơng khí của thành phố được cập nhật, phân tích liên tục,
giúp việc quản lý nhà nước về môi trường chặt chẽ, các doanh nghiệp điều chỉnh hoạt
động để nâng cao hiệu quả sản xuất kinh doanh, và là cơ sở chính xác cho các báo cáo
thậm định môi trường định kỳ [6].
Tuy nhiên những khó khăn và vướng mắc trong việc phát triển mạng QTMT đồng
bộ đó là hầu hết các trạm quan trắc đều dựa trên cơng nghệ nước ngồi như 6 trạm khí
được đầu tư cơng nghệ của hãng Horiba – Nhật Bản và Grim – Đức. Trạm khí đặt tại
khu vực Lăng Chủ tịch Hồ Chí Minh và Quảng trường Ba Đình được đầu tư theo cơng
nghệ quang phổ hấp thụ vi sai (DOAS) của hãng OPSIS – Thụy Điển và 01 hệ thống tự
động đo, cảnh báo phóng xạ RM-A1 [3], các trạm cịn lại với cơng nghệ của Mỹ, Úc và
Pháp [2,7,8]. Sau khi lắp đặt xong thì các cơng ty cũng chỉ bàn giao trang thiết bị để
khai thác cứ khơng có mặt thường xun tại Việt Nam. Điều này dẫn đến gặp nhiều khó
khăn về việc hiệu chuẩn thiết bị chính hang do khoảng cách địa lý nên việc phối hợp, xử
lý sự cố giữa chủ đầu tư, nhà thầu và địa phương chưa được kịp thời. Hỗ trợ của chính
hãng chưa được cao, rất nhiều sự cố gặp phải không nằm trong khuyến cáo của nhà sản

xuất. Thêm vào đó, hầu hết kinh nghiệm của các cán bộ tích lũy được qua việc khắc
phục, xử lý sự cố. Vì vậy, đê có thê vận hành Trạm trơn tru, xử lý nhanh chóng các sự
cố cần một khoảng thời gian rất lâu. Một số cán bộ kiêm nhiệm, vì vậy trong nhiều
trường hợp xử lý khơng kịp thời khi có sự cố Đơi lúc chưa chủ động trong xử lý sự
cố và phối hợp với TTQTMT trong xử lý sự cố [2,7,8].
Với mục tiêu muốn làm chủ cơng nghệ thơng qua đó sẽ có những sự khắc phục sự
cố kịp thời, cũng như có thể quản lý được thiết bị từ đó có thể hiệu chỉnh và thay đổi
phù hợp với môi trường và địa lý của Việt Nam, đề tài với mục tiêu thiết kế hệ thống
thu thập dữ liệu với đầu vào là các tín hiệu tương tự và số cho phép gắn các cảm biến
giúp đo đạc các thông số môi trường từ đó sẽ lưu trữ ngay trên bộ nhớ được gắn tại chỗ
có định vị GPRS và truyền về trung tâm lưu trữ và phân tích từ đó đưa ra những cảnh
báo kịp thời.

20


Trung tâm là một web server, cho phép thể hiện thông số của môi trường cho các
chuyên gia và lưu trữ dữ liệu cho các người sử dụng trong cộng đồng có thể khai thác
hỗ trợ các nghiên cứu khoa học.
Ngồi ra, hệ thống cịn cho phép cảnh báo tại chỗ khi giá trị đo hiện tại tại hiện
trường vượt mức an toàn như nhiệt độ vượt ngững cho phép, sẽ có cảnh báo tại chỗ và
hoặc gửi qua SMS, từ đó thơng báo đến những ban ngành có liên quan để có những giải
quyết một cách kịp thời.
Một khía cạnh khác của đề tài là mong muốn thiết kế và chế tạo ra những sản phẩm
hỗ trợ cho những ứng dụng đơn thuần phù hợp cho việt nam với giá thành giảm nhiều
so với việc nhập các trang thiết bị từ nước ngoài. Giả sử như bộ thu thập dữ liệu sc1000
controller của Hach và Hach-Lange đang được sử dụng tại các trạm quan trắc ở Đồng
Nai với giá trung bình 2,700 usd, nhưng với những tính năng và được thiết kế theo đề
tài giá giảm chì cịn chưa tới 50%.
Ngồi ra với việc làm chủ cơng nghệ, sản phẩm của đề tài không chỉ dừng lại ở việc

hỗ trợ quan trắc mơi trường mà cịn có thể thay đổi các thiết bị đầu vào của hệ thống và
thay đổi giao diện cũng như thuật toán trong bộ điều khiển để có thể hỗ trợ trong cơng
tác huấn luyện và dạy học như môn vi điều khiển, môn giao tiếp thiết bị ngoại vì với
việc phân tích cấu trúc, lập trình cho bộ điều khiển trung tâm và giao tiếp với web
server. Hoặc có thể hỗ trợ trong việc giám sát nhiệt độ, lượng khí CO trong các phịng
thí nghiệm như phịng vận hành máy móc cơ khí, các phịng thí nghiệm hóa học …
Hoặc có thể mở rộng lên việc thay đổi các đầu dò để hỗ trợ trong việc xác định các
thông số về nước sinh hoạt và nước thải. Hay như hỗ trợ được một trong những hướng
ngày nay đang được quan tâm đó là ni trồng xanh, cho phép đo lượng nước từ đó sẽ
đưa ra những giải pháp tưới tiêu tự động hỗ trợ cho nông nghiệp tưới tiêu thông minh...

1.2. Mục tiêu của đề tài
a. Mục tiêu tổng quát:
- Mục tiêu tổng quát là thiết kế hệ thống thu thập dữ liệu với đầu vào là các tín
hiệu tương tự và số cho phép gắn các cảm biến giúp đo đạc các thông số mơi
trườngnhư nhiệt độ, độ ẩm, chất lượng khơng khí, nồng độ khí thải. Từ đó,thiết
bị sẽ lưu trữ ngay trên bộ nhớ được gắn tại chỗ có định vị GPRS và truyền về
trung tâm lưu trữ và phân tích qua mạng di động GSM, từ đó đưa ra những cảnh
báo kịp thời.
- Trung tâm là một web server online, cho phép lưu trữ và thể hiện thông số của
môi trường cho các chuyên gia và các ứng dụng quản lý mơi trường liên quan.
Ngồi ra, server cũng lưu trữ dữ liệu lâu dài cho các người sử dụng trong cộng
đồng có thể khai thác hỗ trợ các dự án nghiên cứu khoa học.
- Ngồi ra, hệ thống cịn cho phép cảnh báo tại chỗ khi giá trị đo hiện tại tại hiện
trường vượt mức an toàn như nhiệt độ vượt ngững cho phép, sẽ có cảnh báo tại
chỗ và hoặc gửi qua SMS, từ đó thơng báo đến những ban ngành có liên quan để
có những giải quyết một cách kịp thời.
21

b. Mục tiêu cụ thể:
- Mơ hình thiết kế:

Hình 1.1: Mơ hình thiết kế và chế tạo trong đề tài
-

Thiết kế chế tạo bộ thu thập dữ liệu với các kết nối:
o Đầu vào là cảm biến: Nhiệt độ, độ ẩm và khí CO mơi trường (theo mơi trường
hiện tại) (Do quan trắc mơi trường khơng khí cần nhiều loại đầu dò, nhưng đây
thuộc về một đề tài nghiên cứu cấp trường nên chúng tôi chỉ thu thập 3 thông
số đặc trưng của khơng khí). Những thơng số được chọn như nhiệt độ, độ ẩm
và lượng CO là những thông số được quy định trong định mức kinh tế - kỹ
thuật cho hoạt động quan trắc mơi trường khơng khí ngồi trời. Định mức này
được quy định trong thơng tư Ban hành Định mức kinh tế - kỹ thuật hoạt động
quan trắc môi trường của Bộ tài nguyên và môi trường. Số: 20 /2017/TTBTNMT [9].
o Các đầu ra là các relay có thể điều khiển các cơ cấu chấp hành bên ngồi như
cịi báo.
o Hệ thống vơ tuyến theo cơng nghệ GSM để truyền dữ liệu về máy chủ.
- Ngoài ra bộ thu thập dữ liệu sẽ đánh giá kết quả hệ thốngvới đầu dò nhiệt độ, độ
ẩm và nồng độ khí CO, gửi về trung tâm lưu trữ và cảnh báo ngay tại chỗ nếu
nhiệt độ vượt mức an tồn.
- Server được cài đặt chương trình giám sát và lưu trữ dữ liệu có cấu trúc để từ đó
các Smartphone và những máy tính khác có thể truy cập. Giao diện trên server sẽ
xử lý và hiển thị dữ liệu ở dạng đồ thị, cấu hình và hiển thị thiết bị trên bản đồ.

22


CHƯƠNG II – THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ THU THẬP DỮ LIỆU
CÓ ĐỊNH VỊ GPRS VÀ TRUYỀN VỀ SERVER

2.1. Mục tiêu và mơ hình thiết kế
Hầu hết những trạm quan trắc môi trường ngày nay là một hệ thống được kết hợp từ
nhiều modul riêng lẻ như trạm được trình bày trong hình 2.1 [8]. Là một hệ thống các
thiết bị đo tự động và liên tục các yếu tố mơi trường khơng khí được đặt trong 1 shelter
đặc biệt có điều hịa nhiệt độ. Được cấu thành bởi 4 hợp phần chính:
o Hệ thống các modul phân tích (modul bụi, modul khí, hệ thống khí tượng, hệ
thống phụ trợ…)
o Hệ thống truyền nhận dữ liệu (datalogue, phần mềm IOVIS …)
o Hệ thống máy tính và truyền dữ liệu
o Nguồn điện vận hành
Trạm được kết hợp từ các modul như Điều này dẫn đến hệ thống sẽ lớn.

(b)

(a)

(c)

Hình 2.1: (a) Mơ hình trạm quan trắc khơng khí; (b) Sơ đồ bố trí các thiết bị bên trong
trạm; (c) Sơ đồ các hợp phần của trạm [8]
Mơ hình truyền và kết nối truyền dữ liệu về trung tâm điều khiển được thể hiện nay
được thể hiện trong hình 3.1. Hệ thống cần có máy tính lưu trữ dữ liệu và thông qua kết
nối internet sẽ truyền về một máy trung tâm. Trên máy tính cài phần mềm IOVIS để đạt
cấu hình cho các Dataloger và điều khiển các modun [8].

23


Hình 2.2: Mơ hình lưu trữ và truyền dữ liệu giữa trạm quan trắc mơi trường khơng khí và
trung tâm [8]

Nghị quyết số 16/2007/QĐ-TTg được sửa đổi và bổ sung trong đó có qui hoạch
mạng lưới quan trắc mơi trường tự động và liên tục với sự gia tăng về số lượng và chất
lượng cho các trạm. Tăng cường trao đổi thông tin, dữ liệu quan trắc và phổ biến, cơng
khai thơng tin, số liệu quan trắc dưới nhiều hình thức (trang web, bảng điện tữ,...), xây
dựng hệ thống cảnh báo. Với xu thế xây dựng hệ thống trạm quan trắc như sau:

Hình 2.3: Mơ hình lưu trữ và truyền dữ liệu giữa trạm quan trắc mơi trường khơng khí và
trung tâm trong hướng sắp tới [8]

Hình 2.4: Mơ hình lưu trữ và truyền dữ liệu giữa trạm quan trắc mơi trường khơng khí và
trung tâm trong hướng sắp tới [8]
24