Hệ thống kiểm soát tự động mức độ ô nhiễm nước thải

LỜI MỞ ĐẦU
Tại Việt Nam, tình trạng ô nhiễm môi trường nước do nước thải công
nghiệp gây ra đang ở mức báo động. Môi trường nước ở nhiều đô thị, khu công
nghiệp (KCN) và làng nghề ngày càng bị ô nhiễm nặng nề.
Thời gian qua, thực hiện chủ trương, chính sách của Đảng và Nhà nước về
đẩy mạnh phát triển công nghiệp trong tiến trình CNH- HĐH đất nước, mỗi KCN
đều là đầu mối quan trọng trong thu hút vốn đầu tư, đặc biệt là vốn đầu tư nước
ngoài. Việc hình thành các KCN đã tạo động lực lớn cho phát triển công nghiệp,
thúc đẩy chuyển dịch cơ cấu kinh tế ở các địa phương, tạo công ăn việc làm cho
người lao động. KCN còn góp phần thúc đẩy sự hình thành khu đô thị mới, các
ngành công nghiệp phụ trợ và dịch vụ.
Nhưng mặt trái của các KCN mà ta có thể thấy rõ nhất đó là ở Hà Nội và
thành phố Hồ Chí Minh. Theo số liệu năm 2009 tại Hà Nội, tổng khối lượng
nước thải xả ra sông Nhuệ và sông Đáy là hơn 28.500 m3/ngày đêm. Trong đó, hơn
96 % là nước thải công nghiệp. Theo ghi nhận của Bộ Tài nguyên và Môi trường,
hiện chỉ có 11 cơ sở xả nước thải ra sông là có xử lý đạt Tiêu chuẩn Việt Nam.
Theo TTXVN, "Chỉ có một nửa trong số 8 KCN, CCN đã được phê duyệt báo
cáo đánh giá tác động môi trường. Nhưng chính các KCN, CCN này cũng
không thực hiện theo báo cáo đánh giá tác động môi trường đã được phê duyệt".
Các chỉ số BOD, oxy hoà tan, các chất NH4, NO2, NO3 ở các sông, hồ, mương
nội thành đều vượt quá quy định cho phép.
Kiểm soát tự động ô nhiễm nước thải từ các khu công nghiệp là cấp
thiết vì hiện nay ô nhiễm môi trường ảnh hưởng trược tiếp đến sức khỏe của
người dân sống trên địa bàn các khu công nghiệp. Phương pháp đo, thu thập và
xử lý số liệu phần lớn theo phương pháp thủ công dẫn đến tốn nhiều nhân lực,
thời gian, khó có thể cảnh báo kịp thời. Trong khi đó hệ thống kiểm soát tự động
cho phép giám sát thường xuyên tình trạng ô nhiễm nước thải từ các khu công
nghiệp, phát hiện và cảnh báo kịp thời cho các cơ quan chức năng để có biện pháp
xử lý ngăn ngừa ô nhiễm. Các hệ thống nhập ngoại cũng đã đáp ứng được những
nhu cầu đó nhưng có giá thành rất cao.

Trong thời gian thực tập và nghiên cứu làm đồ án tại trung tâm Nghiên cứu
và Tư vấn Viễn thông Điện lực, được sự chỉ bảo tận tình của các thầy cùng các
anh trong trung tâm em đã xây dựng thành công giải pháp cho hệ thống kiểm soát
tự động mức độ ô nhiễm nước thải qua mạng thông tin di động. Báo cáo tốt
nghiệp của em gồm 3 chương:
Chương 1: Thực trạng nước thải tại một số khu công nghiệp và giải pháp kiểm tra,
theo dõi mức độ ô nhiễm đang được áp dụng.
Chương 2: Tìm hiểu đánh giá, lựa chọn công nghệ giám sát, đo đạc và gửi các thông
số giám sát chất lượng nước về trung tâm.
Chương 3: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm hệ thống.


LỜI CẢM ƠN
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến thầy giáo TS Phạm Duy Phong đã
tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện cho em trong suốt quá trình thực tập và làm đồ án
tốt nghiệp.
Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy giáo chủ nhiệm ThS Đặng Trung Hiếu cùng
toàn thể các thầy cô trong Khoa Điện tử Viễn thông Trường Đại học Điện lực đã có
những chỉ dẫn, định hướng trong quá trình học tập và trong khi làm đồ án.
Em xin chân thành cảm ơn Trương Đại học Điện lực đã tạo điện kiện giúp
đỡ em trong quá trình học tập và nghiên cứu tại Trường.
Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình, bạn bè, những người đã tạo điều kiện,
giúp đỡ, động viên em hoàn thành đồ án này.
Hà Nội, ngày 10 tháng 01 năm 2014
Sinh viên

Trần Việt Trung

MỤC LỤC
MỤC LỤC ..............................................................................................................1
DANH MỤC BẢNG BIỂU HÌNH VẼ ....................................................................3
CHƯƠNG 1. THỰC TRẠNG XẢ THẢI TẠI MỘT SỐ KHU CÔNG NGHIỆP VÀ
GIẢI PHÁP KIỂM TRA THEO DÕI MỨC ĐỘ Ô NHIỄM ĐANG ĐƯỢC ÁP
DỤNG.....................................................................................................................4
1.1. Thực trạng xả thải tại một số khu công nghiệp hiện nay ................................4
1.1.1. Khu công nghiệp Tiên Sơn- Bắc Ninh ....................................................4
1.1.2. Khu công nghiệp Phố Nối A – Hưng Yên ...............................................5
1.1.3 Thực trạng tại khu công nghiệp Sài Đông B ............................................6
1.2. Giải pháp kiểm tra theo dõi mức độ ô nhiễm nước thải .................................6
1.3. Đánh giá chung .............................................................................................7
CHƯƠNG 2. TÌM HIỂU ĐÁNH GIÁ, LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ GIÁM SÁT,
ĐO ĐẠC VÀ GỬI CÁC THÔNG SỐ GIÁM SÁT CHẤT LƯỢNG NƯỚC VỀ
TRUNG TÂM. ........................................................................................................9
2.1. Tìm hiểu và lựa chọn các thông số đánh giá chất lượng nước........................9
2.1.1. Độ pH.....................................................................................................9
2.1.2. Nhiệt độ..................................................................................................9
2.1.3. Độ mầu...................................................................................................9
2.1.4. Hàm lượng oxigen hòa tan (DO)........................................................... 10
2.1.5. Hàm lượng chất rắn (TS) ...................................................................... 10
2.1.6. Lựa chọn thông số cần giám sát phù hợp với nhu cầu sử dụng của doanh
nghiệp ............................................................................................................ 10
2.2. Công nghệ truyền thông giữa thiết bị đo đạc giám sát và trung tâm............. 11
2.2.1. Truyền thông qua mạng hữu tuyến........................................................ 11
2.2.1.1 Chuẩn RS485 .................................................................................. 11
2.2.1.2 Truyền tín hiệu điều khiển qua đường truyền ADSL ....................... 12
2.2.2. Truyền thông qua mạng vô tuyến.......................................................... 13
2.2.2.1 Truyền sóng radio - RF ................................................................... 13
2.2.2.2 Truyền thông qua mạng di động GSM, GPRS, 3G .......................... 14

GVHD: TS. Phạm Duy Phong

SVTH: Trần Việt Trung
Trang 1


CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM HỆ
THỐNG. ............................................................................................................... 16
3.1. Phần cứng hệ thống..................................................................................... 16
3.1.1. Phần cứng thiết bị đo giám sát .............................................................. 16
3.1.1.1. Module thu thập các thông số đánh giá chất lượng nước ................ 16
3.1.1.2. Module nguồn cho thiết bị đo giám sát........................................... 17
3.1.1.3. Module gửi tín hiệu giám sát về trung tâm ..................................... 17
3.1.2. Phần cứng thiết bị giám sát tại trung tâm .............................................. 18
3.1.2.1. Module nhận các thông số đánh giá chất lượng nước từ thiết bị đo
gửi về.......................................................................................................... 18
3.1.2.2. Module giao tiếp với máy tính để giám sát các đại lượng của nước
thải ............................................................................................................. 18
3.1.3. Hình ảnh thiết bị sau khi hoàn thiện...................................................... 19
3.2. Phần mềm hệ thống..................................................................................... 20
3.2.1. Yêu cầu và chức năng cơ bản của phần mềm ........................................ 20
3.2.2. Thiết kế giao diện và các module phần mềm......................................... 20
3.2.3. Cấu trúc khung dữ liệu.......................................................................... 25
3.2.4. Chương trình phần mềm ....................................................................... 25
3.2.4.1. Module xử lý giao tiếp kết nối cổng COM ..................................... 25
3.2.4.2. Module xử lý nhận bản tin SMS từ Trạm đo hiện trường gửi về ..... 27
3.2.4.3. Module xử lý xuất báo cáo theo các khoảng thời gian và theo mã
Trạm........................................................................................................... 31
3.2.4.4. Module xử lý cài đặt hệ thống ........................................................ 34

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI....................................... 40
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................... 41

GVHD: TS. Phạm Duy Phong

SVTH: Trần Việt Trung
Trang 2


DANH MỤC BẢNG BIỂU HÌNH VẼ
Hình 1.1. Trạm xử lý nước thải tập trung tại khu CN Tiên Sơn- Bắc Ninh...............5
Hình 1.2. Các thông số đánh giá chất lượng nước....................................................7
Hình 2.1 Một số senso giám sát các thông số nước thải ......................................... 11
Hình 2.2 Mô hình cáp dữ liệu truyền theo chuẩn RS485 ........................................ 11
Hình 2.3 Mô hình hệ thống truyền thông qua đường truyền ADSL........................ 13
Hình 2.4 Mô hình hệ thống truyền thông qua sóng radio ....................................... 14
Hình 2.5 Mô hình hệ thống truyền thông qua mạng di động .................................. 15
Hình 3.1 Sơ đồ mạch nguyên lý module xử lý trung tâm ....................................... 16
Hình 3.2 Sơ đồ mạch nguyên lý khối nguồn cho bộ xử lý trung tâm ...................... 17
Hình 3.3 Sơ đồ mạch nguyên lý khối gửi tín hiệu giám sát về trung tâm................ 17
Hình 3.4 Sơ đồ mạch nguyên lý khối nhận tín hiệu giám sát về trung tâm ............. 18
Hình 3.5 Sơ đồ mạch nguyên lý khối giao tiếp với máy tính.................................. 18
Hình 3.6. Mạch giám sát tại trung tâm sau khi hoàn thiện...................................... 19
Hình 3.7. Mạch giám sát tại trung tâm sau khi đóng hộp ....................................... 19
Hình 3.8. Mạch thiết bị đo giám sát sau khi hoàn thiện.......................................... 19
Hình 3.6. Giao diện hiển thị các tham số đo được tại các trạm đo hiện trường ....... 22
Hình 3.7. Giao diện chiết xuất các tham số của trạm đo hiện trường theo các khoảng
thời gian ................................................................................................................ 23
Hình 3.8. Giao diện cài đặt hệ thống...................................................................... 24

GVHD: TS. Phạm Duy Phong

SVTH: Trần Việt Trung
Trang 3


CHƯƠNG 1. THỰC TRẠNG XẢ THẢI TẠI MỘT SỐ KHU CÔNG NGHIỆP
VÀ GIẢI PHÁP KIỂM TRA THEO DÕI MỨC ĐỘ Ô NHIỄM ĐANG ĐƯỢC
ÁP DỤNG
1.1. Thực trạng xả thải tại một số khu công nghiệp hiện nay
Theo ước tính, mỗi KCN thải khoảng từ 3.000-10.000 m3 nước thải/ngày
đêm. Như vậy, tổng lượng nước thải công nghiệp của các KCN trên cả nước
lên khoảng 500.000-700.000 m3/ngày đêm. Theo số liệu thống kê, trong số
khoảng 150 KCN chỉ có khoảng 20% là có hệ thống xử lý nước thải tập trung.
Ngay cả ở những KCN đã có trạm xử lý nước thải tập trung, thì chất lượng thực tế
của các công trình này vẫn còn hạn chế, chưa đạt được những tiêu chuẩn quy
định, gây ô nhiễm môi trường, đặc biệt là ở một số KCN tập trung các ngành
công nghiệp nhẹ như dệt may, thuộc da, ngành hoá chất...
Theo đoàn khảo sát, em được tiến hành khảo sát thực tế tại các khu công
nghiệp: Tiên Sơn - Bắc Ninh, Phố Nối - Hưng Yên, Sài Đông B – Hà Nội và thu
được một số kết quả như sau:
1.1.1. Khu công nghiệp Tiên Sơn- Bắc Ninh
Nước thải công nghiệp được thu gom và xử lý tại Trạm xử lý nước thải chung
của Khu công nghiệp (giai đoạn I công suất 4000m3/ngày đêm) bằng phương pháp
vi sinh, sau đó được để lắng tại các hồ điều hoà để lắng đọng thêm bùn và tạp chất
có hại. Trạm xử lý nước thải khu công nghiệp Tiên Sơn có tổng vốn đầu tư 18 tỷ
đồng, áp dụng công nghệ sinh học- hoá lý với hệ thống các thiết bị máy móc tiên
tiến nhập từ các nước châu Âu.

GVHD: TS. Phạm Duy Phong

SVTH: Trần Việt Trung
Trang 4


Hình 1.1. Trạm xử lý nước thải tập trung tại khu CN Tiên Sơn- Bắc Ninh
Theo đoàn khảo sát, em đã được cùng nhóm thực hiện khảo sát tại Công ty
Gạch ốp lát Thăng Long - Khu CN Tiên Sơn - Bắc Ninh. Tại đây có trạm xử lý
nước thải được xây dựng từ năm 2003 gồm các công đoạn sau: trung hoà, đông tụ,
lắng, lọc, xử lý bùn.
Nước thải được đưa vào từ các phân xưởng sản xuất. Môi trường nước có tính
kiềm nên để trung hoà người ta thêm acid vào nước nhờ hệ thống bơm định lượng
bơm. Cứ sau một khoảng thời gian thì bơm một lượng nhất định. Máy khuấy 1 hoạt
động liên tục. Sau khi trung hoà nước qua bể đông tụ, tại đây liên tục thêm PAC và
khuấy nhằm tăng khả năng lắng cho các chất bẩn. Hệ thống lắng gồm hai bể chìm.
Khâu cuối cùng là bể lọc áp lực. Bùn tạo ra được đưa sang máy ép và đưa về tái sử
dụng. Một phần nước được tuần hoàn quay lại sản xuất, một phần thải ra ngoài sau
một số lần tái sử dụng.
1.1.2. Khu công nghiệp Phố Nối A – Hưng Yên
Thực hiện đã khảo sát trạm xử lý nước thải tại Nhà máy thép Việt Ý. Các công
đoạn xử lý gồm:
Hệ lọc áp lực gồm 03 tank, tổng thể tích 1130m3. Nước sau lọc áp lực vào bể
điều hoà V=30m3. Từ bể điều hoà nước được 2 bơm chìm bơm vào bể lắng đứng
V=27m3. Bùn trong bể lắng đứng được hút ra sân phơi bùn. Nước chảy tràn từ bể
lắng đứng sang bể lắng ngang. Tại bể lắng ngang vảy cán sẽ được thu bằng hệ thống
cầu trục và máy cào cặn.

GVHD: TS. Phạm Duy Phong

SVTH: Trần Việt Trung

Trang 5


Theo quy định thì tại khu công nghiệp phố Nối A, chủ đầu tư là Cty Hoà Phát
phải xây dựng một hệ thống xử lý nước thải công suất 5.000m3 nước thải/ngày đêm.
Tuy nhiên đến tận bây giờ, nước thải vẫn đổ trực tiếp ra các cánh đồng của huyện
Mỹ Hào. Lý do của việc chậm trễ này được đại diện chủ đầu tư khu công nghiệp,
công ty Hoà Phát đưa ra là “Hiện tại lượng nước thải chỉ vào khoảng 2.000m3/ngày
do một số nhà máy còn chưa đi vào hoạt động. Chính vì vậy, xây dựng nhà máy
công suất 5.000 m3 là rất lãng phí!”. Nước thải từ khu CN đã gây ô nhiễm môi
trường ảnh hưởng tới sản xuất nông nghiệp của nhiều nông dân quanh vùng.
1.1.3 Thực trạng tại khu công nghiệp Sài Đông B
Khu công nghiệp Sài Đồng B (Long Biên, Hà Nội) được Thủ tướng Chính
phủ giao cho Công ty Điện tử Hà Nội (Hanel) làm chủ đầu tư để đầu tư xây dựng và
kinh doanh cơ sở hạ tầng KCN từ năm 1996-1997. Từ khi hoàn thành và đưa vào
khai thác đến nay, trung bình tại KCN này luôn có hơn 20 doanh nghiệp thuê đất
làm nhà máy, xưởng sản xuất. Nhưng sau 14 năm đi vào hoạt động, KCN này
không hề có nhà máy xử lí nước thải. Cũng theo số liệu của Bộ TNMT, mỗi ngày
KCN Sài Đồng B thải ra môi trường từ 2.000m3 - dưới 5.000m3 nước thải chưa qua
xử lý. Nước thải từ KCN theo các ống cống đổ ra kênh Cầu Bây, nguy hiểm hơn,
nước thải từ đây dẫn thẳng ra hệ thống sông Nhuệ, sống Đáy...
1.2. Giải pháp kiểm tra theo dõi mức độ ô nhiễm nước thải
Tại các KCN và khu chế xuất, trong qua trình hoạt động đã thải ra nước bẩnnước bị ô nhiễm do lượng xút, axit và một số hoá chất làm độ pH tăng cao, độ ôxy
hoà tan trong nước khá thấp…. Đặc biết tạo ra lượng Nitơrit cao và các kim loại
nặng làm ảnh nghiên trọng đến môi trường nước.
Để kiểm soát được mức độ ô nhiễm nước thải công nghiệp cần có các hệ thống
tự động đo và phân tích được chất lượng nước, cụ thể là đo và kiểm soát được các
thông số cơ bản sau:

GVHD: TS. Phạm Duy Phong

SVTH: Trần Việt Trung
Trang 6


STT

Thông số cần giám sát

1

pH

2

ORP

3

Conductivity/Dissolve Solids

4

Conductivity

5

Resistivity

6

Suspended Solids

7

Turbidity

8

ISE

9

Dissolved O2

10

Dissolved CO2

11

Oil in Water

12

Temperature

13

NO3

Hình 1.2. Các thông số đánh giá chất lượng nước
1.3. Đánh giá chung
Qua nghiên cứu các kết quả khảo sát điều tra về tình trạng môi trường của một
số khu công nghiệp và khảo sát thực tế rác thải tại các khu công nghiệp, khu chế
xuất ngày càng bất ổn. Cụ thể Hà Nội môi trường tại các khu, cụm công nghiệp
chưa đảm bảo. Thực tế 50% nước thải công nghiệp TP HCM chưa được xử lý, Đà
Nẵng: Sáu khu công nghiệp có một hệ thống xử lý nước thải tập trung, thưc tế nước
thải không qua hệ thống xử lý. Các Doanh nghiệp thì coi thường bảo vệ môi trường,
đây quả là mâu thuẫn khó giải quyết. Chính vì vậy việc đưa các hệ thống tự động
kiểm soát sự ô nhiễm nguồn nước thải tại các KCN và khu chế xuất trên cả nước là
cần thiết. Hệ thống sẽ là công cụ hiệu quả cho các nhà quản lý Nhà nước, cho đơn
vị QLMT tại khu công nghiệp để giám sát nguồn nước đầu ra từ các nhà máy trong
GVHD: TS. Phạm Duy Phong

SVTH: Trần Việt Trung
Trang 7


khu CN trước khi đổ vào trạm xử lý nước thải tập trung, cho bản thân các doanh
nghiệp hoạt động trong khu công nghiệp để giám sát và chứng minh cho chất lượng
xử lý nước thải của mình.
Để kiểm soát được các nguồn nước thải tại các KCN ở Việt Nam, cần lắp đặt
các hệ thống tự động kiểm soát ô nhiễm nước thải của từng KCN, để cho các cơ
quan chức năng quản lý về môi trường có công cụ kiểm soát được. Như vậy số
luợng cần thiết các hệ thống tự động kiểm soát ô nhiễm nước thải sẽ là rất lớn mới
kiểm soát được toàn bộ số luợng KCN.

GVHD: TS. Phạm Duy Phong

SVTH: Trần Việt Trung
Trang 8


CHƯƠNG 2. TÌM HIỂU ĐÁNH GIÁ, LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ GIÁM
SÁT, ĐO ĐẠC VÀ GỬI CÁC THÔNG SỐ GIÁM SÁT CHẤT LƯỢNG
NƯỚC VỀ TRUNG TÂM
2.1. Tìm hiểu và lựa chọn các thông số đánh giá chất lượng nước
2.1.1. Độ pH
PH là đại lượng toán học biểu thị nồng độ hoạt tính ion H+ trong nước, pH
được sử dụng để đánh giá tính axit hay tính kiềm của dung dịch (nước).
pH = - log(H+).
Sự thay đổi pH dẫn tới sự thay đổi thành phần hóa học của nước (sự kết tủa,
sự hòa tan, cân bằng carbonat…), các quá trình sinh học trong nước. Giá trị pH của
nguồn nước góp phần xác định chất lượng của nguồn nước. Theo quy chuẩn nước
thải quốc gia về nước thải công nghiệp của Bộ Tái nguyên Môi trường thì pH nằm
trong khoảng 6 – 9 thì đủ điều kiện xả ra môi trường.
2.1.2. Nhiệt độ
Nhiệt độ cũng là một trong những thông số mà Bộ Tái nguyên Môi trường
quy định đối với nước thải khi xả ra môi trường. Theo quy chuẩn nước thải quốc gia
về nước thải công nghiệp thì nước có nhiệt độ nhỏ hơn 40 độ C thì đủ điều kiện xả
ra môi trường.
2.1.3. Độ mầu
Nước nguyên chất không có màu. Màu sắc gây nên bởi các tạp chất trong
nước (thường là do chất hữu cơ chất mùn hữu cơ – acid humic), một số ion vô cơ
(sắt…), một số loài thủy sinh vật… Các hợp chất hữu cơ có màu trong nước cũng
có thể tác dụng vói clo trong quá trình lọc nước tạo ra 1 số sản phẩm độc như
clorofooc,…
Theo quy chuẩn nước thải quốc gia về nước thải công nghiệp thì nước ở pH
băng 7 thì độ mầu khoảng 20 thì đủ điều kiện xả ra môi trường.

GVHD: TS. Phạm Duy Phong

SVTH: Trần Việt Trung
Trang 9


2.1.4. Hàm lượng oxigen hòa tan (DO)
Oxigen hòa tan trong nước (DO) không tác dụng với nước về mặt hóa học.
Hàm lượng DO trong nước phụ thuộc nhiều yếu tố như áp suất, nhiệt độ, thành phần
hóa học của nguồn nước, số lượng vi sinh, thủy sinh vật…
Hàm lượng oxigen hòa tan là một chỉ số đánh giá “tình trạng sức khỏe” của
nguồn nước. Hàm lượng DO có quan hệ mật thiết đến các thông số COD và BOD
của nguồn nước. Nếu hàm lượng DO quá thấp, thậm chí không còn, nước sẽ có mùi
và trở nên đen do trong nước lúc này diễn ra chủ yếu là các quá trình phân hủy yếm
khí, các sinh vật không thể sống được trong nước này nữa.
2.1.5. Hàm lượng chất rắn (TS)
Các chất rắn trong nước có thể là những chất tan hoặc không tan. Các chất
này bao gồm cả những chất vô cơ lẫn các chất hữu cơ. Hàm lượng TS có mối quan
hệ mật thiết đến SS và DS của nguồn nước. Chúng đều là các thông số đánh giá
nồng độ chất rắn có trong nước thải. Theo quy chuẩn nước thải quốc gia về nước
thải công nghiệp thì nước hàm lượng chất rắn nhỏ hơn 50mg/l thì đủ điều kiện xả ra
môi trường.
2.1.6. Lựa chọn thông số cần giám sát phù hợp với nhu cầu sử dụng của doanh
nghiệp
Theo tiêu chuẩn Việt Nam số QCVN 24: 2009/BTNMT có tất cả hơn 30
thông số để đánh giá chất lượng của nước thải. Trong quá trình khảo sát em được
biết, trong hệ thống quan trắc môi trường tự động chúng ta cần lựa chọn một vài
thông số phù hợp với nhu cầu sử dụng của từng doanh nghiệp để chúng ta giám sát.
Vừa làm tối ưu hệ thống nhỏ gọn trong việc thi công, vừa giảm chi phí đầu tư cho

doanh nghiệp.

GVHD: TS. Phạm Duy Phong

SVTH: Trần Việt Trung
Trang 10


Hình 2.1 Một số senso giám sát các thông số nước thải
2.2. Công nghệ truyền thông giữa thiết bị đo đạc giám sát và trung tâm
2.2.1. Truyền thông qua mạng hữu tuyến
2.2.1.1 Chuẩn RS485
RS485 là một chuẩn mang các đặc tính về điện được sử dụng để truyền tín
hiệu trong các hệ thống đa điểm. Chuẩn này được đưa ra bởi Tổ chức viễn thông
công nghiệp/ Liên minh điện tử công nghiệp, nên còn có tên gọi là TIA/EIA-485
hoặc EIA-485. Các mô hình mạng dữ liệu số được thiết lập theo chuẩn này có thể
được sử dụng hiệu quả trong điều kiện có nhiều thiết bị đầu cuối (có thể hỗ trợ lên
đến 32 thiết bị), độ dài đường truyền lớn và môi trường truyền có nhiễu. Chính vì
vậy mà RS485 được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và các ứng dụng khác.

Hình 2.2 Mô hình cáp dữ liệu truyền theo chuẩn RS485

GVHD: TS. Phạm Duy Phong

SVTH: Trần Việt Trung
Trang 11


Chuẩn RS485 sử dụng một đôi dây xoắn truyền các mức điện áp và đo độ
chênh lệch điện áp trên đôi dây này để xác định dữ liệu số được truyền. Do cặp dây

xoắn có đặc tính điện tương đương nhau nên khi có nhiễu tác động, ảnh hưởng của
nhiễu lên cả hai dây là như nhau. Điều này dẫn đến độ chênh lệch điện áp giữa hai
dây không thay đổi và nhiễu không ảnh hưởng nhiều lên dữ liệu. Cũng chính vì độ
chênh lệch điện áp giữa hai dây không thay đổi nhiều nên chuẩn RS485 có thể
truyền dữ liệu đi xa hơn một số chuẩn cũ hơn như RS232.
Dựa vào đặc điểm chính của chuẩn RS485 được giới thiệu ở trên, để có thể
truyền thông giữa thiết bị đo đạc và trung tâm thì ta cần kéo một đường cáp xoán để
nối hai thiết bị với nhau. Nếu thế sẽ rất bất tiện trong quá trình triển khai hệ thống.
2.2.1.2 Truyền tín hiệu điều khiển qua đường truyền ADSL
Sử dụng giao thức TCP/IP, mô hình điều khiển chiếu sáng tập trung qua
mạng Internet là mô hình dạng Client – Server, trong đó Server là máy chủ tại trung
tâm điều hành, đảm nhận chức năng trao đổi dữ liệu với các Client là thiết bị đo
giám sát phía dưới.
Quá trình trao đổi dữ liệu từ thiết bị đo phía dưới với trung tâm cụ thể như
sau: sau khi tạo kết nối giữa thiết bị đo tại từng khu vực giám sát với máy chủ ở
trung tâm điều hành, giao thức TCP cho phép kết nối này truyền dữ liệu 2 chiều.
Server tạo ra một socket, gán cho socket này một tên, cung cấp địa chỉ IP và port để
giao tiếp và trở về trạng thái chờ client nối đến socket. Client cũng tạo ra một socket
và kết nối đến tên socket trên server. Khi server phát hiện có yêu cầu kết nối từ
client, nó sẽ tạo ra một socket mới và sử dụng socket mới đó để giao tiếp với client.
Socket cũ tiếp tục đợi kết nối từ các Client khác.

GVHD: TS. Phạm Duy Phong

SVTH: Trần Việt Trung
Trang 12


Hình 2.3 Mô hình hệ thống truyền thông qua đường truyền ADSL
Dựa vào đặc điểm chính của phương pháp truyền thông qua đường truyền

ADSL được giới thiệu ở trên, để có thể truyền thông giữa thiết bị đo đạc và trung
tâm thì ta cần kéo một đường cáp xoán để nối đến model. Việc đó đã thuận tiện hơn
rất nhiều so với chuẩn RS485 được giới thiệu ở trên nhưng vẫn còn rất nhiều bất
tiện, chưa hợp lý của đường cáp hữu tuyến.
2.2.2. Truyền thông qua mạng vô tuyến
2.2.2.1 Truyền sóng radio - RF
Sóng radio được thí nghiệm thành công từ thế kỷ 19 và là tiền đề cho việc
phát triển các phương thức truyền thông tin qua không gian. Ngày nay, dựa trên
sóng RF, rất nhiều hệ thống thông tin vô tuyến đã ra đời và đóng vai trò quan trọng
trong việc truyền tải tín hiệu, dữ liệu và thông tin qua khoảng cách lớn. Có thể kể
đến những hệ thống: hệ thống thông tin di động, hệ thống thông tin viba, thông tin
vệ tinh…
Để có thể thu và phát sóng RF, cần sử dụng các module thu và phát sóng,
hoặc các module thực hiện cả hai chức năng trên. Các module này có khả năng điều
chế tín hiệu từ dạng dữ liệu số chuyển vào các sóng mang với tần số nằm trong
khoảng từ 3 kHz đến 300 GHz (tần số sóng RF) và phát ra không gian. Để thu được
dữ liệu, các module thu cũng phải có khả năng giải điều chế tín hiệu thu được,
chuyển đổi về dạng số và đưa về bộ xử lý.

GVHD: TS. Phạm Duy Phong

SVTH: Trần Việt Trung
Trang 13


Hình 2.4 Mô hình hệ thống truyền thông qua sóng radio
Phương án sử dụng đường truyền vô tuyến sử dụng sóng radio RF đã có rất
nhiều ưu thế hơn so với đường truyền hữu tuyến. Nhưng khoảng cách truyền sóng
radio phụ thuộc rất nhiều vào môi trường phát và công suất phát của thiết bị.
2.2.2.2 Truyền thông qua mạng di động GSM, GPRS, 3G

Cơ sở hạ tầng mạng thông tin di động và các dịch vụ do các hệ thống mạng
này cung cấp cho phép triển khai truyền thông giữa các thiết bị đầu cuối một cách
dễ dàng. Mỗi thiết bị cần có một module thu phát sóng phù hợp với tần số của mạng
và được lắp một thẻ SIM. Thẻ SIM sẽ được dùng để nhận dạng thuê bao, cho phép
thiết bị có thể truy nhập mạng và tiếp cận các dịch vụ mạng. Module thu phát sóng
sẽ truyền thực hiện việc thiết lập và kết thúc phiên truyền, gửi và nhận các bản tin.

GVHD: TS. Phạm Duy Phong

SVTH: Trần Việt Trung
Trang 14


Hình 2.5 Mô hình hệ thống truyền thông qua mạng di động
Phương án sử dụng mạng thông tin di động để truyền tín hiệu về trung tâm
như được giới thiệu phía trên ta thấy được nhiều ưu điểm hơn rất nhiều so với các
phương án giới thiệu trước đó. Vì ngày nay chất lượng mạng đã được các nhà mạng
chú trọng rất nhiều. Sóng di động được phủ đến khắp mọi nới trên mọi miền tổ
quốc, nên vân đề về khoảng cách truyền cũng như vị trí đặt trung tâm giám sát
không còn là vấn đề quan trọng. Với nhưng ưu điểm đó nên trong đề tài này em xin
được xử dụng phương án truyền thông qua mạng thông tin di động.

GVHD: TS. Phạm Duy Phong

SVTH: Trần Việt Trung
Trang 15


CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM HỆ
THỐNG

3.1. Phần cứng hệ thống
3.1.1. Phần cứng thiết bị đo giám sát
3.1.1.1. Module thu thập các thông số đánh giá chất lượng nước
GND
10uF
VCC
MOSI
B1
RESET
SCK
MISO

1
3
5
7
9

VCC

C1

R2

RESET29

PC6(/RESET)

PC0 (ADC0)
PC1 (ADC1)

PC2 (ADC2)
PC3 (ADC3)
PB2 (SS/OC1B)
PC4 (ADC4/SDA)
ADC6
ADC7

10K

2
4
6
8
10

7

P1
1

Y2

PB6 (XTAL1/TOSC1)

8

2

PB7 (XTAL2/TOSC2)

GND

PD0(RXD)
PD1(TXD)
PD2 (INT0)
PD3 (INT1)
PD4 (XCK/T0)
PD5 (T1)
PD6 (AIN0)
PD7 (AIN1)

12MHz
VCC
C36
22pF

C2
10uF

C37
22pF

C3
104

18
20

GND
GND

4
6

VCC
VCC

R1

1

VCC
VCC

3
5
21

S2

4K7

D1

AVCC
AREF

AGND
GND
GND

GND
VCC

PB0 (ICP1)
PB1 (OC1A)
PC5 (ADC5/SCL)
PB3 (MOSI/OC2)
PB4 (MISO)
PB5 (SCK)

+5V
HD1
4
3
2
1
Senso

S1
P3

R4
0R
GND

HD2
4
3
2

1
Senso

P1
P2
P3
S3
S1
S2
ADC1
ADC2

30
31
32
1
2
9
10
11

RS
RW
EN_LCD
Linght
D4
D5
D6
D7

12
13
28
15
16
17

DK
PWM
B1
MOSI
MISO
SCK

U2
VCC

R3
10k

23
24
25
26
14
27
19
22

R17

10k

R84
1R

1

C41
10uF

L10

10mH
C39
104

2

AVCC
C40
C42
104
10uF

S3
S2

R18
0R
GND

Hình 3.1 Sơ đồ mạch nguyên lý module xử lý trung tâm
Module trung tâm xử dụng vi điều khiển Atmega 8 với bộ dao động thạch
anh ngoài tần 12Mhz. Với chức năng thu tập dữ liệu tư các đầu cảm biến gửi lên rồi
sau đó xử lý các số liệu và hiển thị lên màn hình LCD. Giao tiếp với Module Sim để
gửi tín hiệu về trung tâm.

GVHD: TS. Phạm Duy Phong

SVTH: Trần Việt Trung
Trang 16


3.1.1.2. Module nguồn cho thiết bị đo giám sát
F1
L1
1
C6 100uH

10A

2
C9

IN
ON/OFF
GND

C10

1

C8

1

D6

1
5
3

U3

R31
2K

2
C12 C13

2

+12V

GND
GND

104

GND

GND

1000uF/25V

HER308

GND

D7

104

PGND

2
2200uF/35V

104

GND

2
2200uF/35V

104

J1

R28 2K2

1
L2 300uH
1

C11
+

4
2

FB
OUT

GND

GND

POWER

1

C4

FB
OUT

4
2

R24 2K2

1
2
L1 300uH
D4

U5

1

C5

IN
ON/OFF
GND

POWER
1

1
5
3

C6

D3

C7
R15
1K

2

2
470uF

R25
1K

GND

104

470uF

HER308

104

GND

GND

GND

GND

GND

Hình 3.2 Sơ đồ mạch nguyên lý khối nguồn cho bộ xử lý trung tâm
Với yêu cầu, khồi nguồn phải tạo ra được 2 mức điện áp 5V và 3.8V để nuồi

cho khối điều khiển trung tâm và module sim.
3.1.1.3. Module gửi tín hiệu giám sát về trung tâm
MODULE SIM POWER ON/OFF
PWRKEY

U1
PWRKEY

3
2

GND

11
12
13
14

NRESET
MODULE SIM RESET
3

NRESET

2

NRESET

15
57

56
55

R1
470R

R2
470R

D1

STATUS R6
1K

D2

LED_ST

LED
1

Q3
BC848

NETLIGHTR7
1K

LED
1

Q4
BC848

2

SIM900

VDD_EXT
VBAT
VBAT
VBAT

POWER

3

NETLIGHT
STATUS
RF_ANT

68
67
51
50
49
48
47
44
43
42

41
40

GND
POWER

2

DBG_TXD
DBG_RXD

25
26
38
37
36
35

Network Status

SIM_VDD
SIM_DATA
SIM_CLK
SIM_RST
SIM_PRESENCE

GND
GND
GND
GND

GND
GND
GND
GND
GND
GND
GND
GND
GND
GND
GND

ANT1

GPIO12
GPIO11
KBC0/GPIO10
KBC1/GPIO9
KBC2/GPIO8
KBC3/GPIO7
KBC4/GPIO6
KBR0/GPIO5
KBR1/GPIO4
KBR2/GPIO3
KBR3/GPIO2
KBR4/GPIO1

PWRKEY

1K

Q1
BC848

1

3

NETLIGHT 52
STATUS 66
60

DISP_CLK
DISP_DATA
DISP_D/C
DISP_CS

MCU_POWERR4
4K7

Status

GND

16

V_USIM 30
DATA_SIM 31
CLK_SIM 32
RESET_SIM33
R14

34
0R
27
28

ADC
VRTC
SCL
SDA
PWM2
PWM1

R3

1

1

DTR
RI
DCS
DSR
CTS
RTS
TXD
RXD

24
23
22

21
20
19

1

SIM_RESET R5
4K7

Q2
BC848

LINEIN_L
LINEIN_R
SPK_N
SPK_P
MIC_N
MIC_P

2

3
4
5
6
7
8
SIM_TXD 9
SIM_RXD 10

PWRKEY
PWRKEY_OUT

3

Q5
BC848

LED_ST R8 1
10K

1
2

VDD_EXT
GND

GND

POWER

46
45
29
39
18
17
65
64
63

62
61
59
58
54
53

GND

Hình 3.3 Sơ đồ mạch nguyên lý khối gửi tín hiệu giám sát về trung tâm

GVHD: TS. Phạm Duy Phong

SVTH: Trần Việt Trung
Trang 17


3.1.2. Phần cứng thiết bị giám sát tại trung tâm
3.1.2.1. Module nhận các thông số đánh giá chất lượng nước từ thiết bị đo gửi về
MODULE SIM POWER ON/OFF
NRESET
MODULE SIM RESET

PWRKEY

PWRKEY

3

MCU_POWERR4

1K

2

R6
47K

3

Q1
BC848

1

3

R3
SIM_RESET
1K

Q2
BC848

1

Q3
BC848

LED_ST R5 1
10K

2

2

R7
47K
GND

GND

GND

POWER
TURN ON SIM BAM > 1S
2
PWRKEY
S21

1
2

PWRKEY
PWRKEY_OUT

V_USIM 30
DATA_SIM 31
CLK_SIM 32
RESET_SIM33
34
R18 0R

27
GND
28
NETLIGHT 52
STATUS 66
60

SIM_VDD
SIM_DATA
SIM_CLK
SIM_RST
SIM_PRESENCE
DBG_TXD
DBG_RXD
NETLIGHT
STATUS
RF_ANT
SIM900

GND
GND
GND
GND
GND
GND
GND
GND
GND
GND
GND

GND
GND
GND
GND

ANT1

NRESET

VDD_EXT
VBAT
VBAT
VBAT

R10

10K

68
67
51
50
49
48
47
44
43
42
41
40

R11

10K

GND

GND

SK1
3
2
1

USIM_DATA
USIM_VPP
GND

Q5
BC848

1
2

16

NETLIGHTR9
1K

Q4

BC848

1

LED
3

GND

NRESET

GPIO12
GPIO11
KBC0/GPIO10
KBC1/GPIO9
KBC2/GPIO8
KBC3/GPIO7
KBC4/GPIO6
KBR0/GPIO5
KBR1/GPIO4
KBR2/GPIO3
KBR3/GPIO2
KBR4/GPIO1

STATUS R8
1K

D2

LED_ST

Network Status

R19
1K

DISP_CLK
DISP_DATA
DISP_D/C
DISP_CS

D1
LED

2

11
12
13
14

D5

25
26
38
37
36
35

R2

470R

3

1

ADC
VRTC
SCL
SDA
PWM2
PWM1

Status

DTR
RI
DCS
DSR
CTS
RTS
TXD
RXD

R1
470R

24
23
22

21
20
19

1

LINEIN_L
LINEIN_R
SPK_N
SPK_P
MIC_N
MIC_P

1

3
4
5
6
7
8
SIM_TXD 9
SIM_RXD 10
RI

VCC

POWER

U1

USIM_CLK
USIM_RST
V_USIM

DATA_SIM
CLK_SIM
RESET_SIM
V_USIM

4
5
6

SIM Card socket
GND

15
57
56
55

POWER

46
45
29
39
18
17

65
64
63
62
61
59
58
54
53

GND

Hình 3.4 Sơ đồ mạch nguyên lý khối nhận tín hiệu giám sát về trung tâm
3.1.2.2. Module giao tiếp với máy tính để giám sát các đại lượng của nước thải
RXD0 R20 0
TXD0 R21 0

TXD_PL
RXD_PL

SIM_RXD R22 0
SIM_TXD R23 0
+5V USB

RXD_PL 1
TXD_PL 5
2
R25 220K
11

+5V USB
+5V USB
C7
104

DPV
DM

R27 4K7
R29 4K7

3
12
13
14

R30 22
R32 22

15
16

+3.3V
R35 1K5

GND
+5V USB
1

R37

D8

1
D9

RXD_PL

4
17
8
24
19

2.2k
R38
2.2k

TXD
RXD
DTR_N
CTS_N
RTS_N
SHTD_N
GP3
GP4

VDD_5V
GP1
GP0
PLL_TEST

GND
GND
NC
GND

DP
DM
VDD_325
VO_33
NC
NC
RESET

RI_IN
DSR_N
DCD_N
OSC2
OSC1

20

+5V USB

23 R24 220K
22 R26 220K
+5V USB

26
25
18

21
7

GND

6 R33 220K
9 R34 220K
10 R36 220K
28
27

+5V USB

Y2

U4
TXD_PL
+5V USB

GND

C14

12MHz
C15
22 pF

22 pF

GND

Hình 3.5 Sơ đồ mạch nguyên lý khối giao tiếp với máy tính

GVHD: TS. Phạm Duy Phong

SVTH: Trần Việt Trung
Trang 18


3.1.3. Hình ảnh thiết bị sau khi hoàn thiện

Hình 3.6. Mạch giám sát tại trung tâm sau khi hoàn thiện

Hình 3.7. Mạch giám sát tại trung tâm sau khi đóng hộp

Hình 3.8. Thiết bị đo giám sát sau khi hoàn thiện

GVHD: TS. Phạm Duy Phong

SVTH: Trần Việt Trung
Trang 19


3.2. Phần mềm hệ thống
3.2.1. Yêu cầu và chức năng cơ bản của phần mềm
- Phần mềm được cài đặt trên máy tính, có khả năng giao tiếp kết nối phần cứng
là modem GSM trực tiếp qua cổng COM máy tính.
- Có thể thiết lập, thay đổi các thông số cần giám sát.
- Số lượng các thông số giám sát không giới hạn, do vậy khi thiết kế phần mềm
yêu cầu thiết kế ở dạng mở để có thể thay đổi các thông số giám sát khi có nhu

cầu.
- Phần mềm có khả năng theo dõi, giám sát các thông số môi trường qua mạng
Thông tin di động.
- Hệ thống có khả năng hiển thị cảnh báo ngưỡng các thông số đo được.
- Cho phép đặt các giá trị ngưỡng từ màn hình giao diện theo dõi, điều khiển
trên máy tính.
- Cho phép hiển thị trạng thái hoạt động các cơ cấu chấp hành trong mạng cũng
như các cảnh báo lỗi của chúng.
- Hiển thị các thông số đo được theo thời gian ở dạng bảng.
- In ấn và lập báo cáo theo các tiêu chí khác nhau.
3.2.2. Thiết kế giao diện và các module phần mềm
Chương trình phần mềm theo dõi kiểm soát hệ thống xả thải tại các khu công
nghiệp được thiết kế trên nền tảng phần mềm Visual Basic 2008, sử dụng kết hợp
với tập lệnh AT trong vấn đề truyền nhận dữ liệu, kết nối với máy tính qua cổng
COM.
Hình 3.6 là giao diện hiển thị các tham số đo được tại các trạm đo hiện
trường, theo chu kỳ 10 phút trạm đo đặt tại hiện trường thực hiện đo và gửi số liệu
đo được về Trung tâm để hiển thị lên máy tính. Khi nhận được bản tin SMS chứa
các số liệu từ kết quả đo tại các trạm đo gửi về, máy tính được kết nối với modem
GSM sẽ tự động xử lý SMS và lấy ra các kết quả đo và lưu trữ vào cơ sở dữ liệu
đồng thời hiển thị lên giao diện phần mềm được cài đặt trên máy tính tại Trung tâm.
GVHD: TS. Phạm Duy Phong

SVTH: Trần Việt Trung
Trang 20


Dữ liệu từ kết quả đo gửi về sẽ bao gồm: thời gian tại thời điểm đo tính theo giờphút- giây và tính theo ngày tháng năm của thời điểm hiện tại, đồng thời chứa số
liệu của các kết quả đo tại hiện trường. Theo số liệu đó, quá trình lưu trữ vào cơ sở
dữ liệu SQL sẽ lưu trữ luôn tình trạng cảnh báo đối với các tham số đo được. Các

trạng thái cảnh báo được quy định như sau:
-

Kết quả đo nằm trong giới hạn cho phép (từ ngưỡng báo động dưới đến
ngưỡng báo động trên): cho cảnh báo “Bình thường”.

-

Kết quả đo nằm ngoài giới hạn cho phép: cho cảnh báo “Nguy hiểm”.
Quá trình kiết xuất báo cáo được thực hiện trên giao diện trong hình 3.7. Có

thể xuất báo cáo theo các khoảng thời gian, hoặc theo mã trạm.
Hình 3.8 là giao diện cài đặt hệ thống. Quá trình thiết lập kết nối phần cứng
là modem GSM được thực hiện qua kết nối cổng COM. Khi hệ thống cần lắp đặt
thêm trạm đo hiện trường, trên giao diện phần mềm cài đặt hệ thống cần nhập các
thông tin cho trạm đo đó như là: Mã trạm, tên trạm, địa chỉ đặt trạm và số điện thoại
của thuê bao tại tram đo đó. Tùy mỗi trạm đo sẽ yêu cầu kiểm soát các thông số, do
vậy trên giao diện này hoàn toàn có thể thực hiện nhập các thông số cần giám sát
phù hợp với các cảm biến, sensor được lắp đặt tại trạm đo hiện trường.

GVHD: TS. Phạm Duy Phong

SVTH: Trần Việt Trung
Trang 21


Hình 3.6. Giao diện hiển thị các tham số đo được tại các trạm đo hiện trường

GVHD: TS. Phạm Duy Phong

SVTH: Trần Việt Trung
Trang 22