Nghiên cứu chế tạo hệ đo nồng độ hạt bụi PM2 5 và PM10 trong không khí dựa trên Arduino

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-------------

Phạm Duy Dƣơng

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ ĐO NỒNG ĐỘ HẠT BỤI PM2.5
VÀ PM10 TRONG KHƠNG KHÍ DỰA TRÊN ARDUINO

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2018


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-------------

Phạm Duy Dƣơng

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ ĐO NỒNG ĐỘ HẠT BỤI PM2.5 VÀ
PM10 TRONG KHƠNG KHÍ DỰA TRÊN ARDUINO
\
Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến và điện tử
Mã số: 8440130.03

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. PHẠM VĂN THÀNH

Hà Nội – Năm 2018

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên của luận văn này em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo
hướng dẫn TS. Phạm Văn Thành. Thầy đã tận tình quan tâm hướng dẫn em trong
q trình hồn thành luận văn này.
Em cũng xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới tồn thể các thầy cơ giáo
trong khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại Học Quốc Gia Hà Nội
đã dạy bảo em tận tình trong suốt quá trình học tập tại khoa.
Em cũng xin được gửi lời tới cơ quan em đang công tác là công ty TNHH
Ratoc đã tạo điều kiện thuận lợi để em hồn thành chương trình cao học.
Nhân dịp này em cũng xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn
bè đã ln bên em, cổ vũ, động viên, giúp đỡ em trong suốt q trình học tập và
hồn thành luận văn này.
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Đại học Quốc gia Hà Nội trong đề tài mã số
QG.18.17.
Hà Nội, tháng 12 năm 2018
Học viên

Phạm Duy Dương

i


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ................................................................................................................................... 1
Chƣơng 1 - TỔNG QUAN..................................................................................................... 3
1.1.Định nghĩa về nồng độ bụi PM2.5 và PM10 và ảnh hƣởng của chúng tới
môi trƣờng và sức khỏe con ngƣời. ......................................................................3
1.1.1. Hạt trôi nổi ...................................................................................................3

1.1.2. Định nghĩa bụi PM2.5 và PM10 .................................................................4
1.2. Phƣơng pháp đánh giá nồng độ bụi PM2.5 và PM10 thông qua bộ chỉ số
AQI (Air Quality Index) ........................................................................................5
1.2.1 Khái niệm bộ chỉ số AQI .............................................................................5
1.2.2 Các phương pháp tính tốn AQI tại một số nước trên thế giới ...................6
1.2.3. Phương pháp tính tốn bộ chỉ số chất lượng khơng khí (AQI) theo sổ tay
hướng dẫn của tổng cục môi trường Việt Nam ban hành ....................................9
1.3. Internet kết nối vạn vật và phƣơng pháp xây dựng một mô hình quan
trắc mơi trƣờng tự động ứng dụng Internet kết nối vạn vật: ..........................12
1.3.1. Internet kết nối vạn vật (Internet of Thing - IoT) .....................................12
1.3.2. Phương pháp xây dựng một mơ hình quan trắc mơi trường tự động ứng
dụng Internet kết nối vạn vật: .............................................................................13
1.3.3. Giao tiếp truyền thông nối tiếp UART [3] ...............................................13
1.3.4. Bộ giao thức TCP/IP [13] .........................................................................14
1.4. Các phƣơng pháp đo nồng độ bụi PM2.5 và PM10 ...................................16
1.4.1. Phương pháp hấp thụ tia beta [5] .............................................................16
1.4.2. Phương pháp tán xạ ..................................................................................17
Chƣơng 2 – CHẾ TẠO THIẾT BỊ .................................................................................... 20
2.1. Các module phần cứng, phần mềm và website hỗ trợ IoT .......................20
2.1.1. Arduino Uno R3 .......................................................................................20
2.1.2. Cảm biến Nova PM sensor SDS011 ........................................................22
2.1.3. LCD I2C ...................................................................................................25
2.1.4. ESP 8266 ..................................................................................................26
2.1.5. Website: https// thingspeak.com ..............................................................27
2.1.6. AppInventor 2 – phần mềm lập trình Android .........................................30
ii


2.2. Chế tạo thiết bị ..............................................................................................31
2.2.1. Kết nối phần cứng thiết bị ........................................................................31

2.2.2. Đưa dữ liệu từ ESP8266 lên thingspeak.com...........................................33
2.2.3 Truyền dữ liệu từ thingspeak về điện thoại và xử lý số liệu thông qua phần
mềm viết cho hệ điều hành Android ..................................................................35
2.2.4 Mơ hình Internet kết nối vạn vật đối với thiết bị đo PM2.5 và PM10 sử
dụng Arduino ......................................................................................................38
2.2.5.Lưu đồ thuật toán ......................................................................................40
Chƣơng 3 – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................................... 43
3.1. Kết quả chế tạo thiết bị đo nồng độ bụi PM2.5 và PM10 sử dụng
Arduino .................................................................................................................43
3.2. Kết quả đo nồng độ bụi PM2.5 và PM10 tại một số địa điểm tại Hải
Phòng: ...................................................................................................................46
3.2.1. Đo tại tỉnh lộ 354, đoạn qua xã Mỹ Đức, huyện An Lão, Hải Phòng: ...........47
3.2.2. Đo tại đường bao Nguyễn Bỉnh Khiêm, quận Ngơ Quyền, Hải Phịng: ..........49
3.2.3. Đo trong nhà tại thôn Tiến Lập, xã Mỹ Đức, huyện An Lão, Hải Phòng:
............................................................................................................................52
KẾT LUẬN ............................................................................................................................ 60
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................... 62
PHỤ LỤC................................................................................................................................ 64

iii


KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
AIDS

: Hệ thống suy giảm miễn dịch mắc phải

AQI

: Chỉ số chất lượng khơng khí

EPI

: Chỉ số chất lượng môi trường

GTTT

: Giá trị tức thời

IoT

: Internet kết nối vạn vật

MIT

: Học viện công nghệ Massachusetts

ONKK

: Ơ nhiễm khơng khí

OOP

: Lập trình hướng đối tượng

QCVN

: Quy chuẩn Việt Nam

TCVN

: Tiêu chẩn Việt Nam

UART

: Giao tiếp truyền thông nối tiếp

US EPA : Cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ
WHO

: Tổ chức y tế thế giới

iv


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Các mức cảnh báo AQI tại Hoa Kỳ ...........................................................6
Bảng 1.2. Bảng các chỉ số trên và chỉ số dưới dùng để tính AQI ..............................7
Bảng 1.3. Bảng tiêu chuẩn khơng khí của Hoa Kỳ ....................................................7
Bảng 1.4. Các mức AQI đang được áp dụng tại Astralia ..........................................8
Bảng1.5. Các thơng số và giá trị tiêu chuẩn để tính AQI ..........................................9
Bảng 1.6. Tiêu chuẩn chất lượng khơng khí của Astralia ..........................................9
Bảng 1.7. Bảng cảnh báo chất lượng khơng khí AQI của Việt Nam .......................11
Bảng 1.8. Bảng các giá trị QCx trong quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng
không khí xung quanhQCVN 05:2009/BTNMT .......................................................11
Bảng 2.1. Thơng số kỹ thuật của cảm biến Nova PM sensor SDS011 ......................23
Bảng 2.2. Bảng nội dung các byte ............................................................................24
Bảng 2.3. Bảng kết nối chân cho các module phần cứng của thiết bị ......................32
Bảng 2.4. Bảng cảnh báo chất lượng khơng khí AQI của Việt Nam ........................36
Bảng 3.1. Thông số kĩ thuật của thiết bị ...................................................................43

Bảng 3.2. Tính tốn giá thành thiết bị ......................................................................44
Bảng 3.3. So sánh thiết bị với một số sản phẩm trên thị trường ...............................45
Bảng 3.4. Chỉ số AQI theo giờ ngày 25/11/2018 ......................................................47
Bảng 3.5. Chỉ số AQI ngày 25/11/2018 ....................................................................49
Bảng 3.6. Chỉ số AQI theo giờ ngày 20/11/2018 ......................................................49
Bảng 3.7. Chỉ số AQI ngày 20/11/2018 ....................................................................51
Bảng 3.8. Chỉ số AQI theo giờ của ngày 11/11/2018 ...............................................52
Bảng 3.9. Chỉ `số AQI ngày 11/11/2018 ...................................................................53
Bảng 3.10. Chỉ số AQI theo giờ của ngày 12/11/2018 ............................................53
Bảng 3.11. Chỉ số AQI ngày 12/11/2018 ..................................................................54
Bảng 3.12. Chỉ số AQI theo giờ của ngày 13/11/2018 ............................................54
Bảng 3.13. Chỉ số AQI ngày 13/11/2018 ..................................................................55
Bảng 3.14. Chỉ số AQI theo giờ của ngày 14/11/2018 .............................................55
Bảng 3.15. Chỉ số AQI ngày 14/11/2018 ..................................................................56
Bảng 3.16. Chỉ số AQI theo giờ của ngày 15/11/2018 .............................................56
Bảng 3.17. Chỉ số AQI ngày 15/11/2018 ..................................................................57
v


Bảng 3.18. Chỉ số AQI từ ngày 7h ngày 11/11/2018 đến ngày 15/11/2018 ............58
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Ơ nhiễm khơng khí tại nhà máy sản xuất cơng nghiệp .....................3
Hình 1.2. Ơ nhiễm khơng khí trong giao thơng đơ thị tại Việt Nam ..............5
Hình 1.3. Mơ hình IoT cho hệ thống quan trắc mơi trường tự động ..............13
Hình 1.4. Q trình đóng gói tệp tin ...............................................................15
Hình 1.5. Q trình truyền tin thơng qua giao thức TCP/IP ..........................15
Hình 1.6. Ngun lý đo bụi bằng phương pháp tán xạ ánh sáng ...................18
Hình 2.1.Sơ đồ Arduino Uno R3 .....................................................................20
Hình 2.2. Hình ảnh sơ đồ cảm biến ................................................................23
Hình 2.3.Hình ảnh LCD I2C ...........................................................................25

Hình 2.4. Hình ảnh module ESP – 01 sử dụng chíp ESP 8266 ......................26
Hình 2.5. Hình ảnh đồ thị trên website .....................27
Hình 2.6. Hình ảnh một đoạn code viết bằng ngơn ngữ App inventor ...........31
Hình 2.7. Đồ thị đo PM 2.5 .............................................................................33
Hình 2.9. .Hình ảnh hiển thị kết quả đo bụi PM2.5 ........................................34
Hình 2.10. Hình ảnh hiển thị kết quả đo bụi PM10 ........................................34
Hình 2.11.Hình ảnh hiển thị vị trí đo ..............................................................35
Hình 2.12.Hình ảnh App cho ứng dụng di động Android ...............................38
Hình 2.13. Mơ hình IoT dành cho thiết bị ......................................................39
Hình 2.14. Lưu đồ thuật tốn cho Arduino .....................................................41
Hình 2.15. Lưu đồ thuật tốn cho App Inventor .............................................42
Hình 3.1a. Hình ảnh kết nối các module của thiết bị .....................................45
Hình 3.1.b. Hình ảnh thiết bị đã được đóng hộp ............................................45
Hình 3.2. Đồ thị chỉ số AQI của PM2.5 ngày 25/11 .......................................48
Hình 3.3. Đồ thị chỉ sốAQI của PM10 ngày 25/11 ........................................48
Hình 3.4.Đồ thị chỉ sốAQI của PM2.5ngày 20/11 ..........................................50
.........................................................................................................................51
Hình 3.5. Đồ thị chỉ số AQI của PM10 ngày 20/11 ........................................51
Hình 3.6. Đồ thị chỉ số AQI của PM2.5 từ 7h ngày 11/11 đến hết ngày 15/11
.........................................................................................................................58
Hình 3.7.Đồ thị chỉ số AQI củaPM10 từ 7h ngày 11/11 đến hết ngày 15/11 .59
vi


vii


MỞ ĐẦU
Hiện nay, vấn đề ô nhiễm môi trường đang khá nghiêm trọng, đặc biệt ở các
nước đang phát triển. Một trong những vấn đề về ô nhiễm môi trường là ơ nhiễm

khơng khí với 92% dân số thế giới đang phải sống trong các địa điểm có chất lượng
khơng khí thấp. Trong đó, ở khu vực Đơng Nam Á và phía Tây Thái Bình Dương là
những khu vực có mức độ ơ nhiễm khơng khí cao, đặc biệt là tại Trung Quốc, Việt
Nam và Malaysia.
Trong các tác nhân gây ô nhiễm không khí, bụi PM2.5 và PM10 gây nguy
hiểm nhất bởi chúng chứa nhiều chất độc hại. Những chất này có thể thâm nhập sâu
vào phổi và trong hệ thống tim mạch, gây ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khỏe con
người.
Tại Việt Nam, ơ nhiễm khơng khí là vấn đề rất báo động trong thời gian gần
đây do sự phát triển giao thơng và do q trình cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa
nhanh chóng cả ở nơng thơn và thành thị. Do đó việc xây dựng các trạm quan trắc
mơi trường khơng khí tự động theo thời gian thực là rất cần thiết nhằm cảnh báo rõ
ràng tình trạng ô nhiễm để có hướng xử lý kịp thời.
Tuy nhiên, việc quan trắc ơ nhiễm khơng khí tự động này mới được triển
khai chủ yếu tại Hà Nội và TP.Hồ Chí Minh do vấn đề về chi phí xây dựng và vận
hành cịn rất cao. Do đó, nhằm giảm giá thành và tiến tới triển khai rộng rãi các
trạm quan trắc chất lượng khơng khí, việc xây dựng các trạm quan trắc có khả năng
tự động thu thập và lưu trữ số liệu đo đạc với giá thành rẻ là vô cùng cần thiết.
Trong luận văn này, thiết bị đo hai thông số quan trọng để đánh giá chất
lượng không khí là PM2.5 và PM10 đã được chế tạo thành cơng dựa trên board
mạch Arduino Uno. Thiết bị có khả năng đánh giá chất lượng khơng khí (AQI)
theo TCVN 5937:2005[1] do tổng cục môi trường ban hành cho thông số PM2.5 và
PM10. Đặc biệt, thiết bị có khả năng gửi số liệu đo đạc được lên website
thingspeak.com nhằm đánh giá và cảnh báo về chất lượng khơng khí theo thời gian
thực.
Người sử dụng điện thoại thơng minh hoặc máy tính bảng cũng có thể kiểm
tra được giá trị đo qua đó giúp giám sát chất lượng khơng khí từ xa.

1

Luận văn bao gồm ba chương cùng với phần mở đầu và kết luận. Chương 1
trình bày tổng quan về các phương pháp đánh giá chất lượng khơng khí của một số
quốc gia theo bộ chỉ số chất lượng không khí, hệ thống Internet kết nối vạn vật và
một số phương pháp đo nồng độ bụi PM2.5 và PM10 trong khơng khí. Chương 2
tìm hiểu về các module dùng để chế tạo thiết bị, các cách thức vận hành của thiết bị,
cách đưa dữ liệu lên thingspeak.com và lấy dữ liệu về phần mềm. Chương 3 trình
bày về quá trình thiết kế và chế tạo thiết bị đo đạc hai thông số PM2.5 và PM10 dựa
trên board mạch Arduino UNO tự động gửi dữ liệu lên internet, phần mềm kiểm tra
thông số trên điện thoại và kết quả đo tại một số địa điểm nhằm đánh giá tính chính
xác và ổn định của thiết bị.

2


Chƣơng 1 - TỔNG QUAN
1.1.Định nghĩa về nồng độ bụi PM2.5 và PM10 và ảnh hƣởng của chúng
tới môi trƣờng và sức khỏe con ngƣời.
Trong những năm qua, với sự phát triển cơng nghiệp và giao thơng đơ thị,
tình hình ô nhiễm không khí của Việt Nam ngày càng nghiêm trọng, đăc biệt là ô
nhiễm hạt bụi. Nồng độ các thơng số bụi có xu hướng duy trì ở ngưỡng cao, đặc biệt
tại các trục giao thông và tuyến đường chính ở các đơ thị lớn, các khu cơng nghiệp
và công trường xây dựng. Kết quả đo tại các trạm quan trắc ở Hà Nội và TP.Hồ Chí
Minh cho thấy số ngày có giá trị bụi PM10, PM2.5 vượt quy chuẩn Việt Nam
(QCVN) chiếm tỷ lệ khá cao, đặc biệt tại các trạm ven đường giao thơng. Trong đó
có vấn đề ơ nhiễm khơng khí gây ra bởi các hạt bụi mịn, yếu tố có tác động nguy
hại đối với sức khỏe người dân. Tỷ lệ bụi mịn (PM2.5 và PM10) ở nước ta khá cao,
nhất là vào những ngày nhiệt độ thấp hoặc khơng khí khơ. Khu vực được ghi nhận ô
nhiễm nhiều nhất là xung quanh các khu công nghiệp, khu sản xuất đặc biệt tại một
số ngành cơng nghiệp như khai khống, nhiệt điện, xi măng… đang phát thải một

lượng bụi rất lớn vào môi trường không khí.

Hình 1.1. Ơ nhiễm khơng khí tại nhà máy sản xuất công nghiệp [23]
1.1.1. Hạt trôi nổi
Hạt trôi nổi là những hạt dạng lỏng hoặc rắn rất nhỏ trôi nổi trong khơng khí.
Các hạt này có thể do nhiều chất khác nhau tạo nên như cacbon, sulfua, khí nitơ, và
các hợp chất kim loại,… Trong đó, gồm những hạt có đường kính bé hơn 10
micromet là những hạt có thể bị con người hít vào khi thở, chúng tích tụ trên phổi,
3


gây ra nguy hại cho sức khỏe con người và những hạt có đường kính bé hơn 2,5
micromet là những hạt đặc biệt nguy hiểm bởi vì chúng xâm nhập trực tiếp vào các
túi phổi.[6]
Vì vậy, các nhà khoa học dùng chỉ số PM2.5 để biểu thị hàm lượng tiêu
chuẩn của các hạt trôi nổi trong một mét khối không khí. Chỉ số này càng cao cũng
có nghĩa là sự ơ nhiễm khơng khí ở nơi đó càng nghiêm trọng.[6]
1.1.2. Định nghĩa bụi PM2.5 và PM10
Bụi PM 2.5 là các hạt bụi lơ lửng có đường kính nhỏ hơn hoặc bằng 2,5 µm
(micromet)
Bụi PM10 là các hạt bụi lơ lửng có đường kính nhỏ hơn hoặc bằng 10 µm
(micromet) và lớn hơn 2,5 µm (micromet) .[6]
Bụi PM2.5 và PM10 có tác động rất lớn lên sức khỏe con người. Theo
nghiên cứu gần đây do Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) thực hiện, bụi PM2.5 đứng
thứ 5 trong các nguy cơ gây ra tử vong trên tồn cầu. Trong đó, các nước Đơng Á
và Nam Á đóng góp 55% tổng số ca tử vong trên. Năm 2015, ô nhiễm không khí
(ONKK) đã gây ra 9 triệu ca tử vong chiếm 16% tất cả các ca tử vong trên toàn
cầu, gấp 3 lần AIDS, lao và sốt rét cộng lại, gấp 15 lần chết do chiến tranh, 92%
số ca tử vong liên quan đến ONKK xảy ra ở các nước thu nhập thấp và trung
bình. [22] Ngồi gây tử vong, ONKK còn gây ra gánh nặng bệnh tật như các bệnh

về hô hấp và tim mạch. Các chất ô nhiễm gồm hạt bụi (PM2.5 và PM10) khi hít vào
nang phổi sẽ gây ra các tổn thương đến tế bào phổi từ đó gây ra bệnh tật. Một số
bệnh sau đây có liên quan đến phơi nhiễm ONKK: bệnh về đường hô hấp hoặc liên
quan đến chức năng phổi, các bệnh tim mạch, các bệnh về thần kinh, đẻ non/sinh
con nhẹ cân và ảnh hưởng đến sự phát triển của trẻ. [6]
Ở Việt Nam, ONKK cũng gây ra nhiều ảnh hưởng đến sức khỏe của người
dân. Báo cáo chỉ số chất lượng môi trường (EPI) được thực hiện bởi Đại học Yale
(Mỹ) đã nhấn mạnh Việt Nam nằm trong nhóm 10 nước ô nhiễm nhất thế giới.

4


Hình 1.2. Ơ nhiễm khơng khí trong giao thơng đơ thị tại Việt Nam [24]
1.2. Phƣơng pháp đánh giá nồng độ bụi PM2.5 và PM10 thông qua bộ chỉ số
AQI (Air Quality Index)
1.2.1 Khái niệm bộ chỉ số AQI
AQI là chỉ số thơng báo chất lượng khơng khí hàng ngày. AQI cho ta biết
mức độ ơ nhiễm của khơng khí và các vấn đề liên quan đến sức khỏe. AQI cảnh báo
các vấn đề sức khoẻ mà ta có thể gặp phải trong vài giờ hoặc vài ngày sau khi hít
phải khí ơ nhiễm.
Tiêu chuẩn của US EPA (U.S. Environmental Protection Agency – Cơ quan
bảo vệ môi trường Hoa Kỳ) tính AQI bằng cách lấy giá trị cao nhất từ chỉ số của các
thơng số được tính tốn. Ở trường hợp của Hà Nội là lấy chỉ số PM2.5.
PM2.5 và PM10 được đo bằng máy đo khơng khí xung quanh nơi lắp đặt,
các máy đo này được đặt tại hai địa điểm ở Hà Nội là khu vực Đại sứ quán Mỹ,
Láng Hạ và trường quốc tế Liên hợp quốc, Hồ Tây.
AQI được tính tốn cho từng thơng số. Mỗi thông số sẽ xác định được một
giá trị AQI cụ thể, giá trị AQI cuối cùng là giá trị lớn nhất trong các giá trị AQI của
mỗi thơng số.
Ngồi ra, các chỉ số AQI được chia theo các khoảng giá trị khác nhau, ứng

với các cảnh báo khác nhau cho cộng đồng. Khi giá trị AQI nằm trong một khoảng
nào đó, thì thơng điệp cảnh báo cho cộng đồng ứng với khoảng giá trị đó sẽ được
đưa ra.
5


1.2.2 Các phƣơng pháp tính tốn AQI tại một số nƣớc trên thế giới
Sau đây là một số phương pháp tính tốn bộ chỉ số chất lượng khơng khí
(AQI) của một số quốc gia trên thế giới :
1.2.2.1 Hoa Kỳ
Tại Hoa Kỳ, chất lượng khơng khí được cơng bố theo thời gian thực trên
khắp lãnh thổ. AQI được tính tốn từ các thơng số CO, NO2, SO2, PM10, PM2,5 và
có thang đo từ 0 – 500. Các mức AQI và ý nghĩa của nó được cho trong bảng 1.1
như sau:
Bảng 1.1. Các mức cảnh báo AQI tại Hoa Kỳ [12]
Cảnh báo cho cộng đồng về chất lƣợng mơi
trƣờng
Tốt
Trung bình
Ảnh hưởng xấu đến nhóm nhạy cảm
Ảnh hưởng xấu đến sức khỏe
Ảnh hưởng rất xấu đến sức khỏe
Nguy hiểm

Khoảng giá trị AQI
0 - 50
51 - 100
101 - 150
151 - 200
201 - 300

301 - 500

Cơng thức tính tốn chỉ số chất lượng khơng khí từng thơng số (AQI phụ)
của Hoa Kỳ như sau: [12]
Ip =

( Cp - BPLO) + ILO

(1.1)

Trong đó:
Ip: Chỉ số chất lượng mơi trường mơi trường khơng khí của chất ô nhiễm p
Cp: Nồng độ của chất ô nhiễm p
BPHi: Chỉ số trên của Cp
BPH0: Chỉ số dưới của Cp
IHi: Chỉ số AQI ứng với nồng độ BPHi
IL0: Chỉ số AQI ứng với nồng độ BPL0

6


Bảng 1.2. Bảng các chỉ số trên và chỉ số dưới dùng để tính AQI [12]
O3
(ppm)
8h
0.0000.059
0.0600.075

O3
(ppm)

1h

PM10
(μg/m3)
24h

PM2.5
(μg/m3)
24h
0.015.4
15.540.4

-

0-54

-

55-154

0.0760.095

0.1250.164

155254

40.565.4

9.512.4

0.1450.224

101150

0.0960.115

0.1650.204

255354

65.5150.4

12.515.4

0.2250.304

151200

0.1160.374

0.2050.404

355424

150.5250.4

15.530.4

0.3050.604

0.651.24

201300

0.4050.504
0.5050.604

425504
505604

250.5350.4
350.5500.4

30.540.4
40.550.4

0.6050.804
0.8051.004

1.251.64
1.652.04

301400
401500

CO
(ppm)
8h
0.0-4.4
4.5-9.4

SO2
(ppm)
24h
0.0000.034
0.0350.144

NO2
(ppm)
24h
0-50

Tốt

51100

Trung bình
Ảnh hưởng
đến nhóm
nhạy cảm
Tác động
xấu đến
sức khỏe
Tác động
rất xấu đến
sức khỏe
Nguy hiểm
Rất nguy
hiểm

Để xây dựng được bảng các giá trị chỉ số trên và dưới như trên phải căn cứ
vào tiêu chuẩn quốc gia về giới hạn nồng độ các chất ô nhiễm trong mơi trường
khơng khí. Bảng 1.3 sau đây trình bày tiêu chuẩn về khơng khí xung quanh của Hoa
Kỳ:
Bảng 1.3. Bảng tiêu chuẩn khơng khí của Hoa Kỳ [12]
Chất ơ nhiễm
CO
Pb
NO2
O3
PM10
PM2.5
SO2

Loại tiêu chuẩn
Trung bình 8 giờ b
Trung bình 1 giờ b
Trung bình quý
Trung bình năm
Trung bình 1 giờ cao nhất c
4 lần trung bình 8 giờ cao nhất d
Trung bình năm
Trung bình 24 giờ e
Trung bình năm f
Trung bình 24 giờ g
Trung bình năm
Trung bình 24 giờ h
7

Tiêu chuẩn

9 ppm
35 ppm
1.5 μg/m3
0.053 ppm
0.12 ppm
0.08 ppm
50 μg/m3
150 μg/m3
15 μg/m3
65 μg/m3
0.03 ppm
0.14 ppm


a. Giá trị trong ngoặc là giá trị tương đương
b. Không vượt quá một lần trong năm
c. Không vượt quá 4 lần trong 3 năm
d. Không vượt quá 3 lần trong 3 năm
e. Sử dụng từ bách phần 98 trở xuống
1.2.2.2. Australia
Chất lượng khơng khí của Australia cũng được cơng bố thơng qua bộ chỉ số
AQI với cách tính riêng khác với Hoa Kỳ. Chỉ số càng thấp thì chất lượng khơng
khí càng tốt. Bảng cảnh báo cho bộ chỉ số AQI của Australia được xác định như
bảng 1.4 sau:
Bảng 1.4. Các mức AQI đang được áp dụng tại Astralia [8]
Ý nghĩa về chất lƣợng khơng khí

AQI

Rất tốt

0 - 33

Tốt

34 - 66

Trung bình

67 - 99

Kém

100 - 149

Rất kém

Lớn hơn hoặc bằng 150

Chỉ số chất lượng khơng khí được tính tốn cho mỗi thông số thông qua công
thức sau [8]:

AQI phụ = 100×

(1.2)

AQIphụ: Chỉ số chất lượng khơng khí phụ
Cp: Nồng độ của thông số
Qp: Giá trị tiêu chuẩn của thông số
Giá trị chỉ số chất lượng khơng khí bằng 100 tương ứng với nồng độ thông

số bằng với giá trị tiêu chuẩn của thơng số đó. Các thơng số và tiêu chuẩn tương
ứng được lựa chọn và lấy ra từ bảng Quy định tiêu chuẩn chất lượng khơng khí
xung quanh của Astralia. Các thơng số dùng để tính AQI bao gồm:

8


Bảng1.5. Các thông số và giá trị tiêu chuẩn để tính AQI [8]
Thơng số

Tiêu chuẩn

Loại trung bình

O3

100 ppb

1 giờ

NO2

120 ppb

1 giờ

SO2

200 ppb

1 giờ

CO

9 ppm

8 giờ

PM

50 μg/m3

24 giờ

Tầm nhìn

2.35

1 giờ

Bảng 1.6. Tiêu chuẩn chất lượng khơng khí của Astralia [8]
Thơng số

Loại trung bình

Nồng độ tối đa cho phép

CO

8 giờ

9.0 ppm

1 giờ

0.12 ppm

Năm

0.03 ppm

1 giờ

0.10 ppm

4 giờ

0.08 ppm

1 giờ

0.20 ppm

24 giờ

0.08 ppm

Năm

0.02 ppm

Chì

Năm

0.50 μg/m3

PM10

24 giờ

50 μg/m3

NO2
O3

SO2

Ngồi các quốc gia trên cịn rất nhiều các nước khác sử dụng bộ chỉ số đánh
giá chất lượng khơng khí (AQI) làm căn cứ để xác định mức độ ơ nhiễm khơng khí
trên tồn lãnh thổ như Anh, Pháp, HongKong, Hàn Quốc…, đa phần trong bộ chỉ số
của các quốc gia đó đều có ít nhất một hoặc cả hai thông số bụi PM2.5 và PM10
được đánh giá.
1.2.3. Phƣơng pháp tính tốn bộ chỉ số chất lƣợng khơng khí (AQI) theo
sổ tay hƣớng dẫn của tổng cục mơi trƣờng Việt Nam ban hành
1.2.3.1. Tính tốn giá trị AQI theo giờ
a. Giá trị AQI theo giờ của từng thơng số được tính tốn theo cơng thức 1.4 sau
đây: [9]

9

=

. 100

(1.4)

TSx: Giá trị quan trắc trung bình 1 giờ của thơng số X
QCx: Giá trị quy chuẩn trung bình 1 giờ của thông số X
Lưu ý: Đối với thông số PM10: do khơng có quy chuẩn trung bình 1 giờ, vì
vậy lấy quy chuẩn của TSP trung bình 1 giờ thay thế cho PM10
AQIxh : Giá trị AQI theo giờ của thơng số X (được làm trịn thành số
ngun).
b. Giá trị AQI theo giờ
Sau khi đã có giá trị AQIxh theo giờ của mỗi thông số, chọn giá trị AQI lớn
nhất của 05 thông số trong cùng 1 giờ để lấy làm giá trị AQI theo giờ: [9]
AQIh = max(AQIhx)

(1.5)

Trong 01 ngày, mỗi thơng số có 24 giá trị trung bình tương ứng từng 24 giờ.
AQIh dùng để đánh giá chất lượng mơi trường khơng khí xung quanh và mức độ
ảnh hưởng tới sức khỏe con người theo giờ.
1.2.3.2. Giá trị AQI theo ngày
a. Giá trị AQI theo ngày của từng thơng số
Đầu tiên tính giá trị trung gian là AQI trung bình 24 giờ của từng thơng số
theo công thức 1.6 sau đây: [9]

=

. 100

(1.6)

TSx: giá trị quan trắc trung bình 24 giờ của thơng số X
QCx: giá trị quy chuẩn trung bình 24 giờ của thơng số X
AQIx24: giá trị AQI tính bằng giá trị trung bình 24 giờ của thơng số X (được
làm trịn thành số ngun) và khơng tính giá trị AQI24hO3.
Giá trị AQI theo ngày của từng thông số được xác định là giá trị lớn nhất
trong số các giá trị AQI theo giờ của thơng số đó trong 01 ngày và giá trị AQI trung
bình 24 giờ của thơng số đó: [9]

= max(

)

Lưu ý: Giá trị AQId O3 = max(AQIh O3)
Trong đó AQId x là giá trị AQI ngày của thông số X
10

(1.7)


b. Giá trị AQI theo ngày
Sau khi đã có các giá trị AQI theo ngày của mỗi thông số, giá trị AQI lớn
nhất của các thơng số đó được lấy làm giá AQI theo ngày của trạm quan trắc đó:[9]
AQId = max (

)

(1.8)

1.2.3.3. So sánh chỉ số chất lượng không khí đã được tính tốn với bảng:
Sau khi tính tốn được chỉ số chất lượng khơng khí, sử dụng bảng xác định
giá trị AQI tương ứng với mức cảnh báo chất lượng khơng khí và mức độ ảnh
hưởng tới sức khỏe con người để so sánh, đánh giá.
Bảng 1.7. Bảng cảnh báo chất lượng khơng khí AQI của Việt Nam [9]
Khoảng giá
trị AQI
0 - 50

Chất lƣợng
khơng khí
Tốt

51 - 100

Trung bình

101 - 200

Kém

201 - 300

Xấu

Trên 300

Nguy hại

Ảnh hƣởng sức khỏe

Màu

Không ảnh hưởng đến sức khỏe
Nhóm nhạy cảm nên hạn chế thời gian
ở bên ngồi
Nhóm nhạy cảm cần hạn chế thời gian
ở bên ngồi
Nhóm nhạy cảm tránh ra ngồi. Những
người khác hạn chế ở bên ngoài
Mọi người nên ở trong nhà

Xanh
Vàng
Da cam
Đỏ
Nâu

Ghi chú: Nhóm nhạy cảm bao gồm: trẻ em, người già và những người mắc bệnh hô hấp

Bảng 1.8. Bảng các giá trị QCx trong quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng
khơng khí xung quanhQCVN 05:2009/BTNMT [9]
TT

Thơng số

1

2
3
4

SO2
CO
NOx
O3

5

Bụi lơ lửng (TSP)

6

Trung bình Trung bình Trung bình Trung bình
1 giờ
8 giờ
24 giờ
năm
350
125
50
30000
10000
5000
200
100
40
180

120
80
300

PM10
Ghi chú: Dấu (-) là không quy định.

11

-

200

140

-

150

50


1.2.3.4. Đánh giá nồng độ bụi PM2.5 và PM10 thông qua bộ chỉ số AQI:
Dựa trên cơng thức tính tốn bộ chỉ số chất lượng khơng khí đã trình bày ở
trên, thiết bị đo nồng độ bụi PM2.5 và PM10 tự động được nghiên cứu chế tạo dựa
trên board mạch Arduino UNO với các yêu cầu kĩ thuật cho thiết bị như sau:
- Thiết bị đo là thiết bị đo tự động hai thông số PM2.5 và PM10. Thời gian giữa
hai lần đo là 5 phút.
- Thiết bị có thể đo liên tục trong nhiều ngày.
- Số liệu đo được theo dõi và cảnh báo thông qua một website hoặc một ứng dụng

cho điện thoại di động.
- Các giá trị đo được tính tốn theo cơng thức tính chỉ số chất lượng khơng
khí do tổng cục mơi trường ban hành là chỉ số AQI theo giờ và chỉ số AQI theo
ngày cho từng thông số bụi PM2.5 và bụi PM10. Dựa trên các giá trị AQI, mầu
cảnh báo sẽ được hiển thị để cảnh báo mức nguy hiểm tại thời điểm đo.
1.3. Internet kết nối vạn vật và phƣơng pháp xây dựng một mơ hình
quan trắc mơi trƣờng tự động ứng dụng Internet kết nối vạn vật:
1.3.1. Internet kết nối vạn vật (Internet of Thing - IoT)
Internet kết nối vạn vật là một trong những lĩnh vực quan trọng trong cuộc
cách mạng công nghiệp 4.0. Internet kết nối vạn vật là kết nối các thiết bị sao cho
người dùng có thể điều khiển các thiết bị hoặc theo dõi số đo của các cảm biến
thông qua hệ thống mạng internet.
Các đặc tính riêng và yêu cầu của hệ thống IoT [20]:
+ Có sự kết hợp giữa phần cứng, cảm biến, ứng dụng phần mềm và kết nối
Internet trong cùng một hệ thống;
+ Trình xử lý sự kiện phức tạp, phân tích theo thời gian thực;
+ Hỗ trợ thu thập số liệu với độ chính xác, đa dạng và tốc độ cao;
+ Hệ thống có quy mơ dữ liệu lớn.
Luận văn xây dựng một hệ thống IoT cho lĩnh vực quan trắc môi trường.
Thông qua các cảm biến, các dữ liệu về môi trường sẽ được theo dõi và lưu trữ liên
tục, tự động qua đó giúp cơng việc của người theo dõi, thu thập số liệu trở nên đơn
giản hơn.

12


1.3.2. Phƣơng pháp xây dựng một mơ hình quan trắc môi trƣờng tự
động ứng dụng Internet kết nối vạn vật:
Với luận văn này, tơi đã xây dựng một mơ hình quan trắc mơi trường nhỏ có
ứng dụng Internet kết nối vạn vật để theo dõi các số liệu thu được từ cảm biến đo

nồng độ hạt bụi PM2.5 và PM10 dựa trên board mạch Arduino UNO. Thiết bị giao
tiếp với người sử dụng thông qua website hoặc điện thoại thông minh chạy hệ điều
hành Android. Mơ hình được xây dựng như hình 1.3:

Hình 1.3. Mơ hình IoT cho hệ thống quan trắc mơi trường tự động
Với mơ hình thể hiện tại hình 1.3, cảm biến đo các thơng số mơi trường và
chuyển các tín hiệu đo được sang dạng tín hiệu điện và truyền tín hiệu sang vi điều
khiển thơng qua các giao tiếp như UART. Vi điều khiển xử lý tín hiệu nhận được,
tính tốn, chuyển đổi các tín hiệu đó thành giá trị đo và truyền sang chíp tích hợp
wifi cũng thơng qua giao tiếp UART. Chíp tích hợp wifi sau khi nhận được tín hiệu
sẽ truyền dữ liệu lên một website hỗ trợ IoT. Sau đó, tín hiệu được truyền về điện
thoại thơng qua sóng wifi và được hiển thị trên phần mềm được cài đặt sẵn. Q
trình truyền tin qua mạng wifi thơng qua bộ giao thức TCP/IP. Trong mơ hình trên
ta sử dụng hai phương thức truyền tín hiệu là UART và TCP/IP.
1.3.3. Giao tiếp truyền thông nối tiếp UART [3]
UART là giao tiếp được sử dụng trong việc truyền dẫn dữ liệu nối tiếp giữa
máy tính hoặc vi điều khiển với các thiết bị ngoại vi hoặc vi điều khiển với các
sensor. Rất nhiều vi điều khiển hiện nay đã được tích hợp UART. Để bắt đầu cho
việc truyền dữ liệu, một bít START được gửi đi, sau đó là các bit dữ liệu và kết thúc
là bit STOP.

13


Trong quá trình truyền dữ liệu, ban đầu trạng thái chờ ở mức điện thế 1
(high). Khi bắt đầu truyền START bit sẽ chuyển từ mức 1 xuống mức 0 để báo hiệu
cho bộ nhận là quá trình truyền dữ liệu sắp xảy ra. Sau bit START là đến các bít từ
D0 đến D7. Sau khi truyền hết dữ liệu thì đến bit Parity để bộ nhận kiểm tra tính
đúng đắn của dữ liệu truyền. Cuối cùng là bit STOP để báo cho thiết bị nhận quá
trình truyền dẫn đã hoàn tất. Thiết bị nhận sẽ kiểm tra khung truyền nhằm đảm bảo

tính đúng đắn của dữ liệu.
Trong giao tiếp UART, ta khơng có dây truyền xung clock để đồng bộ hóa
tín hiệu, do đó để hai thiết bị truyền và nhận dữ liệu cần đồng bộ thời gian truyền
các bit tín hiệu thơng qua tốc độ baund.
1.3.4. Bộ giao thức TCP/IP [13]
Các tầng giao thức TCP/IP được chia làm bốn tầng chức năng, bốn tầng đó
là: Ứng dụng (Application), Giao vận (Transport), Internet, và Giao tiếp mạng
(Network Interface). Mỗi tầng trong mơ hình này tương ứng với một hoặc nhiều
tầng trong mơ hình 7 tầng của mơ hình OSI.
1.3.4.1.Giao thức lõi TCP/IP
Thành phần giao thức TCP/IP được cài trong hệ điều hành mạng là một
chuỗi các giao thức liên hệ với nhau được gọi là các giao thức lõi TCP/IP. Tất cả
các ứng dụng khác và các giao thức khác trong bộ giao thức TCP/IP dựa trên các
dịch vụ cơ sở cung cấp bởi các giao thức sau: IP, ARP, ICMP, IGMP, TCP và UDP.
1.3.4.2. Truyền tin theo bộ giao thức TCP/IP [3]
Một gói tin được truyền đi giữa các máy tính trong mạng LAN/WAN hay
giữa Client-Server trên mạng Internet là nhờ vào bộ giao thức TCP/IP như sau:
Quá trình đóng gói:

14


Hình 1.4. Q trình đóng gói tệp tin
Q trình truyền tin:

Hình 1.5. Q trình truyền tin thơng qua giao thức TCP/IP
Mơ tả q trình đóng gói và truyền tin qua giao thức TCP/IP: [13]
Với máy nguồn, tại lớp Application dữ liệu được tạo thành một khối Data
lớn và được chuyển xuống lớp Transport.

15


Tại lớp Transport, dữ liệu sẽ được chia nhỏ thành các Segment, Các Segment
này được đóng gói lại và được thêm vào một Header nhằm xác định dữ liệu tại máy
đích và định dạng theo kiểu truyền dữ liệu TCP hoặc UDP. Sau đó, dữ liệu được
chuyển xuống lớp Network.
Tại lớp Network, các Segment sẽ được gắn thêm IP Header, bao gồm IP
nguồn và IP đích. Sau đó, chúng được chuyển xuống lớp Datalink and Physical.
Tại lớp Data link và Physical, dữ liệu được đóng thêm địa chỉ MAC nguồn
và MAC đích và sau đó được truyền ra khỏi máy tính.
Khi ra khỏi máy tính:
Đầu tiên gói tin được đưa đến Switch, Switch sẽ mở gói tin ra và đọc địa chỉ
MAC. Thông qua địa chỉ này, thiết bị sẽ gửi gói tin đến nơi cần truyền hoặc gửi ra
Router nếu khác mạng.
Tại Router, nó sẽ đọc địa chỉ IP đích để xác định đường truyền và truyền tín
hiệu đến máy đích.
Khi dữ liệu được truyền đến máy đích, máy sẽ gỡ bỏ dần các Header và giải
mã tệp tin để lấy dữ liệu được gửi.
1.4. Các phƣơng pháp đo nồng độ bụi PM2.5 và PM10
1.4.1. Phƣơng pháp hấp thụ tia beta [5]
Phương pháp này xác định được khối lượng các hạt bụi PM bằng cách đo độ
hấp thụ tia beta, nội dung phương pháp được trình bày trên TCVN 9469-2012 như sau:
Hút một thể tích đã xác định khơng khí xung quanh qua một vật liệu lọc mà trên
đó bụi (các hạt vật chất) được giữ lại. Tổng khối lượng của bụi được xác định bằng
cách đo độ hấp thụ tia bêta. Phép đo này theo định luật hấp thụ thực nghiệm sau:[5]
N = No.e-km

(1.9)

Trong đó:
No số electron đến trên một đơn vị thời gian (tính bằng giây);
N số electron đã truyền qua trên một đơn vị thời gian (tính bằng giây) đo
được sau cái lọc;
k hệ số hấp thụ trên đơn vị khối lượng (cm2/mg);
m khối lượng diện tích (mg/cm2) của vật đã tiếp xúc với tia bêta.

16