Hệ thống giám sát tự động thông số môi trường không khí, khí thải

Trước yêu cầu cấp thiết về vấn đề tăng cường kiểm soát ô nhiễm khí thải do hoạt động của các khu công nghiệp và cụm công nghiệp (KCN và CCN), các cán bộ nghiên cứu của Viện Công nghệ HaUI kết hợp với một số giảng viên khoa Điện, khoa Công nghệ thông tin, trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã thực hiện thiết kế thành công hệ thống giám sát tự động thông số môi trường khí thải, áp dụng thực tế trên địa bàn tỉnh Hải Dương.

Hệ thống giám sát này đã được tích hợp và vận hành song song với hệ thống giám sát môi trường nước thải KCN và CCN (đề tài đã nghiệm thu năm 2016). Từ các trạm quan trắc khí thải, dữ liệu sẽ được truyền tự động, liên tục về máy tính chủ và được lưu trữ trong một cơ sở dữ liệu dùng chung. Phần mềm được viết bằng ngôn ngữ lập trình Java kết hợp với hệ quản trị cơ sở dữ liệu mã nguồn MySQL. Đây là ngôn ngữ lập trình mã nguồn mở, có thể chạy trên tất cả các nền tảng phần cứng và các hệ điều hành, có tính bảo mật cao. Phần mềm được xây dựng trên giao diện đồ họa, dễ sử dụng, vận hành ổn định và nhanh.

Dữ liệu đầu vào của bài toán được lấy trực tiếp từ các cảm biến đo khí thải ở trạm quan trắc thông qua bộ thu thập dữ liệu. Hệ thống cho phép các cán bộ quản lý và nhân viên của Sở Tài nguyên và Môi trường có thể quan sát trực tuyến, lưu trữ dữ liệu tại hiện trường. Ngoài ra, phần mềm có tính mở để cho phép người quản trị có thể thêm/bớt các trạm hoặc các tham số quan trắc một cách dễ dàng.

Cùng với việc phát triển phần mềm, các cán bộ nghiên cứu Viện Công nghệ HaUI đã hoàn thiện công nghệ thiết kế phần cứng, trong đó có tích hợp, mở rộng thêm các chức năng mới: lấy mẫu từ xa qua mạng Internet, cảnh báo bằng chuông/tin nhắn SMS, xây dựng các chỉ số đánh giá chất lượng không khí tổng hợp AQI ở các khu vực xung quanh nguồn thải khí, hiển thị trạng thái làm việc của các sensor trong trạm quan trắc,....

Hình 1. Sơ đồ cấu trúc tổng thể của hệ thống và sơ đồ kết nối chuyển đổi nguồn AC/DC

Cấu trúc cơ bản của hệ thống - các chức năng của bộ thu thập dữ liệu thiết kế cho trong hình 1 và một ví dụ về giá trị hiển thị tại màn hình trung tâm ở Công ty CP thép Hòa Phát cho trên hình 2. Ở đây, cấu trúc của hệ thống phần cứng bao gồm:

- Khối chuyển đổi dữ liệu từ 4-20mA thành tín hiệu điện áp. Đầu vào của khối này là các tín hiệu 4-20mA từ ngõ ra của các cảm biến, đầu ra của khối là tín hiệu điện áp 0,66-3,3V tương ứng với mức điện áp đặt vào các kênh AD của vi điều khiển.

- Khối xử lý dữ liệu sử dụng chíp ARM 32-bits STM32F103VET với 06 kênh AD-12bits thuận lợi cho việc đo lường dữ liệu.

- Khối màn hình HMI sử dụng LCD2004 dùng cho mục đích hiển thị dữ liệu của các kênh đo được.

- Khối SIM900A là module GPRS phục vụ cho việc chuyển dữ liệu lên internet và database.

- Khối nguồn sử dụng điện áp +12V, bao gồm nguồn từ lưới và nguồn từ acquy nhằm đảm bảo luôn có nguồn cấp cho hệ thống 24/24h.

Hình 2. Một ví dụ về kết quả giám sát trên màn hình trung tâm của Công ty CP thép Hòa Phát

Hệ thống đã đáp ứng được các chức năng sau:

- Bộ thu thập dữ liệu (dataloger) làm việc chính xác, ổn định, có tính bảo mật cao; phân cấp đến các cấp quản lý

- Tra cứu, thống kê thông tin thuộc tính, các đối tượng không gian: Cho phép người dùng tra cứu, thống kê dữ liệu thuộc tính, các thông tin về các đối tượng không gian của các đối tượng quản lý.

- Cập nhật thông tin thuộc tính và các đối tượng không gian: Cho phép người dùng cập nhật dữ liệu thuộc tính, các thông tin về các đối tượng không gian của các đối tượng quản lý.

Phần mềm được cài đặt trên máy tính chủ của Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh. Các hệ thống phần cứng được trang bị tại trạm quan trắc tự động ở các doanh nghiệp.

Về vấn đề bảo mật và phân quyền:

- Hệ thống bảo mật được thực thi nhiều lớp để đảm bảo an toàn dữ liệu được lưu trữ tránh những can thiệp từ bên ngoài và không có thẩm quyền. Bảo mật có nhiều mức độ bảo mật khác nhau: bảo mật mức mạng, mức ứng dụng, mức giao thức và mức vật lý;

- Hệ thống có chức năng phân quyền, quản lý người dùng: Quyền người dùng được phân theo 3 cấp: Cấp quản trị hệ thống: cấp quyền cho người dùng, quản lý người dùng khi đăng nhập vào hệ thống; Cấp cập nhật: người dùng được phép cập nhật thông tin vào CSDL; Cấp xem thông tin: người dùng chỉ được phép xem thông tin.

- Sao lưu và phục hồi cơ sở dữ liệu: Để tránh việc dữ liệu bị mất khi có sự cố hệ thống xảy ra, phần mềm đã được trang bị chức năng sao lưu, phục hồi dữ liệu nhằm đảm bảo an toàn cho CSDL khi hệ thống bị sự cố.

Về kết quả đạt được:

- Hệ thống luôn vận hành ổn định, các nguyên tắc kỹ thuật được thiết kế theo thông tư 24/2017 của Bộ Tài nguyên và Môi trường. Cán bộ quản lý có thể theo dõi, báo cáo kết quả dưới dạng: bảng số, đồ thị, file excel,...

- Hệ thống đã hiển thị được dữ liệu của 16 trạm quan trắc khí thải (trong đó Công ty Nhiệt điện Phả Lại: 2 trạm; Công ty Crystal Pacific – trạm; Công ty Xi măng Phúc Sơn: 4 trạm; Công ty CP thép Hòa Phát: 10 trạm) và 12 trạm quan trắc nước thải (Công ty TNHH MTV KCN Lai Vu: 5 trạm; Tập đoàn đầu tư và phát triển Nam Quang: 3 trạm; Công ty TNHH Best pacific VN: 1 trạm; KCN Đại An: 2 trạm; KCN Phú Thái: 1 trạm). Các kết quả hiển thị tối thiểu 5 phút/lần và tự động báo cáo dữ liệu về Sở Tài nguyên và Môi trường.

Ngoài các đối tượng giám sát cơ bản đã được thực hiện, các cán bộ nghiên cứu Viện Công nghệ HaUI đã và đang phát triển mở rộng (hướng mở) cho các đối tượng quan trắc khác trong tương lai: quan trắc nước ngầm, quan trắc nước mặt, khí thải đô thị,... Tính từ 2016 đến nay, nhóm nghiên cứu đã triển khai, nhân rộng được: 28 trạm, vượt 9,3 lần so với đăng ký trong đề tài năm 2016 (đăng ký thực hiện 3 trạm). Sản phẩm của đề tài hiện đã được phát triển và được Bộ KH&CN hỗ trợ ủng hộ kinh phí (thông qua dự án 592) đã thể hiện xu thế phát triển, ứng dụng Công nghệ thông tin – truyền thông trong các lĩnh vực của đời sống và từng bước nâng cao năng lực của cán bộ nghiên cứu trường Đại học Công nghiệp Hà Nội.