Ứng dụng thiết bị cảm biến trong hệ thống giám sát môi trường (P1)

Với sự phát triển nhanh của hạ tầng công nghệ thông tin và viễn thông (ICT), các dịch vụ viễn thông và Internet băng rộng ngày nay được phát triển rộng khắp, mang đến cho người dân nhiều tiện ích. Bên cạnh những dịch vụ viễn thông và Internet thông thường, các dịch vụ băng rộng đa phương tiện đang bắt đầu xâm nhập mạnh mẽ vào đời sống thường nhật trong mọi hoạt động của xã hội mang lại hiệu quả tích cực.

Tại nhiều nước, các giải pháp phát triển ICT hỗ trợ hạ tầng kinh tế - xã hội luôn được đặc biệt quan tâm. Thông qua giải pháp xây dựng mạng ICT-sensor, các nước mong muốn tạo nên hạ tầng xã hội thông minh với việc quản lý mọi hoạt động đều thông qua mạng quản lý, giám sát bằng các hệ thống sensor. Hệ thống các thiết bị cảm biến (sensor) phản ánh hiện thực trực quan được điều khiển tại các trung tâm quản lý dịch vụ ICT. Các hiện tượng, sự kiện về tắc nghẽn giao thông, xe cộ đi lại, lưu lượng giao thông trên tuyến phố; theo dõi cầu, phà, mực nước dâng tại sông ngòi, hệ thống đập nước, nông nghiệp, theo dõi hiện tượng, thảm họa thiên nhiên, hiện trạng khu vực công nghiệp, quản lý đất đai,... đều được thu nhận và đưa về xử lý tại trung tâm ICT để giúp công tác quản lý điều hành kịp thời, hiệu quả, nâng cao năng lực quản lý xã hội.

Bài báo đề cập việc sử dụng các thiết bị sensor, kết hợp với hạ tầng ICT trong một số ngành, lĩnh vực có khả năng triển khai cao và hiệu quả tác động đến đời sống kinh tế - xã hội rất lớn. Qua đó, thấy được tiềm năng ứng dụng hạ tầng ICT trong việc mở rộng phạm vi và đối tượng ứng dụng thiết thực trong đời sống xã hội mà Việt Nam có thể triển khai rộng rãi trong thời gian tới.

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG SENSOR

Có thể hiểu sensor là các bộ chuyển đổi có khả năng đo lường các thông số vật lý và biến đổi thành các tín hiệu đọc được bằng các thiết bị giám sát. Các tác động đầu vào chuyển đổi thành các đáp ứng đầu ra dưới các dạng tín hiệu điện hoặc quang. Như vậy, sensor chính là giao diện nằm giữa môi trường vật lý và các thiết bị điện tử, ví dụ như máy tính.

Phân loại sensor theo thông số vật lý cần giám sát bao gồm: nhiệt, độ ẩm, cường độ ánh sáng, lưu lượng,... Tùy theo các thông số vật lý cần theo dõi mà công nghệ được ứng dụng để chế tạo bộ phận cảm biến của sensor cũng khác nhau (Bảng 1). Cùng với nhu cầu sử dụng, nhiều bộ sensor được chế tạo có tích hợp các công nghệ cho phép đồng thời giám sát nhiều thông số môi trường khác nhau. Cấu trúc chức năng điển hình của một thiết bị sensor được mô tả trong Hình 1. Ngoài các thành phần chính này thì các thiết bị sensor có thể bổ sung các thành phần khác theo yêu cầu như màn hình hiển thị, camera giám sát hình ảnh.

Trong các hệ thống giám sát môi trường với nền tảng là sử dụng các hạ tầng ICT sẵn có, người ta thường sử dụng các sensor điện. Các sensor điện biến đổi các thông số môi trường thành các tín hiệu điện để truyền về các trung tâm dữ liệu lưu trữ thông tin, tổng hợp và phân tích nhằm phục vụ cho các công tác dự báo cũng như ra quyết định. Các tín hiệu điện có thể ở dạng điện áp, dòng điện hay sự thay đổi của điện trở (Bảng 1).

Mô hình cơ bản của một hệ thống giám sát môi trường sử dụng các sensor gồm: mạng sensor, gateway, cơ sở dữ liệu và ứng dụng (Hình 2). Trong đó:

-Mạng sensor:  là tập hợp kết nối các bộ sensor được lắp đặt rải rác tại các vị trí trọng yếu cần giám sát các thông số môi trường như trên núi, trong rừng, trên bờ biển, xung quanh núi lửa, trên đường phố, dọc đường ray. Tại từng vị trí sẽ có các thông số môi trường cần giám sát cụ thể và sẽ lắp đặt các bộ sensor thích hợp.

-Gateway: là cổng kết nối giữa các mạng sensor và các mạng khác, ví dụ mạng Internet, để truyền  và nhận dữ liệu đến các cơ sở dữ liệu.

-Cơ sở dữ liệu:  là nơi tập hợp và lưu trữ các thông tin thu thập được từ các mạng sensor gửi về cũng như cung cấp các thông tin cần thiết cho các ứng dụng phục vụ việc giám sát môi trường.

-Các ứng dụng:  là các chương trình máy tính được phát triển nhằm phục vụ cho việc hiển thị, phân tích các số liệu thu thập được và hỗ trợ các dự báo, quyết định khi cần thiết. Ngày nay, các ứng dụng này thường được phát triển trên nền tảng trang thông tin điện tử (web-based).

Các bộ sensor được coi là thành phần đơn giản nhất trong hệ thống giám sát môi trường. Tuy nhiên, số lượng các bộ sensor được sử dụng trong một hệ thống giám sát là rất nhiều do chúng cần được đặt ở nhiều vị trí khác nhau. Bởi vậy, chúng phải có giá thành rẻ để tối thiểu chi phí đầu tư, kích thước nhỏ gọn để dễ dàng lắp đặt. Các sensor được lắp đặt tại nhiều địa hình khác nhau. Đôi khi, chúng ta cần lắp đặt tại các vị trí có nhiều yếu tố không thuận lợi như địa hình hiểm trở, khó tiếp cận, không có nguồn điện hoặc không có dây cáp truyền thông tin. Do đó, xu thế hiện nay đang nghiên cứu và phát triển các sensor không dây.

MỘT SỐ HỆ THỐNG GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG CÓ SỬ DỤNG SENSOR TẠI CÁC NƯỚC

Hệ thống giám sát và cảnh báo thảm họa

Nhật Bản là quốc gia phải hứng chịu nhiều thảm họa thiên nhiên, không chỉ có động đất hay sóng thần mà cả các cơn bão, lở đất và núi lửa phun trào. Tất cả các thảm họa này có thể xảy ra thường xuyên tại bất cứ nơi nào trên nước Nhật. Nhật Bản cũng được biết đến là một trong các nước thành công trong việc triển khai và vận hành hệ thống giám sát và cảnh báo thảm họa. Ngoài các thảm họa thiên nhiên như động đất, sóng thần, bão, tuyết, lũ lụt thì các thảm họa do tai nạn gây ra như hỏa hoạn, cháy rừng, đường sắt, hàng hải... cũng được theo dõi và giám sát và thông báo đến cho người dân.

Hệ thống giám sát môi trường là hệ thống các thiết bị cảm biến được lắp đặt tại các vị trí trọng yếu như bờ biển, núi, đường ray, rừng. cho phép theo dõi và thu thập các dữ liệu từ môi trường như độ ẩm, nhiệt độ, mực nước.

Các dữ liệu thu thập từ hệ thống giám sát môi trường được chuyển đến các cơ quan khí tượng thủy văn. Khi có thảm họa xảy ra, dựa vào kết quả dự báo về loại hình và mức độ tác động của thảm họa mà cơ quan khí tượng thủy văn sẽ quyết định có cần thông báo đến các cơ quan liên quan hay không. Các cơ quan liên quan bao gồm Chính phủ, các Bộ, ngành liên quan và các địa phương nằm trong vùng ảnh hưởng của thảm họa sẽ nhận được các cảnh báo về nguy cơ thảm họa. Các thông tin cảnh báo từ trung ương được gửi đến các địa phương và được thông báo cho người dân thông qua nhiều loại hình khác nhau như: hệ thống loa phóng thanh trên các tòa nhà, dọc đường, trên các phương tiện giao thông công cộng, đài phát thanh, đài truyền hình. Các cảnh báo này còn được gửi qua hệ thống tin nhắn điện thoại mà không bị tính cước.

Hệ thống giám sát môi trường trong nông nghiệp

Nhiều nước trên thế giới như: Nhật Bản, Australia, Israel. đã và đang nghiên cứu và ứng dụng các hệ thống sensor để giám sát môi trường phục vụ cho nông nghiệp. Với các phương pháp giám sát truyền thống, chi phí nhân công là rất lớn. Đặc biệt, nó còn gặp hạn chế về số lượng các điểm có thể tiếp cận cũng như tần suất đo. Để khắc phục các hạn chế này, người ta đã sử dụng các hệ thống ICT sensor để thu thập các dữ liệu tại các điểm trồng cây. Các thông tin thu thập được bao gồm nhiệt độ, độ ẩm, áp suất. Các thông tin này được sử dụng để phân tích và tối ưu thời gian thu hoạch, thời gian tưới cây, thời điểm phun thuốc phòng trừ sâu bệnh. nhằm tạo môi trường thuận lợi nhất cho cây trồng sinh trưởng và phát triển, tạo ra các vụ mùa bội thu.

Các hệ thống ICT sensor trước đây thường được dùng ở các ruộng cây trong nhà nhằm giám sát hỏa hoạn, nhiệt độ và độ ẩm để điều khiển môi trường tối ưu cho cây hoa màu và các loại cây ăn quả phát triển. Để mở rộng phạm vi ứng dụng của hệ thống các sensor, đặc biệt là cho các nông trại rộng lớn, các mạng sensor không dây đang được đẩy mạnh nghiên cứu xây dựng. Hệ thống sensor không dây gồm các điểm có đặt các sensor cùng với các thiết bị xử lý thông tin cho phép truyền/nhận dữ liệu không dây. Các điểm này hoạt động độc lập và thu thập các thông tin về điều kiện môi trường. Hình 3 minh họa cho việc triển khai các bộ sensor không dây trên cánh đồng trồng nho tại Nhật Bản.

KS. Hoàng Anh

(còn nữa)