Làm chủ công nghệ quan trắc không khí diện rộng bằng LoRa/IoT

Trong bối cảnh ô nhiễm không khí ngày càng trở thành vấn đề môi trường cấp bách tại các đô thị và khu công nghiệp, việc chủ động làm chủ công nghệ quan trắc trong nước có ý nghĩa khoa học và thực tiễn đặc biệt quan trọng. Từ yêu cầu đó, TS Nguyễn Văn Thiện cùng nhóm nghiên cứu tại Đại học Công nghiệp Hà Nội đã triển khai nhiệm vụ khoa học do Bộ Công Thương giao: “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống đo và giám sát chất lượng không khí AQI trong môi trường diện rộng dựa trên công nghệ LoRa/IoT”, nhiệm vụ được thực hiện từ 4/2021 – 12/2022.  Nhiệm vụ hướng tới hoàn thiện sản phẩm có khả năng thương mại hóa, phục vụ quan trắc môi trường thực tế.

Hệ thống quan trắc tích hợp từ phần cứng đến nền tảng dữ liệu

Theo TS. Nguyễn Văn Thiện, tốc độ đô thị hóa và công nghiệp hóa nhanh tại các thành phố lớn đang đặt ra sức ép ngày càng nặng nề lên môi trường không khí. Ô nhiễm bụi mịn, khí độc hại và các hợp chất gây nguy cơ cho sức khỏe cộng đồng đã không còn là cảnh báo xa vời, mà trở thành thách thức hiện hữu trong quản lý phát triển bền vững. Trong bối cảnh đó, yêu cầu đặt ra không chỉ là kiểm soát nguồn thải, mà trước hết phải có hệ thống quan trắc chính xác, liên tục và đủ rộng để phản ánh đúng thực trạng chất lượng không khí.

margin: 15px auto;" />

Tuy nhiên, phần lớn các hệ thống quan trắc chuyên dụng hiện nay tại Việt Nam phụ thuộc vào thiết bị nhập khẩu, giá thành cao, chi phí bảo trì lớn và phụ thuộc vào đối tác nước ngoài. Điều này khiến việc mở rộng mạng lưới giám sát gặp nhiều rào cản về tài chính và công nghệ.

Chính từ thực tiễn đó, nhiệm vụ khoa học công nghệ cấp Bộ Công Thương do TS. Nguyễn Văn Thiện chủ trì cùng nhóm tác giả thuộc Đại học Công nghiệp Hà Nội đã lựa chọn một hướng đi mang tính chiến lược: nghiên cứu, thiết kế hệ thống đo và giám sát chất lượng không khí AQI trên diện rộng bằng công nghệ LoRa/IoT, hướng tới mục tiêu làm chủ công nghệ trong nước và thương mại hóa sản phẩm.

Theo TS. Nguyễn Văn Thiện, trọng tâm của nhiệm vụ là xây dựng một hệ thống hoàn chỉnh gồm cả phần cứng và phần mềm, có khả năng thu thập dữ liệu môi trường theo thời gian thực và tính toán chỉ số AQI theo tiêu chuẩn Việt Nam.

Hệ thống được thiết kế để đo đồng thời nhiều tham số quan trọng như: nồng độ khí CO, NO₂, SO₂, O₃, bụi mịn PM2.5, PM10, nhiệt độ và độ ẩm. Các dữ liệu này được xử lý để tính toán chỉ số AQI, từ đó đưa ra cảnh báo về mức độ ô nhiễm không khí. Đây là yếu tố quan trọng bởi AQI là công cụ giao tiếp trực tiếp với cộng đồng về mức độ an toàn môi trường.

Về cấu trúc, nhóm nghiên cứu xây dựng mạng cảm biến không dây sử dụng công nghệ LoRa kết hợp IoT, cho phép kết nối nhiều điểm đo trên diện rộng với mức tiêu thụ năng lượng thấp và chi phí hợp lý. Hệ thống bao gồm: Các module cảm biến chuyên dụng đo bụi và khí độc, router và gateway trung tâm, nền tảng truyền dữ liệu qua Internet/3G/4G, giao diện HMI tại hiện trường và phần mềm SCADA trên nền web.

TS. Nguyễn Văn Thiện cho biết, phần mềm đóng vai trò xương sống của hệ thống, theo đó nhóm nghiên cứu phát triển ba lớp phần mềm: phần mềm nhúng trên vi điều khiển ARM để thu thập và xử lý dữ liệu; phần mềm cấu hình và kiểm tra mạng LoRa; và hệ thống SCADA viết bằng Java/SQL cho phép giám sát từ xa qua web.

Điểm đáng chú ý là người dùng có thể truy cập hệ thống mọi lúc, mọi nơi chỉ cần có Internet, kể cả trên điện thoại thông minh. Điều này mở ra khả năng tích hợp dữ liệu vào các trung tâm điều hành đô thị thông minh hoặc hệ thống quản lý môi trường của địa phương.

Kết quả thử nghiệm cho thấy toàn bộ phần cứng và phần mềm hoạt động ổn định, dữ liệu truyền tin cậy và hệ thống đáp ứng yêu cầu quan trắc tự động.

Từ nghiên cứu đến thương mại hóa

Theo TS. Nguyễn Văn Thiện, giá trị lớn nhất của đề tài không chỉ nằm ở sản phẩm kỹ thuật, mà ở định hướng phát triển công nghệ nội địa. Hệ thống được thiết kế với mục tiêu giá thành chỉ khoảng 50% so với các bộ kit nhập khẩu cùng chức năng. Điều này có ý nghĩa đặc biệt quan trọng nếu triển khai ở quy mô đô thị, khu công nghiệp hoặc các cơ sở sản xuất.

Việc sử dụng nền tảng ARM 32-bit, phần mềm mã nguồn mở và công nghệ LoRa/IoT giúp hệ thống có tính mở cao, dễ nâng cấp, dễ bảo trì và phù hợp với năng lực sản xuất trong nước, đây  chính là điều kiện tiên quyết để thương mại hóa và nhân rộng.

TS. Nguyễn Văn Thiện chia sẻ, kết quả nghiên cứu được thử nghiệm tại các cơ sở của Đại học Công nghiệp Hà Nội, bao gồm khu nhà xưởng, văn phòng, giảng đường và không gian ngoài trời. Việc triển khai thực tế giúp nhóm hoàn thiện quy trình vận hành, hiệu chỉnh thiết bị và đánh giá độ ổn định lâu dài.

Đề tài hướng tới hợp tác với doanh nghiệp để thương mại hóa sản phẩm. Một hệ thống quan trắc nội địa với giá thành hợp lý sẽ tạo điều kiện cho các khu công nghiệp, trường học, bệnh viện và đô thị thông minh triển khai giám sát môi trường chủ động.

TS. Nguyễn Văn Thiện khẳng định, trong bối cảnh chuyển đổi số và phát triển đô thị thông minh, hệ thống này có thể tích hợp vào các nền tảng quản lý môi trường cấp tỉnh, thành phố.