Thiết kế hệ thống quản lý môi trường hiện nay tại Việt Nam dựa trên WSN và IoTs

author 12:33 07/12/2020

(VietQ.vn) - Ngày nay việc giám sát các tham số môi trường đã trở nên rất thuận tiện dưới sự phát triển mạnh mẽ của mạng cảm biến không dây (WSN) và Internet vạn vật kết nối (IoTs). Một hệ thống quan trắc tự động các tham số khí tượng thủy văn và môi trường theo thời gian thực sẽ mang tới một cơ hội tốt để tối ưu nguồn lực và tăng hiệu quả trong công tác quản lý tổng hợp về tài nguyên môi trường trong bối cảnh biến đổi khí hậu đang gia tăng các hiện tượng cực đoan của thời tiết. Bài viết này sẽ giới thiệu về kết quả việc nghiên cứu, lắp đặt, thử nghiệm một hệ thống IoTs dựa trên mạng cảm biến không dây Zigbee từ mạng quan trắc khí tượng thủy văn.

Mạng cảm biến không dây trong hạ tầng IoTs

Trong bối cảnh môi trường tự nhiên bị tác động bởi biến đổi khí hậu và các hoạt động của con người đã gây ra các hiện tượng tai biến thiên nhiên và sự cố môi trường. Do vậy việc theo dõi, giám sát các thông số khí tượng, thủy văn và môi trường trở nên rất quan trọng đối với yêu cầu tăng cường giám sát và quản lý tổng hợp tài nguyên môi trường.

Hiện nay việc ứng dụng khoa học kỹ thuật tiên tiến vào lĩnh vực bảo vệ tài nguyên và môi trường đang được chú trọng và phát triển. Trong đó đặc biệt là các hệ thống giám sát, điều khiển từ xa. Do vậy việc nghiên cứu thiết kế một kiến trúc tổng thể tích hợp hệ thống quan trắc khí tượng thủy văn và môi trường dựa trên mạng cảm biến không dây và Internet vạn vật (IoTs) là xu hướng tất yếu và cần thiết.

Trong bối cảnh hiện nay, mạng cảm biến không dây đã trở thành một trong những nền tảng công nghệ quan trọng trong việc thu nhận, thao tác và xử lý thông tin. Đây được xem là một giải pháp có chi phí hợp lý để tiến hành giám sát các hiện tượng trên bề mặt trái đất để thu thập nhiều dữ liệu cho các lĩnh vực khác nhau như nông nghiệp, môi trường, y học, giao thông vận tải...

Mạng cảm biến không dây đóng vai trò quan trọng trong hệ thống IoTs. Thông thường kiến trúc của một hệ thống IoTs bao gồm bốn tầng, tầng ứng dụng, tầng dịch vụ, tầng mạng, và tầng thiết bị. Tầng ứng dụng chính là tầng bao gồm các hệ thống thực tế, tầng dịch vụ được định nghĩa là điện toán đám mây. Tầng mạng bao gồm các hệ thống có dây và không dây, kết nối tất cả với các thiết bị Internet cùng với tầng thiết bị chính là tầng cơ sở của hệ thống IoTs.

Mạng cảm biến không dây Zigbee IEEE 802.15.4 (tần số 2.4Ghz, tốc độ dữ liệu 256kbps) cung cấp khoảng cách kết nối điểm tới điểm lên đến 1km. Bên cạnh đó, lớp mạng Zigbee hỗ trợ cả mạng cây và mạng lưới chung. Mỗi mạng phải có một thiết bị điều phối. Trong các mạng sao, điều phối viên phải là nút trung tâm. Cả mạng cây và mắt lưới đều cho phép sử dụng bộ định tuyến Zigbee để mở rộng giao tiếp ở cấp độ mạng. Một tính năng xác định khác của Zigbee là các phương tiện để thực hiện liên lạc an toàn, bảo vệ việc thiết lập và vận chuyển các khóa mật mã, khung mã hóa và thiết bị điều khiển. 

 Cấu hình một mạng cảm biến không dây

Ứng dụng thử nghiệm hiệu quả

Nhóm nghiên cứu đã thiết kế nút mạng thu thập một số thông số như mực nước, độ mặt, nhiệt độ và độ ẩm không khí, các cảm biến đo thông số khí tượng thủy văn gồm: cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm, và cảm biến mực nước, nguồn cấp gồm Pin lưu trữ và Pin năng lượng mặt trời.

Nút cảm biến đo các yếu tố khí tượng, thủy văn.

 

 

Kiến trúc của một hệ thống IoTs.

 

Với Hệ thống quan trắc này sẽ giúp cho người vận hành, nhà quản lý giám sát được các thông số môi trường từ xa, đặc biệt tại các nơi có địa hình phức tạp, các phương tiện giao thông khó tiếp cận.

Sau khi hoàn thiện việc nghiên cứu đã tiến hành lắp đặt thử nghiệm tại Trạm Khí tượng và Môi trường nền vùng Cúc Phương, và Trạm Thủy văn Như Tân thuộc tỉnh Ninh Bình.

Hệ thống IoTs dựa trên mạng cảm biến không dây Zigbee đã được thiết kế thành công theo kiến trúc đề xuất. Các nút cảm biến đo mực nước, nhiệt độ và độ ẩm được tiến hành kiểm định khách quan tại Trung tâm Quan trắc khí tượng thủy văn và được đánh giá đạt theo tiêu chuẩn quy định của chuyên ngành khí tượng thủy văn và kỹ thuật đo lường Việt Nam ĐLVN 87:2005.

Qua quá trình thử nghiệm tại Trạm khí tượng và Môi trường nền vùng Cúc Phương, và Trạm Thủy văn Như Tân thuộc tỉnh Ninh Bình, hiệu quả của ứng dụng đã được đánh giá tốt. Nốt gateway sau khi nhận dữ liệu từ các nốt cảm biến sẽ được đóng gói và gửi lên cơ sở dữ liệu trực tuyến, kết hợp phương thức truyền thông qua GSM/GPRS. Phương thức này giúp tiết kiệm năng lượng nên sẽ kéo dài thời gian hoạt động của thiết bị trong điều kiện sử dụng năng lượng dữ trữ. Dữ liệu được đóng gói theo cấu trúc "Tên nốt: loại dữ liệu: giá trị dữ liệu". Dữ liệu sẽ được nốt gateway thu thập từ các nốt cảm biến và gửi lên cơ sở dữ liệu trực tuyến với chu kỳ 5 giây.

Sau khi dữ liệu được thu thập và lưu trữ trên cơ sở dữ liệu trực tuyến, máy chủ sẽ kết nối đến cơ sở dữ liệu bằng giao thức HTTP và HTTPS sử dụng PDO Drive được cài đặt trên hệ thống máy chủ. PDO Drive cho phép kết nối với 12 hệ quản trị CSDL khác nhau một cách dễ dàng. Bên cạnh đó, khi cơ sở dữ liệu cần nâng cấp hay chuyển đổi sang dạng cơ sở dữ liệu khác thì PDO Drive không yêu cầu phải thay đổi cấu trúc lệnh truy vấn dữ liệu như các cơ chế truy cập cơ sở dữ liệu khác mà chỉ cần thay đổi thông tin kết nối. Ngoài ra, PDO Drive còn được sử dụng thông qua Yii Framework – một PHP Framework mã nguồn mở có hiệu năng cao, khả năng mở rộng lớn giúp phát triển tốt nhất các ứng dụng Web 2.0.

Hệ thống thông tin tích hợp quan trắc từ xa, tự động các yếu tố khí tượng thủy văn và môi trường gồm các nốt mạng cảm biến không dây dựa trên công nghệ Zigbee đã hoàn thành nghiên cứu và thử nghiệm. Từ hệ thống quan trắc có thể thu thập, xử lý dữ liệu truyền về trung tâm để người dùng có thể giám sát và nhận cảnh báo từ xa qua SMS và môi trường Internet. Với thực trạng tại hai trạm Khí tượng và Môi trường nền vùng Cúc Phương và trạm Thủy văn Như Tân nói riêng và các trạm khí tượng thủy văn chưa có hệ thống quan trắc tự động nói chung, đây là hệ thống quan trọng được thiết kế dựa trên công nghệ tiên tiến và đúng với xu hướng hiện đại hóa ngành khí tượng thủy văn.

Từ kết quả này các cơ quan quản lý nhà nước về khí tượng thủy văn môi trường sẽ có thêm những công cụ thực tế nhằm thực hiện cải tiến kỹ thuật, ứng dụng khoa học công nghệ trong công tác dự báo, cảnh báo cũng như quan trắc, thông tin dữ liệu khí tượng thủy văn phục vụ việc giám sát và quản lý tổng hợp tài nguyên môi trường.

Để tiện cho bạn đọc theo dõi thông tin, chúng tôi xin đăng tải bài viết bằng ngôn ngữ tiếng Anh như dưới đây:

Design of a real-time monitoring environment system for Vietnam based on wireless sensor networks and Internet of things

Realtime monitoring of environmental parameters has become very convenient under the applications of wireless sensor networks (WSN) and the Internet of Things (IoTs). A system for realtime and automatic monitoring of hydro-meteorological and environmental parameters will provide a good opportunity to optimize resources and increase efficiency in management. This paper will present the architecture of such an IoTs system based on the Zigbee wireless sensor network.

Configure the wireless sensor network  

In the context of the natural environment affected by climate change and human activities has caused natural disasters and environmental incidents. Therefore, the monitoring and monitoring of meteorological, hydrological and environmental parameters becomes very important. Currently this application of advanced science and technology in the field of protection of natural resources and the environment is being emphasized and mutual development. In which, especially remote monitoring and control systems. Therefore, the study of designing an integrated architecture that integrates hydro-meteorological and environmental monitoring systems based on wireless sensor networks and Internet of Things (IoTs) is an inevitable and necessary trend.

In the current context, the wireless sensor networks have become one of the important technology platforms for acquisition, manipulation and information processing. This is considered as a cost-effective solution to monitor phenomena on the earth's surface to collect a variety of data for different fields such as agriculture, environment, medicine, and transportation ...

Wireless sensor networks play an important role in IoTs systems. Typically, the architecture of an IoTs system consists of the four layers, the application layer, the service layer, the network layer, and the device layer. The application layer is the layer that includes real systems, the service layer is defined as the cloud computing. The network layer consists of wired and wireless systems, connecting all of the Internet devices with the equipment layer which is the base layer of the IoT system.

Zigbee IEEE 802.15.4 wireless sensor network (2.4GHz frequency, 256kbps data rate) provides the long distance point-to-point wireless transmission up to 1km. Besides, the Zigbee network layer natively supports both star and tree networks, and generic mesh networking. Each network must have a coordinate device. In star networks, the coordinator node must be the central node. Both the tree network and the mesh network allow the use of a Zigbee router to extend communication at the network level. Another defining feature of Zigbee is the means to securely communicate, protecting the setup and transport encryption keys, encryption frames, and control devices.

 Structure of a wireless sensor network

 Efficient test application

The research team has designed the network node to collect a number of parameters such as water level, surface level, temperature and humidity of the air, the sensors for measuring hydro-meteorological parameters include: sensor for temperature, humidity, and water level sensor, the power supply includes the storage battery and the solar cell as shown in Figure 2.

 Design of a coordinate node

 The architecture of an IoTs system

With this monitoring system, it will help operators and managers monitor the environmental parameters remotely, especially in areas with complicated terrain and difficult for vehicles to access.

After completing the study, a trial installation was conducted at the Station of Meteorology and Background Environment in Cuc Phuong, and Nhu Tan Hydrological Station in Ninh Binh province.

IoTs systems based on Zigbee wireless sensor networks have been successfully designed according to the proposed architecture. Sensor buttons for measuring water level, temperature and humidity are subjected to an objective inspection at the Center for Hydrometeorological Observation and evaluated to meet the prescribed standards of the hydrometeorology and measuring techniques. measure Vietnam DLVN 87: 2005.

The completed system will be installed and tested at the Cuc Phuong Base Environmental and Meteorological Station, and at Nhu Tan Hydrological Station in Ninh Binh province. The gateway node after receiving the data from the sensor nodes will be packed and sent to an online database. The communication method used is GSM/GPRS. This method saves energy, so it will extend the device's operating time in terms of using stored energy. Data are packed under the structure: "Node name: data type: data value". Data will be node gateway collected from  sensor node and sent to the online database with 5 second cycle .

After data is collected and stored on an online database, the server will connect to the database using HTTP and HTTPS protocols using PDO Drive installed on the server system. PDO Drive allows connecting to 12 different database management systems easily. In addition, when the database needs to be upgraded or converted to another database, PDO Drive does not require to change the data query command structure like other database access mechanisms, but only need to change the connection information. In addition, PDO Drive is also used through the Yii Framework – a open-source PHP Framework have a high-performance, large-scalable for the development of Web 2.0 applications.

An integrated information system for remote and automatic monitoring of hydro-meteorological and environmental parameters including wireless sensor nodes based on Zigbee technology has been completed. The monitoring system can collect and process data transmitted to the center so that users can monitor and receive alarms remotely via SMS and the Internet environment. With the situation at two stations of Meteorology and Environment background region Cuc Phuong and Nhu Tan Hydrology stations particular and stations Hydrometeorological no monitoring system automatically in general, this important system was designed is based on advanced technology and in line with the modernization trend of the hydro-meteorological of the state management agencies. In order to improve techniques, apply science and technology in forecasting, warning as well as monitoring, hydro-meteorological data. 

Nguyen Bao Trung
Việt Nam lần đầu ứng dụng Nano L- Cystine trong sản xuất viên uống trắng da(VietQ.vn) - Việt Nam lần đầu tiên ứng dụng thành công công nghệ Nano siêu phân tử trong bào chế Nano L - Cystine vào sản xuất viên uống trắng da Celia Luxury. Đây là sản phẩm phát triển từ đề tài tư vấn của Viện Hóa học Các hợp chất Thiên nhiên- Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Thích và chia sẻ bài viết:

tin liên quan

video hot

Về đầu trang