Từ khóa: IOT, giám sát, chất lượng không khí, webGIS

Đặt vấn đề

Khai thác mỏ lộ thiên là một trong những phương pháp khai thác mỏ phổ biến nhằm thu hồi tài nguyên khoáng sản có giá trị kinh tế trong lòng đất nhằm phục vụ cho các mục đích khác nhau của con người. Các mỏ khai thác lộ thiên ở trên thế giới thường nằm tách biệt với khu dân cư. Tuy nhiên, tại Việt Nam rất nhiều mỏ khai thác nằm ngay cạnh khu dân cư, thậm chí nằm xen kẽ trong các khu dân cư (ví dụ: Mỏ Apatit Lào Cai). Mỏ đá Hồng Sơn cũng nằm trong tình trạng như vậy. Vấn đề ô nhiễm môi trường không khí từ hoạt động khai thác khoáng sản, đặc biệt là sau khi thực hiện các vụ nổ mìn gây ảnh hướng xấu đến cuộc sống của các hộ dân xung quanh. Do đó việc giám sát mức độ ô nhiễm không khí tại các khu vực này, từ đó đưa ra các biện pháp khắc phục là hết sức cấp thiết. 

Nghiên cứu này đề xuất giải pháp thực hiện việc giám sát môi trường không khí khu vực phụ cận của Mỏ đá Hồng Sơn sử dụng các công nghệ 4.0. Việc giám sát được môi trường không khí sẽ giúp cho các nhà điều hành có những tính toán hoặc đưa ra biện pháp đảm bảo chất lượng không khí ở các khu vực gần khu dân cư được đảm bảo, nằm trong tiêu chuẩn cho phép.

Cơ sở lý thuyết

Công nghệ IoT trong quan trắc và giám sát môi trường không khí

Với sự phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây, công nghệ Internet of Things (IoT) đã trở thành tâm điểm chú ý của cả cộng đồng doanh nghiệp và giới học thuật nhờ vào những tiềm năng to lớn mà nó đem lại. Công nghệ IoT có thể được định nghĩa là một hệ thống các thiết bị thông minh được liên kết với nhau và có khả năng truyền tải dữ liệu qua mạng mà không cần sự can thiệp trực tiếp giữa con người và máy tính [1]. Công nghệ IoT đã và đang được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm cả lĩnh vực giám sát môi trường không khí.

Tại Việt Nam đã có nhiều nhóm nghiên cứu thực hiện việc quan trắc môi trường môi trường không khí sử dụng công nghệ IoT [2][3][4]. 

Công nghệ webGIS

Với sự bùng nổ của công nghệ Internet, hệ thống thông tin địa lý (GIS) đã được nâng tầm thông qua việc tích hợp với công nghệ web, tạo nên công nghệ WebGIS. Công nghệ webGIS đã và đang được ứng dụng rất nhiều lĩnh vực trong cuộc sống của con người. WebGIS đặc biệt hữu dụng trong việc quản lý các đối tượng có liên kết với dữ liệu không gian địa lý. Điều này đã được chứng minh thông qua nhiều đề tài nghiên cứu hay các ứng dụng thực tế trong và ngoài nước [5]. 

Công nghệ WebGIS cũng được sử dụng cùng với công nghệ IoT trong việc quản lý và giám sát môi trường không khí tại Việt Nam và trên thế giới. Hiện nay có rất nhiều các ứng dụng cho phép người dùng có thể theo dõi các chỉ số không khí tại khu vực theo thời gian thực [6][7].

Phát triển hệ thống giám sát môi trường không khí tại khu vực mỏ đá Hồng Sơn-Công ty Cổ phần Xi măng VIMCEM Bút Sơn

Mô hình hệ thống

Để thực hiện được việc giám sát môi trường không khí tại mỏ đá Hồng Sơn, tỉnh Hà Nam đề tài đưa ra mô hình hệ thống như trong Hình 1. Hệ thống sẽ bao gồm các trạm quan trắc môi trường không khí, máy chủ dữ liệu được thiết lập hệ quản trị cơ sở dữ liệu PostGIS, máy chủ ứng dụng được cài đặt ứng dụng giám sát môi trường không khí.

Hình 1. Mô hình hệ thống giám sát môi trường không khí khu vực Mỏ đá Hồng Sơn

Các thông tin về chỉ số không khi sau khi được thu thập từ các trạm quan trắc sẽ được gửi về máy chủ dữ liệu thông qua kết nối 4G. Sau khi dữ liệu được cập nhật vào máy chủ dữ liệu sẽ được phần mềm giám sát chất lượng không khí cập được cài đặt trên máy chủ ứng dụng truyền đến giao diện bên phía người dùng. 

Phát triển và thiết lập trạm quan trắc môi trường không khí

Trạm quan trắc môi trường không khí của nghiên cứu được thiết kế với 07 cảm biến bao gồm cảm biến đo chỉ số bụi (PM2.5, PM10), cảm biến đo tiếng ồn, cảm biến đo áp suất không khí, cảm biến đo chỉ số NO2, cảm biến đo chỉ số S02, cảm biến đo chỉ số O3, cảm biến đo chí số CO và một thiết bị thu GPS nhằm xác định vị trí của trạm quan trắc (Hình 2). Người dùng có thể cài đặt cấu hình cho các trạm quan trắc thông quá giao diện đã được xây dựng (Hình 2-c).

Hình  2a - Mô hình thiết kế bên trong của trạm quan trắc môi trường không khí;
b – hình bên trong của trạm trong thực tế; 
c – giao diện cấu hình cho trạm quan trắc

Các cảm biến quan trắc được thiết kế để có thể đo được các thông số cơ bản trong không khí được quy định theo quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng không khí được Bộ TN&MT ban hành năm 2023 [8]. Việc thiết kế trạm quan trắc môi trường không khí được thiết kế kèm theo một thiết bị Lora kết hợp với SIM 4G để truyền dữ liệu về máy chủ.

Thông qua quá trình khảo sát thực địa, nhóm nghiên cứu đã tiến hành thiết lập 04 trạm quan trắc môi trường không khí ở các khu vực dân cư xung quanh Mỏ đá Hồng Sơn. Vị trí của 04 trạm quan trắc môi trường không khí được mô tả ở Hình 3. Các trạm quan trắc được thiết lập ở vùng phía Tây do ở các hướng còn lại của Mỏ đá Hồng Sơn có sông và suối bao quanh không phù hợp với việc thiết lập các trạm quan trắc.

Hình 3. Vị trí các trạm quan trắc môi trường được thiết lập ở mỏ đá Hồng Sơn

Xây dựng phần mềm giám sát môi trường không khí

Phần mềm giám sát môi trường không khí được xây dựng dựa trên công nghệ webGIS. Phần mềm được lập trình bằng ngôn ngữ lập trình Python, framework Django và thư viện LeafletJs. Dữ liệu của phần mềm được lưu trữ trong hệ quản trị cơ sở dữ liệu PostGIS. Sau khi phần tích các yêu cầu, phần mềm giám sát môi trường không khí cho Mỏ đá Hồng Sơn được thiết kế với những chức năng như được trình bày trong Hình 4.

Hình 4. Sơ đồ phân rã chức năng của phần mềm giám sát môi trường không khí cho Mỏ đá Hồng Sơn

Kết quả

Sau khi các trạm quan trắc được thiết lập ngoài thực địa, người dùng có thể nhập thông tin của các trạm quan trắc vào hệ thống để quản lý. Lúc này, dữ liệu về các chỉ số không khí sẽ được thu thập thông qua các cảm biến và gửi về máy chủ thông qua thiết bị Lora và mạng internet. Từ đó các chỉ số không khí được thu thập từ từng trạm quan trắc sẽ được giám sát thông qua giao diện bản đồ webGIS. Phần mềm cũng cung cấp biểu đồ thay đổi theo thời gian của chỉ số AQI ở bên cạnh bản đồ, để giúp người dùng có thể nắm được thông tin về sự thay đổi chất lượng không khí theo thời gian.

Hình 5. Giao diện chức năng giám sát môi trường không khí tại Mỏ đá Hồng Sơn

Để phục vụ công tác quản lý, phần mềm cho phép người dùng xem sự thay đổi của các chỉ số môi trường không khí thu được từ các trạm quan trắc theo khoảng thời gian mong muốn. Hình 6 Minh họa giao diện chức năng xem sự thay đổi của các chỉ số môi trường không khí tại Mỏ đá Hồng Sơn trong khoảng thời gian từ ngày 12/12/2024 đến ngày 13/12/2024. Biểu đồ được cung cấp là biểu đồ dạng có thể tương tác được, người dùng có thể xem sự thay đổi của chỉ số mình quan tâm bằng cách lựa chọ chỉ số mình muốn xem ở trên biểu đồ Hình 6 (b).

Hình 6. Báo cáo theo dõi sự thay đổi về chỉ số không khí tại Mỏ đá Hồng Sơn; a - biểu đồ có đầy đủ các chỉ số; b - biểu đồ chỉ số CO

Kết luận

Hệ thống giám sát môi trường không khí cho vùng phụ cận của Mỏ đá Hồng Sơn là công cụ hữu dụng trong công tác quản lý và giám sát môi trường không khí cho vùng phụ cận của mỏ đá Hồng Sơn. Hệ thống này sẽ hỗ trợ các cấp lãnh đạo, các nhà quản lý điều hành nắm được thông tin và giám sát được chất lượng môi trường không khí quanh khu vực khai thác, từ đó đưa ra được các quyết định hợp lý để giải quyết các vấn đề về chất lượng không khí. Hệ thống giám sát môi trường không khí cho vùng phụ cận của mỏ đá Hồng Sơn hoàn toàn có thể áp dụng cho các Mỏ khai thác khoáng sản lộ thiên khác. Ngoài ra đây là một hệ thống mở, có thể tích hợp vào các hệ thống lớn hơn hoặc tích hợp thêm các hệ thống khác vào hệ thống này. Kết quả nghiên cứu được thử nghiệm, ứng dụng tại Công ty Cổ phần Xi măng Vicem Bút Sơn.

Lời cảm ơn

Bài báo là một phần kết quả nghiên cứu của đề tài cấp Quốc gia “Nghiên cứu xây dựng hệ thống giám sát điều độ tập trung hoạt động sản xuất cho mỏ lộ thiên khai thác khoáng sản”, mã số ĐT.CNKK.QG.004/23, do TS. Nguyễn Hoàng Long làm chủ nhiệm, Trường Đại học Mỏ - Địa chất là cơ quan chủ trì.

Tài liệu tham khảo

1. Jabraeil Jamali, M. A., Bahrami, B., Heidari, A., Allahverdizadeh, P., Norouzi, F. (2019). Towards the Internet of Things: Architectures, Security, and Applications. Germany: Springer International Publishing;

2.    Đinh Tiến Dũng. Ứng dụng nền tảng công nghệ IoT đo chất lượng không khí: Kinh nghiệm thế giới và thử nghiệm tại TP. Hồ Chí Minh, Tạp chí Môi trường số 3/2022;

3.    Vũ Vân Thanh, Phan Trần Đăng Khoa, Huỳnh Thanh Tùng, Võ Văn Tài. Hệ thống iot cho quan trắc tự động chất lượng không khí dựa trên chỉ số vn_aqi, tạp chí khoa học và công nghệ - đại học đà nẵng, số 19, 2021;

4.    Lê Nguyễn Bình Nguyên, Đặng Nguyễn Nam Anh, Nguyễn Đức Đăng Khôi, Lê Duy Tân. Hệ thống aiot quan trắc và dự báo chất lượng không khí theo thời gian thực, Kỷ yếu Hội nghị Khoa học công nghệ Quốc gia lần thứ XVI về Nghiên cứu cơ bản và ứng dụng Công nghệ thông tin (FAIR); Đà Nẵng, ngày 28-29/9/2023 DOI: 10.15625/vap.2023.0055;

5.    Nguyễn Trường Xuân và NNK, “Nghiên cứu ứng dụng viễn thám và GIS trong quản lý, giám sát đường biên và trợ giúp định hướng phát triển kinh tế - xã hội kết hợp với đảm bảo quốc phòng - an ninh khu vực biên giới phía Bắc, ứng dụng cho tỉnh Cao Bằng,”, 2021;

6.    IQAir, bản đồ ô nhiễm không khí tại Tỉnh Hà Nam, , ngày truy cập 12/12/2024;

7.    AQI.in, Bản đồ ô nhiễm không khí tại Việt Nam, , ngày truy cập 12/12/2024;

8.    Bộ TN&MT. Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng không khí, 2023.

TS. NGUYỄN HOÀNG LONG; PGS. TS. NGUYỄN TRƯỜNG XUÂN; TS. NGUYỄN DUYÊN PHONG;
TS. TRẦN THỊ HẢI VÂN; ThS. NGUYỄN THÙY DƯƠNG;
Trường Đại học Mỏ - Địa chất
ThS. NGUYỄN THẾ HÙNG, ThS. PHAN THANH THỦY
Công ty Cổ phần xi măng VICEM Bút Sơn
Nguồn: Tạp chí Tài nguyên và Môi trường số 1+2 năm 2025