Tìm hiểu một số khả năng ứng dụng công nghệ IoT trong lĩnh vực môi trường

Thứ Sáu, 02/11/2018 | Đã xem 2820

1. Mở đầu

Tình trạng gia tăng nhanh chóng về dân số gây ra những tác động tới cuộc sống ở các đô thị, đặt ra những vấn đề trong việc đảm bảo chất lượng môi trường. Quan sát một số bài toán trong lĩnh vực quản lý môi trường, việc đo lường, thu thập dữ liệu, phân tích, hỗ trợ việc ra quyết định quản lý và xử lý nghiệp vụ luôn là công tác quan trọng, cần sự hỗ trợ của công nghệ. Ngày nay, các thành tựu của công nghệ thông tin như công nghệ Internet của vạn vật (tiếng Anh: Internet of Things, viết tắt IoT) có thể mang lại khả năng hỗ trợ tốt hơn cho bài toán quản lý môi trường. Với khả năng tích hợp thành phần vi xử lý, truyền thông các thực thể, hỗ trợ tính năng cảm biến, thu thập và xử lý tốt hơn, IoT có thể ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, trong đó có bài toán thu thập, xử lý, theo dõi, giám sát, cảnh báo và hỗ ra quyết định trong quản lý môi trường. Hoạt động của các hệ thống thu thập dữ liệu ở biên của hệ thống xử lý tập trung, ở trong các hệ thống thu thập dữ liệu quan trắc môi trường, IoT có thể gia tăng hiệu năng tổng thể vì công nghệ này cho phép mở rộng khả năng của hệ thống thiết bị công nghệ hiện tại, tích hợp thêm các thành phần vi xử lý, truyền thông thế hệ mới vào ngay các thiết bị này. Việc tích hợp này cho phép tăng hiệu năng xử lý của từng thiết bị cùng với khả năng trao đổi thông tin, phối hợp thực thi nhiệm vụ của một nhóm thiết bị chuyên dụng, thông qua đó góp phần gia tăng hiệu năng tổng thể của hệ thống xử lý nghiệp vụ, xử lý dữ liệu môi trường. Với mục đích tìm hiểu và áp dụng công nghệ mới nói chung và công nghệ IoT trong triển khai ứng dụng công nghệ thông tin, bài viết này xem xét một số trường hợp triển khai thực tế IoT trong việc giám sát, xử lý ô nhiễm không khí, xử lý rác và chất thải độc hại tại một số quốc gia trên thế giới, để rút ra nhận định về khả năng ứng dụng công nghệ IoT trong thực tế tại Việt Nam.

2. Một số trường hợp ứng dụng IoT trong quản lý môi trường tại một số quốc gia

Trên thực tế, nhiều công nghệ cấu thành nên công nghệ có tên gọi IoT hiện nay đã có quá trình phát triển qua nhiều năm với các phiên bản được cải tiến liên tục, đặc biệt trong lĩnh vực công nghiệp, tự động hóa sản xuất. Cho đến vài năm gần đây, sự trưởng thành của nhiều công nghệ cấu thành tạo điều kiện cho sự phổ biến của IoT, với hàng loạt phiên bản công nghệ mới được thương mại hóa trên thị trường và đưa vào ứng dụng, nhúng trong các sản phẩm điện tử gia dụng, thiết bị công nghiệp, xe hơi, máy móc tự động, giải pháp ngôi nhà thông minh, đô thị thông minh… Một sáng kiến ứng dụng IoT có thể xem xét ở đây là ứng dụng IoT vào để góp phần giảm thiểu thiệt hại và khắc phục hậu quả trong vụ nổ lò phản ứng hạt nhân tại Nhật Bản năm 2011. Sáng kiến trên được triển khai tại khu vực lân cận Fukushima với dịch vụ ứng dụng bản đồ trực quan về mức độ phóng xạ tại khu vực lân cận xảy ra thảm họa, được lập trên cơ sở dữ liệu thu thập từ dữ liệu đo đóng góp bởi người dân. Dữ liệu được thu thập bằng thiết bị đo cá nhân tại vị trí hiện tại, gửi thông qua một ứng dụng cho di động mã nguồn mở có thể tùy chỉnh, đưa về xử lý tập trung trên nền tảng xử lý dữ liệu (xively) và ánh xạ lên hệ thống bản đồ số hóa trong khu vực. Với giải pháp này, bản đồ trực quan hiển thị trực quan hình ảnh về mức độ phóng xạ trong môi trường khu vực, cung cấp trực tuyến, người sử dụng sau khi cung cấp dữ liệu có thể nhận ước tính về hàm lượng phóng xạ ở khu vực xung quanh mình. Mặc dù vẫn còn những bàn luận về mức độ chính xác của phương pháp đo lường và kết quả cung cấp từ nguồn dữ liệu cá nhân, kết quả bước đầu của việc triển khai sáng kiến này cũng đã góp phần trong việc giải quyết thách thức về môi trường tại khu vực.

Một sáng kiến khác về ứng dụng công nghệ IoT được triển khai tại khu vực châu Âu, từ năm 2011 là dự án được triển khai trong lĩnh vực môi trường và giao thông đô thị. Dự án được tài trợ bởi hội đồng liên minh châu Âu, nhằm cải thiện chất lượng môi trường, trong đó, nguồn phát thải từ các phương tiện giao thông được xem là một nguồn gây ô nhiễm, chiếm tới 25% khí thải gây ô nhiễm môi trường tại các thành phố ở châu Âu. Giải pháp thử nghiệm đã được đưa vào ứng dụng tại một số thành phố ở Tây Ban Nha để tìm ra phương thức tốt nhất nhằm cải thiện chất lượng không khí tại các khu vực đô thị. Về giải pháp kỹ thuật, thiết bị đo được đặt tại các vị trí cố định tại các tuyến đường giao thông, kết nối thông qua mạng cảm biến cho phép đo lường và truyền các tham số như nhiệt độ, độ ẩm, hàm lượng CO, NO2, tiếng ồn, bụi trên các tuyến đường giao thông. Một bảng mạch điện tử được phát triển, đặt tại các vị trí cố định, tích hợp module định vị toàn cầu (GPS), module truyền thông sử dụng công nghệ GPRS, có thể vận hành trên 04 băng tần khác nhau. Dữ liệu được thu thập được gửi về tập trung xử lý trên nền tảng xử lý thông tin. Nhờ hệ thống này, cơ quan quản lý có một phương tiện hiệu quả để quản lý các tham số môi trường tại thành phố lớn cũng như có cơ sở để vận hành và xây dựng các chính sách cải thiện chất lượng môi trường cũng như điều kiện giao thông. Dữ liệu sau khi thu thập được phân quyền xử lý phù hợp cho các cán bộ có trách nhiệm, hỗ trợ bởi hệ thống mô phỏng và dự báo nhờ đó giúp cho việc quản lý và vận hành hoạt động giao thông và môi trường đô thị hiệu quả hơn.

Tại Hà Lan, IoT cũng đã được sử dụng để xác định sự tương quan giữa tiếng ồn vượt trên mức cho phép với các hoạt động giao thông tại địa bàn. Tiếng ồn cũng có thể gây hại đến sức khỏe, có thể dẫn đến mất thính giác, điếc và ảnh hưởng đến nhịp tim. Các cảm biến tiếng ồn được triển khai, truyền liên tục dữ liệu đo lường về một cơ sở dữ liệu trung tâm qua kết nối Internet. Các cảm biến này nhỏ, rẻ, dễ bảo trì và có thể đặt ở bất kỳ đâu, vận hành liên lục, gửi kết quả đo thông qua mạng về cơ sở dữ liệu, sau đó tiếp tục được phân tích, xử lý. Cũng tại quốc gia này, IoT cũng được triển khai cho bài toán xử lý rác thải. Các thùng rác có gắn thẻ sử dụng công nghệ thẻ RFID cho phép định vị, đo lường và tái phân loại các túi đựng rác thải. Nhờ các thông tin từ các thùng rác, các xe gom rác được điều phối phù hợp bởi đơn vị quản lý, dựa trên lượng rác cần thu gom trong các thùng rác có gắn thẻ định vị RFID gắn định danh với hộ gia đình. Khi vận hành, thiết bị đọc thẻ gắn trên xe thu gom rác sẽ đọc thông tin thẻ RFID gắn trên túi rác ngay qua kết nối không dây, khi nó được thu vào thùng xe, nhờ đó, lượng rác thải của hộ gia đình có thể được đo lường từ đầu quá trình thu gom và xử lý. Hệ thống còn có thể xác định được mức độ lẫn lộn của rác thải (rác được đóng trong các túi có gắn thẻ RFID) và thậm chí xác định được rác thải có khả năng tái chế ngay khi loại rác đó được cho vào thùng. Ngay khi loại rác thải tái chế được nhận dạng, thông tin về rác đó được truyền về hệ thống xử lý trung tâm và chuyển tiếp xử lý tới các bên liên quan, chẳng hạn như các doanh nghiệp xử lý rác thải hay cơ quan quản lý môi trường.

Tại thành phố Luân Đôn, IoT được ứng dụng trong dự án giám sát chất lượng nước, giúp cơ quan bảo vệ môi trường địa phương hiểu rõ về các thay đổi trong chất lượng nước, nhờ giải pháp ứng dụng cảm biến đo thông số chất lượng nước. Thông qua các trạm giám sát triển khai phân tán, thiết bị IoT sẽ giám sát tình trạng hoạt động của các thiết bị trong bồn xử lý nước, tín hiệu sẽ được chuyển tiếp về các trạm theo dõi và gửi tới các máy tính công nghiệp. Sau khi dữ liệu được xử lý, các máy tính điều khiển sẽ gửi các lệnh điều khiển đóng, mở từng thiết bị trong các bồn xử lý nước và nhờ đó tự động hóa tiến trình. Quy trình xử lý nước được thực hiện kịp thời, giúp tiết kiệm năng lượng, phát triển nền kinh tế với hàm lượng các-bon thấp. Dự án khi được triển khai mở rộng còn có thể tiếp tục mở rộng sử dụng IoT để theo dõi tự động chất lượng nước sông, giám sát và dự báo các rủi ro có thể xảy ra đối với nguồn nước và cảnh báo kịp thời để có biện pháp phòng, tránh các thảm họa môi trường.

Tại Trung Quốc, với việc triển khai chiến lược “Sensing China”, trong IoT được xem là một phần trong chiến lược tái phát triển các ngành công nghiệp cơ bản ở nước này. Tại quốc gia này, hệ thống kiểm soát ô nhiễm công nghiệp tổng thể đã được triển khai nhằm giảm lượng rác thải với các chức năng như cung cấp dữ liệu thời gian thực, tập trung và chia sẻ nguồn lực, tích hợp hệ thống và nâng cao hiệu quả hoạt động giám sát, ra quyết định, cải thiện môi trường và hạn chế các tai nạn về môi trường. Các công việc cụ thể bao gồm xử lý rác thải thông minh và các thiết bị theo dõi tự động, giám sát việc xử lý ô nhiễm không dây, theo dõi dữ liệu về chất lượng nước, hệ thống giám sát không khí và giám sát hệ sinh thái khu vực.

3. Tổng kết

Khi công nghệ phát triển và phổ cập mạnh mẽ như hiện nay, xét trên khía cạnh ứng dụng công nghệ thông tin, bài học triển khai IoT ở một số quốc gia cho thấy tiềm năng ứng dụng lớn của IoT trong nhiều lĩnh vực. Trong lĩnh vực môi trường, công nghệ IoT ở bước đầu có thể hỗ trợ cải thiện hiệu quả và nâng cao khả năng thu thập dữ liệu môi trường, phân tích, dự báo, quản lý nguồn lực và hỗ trợ ra quyết định về quản lý môi trường. Các giải pháp nâng cao còn có khả năng tự động hóa các khâu trong quy trình các nghiệp vụ. Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm rõ ràng, phổ biến ứng dụng IoT tại Việt Nam hiện nay cũng đang còn ở những giai đoạn đầu, vẫn đòi hỏi cần tiếp tục nghiên cứu để đánh giá sự phù hợp, trong đó cần có sự phối hợp nghiên cứu giữa các cơ quan quản lý môi trường và đơn vị công nghệ để xác định được lộ trình ứng dụng phù hợp, thống nhất các tiêu chuẩn áp dụng và hạn chế các rủi ro tiềm ẩn khi ứng dụng thực tế công nghệ IoT. Bên cạnh đó, cũng cần nhận thức được những khó khăn khi triển khai mở rộng IoT như khó chuẩn hóa công nghệ áp dụng khi chu kỳ thay đổi của sản phẩm công nghệ có xu hướng rút ngắn, đảm bảo nguồn năng lượng cho vận hành số lượng khổng lồ các thiết bị IoT, giải pháp đảm bảo sự tin cậy của dữ liệu đầu vào từ các thiết bị đo, an toàn thông tin và quản lý chất lượng của thiết bị và chính sách đối với rác thải điện tử sinh ra…Trong phạm vi triển khai công tác tuyên truyền về ứng dụng công nghệ thông tin, bài viết cung cấp các thông tin được chọn lọc, tổng hợp để xem xét khả năng ứng dụng IoT trong lĩnh vực môi trường từ các bài học triển khai trên thế giới, góp phần phổ biến và nâng cao nhận thức về hoạt động ứng dụng công nghệ thông tin, IoT trong cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư đang diễn ra mạnh mẽ trên thế giới.

Nguyễn Hồng Quân

Tài liệu tham khảo:

[1] RFID Application in Municipal Solid Waste management System.

[2] IoT for environmental variables in urban areas. Jorge E. Gómez, Fabricio R. Marcillo, Freddy L. Triana, Victor T. Gallo, Byron W. Oviedo, Velssy L. Hernández. Universidad de Córdoba.

[3] RFID application in Municipal Solid Waste Management System, Aboli, S, The university of Melbourne.

[4] Internet of thing for Africa: Challenges and opportunities – Maryleen Ndubuaku and David Okereafor.