Theo quy định tại Thông tư số 08: 2009/BTNMT của Bộ Tài nguyên môi trường về việc quy định quản lý và bảo vệ môi trường khu kinh tế, khu công nghệ cao, khu công nghiệp và cụm công nghiệp có quy định đối với các cơ sở nằm ngoài khu công nghiệp có công suất xả thải trên 1000 m3/ngày đêm phỉa lắp đặt Hệ thống quan trắc nước thải tự động và liên tục. Cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin đã được ứng dụng vào quản lý, giám sát chất lượng nguồn nước trên diện rộng. Nghiên cứu này tập trung vào nghiên cứu chế tạo thiết bị đo giám sát Amoni (NH4+) trong nước mặt sử dụng cảm biến hiện đại kết hợp công nghệ Internet vạn vật (IoT) nhằm bổ sung nguồn dự liệu nhằm bổ sung nguồn dữ liệu. Kết quả của nghiên cứu là một bộ mô hình thử nghiệm hệ thống cảm biến chất lượng nước mặt sử dụng công nghệ IoT. Kết quả thử nghiệm thiết bị đã chế tạo sẽ được so sánh với kết quả phân tích trong phòng thí nghiệm nhằm đánh giá chất lượng bộ thiết bị đã được phát triển.

Mở đầu

Hiện nay, có rất nhiều hệ thống thiết bị quan trắc nước thải theo công nghệ IoT trên thế giới đã đưa ra thị trường, tuy nhiên giá thành các sản phẩm trên khá cao. Chính vì vậy, với mục tiêu chế tạo một thiết bị sử dụng IoT có giá thành thấp với những linh kiện dễ tìm đã được nhóm tác giả đưa ra nghiên cứu. Mục tiêu chính của nghiên cứu là phát triển các hệ thống cảm biến vạn vật internet (IoT), bao gồm nhiều cảm biến liên kết truyền thống, khả năng lưu trữ và xử lý, năng lượng để cấp nguồn cho thiết bị để giám sát amoni trong nước. Trong nghiên cứu này, các cảm biến được chọn sẽ chỉ tập trung vào thông số Amoni. Việc kết nối, tính toán, xử lý tín hiệu từ cảm biến Amoni bằng cách thu thập dữ liệu và tính toán giá trị thực từ nguồn nước, kết quả sẽ được hiện thị trực tiếp trên màn hình máy tính, thiết bị di động bằng kết nối wiffi ESP8266/ Bluetooth bên trong thiết bị nhằm mục đích giám sát thông số Amoni. 

Thiết kế, chế tạo hệ thống cảm biến amoni

Thiết kế tổng thể hệ thống

Thiết bị đo bao gồm các cảm biến và khối xử lý khối nguồn điện sạc dữ phòng (Pin Lithium Polymer, dung lượng 20.000 mAh) và các module giao tiếp qua wiffi/ Bluetooth. Sơ đồ cấu trúc thiết bị đo được thể hiện Hình 1.

Hình 1: Nguyên lý hoạt động của hệ thống

Mạch điện tử của thiết bị sử dụng vi điều khiển STM32F103C8T6 cso nhiệm vụ thu tín hiệu từ cảm biển, tiến hành số hóa và tính toán thông số Amoni tiếp theo đưa qua lọc RC loại bỏ nhiễu để đưa ra các giá trị chính xác của thống số. 

Điện cực chọn lọc sử dụng một màng thấm kị khí để tách dung dịch mẫu khỏi một dung dịch NH4Cl trong điện cực. Amoni hòa tan (NH3 và NH4+) được chuyển thành NH3 nhờ tăng pH đến 11 bằng một dd kiềm mạnh. NH3 sẽ khuếch tán qua màng và làm thay đổi pH. Sự thay đổi pH này được đo bằng một điện cực pH.
RC: lọc các nhiễu cở các tần số cao, cho phép tín hiệu ở tần số thấp đi qua Bộ khuếch đại tín hiệu: Tín hiệu thu được ở cảm biễn cơ và chục micro vol, sau khi khuếch đại thì sẽ được vài mili von đến vài chục mili von

ADC: Dùng để chuyển đổi tín hiệu thành tín hiệu số.

Thông số kỹ thuật: Module thu phát NRF24L01 + module ADC 24 bit HX711; Module Arduino nano; Dòng điện vào: Micro-USB & Type-C: 5V/2.1A, 9V/2.1A, 12V/1.5A; Công suất: 18w; Khoảng cách thu nhận tín hiệu: 100 - 1000 m.

Công suất truyền: 2,5 milliwatt

Các yếu ảnh hưởng đến tốc độ truyền dữ liệu của thiết bị: Tín hiệu truyền nhận thông tin sẽ bị yếu khi gặp các lớp cản trở. Trong môi trường không khí có chứa những hạt siêu nhỏ như bụi, hơi nước và các phân tử khí chuyển ở tốc độ cao, do đó tốc độ truyền thống tin của thiết bị sẽ bị yếu đi. Theo thiết kế của sản phẩm khoảng cách tiếp nhận thông tin dữ liệu là 1km, nhưng khi tiến hành đo thực tế sẽ bị giảm đi do các yếu tố từ môi trường gây ra.

Hình 2. Thiết bị đo lường và giá sát thông số Amoni dựa trên công nghệ IoT

Màn hình đo                           Đầu dò Amoni 

Bộ cảm biến                              Bộ thu tín hiệu

Thử nghiệm thiết bị

Cảm biến Amoni yêu cầu hiệu chuẩn để chuyển đổi các giá trị đọc điện áp thu được thành các giá trị Amoni tương ứng. Để hiệu chuẩn, các nồng độ khác nhau và chuẩn bị một dãy chuẩn ở nồng độ khác nhau để hiệu chuẩn. Dãy chuẩn từ 0,1; 0,2; 1; 5; 10 mg/L. 

Bảng 1.  Kết quả hiệu chuẩn cảm biến Amoni

Sau khi phân tích các điều kiện phù hợp, thí nghiệm được tiến hành tại phòng thí nghệm. Kết quả đo được tiến hành đo độ lặp lại cho mỗi mẫu là 7 lần.

Kết quả thực nghiệm và thảo luận

Các kết quả thực nghiệm thu được trong các lần đo khác nhau được thể hiện trong Bảng 2 - Bảng hiện thị kết quả đo mẫu được tiến hành lặp lại 7 lần cho 1, để tính độ tin cậy và độ chính xác của phép đo. Các kết quả đo cho thấy độ chính xác tương đối giữa các thiết bị có kết quả tương đối với nhau. Điều này cho thấy, hệ thống được đề xuất có thể được sử dụng để đo lường chất lượng của nước theo thời gian thực.

Bảng 2. Kết quả so sánh giữa các thiết bị

Kết luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy thiết bị hoạt động tốt, đáng tin cậy. Tuy nhiên, do kết quả được tiến hành thử nghiệm tại phòng thí nghiệm nên thông số amoni không thay đổi nhiều trong suốt quá trình đo. Do đó, hệ thống cảm biến cần phải kiểm tra thêm để xác định thêm tính chính xác của dữ liệu và khả năng hoạt động cảu hệ thống hiện tại triển khai ở những địa điểm khác. Nguyên mẫu vẫn thiếu một số tính năng và do đó yêu cầu nâng cấp và mở rộng, cụ thể là bổ sung thêm các cảm biên đo các thông số khác. Ngoài ra, thẻ nhớ sẽ cho phép lưu trữ lượng lớn dữ liệu tử vi điều khiển. 

Hệ thống kết hợp trung tâm phải được bọc kín để ngăn chặn những tác động có thể gây hỏng hóc khu tiếp xúc với môi trường nước và các điều kiện thời tiết khác. Trong ố các cảm biến, cần cải tiến cảm biến amoni được thay thế hoàn toàn. Việc triển khải hệ thống các cảm biến IoT bổ sung trong nghiên cứu sẽ cho phép theo dõi các thông số phụ, đặc biệt là nồng độ của các ion khác nhau. Nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục hoàn thiện để có thể lắp đặt hệ thống cảm biến trên thiết bị tự hành mặt nước để có thể thu được các thông số ở các vùng nước rộng lớn.

LÊ THỊ THÙY NGUYÊN, TRẦN TUẤN VIỆT, NGUYỄN TẤT THÀNH, 
TRẦN ÁI QUỐC, NGUYỄN VĂN DŨNG, LÂM NGỌC NAM
Viện Nhiệt đới môi trường, Viện khoa học và Công nghệ Quân sự
Nguồn: Tạp chí Tài nguyên và Môi trường số 3 năm 2025