Thiết bị quan trắc bụi di động

Kết quả cho thấy, mức độ ô nhiễm bụi quan trắc trong khung giờ cao điểm có giá trị lớn hơn khung giờ không cao điểm. Các khu vực có nồng độ bụi cao thường tập trung tại các tuyến đường g[r]

Thiết kế và tích hợp thiết bị quan trắc bụi di đông nhằm xây dựng bản đồ ô nhiễm bụi cho một số tuyến giao thông chính tại Hà Nội

Tóm tắt

Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu thiết kế, lắp ráp và tích hợp thiết bị quan trắc bụi diđộng kết hợp quan trắc một số yếu tố khí tượng và định vị GPS có thể lập trình được Thiết bịnày có thể quan trắc di động liên tục theo thời gian và không gian thực, tự động ghi số liệu saumỗi bước thời gian là 5 giây Thiết bị đã được áp dụng quan trắc bụi tại các khung giờ khác nhautrên một số tuyến giao thông chính của TP Hà Nội vào các mùa khác nhau Số liệu quan trắc đãđược dùng để xây dựng bản đồ ô nhiễm bụi cho một số tuyến phố tại TP.Hà Nội Phân tích kếtquả quan trắc cho thấy có sự khác nhau rõ rệt về nồng độ bụi quan trắc được tại giờ cao điểm vàgiờ không cao điểm, giữa các tuyến đường khác nhau Các tuyến đường Nguyễn Văn Cừ,Nguyễn Văn Linh, đường vành đai 3, đường lên cầu Thanh Trì có nồng độ bụi tổng (TSP) caohơn từ 1,5 - 2,5 lần so với giá trị cho phép tại QCVN 05:2013/BTNMT (trung bình 1h) Nồng độbụi quan trắc tại một số tuyến đường thuộc các quận trung tâm như Ba Đình, Hoàn Kiếm, Đống

Đa là thấp hơn so với các tuyến đường vành đai và trục giao thông chính Kết luận của nghiêncứu là thiết bị quan trắc bụi di động kết hợp quan trắc một số yếu tố khí tượng và định vị GPS cóthể lập trình được đã được thiết kế và thử nghiệm thành công Bản đồ ô nhiễm bụi cho một sốtuyến phố của TP.Hà Nội, được xây dựng dựa trên kết quả quan trắc

Từ khóa: Thiết bị quan trắc bụi di động, bụi tổng; bản đồ ô nhiễm bụi, TP Hà Nội

Thiết bị được thiết kế, lắp ráp có thể quan trắc di động các thông số bụi, nhiệt độ, độ ẩm, ápsuất và định vị GPS [1, 2, 3] Số liệu quan trắc từ thiết bị nhằm phục vụ xây dựng bản đồ hiệntrạng nồng độ bụi TSP trên các tuyến phố chính của TP Hà Nội

2 Phương pháp

2.1 Thiết kế và lắp ráp thiết bị quan trắc bụi di động

Thiết bị quan trắc bụi di động có cấu hình như sau: Bộ cảm biến bụi, bộ định thời gian, bộ thuGPS, màn hình cảm ứng LCD, bộ xử lý trung tâm, định vị GPS, cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, đầuđọc thời gian, và thẻ nhớ được kết nối với bộ xử lý trung tâm thông qua các giao diện để bộ xử

lý trung tâm điều khiển hoạt động của các bộ phận này Khi khởi động thiết bị, các bộ cảm ứngtiến hành thu thập các thông số về nồng độ bụi trong không khí và các thông số liên quan như độ

ẩm, nhiệt độ, áp suất không khí, tọa độ, thời gian đo và lưu lại các thông số này trong bộ nhớ

Hình 1 Sơ đồ nguyên lý tổng thể của thiết bị đo bụi di động

Hình 2 Thiết bị quan trắc bụi HD-1100

(2) Bộ vi xử lý trung tâm

Nghiên cứu lựa chọn vi điều khiển Arduino Mega 2560 bằng cách sử dụng ATmega2560 Viđiều khiển này bao gồm 54 chân digital (15 có thể được sử dụng như các chân PWM), 16 đầuvào analog, 4 cổng UARTs (cổng nối tiếp phần cứng), 1 thạch anh 16 MHz, 1 cổng kết nối USB,

1 jack cắm nguồn điện, 1 đầu ICSP và 1 nút reset [5]

Hình 3 Bộ vi xử lý Arduino Mega 2560

(3) Màn hình hiển thị

Màn hình LCD Nextion NX4832K035 đã được chọn để tăng khả năng hiển thị (GUI) trênmàn cảm ứng một cách dễ dàng và trực quan nhất Trên màn hình có một nút chạm cảm ứng đểtương tác với người sử dụng [6]

Hình 4 Màn hình LCD Nextion NX4832K035

(4) Thiết bị lưu trữ

Bộ nhớ flash có dung lượng khoảng 4 GB có thể đáp ứng ghi và lưu trữ số liệu liên tục trongkhoảng thời gian 12 tháng [7]

Hình 5 Thẻ nhớ SD và sơ đồ kết nối với vi xử lý Arduino Mega 2560

(5) Định vị GPS

Để định vị vị trí điểm quan trắc, nghiên cứu sử dụng IC L70-R [8]

Hình 6 Định vị GPS L70-R và sơ đồ kết nối

(6) Cảm biết áp suất

Để đo áp suất khí quyển, nghiên cứu sử dụng cảm biến BMP085 của Bosch [9]

Hình 7 Bộ cảm biến áp suất BMP085 và sơ đồ kết nối với vi xử lý Arduino Mega 2560

(7) Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm

Trong nghiên cứu này sử dụng cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT21/AM2301 [10]

Hình 9 Bộ đếm thời gian DS1307 và sơ đồ kết nối với vi xử lý Arduino Mega 2560

(9) Kết quả nghiên cứu lắp ráp

Thiết bị quan trắc bụi di động được thiết kế lắp ráp nhỏ gọn (kích thước 12cm x 7cm x 4cm)với chuỗi số liệu có thể dễ dàng sao chép vào máy tính từ tệp tin có định dạng file csv (tươngthích với excel) Thiết bị quan trắc liên tục theo thời thực các thông số bụi TSP, nhiệt độ, độ ẩm,

áp suất, định vị GPS

Hình 10 Thiết bị sau khi được kết nối

(10) Hiệu chuẩn thiết bị

Để đảm bảo độ chính xác của số liệu quan trắc, thiết bị đo bụi di động do nhóm nghiên cứuthực hiện thiết kế lắp ráp đã được Viện Đo lường Việt Nam (số hiệu đăng ký DK 05) hiệu chuẩn

và cấp tem hiệu chuẩn

2.2 Quan trắc bụi di động

Phạm vi quan trắc: Các tuyến phố giao thông thuộc các quận nội thành của TP Hà Nội.

Thời gian quan trắc: Nhóm thực hiện đã tiến hành quan trắc bụi di động 3 lần vào các mùa

khách nhau Mùa đông năm 2016 (trong khoảng thời gian từ ngày 26/12/2016 đến ngày9/1/2017), mùa xuân năm 2017 (trong khoảng thời gian từ ngày 25/3/2017 đến ngày 29/4/2017)

và, mùa hè năm 2017 (trong khoảng thời gian từ ngày 16/6/2017 đến ngày 28/6/2017) với 2khung thời gian trong ngày là giờ cao điểm và giờ không cao điểm, giờ cao điểm từ 6 - 9 giờsáng và từ 17 - 20 giờ chiều, các khung giờ còn lại được xem là giờ không cao điểm

Tập tin số liệu quan trắc từ thiết bị quan trắc bụi di động có định dạng file Excel với các thôngsố: ID, thời gian, ngày, nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, nồng độ bụi, kinh độ, vĩ độ Số liệu được ghiliên tục sau mỗi bước thời gian 5 giây

Hình 12 Cấu trúc dữ liệu được ghi từ thiết bị quan trắc bụi di động

2.3 Xây dựng bản đồ ô nhiễm bụi

Phần mềm ArcGIS cho máy tính để bàn (với phiên bản mới nhất là ArcGIS 10) đã được dùng

để xay dựng bản đồ ô nhiễm bụi cho các tuyến phó được quan trắc

3 Kết quả và thảo luận

Bản đồ ô nhiễm bụi được xây dựng từ kết quả quan trắc trong 3 đợt khảo sát vào các mùađông, mùa xuân và mùa hè với các trường hợp bản đồ theo khung giờ cao điểm, bản đồ theokhung giờ không cao điểm và bản đồ tổng hợp cả 2 khung giờ

a Bản đồ ô nhiễm bụi theo số liệu quan trắc lần 1 (mùa đông)

Hình 13 Nồng độ bụi TSP trên các tuyến giao thông đợt khảo sát lần 1

Dựa trên kết quả thể hiện trên các bản đồ, có thể thấy các khu vực đường Nguyễn Văn Cừ,Nguyễn Văn Linh, đường Vành Đai 3, đường lên cầu Thanh Trì có nồng độ bụi tổng (TSP) khácao (màu đỏ và màu da cam), nồng độ trong khoảng từ 0,45 - 0,75 mg/m3, cao hơn 1,5 - 2,5 lần

so với giá trị cho phép tại QCVN 05:2013/BTNMT (trung bình 1h) Trong khi đó, các tuyến phốthuộc các Quận Ba Đình, Hoàn Kiếm và Đống Đa có nồng độ thấp hơn (các tuyến được thể hiệnbằng màu xanh) Trên các tuyến phố nội đô thường có mật độ giao thông lớn hơn các tuyến gầnđường vành đai, tuy nhiên, kết quả quan trắc bụi di động tại các tuyến gần đường vành đai cónồng độ bụi lớn hơn

Các tuyến đường gần các khu có các hoạt động xây dựng khu chung cư, cầu vượt, trung tâmthương mại, đường sắt đô thị… như Nguyễn Văn Cừ, Hồ Tùng Mậu, đường lên cầu Thanh Trìthường quan trắc được nồng độ bụi khá lớn, giá trị quan trắc được tại một số thời điểm lớn hơn0,5 mg/m3, một số khu vực như nút giao thông cao tốc Pháp Vân - Cầu Giẽ và nút giao thôngNguyễn văn Cừ - Quốc lộ 5 quan trắc được giá trị nồng độ bụi lớn hơn 0,7 mg/m3 Các khu vựcnội đô thường quan trắc được nồng độ bụi có giá trị thấp hơn 0,45 mg/m3

Hình 14 Nồng độ bụi TSP trong khung giờ cao điểm (trái) và khung giờ không cao điểm

(phải) trên các tuyến giao thông đợt khảo sát lần 1

Kết quả cho thấy, mức độ ô nhiễm bụi quan trắc trong khung giờ cao điểm có giá trị lớn hơnkhung giờ không cao điểm Trong khung giờ cao điểm, các giá trị nồng độ bụi quan trắc đượcchủ yếu trong khoảng 0,25 - 0,5mg/m3, trong khi đó, vào giờ không cao điểm, các giá trị nồng độbụi quan trắc được trong khoảng 0,15 - 0,4mg/m3, nhiều vị trí vượt khoảng 1,5 lần QCVN05:2013/BTNMT (trung bình 1h) Các khu vực có nồng độ bụi cao thường tập trung tại cáctuyến đường gần khu vực có các hoạt động xây dựng hoặc khu vực có lượng bụi nền đường lớn.Qua kết quả quan trắc có thể nhận thấy ô nhiễm bụi chủ yếu từ bụi cuốn từ nền đường và bụi từhoạt động xây dựng xung quanh các tuyến đường

b) Bản đồ ô nhiễm bụi khảo sát lần 2 (mùa xuân)

Hình 15 Nồng độ bụi TSP trên các tuyến giao thông đợt khảo sát lần 2

Dựa trên bản đồ phân bố nồng độ bụi TSP vào mùa xuân, các tuyến đường Hồ Tùng Mậu, LêVăn Lương kéo dài thường quan trắc được nồng độ bụi khá cao, giá trị quan trắc được tại một sốthời điểm lớn hơn 0,5mg/m3 Các khu vực nội đô thường quan trắc được nồng độ bụi có giá trị

bé hơn 0,35 mg/m3 Mức độ ô nhiễm bụi trong hai khung giờ này không có sự chênh lệch đáng

kể Các khu vực có nồng độ bụi cao thường tập trung tại các tuyến đường gần công trường xâydựng Tương tự như đợt khảo sát vào mùa đông, các kết quả quan trắc vào mùa xuân cho thấy, ônhiễm bụi chủ yếu từ bụi cuốn từ nền đường và hoạt động xây dựng xung quanh các tuyếnđường

Hình 16 Nồng độ bụi TSP khung giờ cao điểm (trái) và giờ không cao điểm (phải) trên các

tuyến giao thông đợt khảo sát lần 2

c Bản đồ ô nhiễm bụi khảo sát lần 3 (mùa hè)

Dựa trên bản đồ phân bố nồng độ bụi TSP vào mùa hè, các tuyến đường vành đai 4 (đường70), Hồ Tùng Mậu quan trắc được nồng độ bụi khá lớn, giá trị quan trắc được tại một số thờiđiểm lớn hơn 0,4 - 0,6 mg/m3, nhiều vị trí nhiều vị trí vượt khoảng 1,5 - 2 lần QCVN05:2013/BTNMT (trung bình 1h) Các khu vực nội đô thường quan trắc được nồng độ bụi có giátrị bé hơn 0,3 mg/m3 Có thể nhận thấy nồng độ bụi quan trắc trên các tuyến giao thông vào mùađông thường có giá trị cao hơn mùa hè

Hình 17 Nồng độ bụi TSP trên các tuyến giao thông đợt khảo sát lần 3

Với số liệu đợt 3 (mùa hè), nhóm nghiên cứu thực hiện xây dựng bản đồ cho 2 khung giờ caođiểm và không cao điểm

Kết quả quan trắc vào giờ cao điểm điểm và giờ không cao điểm được thể hiện tại hình 18.Kết quả cho thấy, mức độ ô nhiễm bụi trong khung giờ cao điểm lớn hơn khung giờ không caođiểm, nồng độ bụi lớn hơn trong khoảng từ 0,1 - 0,2 mg/m3 Các khu vực có nồng độ bụi caothường tập trung tại các tuyến đường vành đai

Hình 18 Nồng độ bụi TSP khung giờ cao điểm (trái) và khung giờ không cao điểm (phải)

trên các tuyến giao thông đợt khảo sát lần 3

4 Kết luận

Nghiên cứu đã thiết kế và tích hợp thành công thiết bị quan trắc bụi di động có thể quan trắccác thông số về nồng độ bụi trong không khí và các thông số môi trường có liên quan như nhiệt

độ, độ ẩm, tọa độ (vị trí) và thời gian quan trắc Thiết bị được thiết kế nhỏ gọn, chạy bằng pin và

có tích hợp bộ nhớ để lưu dữ liệu đo đạc và truyền về trung tâm dữ liệu Ngoài ra, thiết bị cònđược tích hợp màn hình LCD hiển thị các thông số đo được

Thiết bị đã được ứng dụng quan trắc bụi di động tại một số tuyến phố chính của TP Hà Nội.Quá trình quan trắc cho thấy thiết bị hoạt động ổn định với độ chính xác cao

Số liệu quan trắc đã được dùng để xây dựng bản đồ ô nhiễm bụi theo 3 mùa; theo giờ caođiểm và giờ không cao điểm tại các tuyến giao thông chính của TP Hà Nội

Kết quả phân tích số liệu cho thấy, khu vực đường vành đai, xa trung tâm Hà Nội nhưNguyễn Văn Cừ, Nguyễn Văn Linh, Nguyễn Trãi, Hồ Tùng Mậu, Lê Văn Lương kéo dài, Bưởi,

Âu Cơ… có nồng độ bụi khá cao Trong khi đó, các tuyến phố thuộc quận Ba Đình, Hoàn Kiếm

và Đống Đa có mật độ lưu lượng phương tiện tham gia giao thông cao hơn nhưng nồng độ bụi

quan trắc được có giá trị thấp hơn Nguyên nhân được cho là các khu vực đường vành đai, xatrung tâm tập trung nhiều công trình xây dựng phát thải lượng bụi lớn ra các khu vực xunhquanh Bên cạnh đó, lượng bụi cuốn lên từ mặt đường khi các phương tiện lưu thông trên cáckhu vực này góp phần ô nhiễm bụi trên các tuyến giao thông.

Qua 3 đợt khảo sát bằng thiết bị quan trắc bụi di động, giá trị nồng độ quan trắc vào thời điểmmùa xuân, mùa hè có giá trị thấp hơn vào thời điểm mùa đông Nguyên nhân do độ ẩm khôngkhí vào mùa đông thấp hơn làm tăng mức độ phát tán bụi trên các tuyến đường

Tapchimoitruong