Cuộc thi TDC 2020 – Nhóm Fire Blood – Đề tài “Quan trắc giám sát và nâng cao chất lượng không khí tại các tuyến đường giao nhau”

Cuộc thi Thiết kế Kỹ thuật Technical Design Contest được tổ chức lần đầu tiên vào năm 2019 tại TP Hà Nội. Cuộc thi mang tên TDC2019, với chủ đề Môi trường không khí đã diễn ra rất thành công. Mang niềm yêu thích Kỹ thuật công nghệ đến gần hơn với các bạn học sinh, sinh viên. Tiếp nối với sự thành công đó, TDC2020 mở rộng hơn đến với các bạn miền Trung. Cuộc thi với chủ đề Giải pháp thông minh trong khoa học môi trường. Các bạn tìm hiểu thông tin cuộc thi tại đây.

TAPIT là đơn vị hướng dẫn các đội thi đến từ Đà Nẵng. Fire Blood là một trong năm đội thi được hỗ trợ bởi các Mentor thuộc Cộng đồng Kỹ thuật TAPIT. Với tinh thần học hỏi và nhận thức được tầm quan trọng của người trẻ trong việc bảo vệ hệ sinh thái đang dần bị mài mòn bởi chính con người. Các bạn đã trải qua một quá trình dài từ khi bắt đầu lên ý tưởng đề tài “Quan trắc giám sát và nâng cao chất lượng không khí tại các tuyến đường giao nhau”, đến khi hoàn thành sản phẩm cuối cùng và tự tin trước vòng chung kết của cuộc thi TDC2020. Sự nỗ lực xuất phát từ mong muốn cải thiện và xây dựng một môi trường đáng sống hơn cho các thế hệ sau này. Fire Blood cũng là một trong 6 đội thi danh dự nhận được giải thưởng Thiết kế xuất sắc nhất tại cuộc thi TDC2020 ️🏆

A. Giới thiệu đội thi 

Fire Blood gồm 5 thành viên:
🌿 Nguyễn Hoài Phương Bảo
🌿 Ngô Hữu An
🌿 Trần Hữu Hà
🌿 Võ Văn Đồng
🌿 Nguyễn Văn Danh  

Các bạn hiện tại là sinh viên năm 4 của trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng. Với chủ đề cuộc thi TDC lần này, để đưa ra hướng giải quyết một số vấn đề cấp thiết về chất lượng không khí. Với tình trạng ô nhiễm không khí rất cao hiện nay, đặc biệt tại 2 thành phố lớn là Hồ Chí Minh và Hà Nội. Các bạn nhận ra rằng, chúng ta cần một thiết bị giám sát làm giảm tải lượng không khí ô nhiễm, đồng thời giúp người tham gia giao thông biết được tình trạng ô nhiễm của tuyến đường, ngay cả khi không lưu thông trong tuyến đường đó. Sản phẩm nhóm nghiên cứu sẽ giúp giảm thiểu không khí ô nhiễm thông qua hệ thống Ion âm, đồng thời đưa ra tín hiệu mức ô nhiễm tới Signal Lamp, và hệ thống cảnh báo trên App Android (Android Studio) thông qua truyền thông LORA.

Nhóm thi Fire Blood và các Mentor tại vòng thi Bán kết TDC2020 tại Cộng đồng Kỹ thuật TAPIT

B. Giới thiệu đề tài

1. Phương án nâng cao chất lượng không khí bằng Ion âm

1.1. Khái niệm Ion âm
Không khí do vô số các phân tử, nguyên tử tạo thành. Khi mà các nguyên tử hay phân tử này bị mất hoặc nhận thêm các điện tử, chúng sẽ biến thành các hạt mang điện tích, gọi là điện tích hay ion. Một ion mang các điện tích dương khi nó mất một hay nhiều điện tử, được gọi là Cation hay Ion dương. Một ion mang các điện tích âm khi nó thu được một hay nhiều điện tử, được gọi là Anion hay Ion âm. Các Ion âm hay Anion là các hạt có thể phóng điện âm, khi ở trạng thái trung tính có thể nhận thêm một hay nhiều điện tử electron. Ion âm là các hạt có lợi giúp tăng cường năng lượng sống, nên Ion âm còn được gọi là “Vitamin không khí”.

1.2. Tác dụng mà Ion âm mang lại đối với cuộc sống con người

a. Tác dụng của Ion âm đối với môi trường sống
Ion âm có tác dụng lọc và khử mùi khó chịu, loại bỏ bớt các loại bụi siêu nhỏ và các chất rắn lơ lửng trong không khí. Hầu hết các chất gây ô nhiễm, khói, bụi, vi khuẩn và chất gây dị ứng lơ lửng trong không khí đều mang điện tích dương. Ở trạng thái lơ lửng, các Ion âm tự bám lấy các hạt mang điện tích dương, làm kết tủa tạo thành các hạt nặng dần và rơi xuống đất. Khi Ion âm trong môi trường đạt đến một mật độ đủ lớn sẽ làm các chất bẩn chuyển từ trạng thái tích điện dương sang trạng thái tích điện âm. Kết quả là các chất bẩn trong không khí tiến lại gần nhau và kết thành các hạt to hơn, nặng hơn và rơi xuống đất. Quá trình này diễn ra liên tục cho đến khi khối tạp chất đủ nặng để rơi xuống đất. Vì vậy, không khí với mật độ Ion âm càng cao sẽ càng sạch.

b. Tác dụng trực tiếp của Ion âm đối với sức khỏe của con người
Do đó rất nhiều nhà khoa học trên thế giới đã tiến hành nghiên cứu về tác dụng của Ion âm đối với sức khỏe của con người. Kết quả chỉ ra rằng, thực tế Ion âm có khả năng làm ức chế vi khuẩn và bệnh tật phát triển. Thực nghiệm cho thấy bệnh tật bắt buộc phải chứa điện tích âm mới có khả năng tấn công tế bào sống. Nếu tế bào sống cũng chứa điện tích âm, khi đó sẽ có sự tương tác đẩy lẫn nhau giữa các hạt cùng điện tích, sẽ làm giảm khả năng tấn công của bệnh tật. 
Ion đi vào cơ thể con người qua đường hô hấp và có ảnh hưởng trực tiếp tới sức khỏe của con người. Nếu hấp thụ Ion dương quá nhiều dẫn tới cơ thể tiêu hao nhiều năng lượng do lượng điện tích dương cao trong cơ thể kích thích mạnh sự hoạt động của các cơ quan. Năng lượng nhanh chóng bị tiêu hao do kích thích dẫn đến sự suy kiệt và làm con người mệt mỏi. Nếu tình trạng đó kéo dài, con người sẽ dễ dàng bị mắc bệnh do cơ thể hết khả năng đối kháng. Ngược lại nếu cơ thể tích điện âm sẽ cho cơ thể nhận thêm nguồn năng lượng hữu ích cân bằng trạng thái, ổn định tự chủ và duy trì hoạt động của con người. Ngoài ra, Ion âm còn có rất nhiều tác động tốt đến con người về hệ thống huyết dịch, hệ thần kinh, hệ huyết quản, hệ hô hấp, tái tạo tế bào, …

Bảng phân cấp nồng độ Ion âm trong không khí

Nồng độ ion âm   (Ion âm/ cm3) Phân cấp Mức độ sạch của không khí và sự ảnh hưởng đến sức khỏe của con người
72.000 Cấp I Không khí rất trong sạch tươi mát Rất có lợi cho sức khỏe
1.500 – 2.000 Cấp II Không khí trong lành Khá có lợi
1.000 – 1.500 Cấp III Không khí tương đối trong lành Có lợi
500 – 1.000 Cấp IV Không khí trong lành bình thường Bình thường
Dưới 500 Cấp V Không khí không trong lành Không có lợi

2. Phương pháp truyền thông bằng LoRa

Để hiểu rõ hơn về LoRa, các bạn đọc thêm bài viết này tại đâyChúng ta cùng phân tích một số ưu điểm và nhược điểm khi sử dụng truyền thông LoRa.

Ưu điểm:

  • Được sử dụng rộng rãi và phổ biến
  • Hoạt động ở tầm xa với lượng điện năng tiêu thụ thấp
  • Độ bảo mật cao

Nhược điểm:

  • Tải trọng và tốc độ thấp hơn so với những phương pháp khác
  • Hạn chế trong việc lắp đặt gateway

3. Phương pháp đo chất lượng không khí theo chuẩn AQI

3.1. Khái niệm AQI
AQI (Air Quality Index) là một chỉ số báo cáo chất lượng không khí hàng ngày. Đây được coi là một thước đo đơn giản hóa mức độ ô nhiễm không khí, cho biết không khí xung quanh ta là sạch hay ô nhiễm, ô nhiễm đến mức độ nào. Rủi ro đối với sức khỏe cộng đồng càng cao khi chỉ số AQI càng lớn. Chỉ số AQI tập trung vào sự ảnh hưởng tới sức khỏe người dân có thể gặp trong vòng vài giờ hoặc vài ngày sau khi hít thở không khí ô nhiễm. Các bạn theo dõi cách tính chỉ số AQI tại đây.

3.2. Các cảm biến được sử dụng trong dự án

  • Cảm biến bụi SDS011
    Là cảm biến đo nồng độ bụi PM2.5, PM10 sử dụng công nghệ nhiễu xạ laser. Đây có thể coi là cảm biến đo bụi có độ chính xác cao trong các dòng cảm biến đo bụi kích thước nhỏ. Cảm biến SDS011 là cảm biến số, sử dụng phương thức truyền thông UART, I2C, …

Cảm biến bụi SDS011

  • Cảm biến đo nồng độ của NO2, CO và NH3 MICs 6814: 

Cảm biến được sử dụng để đo nồng độ khi NO2, CO và NH3 trong không khí với độ ổn định và độ chính xác cao.

Cảm biến MICs 6814 đo nồng độ của NO2, CO và NH3 

4. Ứng dụng điện thoại theo dõi chất lượng không khí tại các tuyến đường giao nhau

Nhóm thiết kế trên nền tảng Android Studio. Android Studio là IDE (Môi trường phát triển tích hợp) chính thức và mạnh mẽ nhất trong phát triển ứng dụng Android ở thời điểm hiện tại. Nó được phát triển bởi Google và được sử dụng để tạo phần lớn các ứng dụng mà bạn có thể sử dụng hàng ngày.

Ứng dụng được thiết kế với nhiều chức năng được tích hợp vào. Ứng dụng có hệ thống chỉ số AQI được tính toán từ vi điều khiển và thông qua truyền thông LoRa đưa dữ liệu lên The Things NetWork sau đó Fire Base sẽ lấy dữ liệu lưu trữ về để Android studio có thể lấy được và hiển thị trên ứng dụng. Đồng thời ứng dụng đã tích hợp cả hệ thống Camera thời gian thực ngay tại tuyến đường đó để người dùng có thể đánh giá trực quan về chất lượng của không khí tại địa điểm là các tuyến đường giao nhau, vì sự tỉ lệ thuận của độ ô nhiễm không khí và sự ách tắc giao thông của các tuyến đường giao nhau.

Ứng dụng điện thoại theo dõi chất lượng không khí

C. Sản phẩm thực tế

Mạch điều khiển hệ thống

Video giới thiệu về đề tài “Quan trắc giám sát và nâng cao chất lượng không khí tại các tuyến đường giao nhau” của các thành viên nhóm Fire Blood.