Ứng dụng công nghệ IoT trong quản lý rác thải thông minh

Internet kết nối vạn vật (IoT) là một khái niệm mà trong đó các đối tượng xung quanh được kết nối với nhau thông qua mạng có dây, không dây và không cần sự can thiệp của con người. Dịch vụ thông minh, tiên tiến dựa trên nền tảng IoT được cung cấp cho người dùng thông qua kết nối và trao đổi thông tin giữa các đối tượng với nhau. Những tiến bộ gần đây trong việc tích hợp nhiều bộ cảm biến, mô-đun giao tiếp cùng với các công nghệ mạng như 3G, Wi-Fi và LTE vào các thiết bị di động đã đưa ứng dụng IoT càng ngày càng gần gũi với đời sống của con người. Công nghệ IoT hiện tại có thể thực hiện các công việc như: cảm nhận, khởi động, thu thập dữ liệu, lưu trữ và xử lý thông qua kết nối Internet giữa các thiết bị vật lý hoặc thiết bị ảo. Với các chức năng này, những ứng dụng dựa trên nền tảng IoT như: Giám sát môi trường, theo dõi đối tượng, quản lý giao thông, chăm sóc sức khoẻ và thành phố thông minh … đang ngày càng được chú trọng và phát triển.

Trong lĩnh vực môi trường, vấn nạn xả thải bừa bãi không qua xử lý của các nhà máy, khu công nghiệp hoặc thói quen vứt bỏ chất thải bừa bãi của cộng đồng dân cư ngày càng gia tăng. Bên cạnh đó, tình trạng không có hệ thống giám sát, thu gom và quản lý chất thải hoặc có nhưng hệ thống này đã lỗi thời, làm việc không hiệu quả đã gây ra những vấn đề nghiêm trọng về ô nhiễm môi trường, làm tăng gánh nặng chi phí cho vấn đề xử lý chất thải. Với những tính năng của IoT nêu trên, nhiều ứng dụng của IoT để quản lý chất thải đã được thử nghiệm và đưa vào sử dụng ở nhiều nước trên thế giới.

Thông qua sưu tầm, trích dẫn các tài liệu, bài viết này giới thiệu một số hệ thống quản lý rác thải thông minh dựa trên những tính năng của công nghệ IoT đang được triển khai tại một số nước trên thế giới.

Hệ thống xử lý rác thải thực phẩm thông minh (SGS)

Trong một hệ thống SGS bao gồm:

- Thùng rác thông minh (SGB): Mỗi SGB, có vai trò là thùng chứa trong việc thu gom chất thải thực phẩm, có khả năng di chuyển, được vận hành bằng năng lượng pin, có tính tiện lợi cho người dân, tích hợp các tính năng khác nhau thông qua kết nối không dây;

- Bộ định tuyến (routers) được sử dụng để phân phối kết nối thông tin;

- Máy chủ (Server) thu thập và phân tích tình trạng của tất cả các SGB và thông tin người dùng thông qua nhận dạng đối tượng dựa trên sóng radio (RFID).

Thông thường, thiết kế của một hệ thống thu gom rác sử dụng RFID, bên trong thùng chứa rác SGB sẽ có một ngăn chứa RFID bao gồm: một mô-đun truyền thông dùng để giao tiếp, một mô-đun RFID để đọc dữ liệu từ thẻ RFID, lối vào rác tự động và chức năng cân để đo trọng lượng chất thải. Hệ thống phải đảm bảo các yêu cầu như sau như: Độ tin cậy; Tính linh hoạt; Dịch vụ liên tục; Thuận tiện cho người sử dụng; Hiệu suất Năng lượng.

Mô hình Hệ thống rác thải thông minh SGS

Mô hình của một hệ thống SGS được thể hiện như sau:

 Hình 1. Tổng quan hệ thống thu gom rác thải thông minh

Các SGB được lắp đặt gần các tòa nhà và các khu dân cư, có chức năng trao đổi thông tin với nhau và gửi thông tin tới máy chủ thông qua mạng không dây. Về mặt cấu trúc, hệ thống được chia thành hai khu vực: Miền quản trị và Miền dịch vụ.

(i)Miền quản trị: Ở đây, thông tin đăng ký về người dùng, thông tin thanh toán và thông tin trạng thái như: tuổi thọ pin, bộ nhớ cũng như bất kỳ sự cố nào của các SGB sẽ được thu thập. Căn cứ qui mô hệ thống, người ta sẽ bố trí số lượng máy chủ phù hợp để thực hiện những việc sau: Máy chủ bảo trì SGB, máy chủ người dùng và máy chủ thanh toán.

- Máy chủ người dùng: có chức năng quản lý thông tin về việc thải chất thải và thông tin cá nhân của những người đã được đăng ký trong hệ thống. Hơn nữa, thông tin về lượng thải chất thải được lưu trữ và phân loại dựa trên những yếu tố: Khu vực, người cư trú và thùng rác trong máy chủ quản lý người dùng.

- Máy chủ thanh toán: có chức năng thực hiện quy trình thanh toán dựa trên trọng lượng của chất thải với công ty phát hành thẻ. Khi một người cư trú sử dụng thẻ RFID để xả rác, thông tin thẻ cá nhân đã đăng ký trên thẻ RFID sẽ được chuyển đến máy chủ thanh toán và sau đó gửi dữ liệu yêu cầu công ty phát hành thẻ tiến hành thanh toán.

- Máy chủ bảo trì SGS: đóng một vai trò trong việc quản lý tất cả các thông tin liên quan đến các SGB như: Lượng chất thải thực phẩm của mỗi SGB, số lượng rác thực phẩm mà công ty thu gom thu thập và thông tin trạng thái của các SGB. Do đó, nếu phát hiện xảy ra sự cố của một SGB bất kỳ, sau khi phân tích thông tin trạng thái, một quản trị viên được gửi đến để kiểm tra vấn đề, đồng thời máy chủ bảo trì SGS sẽ báo thông tin cho người dân sử dụng SGB gần đó. Tất cả các thông tin được quản lý trong miền quản trị và cung cấp thông qua dịch vụ Web hay tin nhắn của ứng dụng. Thông qua đó các quản trị viên có thể xác định được trạng thái của toàn hệ thống cũng như từng điểm, người dân có thể lựa chọn vị trí đổ rác và kiểm tra lượng chất thải thực phẩm mà họ đã vứt đi cũng như số tiền mà họ đã trả.

(ii) Miền dịch vụ. Ở đây là nơi mà các cư dân bỏ rác thải thực phẩm. Khi một thẻ RFID của người dùng chạm vào đầu đọc RFID của một SGB, nó sẽ tiến hành xác thực người dùng đó và mở nắp thùng. Người dùng sau đó ném bỏ chất thải thực phẩm của mình vào thùng, SGB sẽ tự đo trọng lượng của chất thải đó. Sau quá trình thải bỏ, SGB gửi thông tin thu thập được của người dùng và trọng lượng của chất thải thực phẩm của họ đến miền quản lý. Thông tin này cũng đồng thời sẽ gửi tới nhân viên thu gom rác, nhân viên quản trị và nhân viên vệ sinh thùng rác. Các SGB được kết nối, trao đổi các dữ liệu với nhau như: Mức chứa, tuổi thọ pin và thông tin người dùng thông qua mạng lưới không dây (Wireless Mesh Network – WMN). Vì vậy, tính liên tục của dịch vụ sẽ luôn được đảm bảo ngay cả khi một người dùng sử dụng nhiều thùng rác khác nhau. Một thùng rác thông minh đầu mối (Header Smart Garbage Bin-HSGB) nằm trong mỗi khu vực có nhiệm vụ thu thập, phân tích và quản lý các thông tin từ SGBs khác trong khu vực của nó. HSGB được kết nối trao đổi thông tin với các SGB thông qua mạng WMN. Trong trường hợp nếu xảy ra vấn đề kết nối một HSGB, quyền hạn đầu mối sẽ được ủy thác cho SGB thích hợp nhất trong khu vực đó.

Các SGB đều sử dụng năng lượng pin của riêng mình và hợp tác với nhau để đảm bảo năng lượng hoạt động độc lập. Một bộ định tuyến có quyền chọn kết nối với một SGB bất kỳ để trở thành HSGB thông qua tình trạng pin, bộ nhớ và tình trạng ít được sử dụng của SGB đó trong khu vực để thu thập thông tin từ các SGB khác.

Ví dụ trong một khu vực có các SGB: A, B, C, D… Trong đó, SGB-A sẽ là HSGB (vì pin năng lượng của SGB-A có tuổi thọ cao hơn thùng B và C, D và là thùng ít được sử dụng nhất, dự kiến ​​sẽ tiêu thụ năng lượng ít hơn). Tuy nhiên, trong quá trình hoạt động, nếu SGB-A được sử dụng thường xuyên hơn và dẫn đến tình trạng tiêu thụ năng lượng nhiều hơn thùng khác, bộ định tuyến sẽ tiến hành so sánh điện năng tiêu thụ và trạng thái pin với thùng B, C, D… và sẽ ủy quyền đầu mối kết nối cho bất kỳ thùng nào trong số này nếu thỏa mãn các tham số phù hợp nhất.

Trên thực tế, hệ thống rác thông minh này chỉ phù hợp với những nơi có qui mô dân số nhỏ, vừa phải. (Hiện nay hệ thống này đã được triển khai tại huyện Gangnam thuộc Seoul Hàn Quốc và đang trong quá trình triển khai ra nhiều địa phương phù hợp khác).

Một hệ thống quản lý rác thải thông minh với quy trình khép kín (Xả rác-Phân loại từ nguồn-Thu gom-Tái chế/Tiêu hủy) hoàn chỉnh dựa trên công nghệ IoT có quy mô lớn dành cho một thành phố thông minh, đông đúc dân cư sẽ được mở rộng nhiều thành phần, đối tượng có liên quan khác nhau.

Hệ thống quản lý chất thải thông minh (Smart Waste Management-SWM)

Đây một dịch vụ trong lĩnh vực môi trường thông minh của thành phố thông minh đang được ứng dụng tại một số thành phố của Ấn Độ. Hệ thống này có quy mô khá hoàn chỉnh trong việc thu gom rác thải theo mô hình cửa đến cửa (door to door) dành cho những nơi có cộng đồng dân cư lớn, cơ sở hạ tầng hoàn chỉnh với những chức năng chính như: Giám sát thùng rác, theo dõi việc vận chuyển của xe tải thu gom rác và theo dõi thông tin về trọng lượng của rác thải được thu gom và đổ…

Có thể nói đây là một hệ thống mở, đảm bảo hoạt động trơn tru và liền mạch, ưu tiên ứng dụng công nghệ IoT mới nhất và hạn chế can thiệp của con người một cách tối đa.

Hình 2. Hệ thống quản lý chất thải (Smart Waste Management-SWM)

Hệ thống quản lý chất thải SWM này bao gồm các thành phần cơ bản như sau:

Thùng rác thông minh: Có tính năng tương tự như thùng rác của hệ thống SGS bao gồm các thiết bị cảm biến thùng rác, mô-đun truyền thông, thiết bị RFID. Dùng để kết nối, xác thực người dùng và xác định tình trạng của thùng rác đầy hay trống để tùy chỉnh lịch trình thu gom chất thải phù hợp và tiết kiệm chi phí

Hệ thống theo dõi xe (Vehicle Tracking Systems-VTS): Sử dụng công nghệ GSM /GPS/GIS có thể giám sát sự di chuyển của xe chở rác qua các khu vực của thành phố. Các hệ thống VTS thông qua thu thập, phân tích dữ liệu thời gian thực từ thùng rác, ứng dụng các thuật toán thông minh để xây dựng, tối ưu hóa lịch trình thu gom rác phù hợp (theo tuyến đường, tình trạng thùng rác...).

Công nghệ nhận dạng đối tượng-RFID: Dùng để nhận dạng lẫn nhau giữa người dùng và thùng rác, giữa thùng rác và xe tải tại thời điểm thu gom. Nó cũng có thể thực hiện việc kết nối, nhận dạng ở những khu vực khác như: xe thu gom và nhà để xe/bãi rác.

Bộ cảm biến trọng lượng: Được gắn trên thùng rác và xe tải thu gom chất thải để có thể theo dõi trọng lượng của rác được thu gom được bởi xe tải.

Trạm cân: Bãi rác có thể sử dụng cầu cân để đo trọng lượng của xe tải trước và sau khi đi thu gom rác. Điều này có thể đảm bảo việc kiểm tra bổ sung về khối lượng rác thải được thu gom và đổ.

Mạng kết nối: Thông qua công nghệ kết nối Internet như 4G, 3G hay GPRS dùng để truyền tải thông tin giữa các thành phần trong hệ thống với Trung tâm dữ liệu một cách liền mạch.

Các nền tảng trực tuyến: Cung cấp các tùy chọn cho người dùng, doanh nghiệp có liên quan như: Thanh toán trực tuyến, xem xét mua bán trao đổi tái sử dụng đồ đạc cũ, cung cấp thông tin về tình trạng thùng rác, cung cấp thông tin từng loại rác (tái chế, đốt bỏ, chôn lấp…) sau khi thu gom cho các thành phần liên quan khác…

Có thể nói đây là một hệ thống có ưu điểm tạo ra một quy trình khép kín, tự động hóa ở mức cao trong quá trình thu gom rác thải từ người dân cho đến lúc tái chế/tiêu hủy. Thông qua thu thập, phân tích xử lý dữ liệu từ các cảm biến thời gian thực, những dữ liệu này khi đưa vào một bối cảnh không gian số, được xử lý bởi các thuật toán thông minh và tối ưu hóa sẽ tạo ra quy trình quản lý chất thải thông minh, làm trong sạch môi trường, tiết kiệm chi phí cho toàn xã hội. Tuy nhiên, để các hệ thống thu gom rác thải thông minh này hoạt động hiệu quả, bên cạnh ứng dụng công nghệ mới nhất thì ý thức con người chiếm phần quyết định. Ở một số nơi như Singapore, Nhật Bản, Hàn Quốc, chính quyền sở tại đã tăng mức chế tài, xử phạt rất cao đối với những hành vi xả rác bừa bãi không đúng quy định. Ngoài ra, để giảm gánh nặng chi phí cho người dân, chính quyền nơi đây cũng tiến hành trợ giá cho các công ty tham gia cung cấp dịch dịch vụ thu gom rác... Sự kết hợp hài hòa giữa ứng dụng công nghệ và chính sách quản lý vào đời sống xã hội đã làm giảm tối đa các tác nhân là con người gây ra tình trạng ô nhiễm môi trường từ việc xả thải bừa bãi. Điều này cũng đồng thời quyết định đến sự thành công hay thất bại của một thành phố thông minh.

Hiện nay, Việt Nam đang trong quá trình xây dựng các thành phố thông minh như: Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh, Đà Nẵng … Với thực trạng ô nhiễm môi trường (không khí, rác thải, tiếng ồn…) tại đây luôn luôn là vấn đề nhức nhối cần giải quyết. Xây dựng, tối ưu hệ thống dịch vụ xử lý chất thải thông minh, toàn diện là nội dung thiết thực có thể xem xét trong giai đoạn đầu của quá trình xây dựng thành phố thông minh và bền vững.

AITA