Nghiên cứu xây dựng và thử nghiệm hệ thống trạm khí tượng tự động

Trạm khí tượng tự động: được sự quan tâm của Nhà nước, các thiết bị dạng này đã được sử dụng thử nghiệm từ thập niên 90 của thế kỷ trước, đến nay số lượng được sử dụng trong ngành đã tă

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG VIỆN KHOA HỌC KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN VÀ MÔI TRƯỜNG PHÒNG NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM CÔNG NGHỆ ĐO ĐẠC

23/62 Nguyễn Chí Thanh, Đống Đa, Hà Nội -******** -

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ

KS Đào Hồng Châu Phòng NCTN CN Đo đạc - Viện KH KTTV&MT

KS Hoàng Phi Thành Phòng NCTN CN Đo đạc - Viện KH KTTV&MT

KS Đặng Tùng Mẫn Phòng KH&CN Thông tin - Viện KH KTTV&MT

KS Nguyễn Danh Hiệp Phòng KH&CN Thông tin - Viện KH KTTV&MT

KS Nguyễn Ngọc Quý TT Mạng lưới KTTV&MT- TT KTTV QG

Hà Nội, ngày 15 tháng 12 năm 2009 Hà Nội, ngày 15 tháng 12 năm 2009 Hà Nội, ngày 15 tháng 12 năm 2009

CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI

Nguyễn Viết Hân

ĐƠN VỊ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

TS Nguyễn Lê Tâm

CƠ QUAN QUẢN LÝ ĐỀ TÀI

MỤC LỤC

TT Nội dung Trang

Lời mở đầu ……… 2

Chương 1 Tổng quan về các trạm khí tượng tự động và mục tiêu của đề tài 4 1.1 Các trạm khí tượng tự động trong nước … ……… 4

1.1.1 Thiết bị có xuất xứ từ nước ngoài ……… 5

1.1.2 Thiết bị có xuất xứ trong nước ……… 6

1.2 Về các trạm khí tượng tự động ở ngoài nước ……… 7

1.3 Về công nghệ truyền tin ……… 9

1.4 Một số nhận xét ……… 10

1.5 Cơ sở thực hiện các nhiệm vụ của đề tài ……… 12

1.6 Mục tiêu và yêu cầu kết quả của đề tài ……… 13

Chương 2 Lựa chọn công nghệ xây dựng trạm khí tượng tự động ………… 16

2.1 Lựa chọn sen-xơ đo yếu tố gió ……… 16

2.2 Lựa chọn sen-xơ đo yếu tố mưa ……… 23

2.3 Lựa chọn sen-xơ đo yếu tố nhiệt độ và độ ẩm không khí ……… 24

2.4 Lựa chọn sen-xơ đo yếu tố áp suất khí quyển ……… 26

2.5 Lựa chọn công nghệ truyền tin trên mạng điện thoại di động ……… 27

Chương 3 Thiết kế bộ hiển thị Datalogger của trạm khí tượng tự động …… 31

3.1 Sơ đồ khối chức năng Datalogger VH-051S ……… 31

3.2 Lựa chọn hệ vi xử lý ……… 33

3.3 Nguyên lý hoạt động Datalogger ……… 36

3.4 Tính năng kỹ thuật của Datalogger VH-051S ……… 38

Chương 4 Các chương trình điều khiển hệ thống trạm KTTĐ VH-051S …… 42

4.1 Chương trình điều khiển trực tiếp LocVh051s ……… 42

4.2 Chương trình điều khiển và thu nhận số liệu SysVh051sKv tại Trung tâm Khu vực của hệ thống các trạm KTTĐ VH-051S ………

46 4.3 Ý nghĩa thông tin từ trạm VH-051S ……… 51

Chương 5 Kết quả triển khai thực nghiệm hệ thống trạm KTTĐ VH-051S 53 5.1 Phương pháp tiến hành thử nghiệm ……… 53

5.2 Kết quả kiểm định lần thứ nhất trước khi lắp đặt thử nghiệm ……… 54

5.3 Kết quả kiểm định lần thứ hai tại nơi lắp đặt ……… 58

5.4 Kết quả kiểm định lần thứ ba sau quá trình thử nghiệm ……… 59

5.5 Kết quả hoạt động của hệ thống thử nghiệm ……… 61

Kết luận và kiến nghị ……… 66

Tài liệu tham khảo ……… 68

DANH MỤC CÁC BẢNG

TT Tên bảng Trang

1 Bảng 1.1 Thông số thiết kế của trạm KTTĐ 14

2 Bảng 1.2 Thông số bổ sung của sen-xơ 15

3 Bảng 3.1 Các chỉ tiêu kỹ thuật chính của bộ hiển thị VH-051S 40

4 Bảng 5.1 Yêu cầu về sai số đối với các thiết bị đo khí tượng 54

5 Bảng 5.2 Sai số tốc độ gió khi sử dụng các sen-xơ Young 05106MA 55

6 Bảng 5.3 Sai số hướng gió khi sử dụng các sen-xơ Young 05106MA 55

7 Bảng 5.4 Sai số yếu tố mưa khi sử dụng các sen-xơ SL3-1 56

8 Bảng 5.5 Sai số yếu tố nhiệt độ khi sử dụng các sen-xơ VH-11TH 56

9 Bảng 5.6 Sai số yếu tố độ ẩm khi sử dụng các sen-xơ VH-11TH 56

10 Bảng 5.7 Sai số yếu tố áp suất khi sử dụng các sen-xơ VH-15B 57

11 Bảng 5.8 Sai số yếu tố đo tại lần kiểm định cấp Nhà nước 58

12 Bảng 5.9 Sai số trung bình các yếu tố khi kiểm định tại chỗ 59

13 Bảng 5.10 Sai số tốc độ gió sau quá trình thực nghiệm 59

14 Bảng 5.11 Sai số hướng gió sau quá trình thực nghiệm 59

15 Bảng 5.12 Sai số yếu tố mưa sau quá trình thực nghiệm 60

16 Bảng 5.13 Sai số yếu tố nhiệt độ sau quá trình thực nghiệm 60

17 Bảng 5.14 Sai số yếu tố độ ẩm sau quá trình thực nghiệm 60

18 Bảng 5.15 Sai số yếu tố khí áp sau quá trình thực nghiệm 60

19 Bảng 5.16 Số liệu tại “Nhật ký hoạt động” trạm Văn Lý 62

20 Bảng 5.17 Số liệu tại “Nhật ký hoạt động” trạm Hà Đông 63

21 Bảng 5.18 Số liệu tại Datalogger trạm Hà Đông ngày 07/11/2009 63

22 Bảng 5.19 Số liệu của trạm Hà Đông ngày 07/11/2009 tại Trung tâm Khu vực 64

23 Bảng 5.20 Số liệu của trạm Hà Đông ngày 07/11/2009 tại Trung tâm Trung ương 64

DANH MỤC CÁC HÌNH

4 Hình 2.4 Cấu tạo của sen-xơ gió Young 05106MA 19

9 Hình 2.4 Thiết bị đo mưa xi phông SJ1 và vũ lượng ký SL1 của Trung

10 Hình 2.5 Các sen-xơ đo mưa điển hình dùng cho các trạm KTTĐ 24

11 Hình 2.6 Sen-xơ đo mưa SL3-1 và các thông số kỹ thuật 24

13 Hình 2.8 Sen-xơ nhiệt ẩm VH-11TH và các thông số đặc trưng 26

15 Hình 2.10 Sen-xơ khí áp VH-15B và các thông số kỹ thuật 27

18 Hình 3.1 Sơ đồ khối dạng tổng thể của Datalogger VH-051S 31

19 Hình 3.2 Sơ đồ khối của Datalogger VH-051S khi dùng modem GSM 32

20 Hình 3.3 Lưu đồ thuật toán chính của Datalogger 37

21 Hình 3.4 Bộ hiển thị Datalogger VH-051S 38

22 Hình 3.5 Bộ hiển thị Datalogger VH-051SA 39

23 Hình 3.6 Thông tin tại LCD của bộ hiển thị VH-051S 40

24 Hình 4.1 Giao diện chính của của chương trình điều khiển LocVh051s 43

25 Hình 4.2 Sơ đồ thuật toán chính của chương trình LocVh051s 44

26 Hình 4.3 Khung nhập mật khẩu LocVh051s 45

27 Hình 4.4 Khung nhập thông số LocVh051s 45

28 Hình 4.5 Khung nhập ngày bắt đầu và số ngày lấy số liệu 45

30 Hình 4.7 Giao diện chính của của chương trình điều khiển SysVh051s 47

31 Hình 4.8 Sơ đồ thuật toán chính của chương trình SysVh051s 48

32 Hình 4.9 Khung nhập mật khẩu SysVh051s 50

33 Hình 4.10 Khung nhập thông số SysVh051s 50

34 Hình 4.11 Khung nhập ngày bắt đầu và số ngày lấy số liệu 50

Những năm gần đây cùng với sự biến đổi của khí hậu toàn cầu, diễn biến bất thường của thời tiết và thiên tai nguy hiểm xuất hiện ở nước ta ngày càng dày hơn, khốc liệt hơn và biến động rất phức tạp Thiên tai nghiêm trọng không theo quy luật xẩy ra ở nhiều vùng khắp cả nước Các cơn bão và mưa lớn trong những năm qua, đặc biệt trong năm 2009 đã làm thiệt hại nhiều tính mạng và tài sản Trong bối cảnh đó, nâng cao năng lực cho công việc dự báo, cảnh báo và giám sát thiên tai là nhu cầu quan trọng, là cơ sở đầu tiên cho việc giảm nhẹ thiên tai Hiện nay nhiều mô hình số trị đã và đang được sử dụng, nhằm nâng cao chất lượng dự báo Nhưng đầu vào cho các mô hình này là một bộ số liệu khá lớn, trong đó số liệu thời gian thực với kỳ quan trắc dày từ mạng lưới trạm đo đạc đủ lớn đóng vai trò quan trọng Để đáp ứng được việc này, không có sự lựa chọn nào khác, ngoài việc sử dụng các trạm khí tượng tự động (KTTĐ) Từ hơn 20 năm về trước, các trạm KTTĐ nhập ngoại đã được sử dụng tại nước ta và đến nay nhu cầu sử dụng các trạm này ngày càng lớn Nhưng việc khai thác và duy trì các trạm nhập ngoại còn tồn tại nhiều bất cập Do đó, việc chủ động công nghệ xây dựng hệ thống trạm KTTĐ là rất cấp thiết Thực hiện thành công đề tài này là bước cơ bản để giải quyết các vấn đề trên

Kết quả khả quan của đề tài là khâu đột phá quan trọng, chứng tỏ các chuyên gia trong nước có khả năng làm chủ được nhiều công đoạn công nghệ hiện đại, chủ động đáp nhu cầu phát triển của ngành Báo cáo tổng kết được trình bày trong 5 chương, với bố cục như sau:

Chương 1 là phần tổng quan, phân tích về các trạm KTTĐ trong và ngoài nước, nhằm lựa chọn phương án tốt nhất để thực hiện các nhiệm vụ của đề tài;

Chương 5 là phần tổng kết, đánh giá quá trình thực nghiệm

Báo cáo tổng kết đề tài là kết quả quá trình nghiên cứu thực nghiệm trong nhiều năm, nhằm xây dựng thành công hệ thống trạm KTTĐ trên cơ sở công nghệ tiên tiến và tin cậy mà các chuyên gia của Việt Nam chủ công nghệ, với giá thành và chi phí hợp lý Kết quả của đề tài là cơ sở quan trọng cho việc tự động hóa đo đạc và truyền số liệu các yếu tố khí tượng thủy văn

Nhân đây, những người thực hiện đề tài xin trân trọng biết ơn sự quan tâm

và giúp đỡ của lãnh đạo Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường, của Trung tâm Mạng lưới KTTV&MT, của Đài KTTV Khu vực Đồng bằng Bắc Bộ, Trạm khí tượng nông nghiệp Hà Đông, Trạm khí tượng nông nghiệp Ba Vì, Trạm khí tượng Văn Lý, trong quá trình triển khai các nhiệm vụ của đề tài

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÁC TRẠM KHÍ TƯỢNG TỰ ĐỘNG

VÀ MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

Việc đo đạc các yếu tố KTTV, như: gió, mưa, nhiệt độ, độ ẩm, áp suất không khí, mực nước để đảm bảo cung cấp số liệu điều tra cơ bản, đóng vai trò rất quan trọng trong nghiệp vụ quan trắc của ngành KTTV và được tiến hành tại hầu hết các trạm KTTV theo một quy phạm chặt chẽ và thống nhất Các số liệu này là cơ sở quan trọng đối với công tác dự báo KTTV, nghiên cứu khoa học, quy hoạch và nhu cầu sử dụng các số liệu KTTV ngày càng cao cả về chất lượng và

số lượng Nhưng hiện nay, công việc điều tra cơ bản chủ yếu vẫn dựa trên các thiết bị đo đạc thủ công, do đó việc cung cấp số liệu số hóa cho các mô hình dự báo còn gặp nhiều khó khăn Để khắc phục các nhược điểm trên, các thiết bị đo đạc tự động, đặc biệt là các trạm khí tượng tự động đã và đang được sử dụng rộng rãi ở nước ta và nhiều nước khác

Các thiết bị đo các yếu tố KTTV của ngành rất đa dạng về chủng loại, tính năng và xuất xứ Về khả năng tự động hóa có thể phân làm 03 nhóm như sau:

Thiết bị đo thủ công truyền thống: có khá nhiều chủng loại, như máy gió

Vild, máy đo gió cầm tay, các loại nhiệt kế, áp kế thủy ngân, các thiết bị đo mưa

xi phông, thùng đo mưa, các nhiệt, ẩm, vũ lượng ký, Việc tự động hóa trên cơ

sở các thiết bị này rất khó khăn và có rất ít hy vọng đạt được hiệu quả mong muốn

Thiết bị đo cơ điện tử: Máy gió EL, Tavid, Deolia-91, Wind Tracker

Young, Vũ lượng ký SL1, Áp kế số PA-11, PTB220B Việc sử dụng các thiết bị này cho mục đích tự động hóa tuy có khó khăn, nhưng hoàn toàn có thể

Trạm khí tượng tự động: được sự quan tâm của Nhà nước, các thiết bị

dạng này đã được sử dụng thử nghiệm từ thập niên 90 của thế kỷ trước, đến nay

số lượng được sử dụng trong ngành đã tăng lên đáng kể và dự kiến loại thiết bị này sẽ được tăng cường trang bị thêm đến hàng trăm với nhiều chủng loại

Theo quy ước, trạm KTTĐ là thiết bị khí tượng được tự động hóa cho mục tiêu đo đạc từ hai yếu tố khí tượng trở lên Vì vậy, trong phần này đề tài chỉ tập trung tổng quan, phân tích về các thiết bị có liên quan đến trạm KTTĐ trong và ngoài nước

1.1 Các trạm khí tượng tự động trong nước

Nhờ các ưu thế của mình so với các thiết bị đo đạc thủ công truyền thống, các thiết bị đo tự động nói chung và trạm KTTĐ nói riêng đã được sử dụng tại

nước ta từ vài chục năm về trước, hầu hết là thiết bị có xuất xứ ngoại nhập Các thiết bị này đã thể hiện được sự tiện lợi và hiệu quả của mình

1.1.1 Thiết bị có xuất xứ từ nước ngoài

Số lượng các trạm KTTĐ phục vụ công việc chuyên môn của ngành KTTV

đã được tăng lên nhanh chóng theo thời gian Có thể liệt kê một số trạm tiêu biểu như sau:

- Các trạm do Viện KH KTTV&MT quản lý, gồm 7 trạm: 02 Trạm khí tượng

nông nghiệp nhiều yếu tố đo Vaisala MILOS 500 – Phần Lan đặt tại Hoài Đức, Trà Nóc trong năm 1992, 02 Trạm khí tượng tự động của MetOne lắp đặt tại Thác Bà và Hòa Bình và 01 Trạm tháp 5 tầng gió nhiệt ẩm Milos 500 tại Láng, 01 Trạm Aanderaa 2700 dùng cho việc khảo sát, 01 trạm Monitror -

Úc dùng cho đo đạc khảo sát khí tượng nông nghiệp;

- Dự án ODA gồm 11 trạm khí tượng tự động, lắp đặt tại Phủ Liễn, Hòn Dấu,

Cô Tô, Bạch Long Vỹ, Hải Dương, Hà Giang, Phú Hộ, Thanh Hóa, Vinh, Kỳ Anh, Phú Quý Trong đó, 09 trạm do hãng Degreane - Pháp cung cấp, 01 trạm Handar - Hoa Kỳ, 01 trạm Vaisala Milos 500 đo các yếu tố: gió, mưa, nhiệt

độ, độ ẩm, áp suất không khí;

- Hệ thống 09 trạm tự động quan trắc môi trường không khí Kimoto - Nhật

Bản rất hiện đại, đo các yếu tố khí tượng và nhiều thông số về chất lượng không khí, lắp đặt tại Láng, Phủ Liễn, Cúc Phương, Đà Nẵng, Nhà Bè, Plây

Cu, Cần Thơ, Vinh, Sơn La;

- Hệ thống 07 trạm MeteorBurst - Hoa Kỳ tăng cường cho nghiệp vụ dự báo,

bao gồm: Trung tâm tại Chí Linh và 7 trạm được lắp đặt tại Bạch Long Vĩ, Móng Cái, Cửa Ông, Hòn Dấu,Văn Lý, Tĩnh Gia, Hòn Ngư, đo các yếu tố gió, mưa, nhiệt độ, độ ẩm, áp suất không khí Hệ thống này sử dụng thu phát vô tuyến theo chuẩn Meteor bằng Modem chuyên dùng;

- Hai dự án lớn đã và đang triển khai trong các năm 2008-2010

*Dự án ODA của Italy “Tăng cường hệ thống dự báo cảnh báo lũ lụt ở Việt

Nam - Giai đoạn 1”, đầu tư hệ thống các thiết bị đồng bộ cho các tỉnh Quảng

Bình, Quảng Trị, Thừ thiên Huế, Quảng Nam, Quảng Ngãi, bao gồm: 16 trạm KTTĐ đo các yếu tố gió, mưa, nhiệt độ, độ ẩm, áp suất không khí; 43 trạm thủy văn quan trắc mực nước và mưa; 15 trạm đo mưa;

*Dự án tài trợ của ngân hàng thế giới WB “Tăng cường năng lực cảnh báo

giám sát lũ lụt đồng bằng sông Cửu Long”, gồm: 12 trạm KTTĐ đo 8 yếu tố,

89 trạm thủy văn đo mực nước và đo mưa;

*Các trung tâm thu số liệu tại Khu vực và Trung ương của hai dự án này có phương thức truyền nhận số liệu hiện đại, kết hợp các dạng truyền Radio UHF, GSM và vệ tinh;

- Dự kiến, trong thời gian sắp tới “Tăng cường hệ thống dự báo cảnh báo lũ lụt

ở Việt Nam - Giai đoạn 2”, đầu tư hệ thống các thiết bị đồng bộ cho các tỉnh

Bắc Trung Bộ, bao gồm: 40 trạm KTTĐ đo các yếu tố gió, mưa, nhiệt độ, độ

ẩm, áp suất không khí; 53 trạm thủy văn quan trắc mực nước và mưa; 152 trạm đo mưa;

- Ngoài ra trong ngành đã được trang bị khá nhiều thiết bị đo gió tự động Young và các thiết bị tự động đo các yếu tố đơn lẻ khác;

- Khá nhiều trạm KT tự động của Hoa Kỳ, Na Uy, Phần Lan, Itatly, Đài Loan,…được sử dụng cho nhiều lĩnh vực khác, ngoài ngành KTTV, như: hàng không, phòng chống cháy rừng, khai thác mỏ

Trong thời gian tới, thực hiện các dự án tăng cường trang thiết bị cho ngành KTTV, dự kiến: số trạm tự động quan trắc môi trường không khí Kimoto - Nhật Bản sẽ lên tới 22 trạm, số trạm đo gió Young sẽ lên tới hàng trăm, ngoài ra dự kiến 17 trạm hải văn ven biển rất hiện đại của Hoa Kỳ, nhiều thiết bị tự động mới cho Tàu nghiên cứu Biển

1.1.2 Thiết bị có xuất xứ trong nước

Đối với các thiết bị đo đạc chuyên ngành KTTV, việc đầu tư nghiên cứu sản xuất các thiết bị tự động trong nước còn hạn chế, chưa đạt được những kết quả khả quan

Từ năm 1993, Trung tâm Khoa học Tự nhiên đã nghiên cứu lắp ráp thử nghiệm trạm KT tự động ở mức đơn giản, đo các yếu tố cơ bản: mưa, gió, nhiệt

độ và áp suất khí quyển Do sử dụng các sen-xơ có độ chính xác chưa cao và công nghệ còn hạn chế, nên các tham số đo đạc của thiết bị không ổn định và có

độ chính xác chưa đạt như mong muốn Trạm đã đo thử nghiệm tại Phú Thụy, huyện Gia Lâm, nhưng không cho kết quả khả quan và việc hoàn thiện cũng không được tiếp tục

Từ những năm 2000, Viện Điện tử – Trung tâm Khoa học Kỹ thuật Quân sự cũng đã thiết kế và xây dựng trạm đo đạc yếu tố gió phục vụ binh chủng Pháo binh và Hải quân Độ chính xác của trạm chưa cao, chỉ đáp ứng được yêu cầu của

họ và việc hoàn thiện thiết bị cũng không tiếp tục

Trong năm 2006, Công ty Hải Dương có giới thiệu thiết bị báo động mưa lớn tại chỗ bằng âm thanh, không hiển thị số liệu, nhưng hiện nay còn đang hoàn

Hymetco đã đưa ra thị trường Máy đo nhiệt đất hiện số MLS-02 dùng đo nhiệt độ mặt đất và các độ sâu, nhằm thay thế cho việc quan trắc thủ công bằng các nhiệt

kế thủy ngân truyền thống

Trong các năm 2006 - 2009, Viện KH KTTV&MT đã thực hiện thành công nhiều đề tài và các công trình nghiên cứu thực nghiệm liên quan đến tự động hóa

đo đạc, đáng chú ý nhất là các công trình sau:

- Hệ thống đo mưa gồm 07 trạm của đề tài cấp Bộ “Nghiên cứu xây dựng hệ

thống đo và truyền số liệu đo mưa thời gian thực tại lưu vực Ngàn Phố – Ngàn Sâu” thử nghiệm thành công và chuyển giao cho Đài Khu vực Bắc

Trung Bộ quản lý sử dụng;

- Hệ thống đo mưa và cảnh báo mưa lớn VH-022R, lắp đặt 02 trạm tại tỉnh Yên Bái, sau đó theo yêu cầu của các cơ sở đã triển khai lắp đặt thêm 12 trạm tại Lào Cai, Hà Tĩnh, Kon Tum, Ninh Thuận, Bình Thuận, Tp Hồ Chí

Minh;

- Hệ thống đo gió và đo mưa đã triển khai tại tỉnh Quảng Ninh, gồm 03 trạm

đo gió VH-026W và 15 trạm đo mưa VH-022R

- Các hệ thống trạm VH-xxx của Viện có khả năng cung cấp nhanh số liệu thời gian thực qua mạng điện thoại di động với số lượng trạm trong hệ thống có thể đạt tới hàng vài trăm và đồng thời có thể kiểm soát các trạm qua điện thoại

di động cầm tay

Ngoài ra một số cơ sở Khoa học Công nghệ, như: ĐH Bách Khoa Hà Nội,

ĐH KH Tự nhiên, Viện KHCN Việt Nam,… đã đầu tư cho việc nghiên cứu chế tạo, thử nghiệm các thiết bị đo tự động các yếu tố đơn lẻ: nhiệt độ đất, mực nước Tuy đã có một số thành công ban đầu, nhưng do nhiều nguyên nhân, việc hoàn thiện để thiết bị có thể sử dụng ổn định trên mạng lưới KTTV đã không được tiếp tục Thực tế đến nay hầu như các thiết bị trên đều đã không còn được sử dụng trên mạng lưới của ngành

1.2 Về các trạm khí tượng tự động ở ngoài nước

Tại các nước có nền khoa học và kinh tế phát triển, các thiết bị đo đạc tự động đã được sử dụng từ rất sớm Theo tác giả M S Sternzat [12], các thiết bị tự động đo gió, nhiệt độ, độ ẩm đã được sử dụng tại Liên Xô từ thập niên 30 của thế

kỷ trước [13, 14] Hiện nay, ngành KTTV của các nước phát triển được trang bị một số lượng khá lớn thiết bị quan trắc tự động và thiết bị truyền số liệu với công nghệ hiện đại Mạng lưới quan trắc của các nước này được tự động hoá ở mức độ cao, số liệu đo đạc thời gian thực được đảm bảo kịp thời cho nhu cầu của người

sử dụng Mạng lưới quan trắc tự động đã đóng góp quyết định để nâng cao chất lượng công tác dự báo KTTV nói chung và dự báo các hiện tượng thời tiết nguy hiểm nói riêng, đặc biệt là công tác cảnh báo bão, lũ lụt, lũ quét

Trên thế giới, các thiết bị đo đạc tự động cho ngành KTTV nói chung hay trạm KTTĐ nói riêng có rất nhiều chủng loại về tính năng sử dụng, cấp độ công nghệ và do nhiều cơ sở cung cấp [10, 11] Có thể liệt kê một số hãng chính như Vaisala - Phần Lan; Otto- Đức; Kipp&Zonen - Hà lan; Aanderaa - Na Uy; Diolia, Degreane - Pháp; Cae - Ý; Auria, Monitor - Úc; Handar, MetOne, NovaLynx, Cambell, Young - Mỹ; Kimoto- Nhật Bản;

Tuỳ theo đặc điểm địa lý và mức độ phát triển của từng vùng nơi đặt thiết bị

đo, số liệu thời gian thực được cung cấp cho người sử dụng thông qua mạng hữu tuyến như đường điện thoại, mạng LAN, WAN; mạng vô tuyến như Radio Modem, GSM Modem, máy thu phát vệ tinh; mạng kết hợp giữa hai dạng trên Tại Hồng Kông, vùng lãnh thổ có diện tích tương tự một thành phố nhỏ ven biển nước ta, hiện có mạng lưới các trạm KTTĐ gồm khoảng hơn 30 trạm đo Số liệu KT từ các trạm đo đạc ở các điểm khác nhau của lãnh thổ được cập nhật liên tục qua mạng về máy chủ của Trung tâm dự báo, sau đo các số liệu này được chia

sẽ cho các nhà chuyên môn để phục vụ cho việc dự báo KTTV và cảnh báo thời tiết nguy hiểm

Trong những năm gần đây các cơ sở sản xuất thiết bị KTTV của Trung Quốc đã đưa ra rất nhiều thiết bị tự động cho các yếu tố đơn lẻ và kể cả các trạm KTTĐ nhiều yếu tố Những năm trước đây họ thường sử dụng các sen-xơ nhập ngoại, nhưng thời gian gần đây Trung Quốc đã sản xuất được rất nhiều loại sen-

xơ và chủ động cung cấp các trạm KTTĐ cho Cục KTTV của mình Rất nhiều cơ

sở đảm nhận các sản phẩm khác nhau, đáng quan tâm hơn cả là Huatron Sounding, Weitianxin Electronic, Shanghai Meteorological Instrument Factory với các thiết bị SL1, SL3-1, EL, EC21, trạm KTTĐ CAWS600B, CAWS600R, CAWS800R

Tại Nhật Bản, Pháp, Đức và nhiều nước phát triển khác hệ thống quan trắc

tự động được bố trí rộng khắp lãnh thổ với số lượng khá lớn, thông qua mạng kết hợp giữa vô tuyến và hữu tuyến để bảo đảm việc cung cấp số liệu cho việc dự báo KTTV và cảnh báo các hiện tượng thời tiết nguy hiểm Theo tài liệu của hãng

CAE, ngành KTTV của Italy, mà diện tích đất liền và biển tương tự nước ta, có

hơn 3500 trạm đo đạc tự động với khoảng 16000 cảm biến, 220 trung tâm điều khiển và thu nhận số liệu

Như vậy để có thể đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế - xã hội và đảm bảo

không quá tụt hậu so với các nước phát triển, trong thời gian tới số trạm khí tượng tự động của ta phải tăng lên tới hàng chục, thậm chí hàng trăm lần so với hiện nay

1.3 Về công nghệ truyền tin

Hiện tại, phần lớn các thiết bị đo đạc tự động trong ngành KTTV đều do nước ngoài sản xuất, chủ yếu làm nhiệm vụ quan trắc và lưu trữ số liệu tại chỗ, nếu không được nâng cấp thì chưa có khả năng để đảm bảo cung cấp tự động số liệu thời gian thực

Các thiết bị, công nghệ và giải pháp truyền tin giữa các Đài KTTV khu vực

và Trung ương, bao gồm mạng LAN, WAN, Internet, mạng thông tin dự báo, đã đảm bảo được nhu cầu của ngành, nhưng trong tương lai gần cần tăng cường công nghệ để có thể đáp ứng một lượng thông tin khá lớn phục vụ các mô hình số trị

Việc đảm bảo truyền tin giữa các trạm KTTĐ về Đài KTTV khu vực hoặc Trung ương còn gặp nhiều khó khăn Có thể nhận thấy hai nguyên nhân cơ bản, một là thiết bị đo đạc tại các trạm từ các vùng sâu xa còn chưa được tự động hóa, hai là công nghệ truyền tin chưa có khả năng đáp ứng và cung cấp số liệu từ xa Mặc dù một số trạm khí tượng tự động với công nghệ hiện đại đã được trang bị, nhưng công nghệ truyền tin chưa được đầu tư hợp lý và đồng bộ

Công nghệ sử dụng các modem hữu tuyến như Dial-Up, Adsl, cho việc truyền số liệu từ các trạm đo còn khá nhiều bất cập, như: chất lượng tín hiệu đường truyền khó ổn định, khả năng đáp ứng thông suốt trong các điều kiện thời tiết còn hạn chế, chi phí duy trì thông tin cũng khá cao, rất khó khăn khi triển khai ở các vùng sâu, vùng xa,…

Được sự quan tâm của Nhà nước, ngành KTTV đã đưa vào sử dụng một số mạng quan trắc nhập ngoại và có khả năng truyền số liệu thời gian thực, phục vụ cho việc cảnh báo các hiện tượng thời tiết nguy hiểm, như dự án tăng cường nghiệp vụ dự báo cho vùng Bắc Bộ; cảnh báo lũ quét vùng Tây Bắc; cảnh báo lũ cho lưu vực các sông Hương, Trà Khúc, sông Vệ; giám sát lũ lụt đồng bằng sông Cửu Long;…

Trong năm 2007, Viện KH KTTV&MT đã hoàn hành Đề tài cấp Bộ

“Nghiên cứu và xây dựng mạng đo và truyền số liệu mưa thời gian thực tại lưu

vực sông Ngàn Phố - Ngàn Sâu” do KS Đào Hồng Châu làm chủ nhiệm Cho

đến thời điểm hiện nay, hệ thống này đã được lắp đặt thử nghiệm tại lưu vực trên

và việc đo - truyền số liệu mưa thời gian thực qua mạng điện thoại hữu tuyến đã cho kết quả khả quan Mặc dù vậy, do đặc thù kỹ thuật của mạng hữu tuyến còn

phụ thuộc nhiều tới chất lượng tín hiệu đường truyền, nên khả năng đáp ứng thông suốt số liệu trong mọi điều kiện thời tiết vẫn còn hạn chế và đồng thời chi phí duy trì thông tin còn khá cao

Trong mấy năm gần đây, ở nước ta mạng điện thoại di động GSM đã phát triển mạnh mẽ, phủ sóng rộng khắp và chi phí sử dụng đã giảm đi đáng kể Các dịch vụ gia tăng của mạng này đã và đang được mở rộng, đặc biệt là dịch vụ kết nối Internet, truyền data và tin nhắn Các trò chơi giải trí có thưởng qua mạng di

động đã khá phổ biến Đặc biệt Công ty Lạc Việt đã đưa ra thương phẩm “Giải

pháp thông tin cho trường học” nhằm cung cấp thông tin của học sinh cho phụ

huynh qua tin nhắn SMS Có thể nói, giải pháp đảm bảo số liệu thời gian thực qua mạng di động GSM kết hợp với các dạng truyền khác sẽ có ưu thế nổi trội trong thời gian tới

Trong năm 2007, Viện KH KTTV&MT đã hoàn hành Đề tài cấp cơ sở

“Nghiên cứu giải pháp truyền số liệu quan trắc KTTV thời gian thực qua mạng

điện thoại di động” Kết quả của đề tài này đã được trực tiếp ứng dụng thực

nghiệm cho hệ thống các thiết bị đo mưa VH-022R, đo gió VH-026W và cho kết quả rất khả quan

Theo định hướng chiến lược của ngành, cần thiết phải “Nâng dần mức độ tự

động hoá các trạm khí tượng, tiến tới tự động hoá toàn hệ thống phát báo phòng tránh lụt bão và dự báo KTTV”, nhằm giảm chi phí, chủ động công nghệ và đảm

bảo kỹ thuật lâu dài, rất cần thiết tiến hành nghiên cứu giải pháp tự động hoá công nghệ tuyền tin trên cơ sở hạ tầng kỹ thuật hiện có của mạng lưới KTTV Hiện nay, ở nước ta mạng điện thoại di động đã phát triển mạnh mẽ, phủ sóng rộng khắp và chi phí sử dụng đã giảm đi đáng kể Tính ổn định trong các điều kiện thời tiết, chi phí duy trì liên lạc hợp lý, thuận lợi trong quá trình lắp đặt

ở vùng sâu vùng xa, của mạng này là ưu việt tuyệt đối và rõ rệt nhất cho việc lựa chọn phương án truyền tin từ các trạm đo

1.4 Một số nhận xét

Như vậy, nhờ các tính năng ưu việt của mình, các trạm khí tượng tự động ngày càng được sử dụng nhiều trong ngành KTTV và các ngành khác Nhưng sau nhiều năm sử dụng, theo đánh giá của các chuyên gia, về cơ bản các trạm tự động nhập ngoại đã và đang thể hiện tốt ưu thế và phát huy vai trò tích cực trong nghiệp vụ chuyên môn của ngành Thực tiễn sau nhiều năm khai thác và sử dụng các thiết bị nhập ngoại, chúng tôi có một số nhận xét sau:

1.4.1 Về thiết bị nhập ngoại

Như phần tổng quan ở trên, hiện nay trên mạng lưới KTTV nước ta, nhiều

trạm khí tượng tự động nhập ngoại đã đưa vào sử dụng để quan trắc số liệu, phục

vụ công tác dự báo và nghiên cứu khoa học Các trạm KTTĐ nhập ngoại sử dụng

trong ngành KTTV chiếm ưu thế tuyệt đối, với đặc thù cơ bản là có tính năng

hiện đại, đa dạng về chủng loại, xuất xứ từ nhiều nước, lại do nhiều hãng sản xuất với nhiều thế hệ, tính năng, chức năng và công nghệ khác nhau

Ưu điểm chính của các thiết bị nhập ngoại là tính năng hiện đại, đa dạng về

chủng loại và đồng bộ trong cụm thiết bị cụ thể

Các tồn tại của các thiết bị ngoại nhập

- Nhiều thiết bị nhập ngoại chưa phù hợp với các điều kiện thời tiết và hạ tầng

của nước ta Việc khai thác các thiết bị hiện đại nhập ngoại tại nước ta chưa

đạt được hiệu quả mong muốn, thậm chí một số trạm đã ngừng hoạt động sau thời gian ngắn Theo khảo sát của chúng tôi và nhận xét của nhiều nhà chuyên môn, nguyên nhân chính các hỏng hóc là điều kiện đặc thù của khí hậu nhiệt đới, cũng như các đảm bảo hạ tầng kỹ thuật khác mà các nhà cung cấp chưa tính đến khi khai thác thiết bị tại một địa điểm cụ thể của Việt Nam;

- Chưa chuyển giao đầy đủ công nghệ khai thác và duy trì hoạt động của các

thiết bị cho các chuyên gia trong nước Các cán bộ của ta chưa có điều kiện

làm chủ công nghệ, nên khi có sự cố, việc khôi phục sẽ khó khăn, chi phí lớn

và sẽ làm gián đoạn khá dài việc quan trắc số liệu;

- Khó có khả năng làm chủ công nghệ nhằm duy trì sự hoạt động của hệ thống

các sản phẩm nhập ngoại công nghệ cao, xuất xứ từ nhiều hãng sản xuất, với nhiều mức công nghệ, trong khi các cán bộ của ta còn ít về số lượng và hạn chế về trình độ;

- Rất khó khăn cho việc bằng nội lực hiện đại hóa hệ thống từ các sản phẩm

nhập ngoại, như: tăng thêm các yếu tố đo, mở rộng cấu hình, tăng cường khả năng truyền số liệu, ;

- Giá thành thiết bị còn khá cao so với điều kiện kinh tế của nước ta

Kinh nghiệm các nước phát triển cho thấy, để chủ động duy trì hệ thống

thiết bị quan trắc KTTV tự động, rất cần thiết sử dụng sản phẩm trong nước, đặc biệt các sản phẩm có vị trí quan trọng trong hệ thống, như: Datalogger, công nghệ truyền tin, sen-xơ

1.4.1 Về thiết bị có xuất xứ trong nước

Qua phần tổng quan trên, có thể nhận thấy môt thực tế là thiết bị đo đạc tự động cho ngành KTTV có nguồn gốc trong nước còn ít về chủng loại, yếu về tính năng, khó có thể đáp ứng nhu cầu tự động hóa của ngành

Nhằm cải thiện tình hình trên cần có một các tiếp cận mới của các nhà quản

lý, các nhà khoa học công nghệ và rất cần thiết có sự đầu tư thích đáng từ phía Nhà nước Thực tiễn cho chúng ta thấy, để có thể đáp ứng nhu cầu tự động hóa cho việc quan trắc KTTV cần phải giải quyết hai vấn đề lớn: xây dựng hệ thống đồng bộ các trạm quan trắc tự động và hạ tầng kỹ thuật thông tin hiện đại nhằm đảm bảo việc điều khiển và truyền số liệu

1.5 Cơ sở thực hiện các nhiệm vụ của đề tài

Trong những năm gần đây cùng với sự biến đổi của khí hậu toàn cầu, diễn biến không thuận lợi của thời tiết và các hiện tượng thiên tai nguy hiểm ở nước ta ngày càng xẩy ra dày hơn, khốc liệt hơn và biến động rất phức tap Thiên tai nghiêm trọng với các biểu hiện bất thường xẩy ra ở nhiều vùng khắp cả nước Các cơn bão mạnh với diễn biến bất thường ngày càng xuất hiện nhiều hơn, gây thiệt hại vô cùng lớn Các cơn bão và mưa lớn xẩy ra trong năm 2009 làm thiệt hại nhiều tính mạng và tài sản

Với mạng lưới đo khả mỏng, gồm 174 trạm khí tượng, 29 trạm khí tượng nông nghiệp, 232 trạm thủy văn và 393 điểm đo mưa nhân dân, ngành KTTV khó

có thể đáp ứng nhu cầu phát tiển kinh tế xã hội của đất nước Trước thực trạng trên, được sự quan tâm của Nhà nước thể hiện qua các quyết định và chỉ thị nhằm tăng cường năng lực cho ngành KTTV, như:

- Quyết định số 16/2007/QĐ-TTg, ngày 29 tháng 01 năm 2007 của Thủ tướng

Chính phủ phê duyệt “Quy hoạch tổng thể mạng lưới quan trắc môi trường

Quốc gia đến năm 2020”, về việc hiện đại hóa và tăng thêm các điểm quan

trắc, cụ thể đến năm 2020 sẽ có hơn 1000 điểm đo mưa, 231 trạm khí tượng

bề mặt, 79 trạm khí tượng nông nghiệp với công nghệ hiện đại và quy mô tự động hóa tới 70%;

- Ý kiến của Phó Thủ tướng Hoàng Trung Hải tại Thông báo số 19/TB-VPCP ngày 02 tháng 10 năm 2007, chỉ đạo ngành KTTV cần đi trước về nguồn nhân lực, khoa học, công nghệ để ngang tầm các nước trong khu vực và tiếp cận chuẩn quốc tế;

Đảng và Nhà nước đã thông qua các chỉ thị luôn khuyến khích phát triển công nghệ cao trong nước, phát huy nội lực và chủ động công nghệ cao lâu dài Trong những năm qua, được sự quan tâm của các cấp lãnh đạo, các cán bộ của Viện KH KTTV&MT đã từng bước nắm vững công nghệ đo đạc và truyền số liệu KTTV, đã hoàn thành tốt các đề tài: tự động hóa đo gió, đo mưa; tự động hóa

đo gió và mưa; xây dựng hệ thống đo mưa thời gian thực; truyền số liệu KTTV qua mạng điện thoại di động, đó là các tiền đề và cơ sở quan trọng để hoàn thành

các nhiệm vụ của đề tài này;

Hiện nay, việc đáp ứng số liệu quan trắc các yếu tố KTTV thời gian thực cho nghiệp vụ dự báo KTTV cũng như nghiên cứu khoa học, đặc biệt cho dự báo cảnh báo các hiện tượng thời tiết nguy hiểm, như bão lụt, tố lốc, lũ quét, lũ ống,

là vấn đề cấp bách Theo định hướng chiến lược của ngành đến 2020, cần thiết

phải “Nâng dần mức độ tự động hoá các trạm khí tượng, tiến tới tự động hoá

toàn hệ thống phát báo phòng tránh lụt bão và dự báo KTTV”, nhằm giảm chi

phí, chủ động công nghệ và đảm bảo kỹ thuật lâu dài thì việc “Nghiên cứu xây dựng và thử nghiệm hệ thống trạm khí tượng tự động” là cần thiết và hoàn toàn

khả thi trong điều kiện khoa học công nghệ hiện nay của nước ta

1.6 Mục tiêu và yêu cầu kết quả của đề tài

1.6.1 Mục tiêu

Đề tài này nhằm 03 mục tiêu chính sau:

- Nghiên cứu chế tạo 04 trạm, trong đó: 03 trạm lắp đặt thử nghiệm và 01 trạm

dự phòng, đạt tiêu chuẩn ngành, đo các yếu tố khí tượng cơ bản: gió, mưa,

nhiệt độ, độ ẩm, điểm sương và áp suất không khí;

- Nghiên cứu xây dựng và thử nghiệm hệ thống trạm khí tượng tự động, bước

đầu gồm 03 trạm và 02 trung tâm điều khiển - thu nhận số liệu;

- Nâng cao năng lực trên cơ sở đảm bảo kỹ thuật cho hệ thống hoạt động liên

tục và lâu dài với chi phí thấp Làm chủ công nghệ và khoa học tiên tiến, tạo

cơ sở tự động hóa các yếu tố KTTV khác, tiến tới thực hiện thành công chiến lược tự động hóa của ngành

1.6.2 Các yêu cầu kết quả của đề tài là

- Bốn trạm khí tượng tự động đạt tiêu chuẩn ngành, trong số đó 03 trạm được

lắp đặt thử nghiệm tại vườn quan trắc và 01 trạm dự phòng Các trạm này có chức năng đo đạc, lưu trữ số liệu tại chỗ và sẵn sàng cung cấp số liệu thời gian thực các yếu tố khí tượng cơ bản: gió, mưa, nhiệt độ, độ ẩm, điểm sương, áp suất không khí và có khả năng đo các yếu tố khác Với mỗi trạm, bộ xử lý - hiển thị số liệu Datalogger, công nghệ truyền tin, các đầu đo yếu tố nhiệt độ,

độ ẩm, điểm sương và áp suất không khí do các chuyên gia của Viện KH KTTV&MT chủ động công nghệ, chỉ riêng 02 đầu đo sen-xơ gió và mưa còn phải nhập ngoại nguyên bộ Mỗi trạm thực nghiệm có máy tính dùng để xử lý,

in ấn số liệu Trạm dự phòng chỉ bao gồm 01 Datalogger và 01 bộ các sen-xơ;

- Hai trung tâm điều hành hoạt động hiệu quả và tin cậy, được lắp đặt tại Viện

KH KTTV&MT và Trung tâm KTTV Quốc gia, mỗi nơi gồm có: Máy tính

PC nguyên bộ, bộ Modem GSM chuyên dụng và phần mềm của Việt Nam để

điều khiển hệ thống, thu nhận số liệu từ các trạm tự động;

- Yêu cầu khoa học - kỹ thuật: Hệ thống thiết bị được xây dựng trên công nghệ

tiên tiến nhờ áp dụng kỹ thuật vi xử lý thế hệ mới, sử dụng các linh kiện điện

tử có độ tin cậy cao và công nghệ truyền tin hiện đại GSM dựa trên hạ tầng

của mạng điện thoại di động, nhằm đảm bảo cho hệ thống có thể: vận hành ổn

định và đồng bộ; cung cấp số liệu nhanh, đầy đủ và tin cậy; hoạt động liên tục

và lâu dài trong các vùng khí hậu của Việt Nam

*Các thông số cơ bản dự kiến, đã được phê duyệt, cho trạm khí tượng tự

Lượng mưa 0.1mm không hạn chế ±0.4mm, LM<10mm

±4% khi LM>10mm SL3-1 Nhiệt độ

không khí 0.1

oC -10oC – 80oC ±0.3

oC (có thể đạt ±0.2oC) VH-11TH

*Môi trường không khí làm việc của trạm:

ƒ Nhiệt độ: -20oC – 70oC;

ƒ Độ ẩm: 0 – 100%

*Các thông số sen-xơ

Ngoài các thông số chính thể hiện trên bảng 1.1., các sen-xơ có thêm các

thông số kỹ thuật tại bảng 1.2.:

Bảng 1.2 Thông số bổ sung của sen-xơ

Tên đầu đo Young

Tín hiệu ra Xung analog Xung số Số data Số data

Kết cấu, cấu

tạo Nhựa composit Inốc Nhựa composit Nhựa composit

*Thông số dự kiến của Datalogger VH-051S:

- Hiển thị nhiều số liệu của các yếu tố trên màn hình tinh thể lỏng khá lớn gồm

4 dòng x 40 ký tự;

- Có bộ nhớ 3200 Obs quan trắc, tương đương 130 ngày với Obs 1 giờ;

- Datalogger có khả năng mở rộng thêm tới 30 đầu đo số khác, không kể đến

các sen-xơ trong dự kiến: Young 05106MA, SL3-1, VH-11TH, VH-15B;

- Thời gian ghi-đọc số liệu nhỏ hơn 1/10 giây;

- Sử dụng các nguồn điện: AC220V, DC12V, Pin mặt trời;

- Có thể cung cấp số liệu qua: Modem GSM, Modem vô tuyến, Modem

DialUp, Modem vệ tinh;

- Kết cấu vững chắc theo khối chức năng mô-đun để dễ dàng thay thế, bảo trì;

- Có thể lắp đặt trong nhà hoặc ngoài trời

Hình 2.1 Máy gió Vild

CHƯƠNG II LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG TRẠM KHÍ

TƯỢNG TỰ ĐỘNG

Các yếu tố đo phục vụ cho công tác của ngành KTTV bao gồm nhiều loại, như: gió, mưa, nhiệt độ, độ ẩm, áp suất không khí, nhiệt độ mặt đất và nhiệt độ đất đo các mực sâu, bức xạ mặt trời, giờ nắng, độ bốc hơi nước, mực nước, Trong chương này trình bày về việc lựa chọn các thành phần chính để xây dựng

trạm KTTĐ, gồm: các sen-xơ đo các yếu tố cơ bản gió, mưa, nhiệt độ, độ ẩm, áp

suất không khí, đảm bảo đầy đủ các thông số như trình bày ở cuối chương 1, và

bộ phận chính cho thiết kế phần điều khiển truyền thông tin

2.1 Lựa chọn sen-xơ đo yếu tố gió

Cho đến nay trên mạng lưới KTTV nước ta, việc quan trắc yếu tố gió hầu như dựa trên các thiết bị nhập ngoại Về tính năng kỹ thuật có thể phân nhóm như

sau: máy đo gió thủ công Vild, máy gió cơ điện EL - Trung Quốc, máy đo gió Young - Hoa Kỳ, một số ít các thiết bị của hãng Diola - Pháp, NovaLynx, NRG System,… và một số trạm khí tượng tự động có đo yếu

tố gió Hiện nay, về số lượng máy gió thủ công dạng

cơ khí Vild, hình 2.1, máy gió cơ điện EL - Trung Quốc, hình 2.2 [1, 2], đang được dùng nhiều nhất, sau

đó là máy đo gió Young - Hoa Kỳ, hình 2.3, và một số máy gió khác như: Tavid - Pháp, NovaLynx - Hoa Kỳ, Các trạm khí tượng tự động trong ngành KTTV

có đo yếu tố gió do nhiều hãng sản xuất với nhiều thế

hệ, tính năng, chức năng và công nghệ khác nhau Máy gió Vild hoạt động ổn định, nhưng sai số khá cao và không đo được gió lớn, trên 40m/s Ngoài

ra, do việc quan trắc hoàn toàn thủ công nên rất khó khăn cho quan trắc viên, đặc biệt khi cần thêm chu kỳ

đo hay trong lúc thời tiết xấu Bên cạnh đó, việc tự động hóa dựa trên thiết bị này hầu như không thể thực hiện được Tại các nước phát triển, thiết bị dạng này không còn được sử dụng

Máy gió cơ điện EL của Trung Quốc đã được sử dụng khá lâu trong ngành KTTV nước ta, có nhiều ưu điểm: độ ổn định khá cao, dễ dàng khắc phục khi có

sự cố, giá thành hợp lý, Bên cạnh đó loại máy này còn có một số nhược điểm chính là: dải đo còn chưa rộng (chỉ đo được gió dưới 40m/s, thông số này do đặc

Hình 2.2 Máy gió EL của Trung Quốc

Hình 2.3 Đầu đo gió Young

(Hoa Kỳ)

thù kỹ thuật của đầu đo quyết định), chưa được số hóa và việc quan trắc thủ công nên khó có thể đáp ứng nhu cầu phát triển của ngành

Việc tự động hóa thiết bị

đo gió EL có thể thực hiện được bằng công nghệ hiện nay của nước ta, qua đó khắc phục được nhược điểm chưa

số hóa của thiết bị này

Sau nhiều năm sử dụng tại Việt Nam, theo đánh giá của nhiều chuyên gia trong và ngoài nước, thiết bị đo gió Young do Hoa Kỳ sản xuất có đầu đo với độ chính xác cao, sai số với tốc độ gió ±0.3m/s, với hướng gió ±3deg, dải

đo rất rộng, từ 0-100m/s, kết cấu cơ khí bền vững, trọng lượng nhỏ, chỉ 1kg, giá thành hợp lý và chịu được thời tiết khắc nghiệt của nước ta

Đặc biệt bộ cảm biến gió Young 05106MA được hãng thiết kế riêng cho môi trường biển và cho các vùng khí hậu khắc nghiệt nhất, rất phù hợp cho khí hậu Việt Nam

Nhờ sự quan tâm của Nhà nước, trong mấy năm qua, số lượng máy đo gió Young đã và đang tăng lên đáng kể trên mạng lưới quan trắc KTTV Nhưng đa phần các thiết bị đo gió này vẫn phải quan trắc thủ công qua màn hiển thị, chỉ có

số ít đã được tự động hóa nhờ thiết bị nhập ngoại với chi phí khá cao Không chỉ tại nước ta mà hiện nay trên thế giới, do những đặc tính ưu việt của đầu đo gió

Young, rất nhiều hãng chế tạo thiết bị đo đạc khí tượng nỗi tiếng như NovaLynx, Cambell, MetOne - Hoa Kỳ; Kimoto -Nhật Bản, đã và đang sử dụng các đầu đo gió của hãng Young cho các thiết bị đo gió của mình

Lựa chọn đầu đo Young 05106MA là đối tượng cho nghiên cứu số hóa và là

bộ phận cảm biến yếu tố gió để xây dựng trạm KTTĐ là có cơ sở thực tiễn, khách quan và có ý nghĩa kỹ thuật, kinh tế xã hội

Sen-xơ gió Young 05106MA hoàn toàn đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của ngành, có độ bền cao, thiết kế cơ khí bền vững, thích hợp nhiều vùng khí hậu, có chi phí nhập khẩu hợp lý, đặc biệt thiết bị này đã được sử dụng nhiều năm trong ngành và được đánh giá rất cao

2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Young 05106MA

Đầu đo gió Young 05106MA được hãng MR.Young thiết kế cho vùng biển

và vùng có khí hậu nóng ẩm, cấu tạo của đầu đo này thể hiện trên hình 2.4., theo tài liệu của hãng Young Thiết bị này hoạt động trên nguyên lý cơ điện, cụ thể là, sức gió làm chuyển động cơ học các bộ phận cảm biến, nhờ đó tạo ra tín hiệu điện tương ứng Đầu đo gió Young 05106MA có cấu tạo đặc biệt về mặt cơ khí, phần chong chóng để cảm nhận tốc độ và phong tiêu được thiết kế trên một khối đặt vuông góc với trục thẳng đứng Cơ cấu này làm cho bộ cảm biến gió của Young khác nhiều về hình thức với sản phẩm của các hãng khác Với thiết kế đặc biệt này, kết hợp với công nghệ cao của các bộ phận cơ khí khác làm cho Young 05106MA có rất nhiều tính năng vượt trội

Hoạt động của thiết bị này như sau:

Đối với tốc độ, lực gió tác động vào 4 cánh của chong chóng làm quay trục

có gắn nam châm điện vĩnh cửu và làm thay đổi từ trường qua cuộn dây, nhờ đó tạo ra dòng điện và điện áp trên hai đầu dây tín hiệu tốc độ gió

Đối với hướng gió, lực gió tác động vào phong tiêu làm thay đổi hướng, dẫn tới thay đổi điện trở 10kÔm tại hai đầu dây tín hiệu hướng gió

Nhờ tích hợp các công nghệ cao trong việc chế tạo, Young 05106MA có cấu tạo gọn nhẹ chỉ 1 kg, tính ổn định cao trong một dải đo rất rộng 0-100m/s với sai

số khá nhỏ ±0.3m/s và ±3độ

Hình 2.4 Cấu tạo của sen-xơ gió Young 05106MA

Các thông số cơ bản của Young 05106MA

- Nước sản xuất: Hoa Kỳ;

- Dải đo: 0.5-60m/s, 0-360 độ, đo được gió giật 100m/s;

- Sai số: ±0.3m/s; ±3 độ;

- Tín hiệu ra: Xung analog;

- Kết cấu vỏ: nhựa composit;

- Môi trường: cho vùng biển và các vùng khí hậu khắc nghiệt;

- Trọng lượng: 1.0kg

2.1.2 Khảo sát các đặc tính kỹ thuật của Young 05106MA

Phần này trình bày các đặc tính kỹ thuật tín hiệu của sen-xơ Young 05106MA, trên cơ sở đó có thể thiết kế xây dựng trạm KTTĐ có sử dụng đầu đo này cho việc đo yếu tố gió

Phương pháp khảo sát tín hiệu của Young 05106MA

Theo tài liệu của hãng Young, tại đầu ra của tín hiệu tốc độ, giá trị điện áp

và tần số thay đổi phụ thuộc vào vận tốc gió Để khảo sát được các thông số của tín hiệu cần thiết phải có các thiết bị có thể mô phỏng hướng và tốc độ gió chuẩn, đồng thời cần có thiết bị hiển thị và đo các đặc tính của tín hiệu [3] Trong điều kiện của phòng thí nghiệm nhóm thực hiện đề tài đã sử dụng các thiết bị sau:

- Động cơ, có thể điều khiển tốc độ vòng quay trục một cách liên tục, dùng cho việc mô phỏng tốc độ;

- Thiết bị hiển thị tốc độ và hướng gió nhờ bộ hiển thị Datallogger Young

26700, thiết bị mẫu của Hoa Kỳ, đã được kiểm định tại Trung tâm Mạng lưới KTTV&MT;

- Máy hiện sóng Osilograph xác định các tính chất của tín hiệu, sử dụng Osilograph Hitachi VC-6524 - Nhật Bản;

- Đồng hồ đo tần số xung thang đo từ 0 đến 100.000Hz, sử dụng ProsKit MT1230 - Đài Loan;

- Đồng hồ đo điện áp có độ chính xác cao với thang đo mV, sử dụng Sanwa CDA-701 - Nhật Bản

Trong quá trình khảo sát cần thay đổi các giá trị tốc độ, thang đo để có thể kiểm soát đầy đủ và chính xác tính chất của tín hiệu

Khảo sát tín hiệu ra đối với tốc độ gió

Tín hiệu tốc độ gió, theo tài liệu của hãng Young, có giá trị điện áp và tần số thay đổi phụ thuộc vào vận tốc gió Điện áp tín hiệu có biên độ trong khoảng từ 0v-12.5v tương ứng với vận tốc 0-100m/s Với biên độ lớn và thay đổi, như tại trục tung, Hình 2.5, trong một khoảng rộng như vậy, việc số hóa sẽ gặp khá nhiều khó khăn Trong khi đó, giá trị tần số, chu kỳ tín hiệu, thể hiện trên trục hoành, hầu như không biến đổi, vì vậy để thuận lợi hơn cho quá trình xử lý số hóa, dự kiến sẽ sử dụng đặc tính tần số biến thiên theo tốc độ gió

Quá trình khảo sát được tiến hành với tốc độ gió mô phỏng thay đổi liên tục trong khoảng từ 0.1m/s đến 75m/s, phân tích kết quả khảo sát đi tới một số nhận xét cơ bản như sau:

Hình 2.5 Tín hiệu tốc độ gió 5m/s

- Với tốc độ gió lớn hơn 1m/s (từ 1-75m/s, hình 2.5.) biên độ xung biến thiên và không ổn định tại một giá trị, trong khi đó tần số của tín hiệu khá ổn định khi tốc

độ gió không thay đổi Nhận định trên đây hoàn toàn phù hợp với khuyến cáo của nhà sản xuất Và đây là cơ sở để xác định thông số cần thiết sẽ sử dụng trong quá trình số hóa tốc

độ gió

- Với tốc độ gió nhỏ hơn 1m/s, hai thông số chính là biên độ tín hiệu và tần số đều không được ổn định, thể hiện tại hình 2.6 và 2.7 và đặc thù này là một khó khăn mà đề tài cần phải giải quyết

Việc khảo sát với vận tốc gió thay đổi liên tục trong khoảng 0.1- 1.0m/s với bước thay đổi 0.1m/s được tiến hành một cách cẩn trọng nhằm có phương án khắc phụ sự biến thiên của tần số

Hình 2.6 Tín hiệu tốc độ gió 0.3m/s Hình 2.7 Tín hiệu tốc độ gió 0.5m/s Hình 2.6 thể hiện tín hiệu rất yếu và không ổn định khi tốc độ gió mô phỏng 0.3m/s Với tín hiệu này cần phải sử dụng thêm bộ lọc và khuếch đại tín hiệu thì mới có thể đo được tần số

Hình 2.7 cho ta biết hình dạng tín hiệu khi tốc độ gió 0.5m/s, tần số tín hiệu thể hiện tại trục hoành, có độ ổn định chấp nhận đươc, hoàn toàn có thể đo được với sai số cho phép

Như vậy, sau khi khảo sát tín hiệu tốc độ gió nếu thiết kế thêm bộ ghép nối hợp lý, sử dụng đặc tính tần số của tín hiệu do Young 05106MA cung cấp, chúng

ta có thể xác định được tốc độ gió trong khoảng từ 0.3m/s đến 100m/s Các đặc thù bộ ghép nối thể hiện tại phần sau của chương này Việc đo được tốc độ gió nhỏ hơn 1m/s và đo được tốc độ gió lớn từ 60 đến 100 m/s, mà chính hãng Young chưa thực hiện, với sai số ±0.3m/s là bước cải thiện quan trọng cho nhu cầu cung cấp số liệu gió, đặc biệt cho vùng biển của nước ta

Khảo sát tín hiệu ra đối với hướng gió

Như đã trình bày ở phần cấu tạo, việc xác định hướng gió nhờ biến trở dạng vòng có giá trị 10kilo-ôm được đặt trong bộ Young 05106MA Việc xác định hướng gió thực chất là xác định giá trị của biến trở này

Yêu cầu kỹ thuật cho khối giao diện

Kết quả phân tích tại phần trên cho ta thấy, khối giao diện có vai trò rất quan trọng trong việc bảo vệ, đảm bảo độ chính xác, mở rộng giới hạn đo [4] Sơ đồ khối của khối này được thể hiện tại hình 2.8

Hoạt động của khối giao diện như sau: Tín hiệu gió được đưa vào khối bảo

vệ, sau khi được đảm bảo ở mức an toàn, cấp sang cho khối lọc nhiễu và khuếch

đại, tín hiệu sau khi đã “làm sạch” chuyển tới bộ phận tách xung, qua phần ổn

định và cấp sang bộ phận đếm-xử lý

Khối bảo vệ tín hiệu được thiết kế nhằm đảm bảo an toàn cho thiết bị, bao gồm chống sét lan truyền, chống nhiễu sơ cấp, cắt xung điện áp cao hơn 5v khi tốc độ quá lớn Nhờ khối này, các bộ phận sau sẽ hoạt động với tín hiệu đầu vào

có đặc tính ổn định hơn

Khối lọc nhiễu và khuếch đại đảm bảo sự ổn định mức tín hiệu cho đầu vào khối sau, nếu tín hiệu yếu sẽ được lọc nhiễu và khuếch đại Tín hiệu tại đầu ra của khối này có dạng hình sin đồng đều có chu kỳ tỷ lệ nghịch với tốc độ gió

Hình 2.8 Sơ đồ khối giao diện

Các nguồn điện áp

Điện áp hướng gió

Xung tốc

độ gió Khối bảo

vệ tín hiệu

Khối lọc nhiễu và khuếch đại

Khối tách xung Tín hiệu tốc độ gió

Tín hiệu hướng gió

Hoạt động ổn định, đồng bộ của khối giao diện có vai trò quan trọng cho toàn bộ tổng thể thiết bị Để có thể xác định đúng các giá trị tốc độ và hướng gió trong mọi điều kiện thời tiết, khối giao diện cần có thiết kế với các thông số dự phòng cao dựa trên các linh kiện chất lượng tốt của các nhà cung cấp tin cậy

2.2 Lựa chọn sen-xơ đo yếu tố mưa

Các thiết bị đo mưa trong ngành cũng rất đa dạng, trong đó có các dạng như thùng đo mưa thủ công kèm theo ống khắc độ để tính lượng mưa, các lạo vũ lượng ký xi phông, vũ lượng ký SL1-Trung Quốc và các đầu đo mưa theo nguyên

lý chao lật dùng cho các thiết bị đo tự động

Hiện tại chỉ có các sen-xơ mưa dạng chao lật mới có thể sử dụng hiệu quả cho mục tiêu tự động hóa, các loại đầu đo này khác nhau về kích thước miệng hứng, độ phân giải, chất lượng và giá thành Theo tìm hiểu của chúng tôi, các đầu

đo này có hàm lượng công nghệ cơ khí khá cao, yêu cầu phải đạt được sai số khá tốt mới sử dụng được cho ngành KTTV, nên chưa có cơ sở trong nước sản xuất Hình 2.4 thể hiện các thiết bị đo mưa dạng vũ lượng ký điển hình, sử dụng nhiều trong ngành KTTV

Hình 2.4 Thiết bị đo mưa xi phông SJ1 và vũ lượng ký SL1 của Trung Quốc

Trên hình 2.5 thể hiện các sen-xơ đo mưa dùng trong các thiết bị đo mưa tự động và các trạm KTTĐ

Hình 2.5 Các sen-xơ đo mưa điển hình dùng cho các trạm KTTĐ

SL3-1 của Trung Quốc

Các thông số đặc trưng của SL3-1

• Độ phân giải 0.1 mm;

• Dải đo: không hạn chế;

• Đường kính miệng hứng nước: 200 mm;

• Độ chính xác:

-với LM < 10mm, sai số <0.4mm -với LM > 10mm, sai số <04%;

• Có kết cấu bằng Inốc, chống ăn mòn;

• Theo nguyên lý: chao lật

Hình 2.6 Sen-xơ đo mưa SL3-1 và các thông số kỹ thuật

Như trình bày ở phần trên, đối tượng cho việc lựa chọn đầu đo mưa để xây dựng trạm KTTĐ tương đối nhiều, nhưng điều phải quan tâm nhất là chất lượng,

độ bền và hiệu quả kinh tế

Sen-xơ đo mưa SL3-1 của Trung Quốc, hình 2.6, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của ngành, có độ bền cao, thiết kế cơ khí bền vững, thích hợp nhiều vùng khí hậu,

đã được sử dụng nhiều trong ngành và được đánh giá rất cao, đồng thời có chi phí nhập khẩu hợp lý Ngoài ra, việc có thể sử dụng lại các sen-xơ đã dùng trong ngành cho hệ thống các trạm KTTĐ sẽ thuận lợi và giảm nhiều chi phí

2.3 Lựa chọn sen-xơ đo yếu tố nhiệt độ và độ ẩm không khí

Như đã trình bày ở phần tổng quan, các sen-xơ đo nhiệt độ và độ ẩm không khí, là phần có hàm lượng công nghệ điện tử khá cao, yêu cầu độ chính xác lớn mới có thể sử dụng trong ngành KTTV và chưa có cơ sở trong nước sản xuất Các loại sen-xơ này dùng cho các trạm KTTĐ trên thế giới rất đa dạng, khác nhau về thông số kỹ thuật, chất lượng, độ bền, độ chính xác và giá thành nhập khẩu Một số đầu đo của một số hãng nỗi tiếng, có thể đáp ứng được nhu cầu xây dựng trạm KTTĐ của đề tài, thể hiện tại hình dưới đây

có độ bền cao và cho kết quả khả quan Sen-xơ này đều đáp ứng yêu cầu kỹ thuật

của ngành, thiết kế cơ khí bền vững, thích hợp nhiều vùng khí hậu, có giá thành hợp lý, bảo hành dài hạn và do làm chủ công nghệ nên sẽ thuận lợi cho việc bảo trì lâu dài Việc lựa chọn sen-xơ này cho xây dựng trạm là hợp lý

Một số đặc trưng cơ bản của VH-11TH

*Nhiệt độ không khí

-Độ phân giải: 0.1 o C -Giải đo: -10oC ÷ +80oC -Sai số: ±0.3oC

*Độ ẩm không khí

-Độ phân giải: 1%

-Giải đo: -10oC ÷ +80oC -Sai số: < ±3%

Hình 2.8 Sen-xơ nhiệt ẩm VH-11TH và các thông số đặc trưng

2.4 Lựa chọn sen-xơ đo yếu tố áp suất khí quyển

Các sen-xơ đo áp suất khí quyển, là sản phẩm có hàm lượng công nghệ điện

tử cao, yêu cầu độ chính xác lớn mới có thể sử dụng trong ngành KTTV và chưa

có cơ sở trong nước sản xuất Các loại sen-xơ này dùng cho các trạm KTTĐ trên thế giới rất đa dạng, khác nhau về thông số kỹ thuật, chất lượng, độ bền, độ chính xác và giá thành nhập khẩu Trong khuôn khổ của đề tài, chúng tôi tập trung chú

ý tới các đầu đo áp suất đa mục tiêu, vừa có khả năng sử dụng cho trạm tự động, đồng thời có thể sử dụng độc lập như một thiết bị đo khí áp hiện số

Một số đầu đo khí áp của một số hãng nỗi tiếng, có thể đáp ứng được nhu cầu xây dựng trạm KTTĐ của đề tài, thể hiện tại hình dưới đây

NovaLynx 230-278

BPO611A

Hình 2.9 Các sen-xơ khí áp tiêu biểu Sen-xơ đo khí áp VH-15B của Viện KH KTTV&MT thể hiện tại hình 2.10

VH-15B

Một số đặc trưng cơ bản của VH-15B

-Độ phân giải: 0.01hPa -Giải đo: 600-1100 hPa -Sai số: ±0.4 hPa, có thể đạt ±0.3 hPa -Tín hiệu ra: số-data

Hình 2.10 Sen-xơ khí áp VH-15B và các thông số kỹ thuật

Loại đầu đo này được Viện thiết kế, thử nghiệm liên tục từ năm 2005 đến nay và cho kết quả khả quan VH-15B được tích hợp từ các linh kiện có độ bền cao do nhiều hãng nổi tiếng của Mỹ chế tạo Sen-xơ này đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của ngành, thiết kế cơ khí bền vững, thích hợp nhiều vùng khí hậu, có giá thành hợp lý, bảo hành dài hạn và do làm chủ công nghệ nên sẽ thuận lợi cho việc bảo trì lâu dài Việc lựa chọn sen-xơ này cho xây dựng trạm là hợp lý và thỏa mãn nhu cầu của đề tài

2.5 Lựa chọn công nghệ tuyền tin trên mạng điện thoại di động

Thiết bị thu nhận và xử lý thông tin trên mạng thông tin di động thường được gọi là Modem GSM Việc lựa chọn công nghệ và thiết bị đảm nhận tốt chức năng của một modem truyền số liệu đóng vai trò rất quan trọng trong qúa trình xây dựng tích hợp hệ thống trạm KTTĐ

2.5.1 Yêu cầu kỹ thuật đối với modem GSM

Để đảm bảo duy trì thông tin liên tục và ổn định cho các trạm đo đạc KTTV trong các điều kiện môi trường khắc nghiệt, modem GSM phải đảm bảo các tính năng kỹ thuật sau:

- Tốc độ truyền tin có dải rộng: từ 2400 đến 115200bps;

- Môi trường hoạt động: trong dải nhiệt độ -10 đến 60 oC và độ ẩm tới 99%;

- Nguồn điện cung cấp: 7-24V, dùng được từ acquy 12V;

- Dòng tiêu thụ trung bình: nhỏ hơn 80mA;

- Có tính năng: SMS, Data và GPRS;

Với các tính năng trên, nếu tốc độ có độ ổn định cao của mạng di động là

9600bps, chúng ta có thể nhận số liệu của 6 trạm/s, nghĩa là có thể nhận số liệu

của hàng trăm trạm trong vài phút Với tính năng GPRS chúng ta có thể truyền

dữ liệu có dung lượng lớn với chi phí hợp lý trong tương lai gần

2.5.2 Nguyên lý hoạt động của modem GSM

Thực chất Modem GSM có thể được xem như một máy tính nhỏ chuyên dùng có gắn thêm bộ thu phát sóng điện từ, micro và loa Bộ thu phát sóng này có thể thực hiện thu và phát đồng thời trong chế độ song công CPU bên trong modem này dùng để điều khiển tất các các nhiệm vụ thông qua câu lệnh, phím bấm và thu nhận, xử lý thông tin từ tổng đài gửi tới Hình 2.11 thể hiện sơ đồ khối của modem GSM

Hình 2.11 Sơ đồ khối của modem GSM tiêu biểu Như thể hiện trên hình về mặt nguyên lý, thiết bị bao gồm bốn khối cơ bản: khối thu phát (1), khối tách sóng, mã hóa A/D, D/A (2), khối vi xử lý điều khiển toàn bộ hoạt động của modem (3), và khối đảm bảo nguồn nuôi (4)

Khi thu tín hiệu: tín hiệu cao tần 900 MHz được thu vào ăng ten (khối 1),

sau đó đưa tới “chuyển mạch ăng ten”, tín hiệu sẽ nối với đường Gsm Rx, sau đó được lọc cao tần “RxFilter” để loại bỏ nhiễu và những tần số không cần thiết Tín hiệu cao tần được khuếch đại biên độ và đưa vào “IC xử lý cao tần”, tại đây nó được trộn với dao động nội từ bộ dao động VCO, để tạo thành tín hiệu trung tần Tín hiệu trung tần sau khi được tăng biên độ, đưa đến bộ tách sóng điều pha để lấy ra tín hiệu “RxI, RxQ” Hai tín hiệu được đưa sang “Converter” (khối 2) giải

mã thành tín hiệu tương tự hay số và được đưa xuống CPU để xử lý

Khi phát tín hiệu: Sau khi đã xử lý từ CPU, tín hiệu số sẽ được theo hai

đường IDat, QDat để mã hoá thành 4 tín hiệu ( TxIp,TxIn, TxQp, TxQn) để đưa sang IC xử lý cao tần “RF-IC” (khối 1), tại đây các tín hiệu sẽ điều chế theo nguyên lý điều pha lên sóng mang cao tần (817-915 Mhz) Sau đó tín hiệu đưa tới

bộ ghép hỗ cảm, lọc phát, tiền khuếch đại, khuếch đại công suất, phát lên ăng ten đến trạm BTS

Mạch xử lý (khối 3) bao gồm CPU - Center Processor Unit và các linh kiện

phụ trợ thực hiện các chức năng sau:

- Quản lý các chương trình trong bộ nhớ;

- Điều khiển màn hình LCD (nếu có);

- Điều khiển bàn phím, camera, SIM, bộ rung, chuông;

- Điều khiển hoạt động mạch thu-phát;

- Điều khiển hoạt động khối nguồn;

- Bộ nhớ EEPROM lưu giữ các chương trình quản lý thiết bị

Khối nguồn (4) đảm bảo các nguồn điện áp khác nhau cho modem

Về nguyên lý, modem GSM hoạt động tương tự như điện thoại di động, nhưng điểm khác biệt lớn nhất là modem có khả năng xử lý số mạnh hơn, tương thích với nhiều thiết bị và có thể làm việc trong môi trường khắc nghiệt

2.5.3 Lựa chọn modem GSM cho việc truyền số liệu KTTV

Công nghệ thông tin di động GSM được khởi đầu từ thập niên 90 và sau gần

20 năm đã có nhiều thay đổi và phát triển vượt bậc Công nghệ thông tin này ngày càng hoàn thiện trên cơ sở các thành tựu của nhiều lĩnh vực điện tử, tin học, viễn thám, để có thể đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của hàng tỷ khách hàng Các thiết bị đầu cuối như điện thoại di động cầm tay, modem GSM di động và các phụ kiện rất đa dạng về xuất xứ và tính năng kỹ thuật Hiện nay trên thế giới

có nhiều hãng cung cấp các thiết bị modem di động, có thể liệt kê như: Motorola

- Hoa Kỳ; Siemens - LB Đức; Wavecom, Falcom – Pháp; Advanced Wireless, Maestro - Hong Kong; Novacom - Anh, các sản phẩm HAC-HN24, AyG-59C của Trung Quốc, Trong các cơ sở cung cấp thiết bị modem GSM đáng chú ý hơn cả là hai hãng lớn, lâu năm và có uy tín nhất là Motorola của Hoa Kỳ và Wavecom của Pháp và cộng đồng châu Âu, sản phẩm đặc trưng của họ thể hiện tại hình 2.12

Wavecom là hãng có nhiều chuyên gia cao cấp trong lĩnh vực thông tin di động và tham gia xây dựng tiêu chuẩn cho công nghệ này từ những năm 90 Sản phẩm của Wavecom trong lĩnh vực này rất đa dạng về chủng loại và có khá nhiều thiết bị đã được nhiệt đới hóa để hoạt động ổn định trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt nói chung và khí hậu nhiệt đới nước ta nói riêng

Các tính năng kỹ thuật cơ bản của Modem Fastrack M120

- Tốc độ truyền tin có dải rộng: từ 2400 đến 115200bps;

- Môi trường hoạt động: trong dải nhiệt độ -20 đến +55 oC và độ ẩm tới 95%;

- Nguồn điện cung cấp: 5-32V, dùng được từ accu 12V;

- Dòng tiêu thụ cực đại: 140mA@12V, tại tần số 900MHz;

- Có tính năng: SMS, Data, GPRS và hội thoại;

- Giao tiếp quacổng RS232C;

Như đã phân tích ở trên, với tính năng kỹ thuật thỏa mãn yêu cầu dự kiến Modem Fastrack M1203 của Wavecom được lựa chọn làm hạt nhân đảm bảo truyền số liệu trên mạng điện thoại di động, phục vụ cho đề tài

a) Wireless Modem G200

Motorola-Hoa Kỳ b) Modem Fastrack M1203 Wavecom-Pháp

Hình 2.12 Các modem GSM tiêu biểu

CHƯƠNG III THIẾT KẾ BỘ HIỂN THỊ XỬ LÝ SỐ LIỆU DATALOGGER CỦA TRẠM KHÍ TƯỢNG TỰ ĐỘNG

Datalogger là bộ xử lý trung tâm, nó đóng vai trò như khối CPU của máy tính cá nhân, ngoài ra nó phải đảm bảo chức năng giao tiếp với các đầu đo, máy tính và modem truyền số liệu Làm chủ công nghệ Datalogger là khâu quyết định

để xây dựng, tích hợp, nâng cấp và cải tiến các thiết bị đo đạc tự động

3.1 Sơ đồ khối chức năng Datalogger VH-051S

Bộ hiển thị, xử lý và lưu trữ số liệu Datalogger đảm bảo chức năng nhận thông tin từ các cảm biến sen-xơ, xử lý, tính toán và hiển thị, lưu trữ các số liệu cần thiết Ngoài ra Datalogger còn phải đảm bảo khả năng giao tiếp với máy tính

cá nhân, đồng thời sẵn sàng đáp ứng từ xa số liệu cho người sử dụng thông qua các loại modem khác nhau [4]

Do đặc thù chuyên ngành KTTV, các thiết bị đo đạc thường gọn nhẹ, tiêu thụ ít năng lượng, hoạt động tại các vùng khí hậu khắc nghiệt, nên việc thiết kế Datalogger dựa trên các linh kiện đơn giản, dân dụng là không khả thi Để đáp ứng được tính năng trên Datalogger cần phải dựa trên bộ vi xử lý khá mạnh [10,11] Các khối chức năng chủ yếu cuả trạm KTTĐ được thể hiện tại hình 3.1

Màn tinh thể lỏng

Hệ vi xử lý (công năng cao)

Bộ nhớ (SL, thông số)

MODEM (các loại)

Cổng giao tiếp RS232

Khối nguồn

Phím điều khiển

Pin mặt trời, Acquy 12V, AC-220

Khối giao diện

Hình 3.1 Sơ đồ khối dạng tổng thể của Datalogger VH-051S

Tín hiệu của các sen-xơ gió, mưa, nhiệt, ẩm, áp sau khi xử lý tại Khối giao diện, được đưa vào Hệ vi xử lý công năng cao, tại đây tín hiệu được số hóa và sẽ hiển thị trên màn tinh thể lỏng 160 ký tự 4 x 40, đồng thời khi tới chu kỳ lưu cất,

số liệu sẽ được lưu trữ tại bộ nhớ chống mất điện Eeprom Đồng hồ thời gian Real Time Clock RTC đảm bảo việc đồng bộ cho mọi hoạt động của Datalogger theo giờ chuẩn và nếu thiết bị không hoạt động, đồng hồ dùng pin riêng để đảm bảo cung cấp thời gian chính xác khi thiết bị hoạt động trở lại

Giao tiếp theo chuẩn RS232C với máy tính cá nhân dùng cho việc cài đặt thông số cho thiết bị, đồng thời dùng để thu nhận dữ liệu lưu trữ tại thiết bị, có thể đến hàng trăm ngày Cổng ra Modem dùng để giao tiếp và cung cấp số liệu với trung tâm từ xa

Nguồn nuôi Datalogger có thể được sử dụng từ các dạng khác nhau, như điện lưới, pin mặt trời hay acquy 12v Bình thường nguồn điện lưới hoặc pin mặt trời sẽ nạp đầy vào acquy và khi cả hai nguồn này bị mất, thiết bị vẫn hoạt động nhiều ngày nhờ năng lượng dự trữ từ acquy

Hình 3.2 thể hiện sơ đồ khối thiết kế của bộ hiển thị VH-051S sử dụng mạng thông tin di động làm môi trường truyền số liệu, mà đề tài dự kiến triển khai thực nghiệm

Màn tinh thể lỏng LCD 4x40

Đồng hồ thời gian (chính xác cao)

Hệ vi xử lý (công năng cao)

Bộ nhớ (SL, thông số) MODEM GSM

Cổng giao tiếp RS232

Khối nguồn

Phím điều khiển

Pin mặt trời, Acquy 12V, AC-220

Khối ghép nối

Hình 3.2 Sơ đồ khối của Datalogger VH-051S khi dùng modem GSM

Sự khác biệt đáng kể trong trường hợp dùng đường truyền di động, đặc biệt với thông tin dạng SMS, là lệnh điều khiển có thể chuyển từ trung tâm về tram đo vào bất kỳ lúc nào, nên cần phải thiết lập thêm bộ nhớ đệm RAM đủ lớn và tốc

độ xử lý nhanh nhằm tránh thất lạc thông tin

3.2.1 Khái niệm cơ bản

Vi xử lý được xem như một máy tính được tích hợp trên một chip, khối linh kiện đóng kín, nó thường được sử dụng để điều khiển các thiết bị điện tử [5, 6]

Vi xử lý, thực chất, là một hệ thống bao gồm một vi mạch lớn có hiệu suất đủ mạnh và giá thành hợp lý, khác với các bộ vi xử lý đa năng dùng trong máy tính, kết hợp với các khối ngoại vi như bộ nhớ, các mô đun vào - ra, các mô đun biến đổi số sang tương tự và tương tự sang số, Ở máy tính thì các mô đun thường được xây dựng bởi các chip và mạch ngoài Vi xử lý thường được dùng để xây dựng các hệ thống nhúng và các loại vi xử lý bậc thấp đã xuất hiện khá nhiều trong các dụng cụ điện tử, thiết bị điện, máy giặt, lò vi sóng, điện thoại, thiết bị

đa phương tiện, dây chuyền tự động,…

Hầu hết các vi xử lý ngày nay được xây dựng dựa trên kiến trúc Von Neumann, kiến trúc này định nghĩa bốn thành phần cần thiết của một hệ thống nhúng Những thành phần này là lõi CPU, bộ nhớ chương trình, thông thường là ROM hoặc bộ nhớ Flash, bộ nhớ dữ liệu RAM, một hoặc vài bộ định thời và các cổng vào - ra để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi và các môi trường bên ngoài, tất cả các khối này được thiết kế trong một vi mạch tích hợp Khác với các bộ vi

xử lý đa năng thường dùng cho máy tính, vi xử lý có thể hoạt động chỉ với rất ít

vi mạch hỗ trợ bên ngoài và tiêu hao ít năng lượng

3.2.2 Các vi xử lý thông dụng

Các họ vi xử lý rất đa dạng, có nhiều tính năng khác nhau, có các thế mạnh khác nhau trong các lĩnh vực cụ thể, có các thông số kỹ thuật và môi trường làm việc cũng rất khác nhau Dưới đây là một số họ vi xử lý thông dụng nhất [15]

* Họ vi xử lý AMCC do tập đoàn Applied Micro Circuits Corporation sản xuất

Từ tháng 5 năm 2004, họ vi xử lý này được phát triển và tung ra thị trường bởi IBM: 403 PowerPC CPU, PPC 403GCX, 405 PowerPC CPU, PPC 405EP, PPC

405GP/CR, PPC 405GPr, PPC NPe405H/L, 440 PowerPC,

* Họ vi xử lý Atmel

Dòng Atmel AT91 (Kiến trúc ARM THUMB), Dòng AT90, Tiny & Mega – AVR (Atmel Norway design), Dòng Atmel AT89 (Kiến trúc Intel 8051/MCS51), Dòng MARC4

* Họ vi xử lý Cypress MicroSystems CY8C2xxxx

* Họ vi xử lý Freescale Semiconductor Từ năm 2004, những vi xử lý này được

phát triển và tung ra thị trường bởi Motorola

Dòng 8bit: 68HC05 (CPU05), 68HC08 (CPU08), 68HC11 (CPU11),

Dòng 16bit: 68HC12 (CPU12), 68HC16 (CPU16), Freescale DSP56800

Dòng 32-bit: 386EX, i960

* Họ vi xử lý Microchip, 12-bit instruction PIC, 14-bit instruction PIC và

PIC16F84, 16-bit instruction PIC

* Họ vi xử lý National Semiconductor: COP8, CR16

* Họ vi xử lý ST-MicroElectronics: ST 62, ST 7

* Họ vi xử lý Philips Semiconductors: LPC2000, LPC900, LPC700

Trên thị trường nước ta, thông dụng nhất là hai dòng vi xử lý Atmel AT89Cxx và vi xử lý Microchip mà đại diện là PIC16F84 Hai dòng sản phẩm này có ưu điểm là sử dụng không quá phức tạp, giá thành tương đối thấp, nhưng

có một số nhược điểm là tốc độ xử lý không cao, bộ nhớ không lớn, nên rất khó ứng dụng cho những bài toán phức tạp Trong vài năm gần đây, các dòng sản phẩm vi xử lý của hãng Cypress MicroSystems của Hoa Kỳ CY2xxxx đã bắt đầu được các nhà kỹ thuật nước ta chú ý tới Sản phẩm vi xử lý của Cypress có một

số ưu điểm nổi trội: tốc độ xử lý cao, có loại chịu được môi trường khắc nghiệt, rất đa dạng về chủng loại cho các ứng dụng khác nhau,… Nhưng bên cạnh đó có vài nhược điểm cần khắc phục: sử dụng, thiết kế phức tạp, giá thành còn khá cao

Vì các ưu điểm công nghệ của dòng sản phẩm này, nhóm thực hiện đề tài đã lựa chọn dòng sản phẩm vi xử lý của Cypress Hoa Kỳ làm hạt nhân cho việc thiết kế

bộ hiển thị datalogger VH-051S của trạm KTTĐ

3.2.3 Các tính năng cơ bản của họ vi xử lý Cypress

Trong phần này thể hiện các tính năng nổi bật của vi xử lý Cyp466, dự kiến

sử dụng cho thiết kế Datalogger Nhờ có khả năng xử lý mạnh của dòng sản phẩm này mà Datalogger VH-051S có thể xử lý được nhiều thông tin từ số lượng lớn các đầu đo, đặc biệt với cả tốc độ gió lớn hơn 100m/s; có kết cấu gọn nhẹ, tiêu hao ít năng lượng, hoạt động linh hoạt [15]

CPU

- Tốc độ CPU tối đa 24MHZ (có thể thay đổi được)

- Thanh chứa 32 bít

- Công suất thấp

- Có thể hoạt động trong 2 dải điện áp là 5V hoặc 3.3V

- Với chế độ SMP (Switch Mode Pump), cho phép hoạt động với điện áp 1V

-Có 16 khối số (Digital Block) cung cấp:

+ Timer, Counter, PWM 8, 16, 24, 32 bit

+ CRC và PRS Module

+ Tối đa 8 cổng UART với chế độ Full –Duplex

+ Truyền thông theo SPI, Master và Slave

+ Nối tới tất cả các chân vào ra GPIO

+ Việc kết hợp các khối số tạo ra các ngoại vi phức tạp

Nguồn Clock chính xác và có khả năng lập trình được

- Nguồn clock trong 24/48MHZ, cho phép không dùng thạch anh ngoài

- Nguồn clock 24/48MHZ từ bộ dao động ngoài 32.768K

- Lựa chọn bộ dao động ngoài, tối đa 24MHZ

- Bộ dao động trong phục vụ cho Sleep và WatchDog

- Chế độ bảo vệ bộ nhớ linh hoạt

- Tạo được EEPROM trong bộ nhớ Flash

Các chân Pins có thể cấu hình được

- Out dòng tới 25mA (Source)

- Có các chế độ: Pull up, Pull Down, High Z, Strong, Open Drain

- Tối đa 12 đầu vào tương tự (Analog Input) với chip 28 chân và nhiều hơn với các chíp cao hơn

- Output Analog cho phép dòng tới 40mA

- Ngắt cấu hình được với GPIO

Tính năng khác

- Hỗ trợ I2C với cấu hình kiểu Master, Slave, Multi Master, tốc độ

400KHz

- Watchdog and Sleep

- Cảnh báo nguồn cung cấp thấp

- Tích hợp mạch giám sát bên trong

- Nguồn điện áp chuẩn bên trong có độ chính xác cao, dùng làm nguồn tham chiếu cho ADC

3.3 Nguyên lý hoạt động Datalogger

Như đã mô tả ở phần 3.1, bộ não của thiết bị là khối vi xử lý Cyp466 đảm bảo mọi chức năng điều khiển, tính toán, số hóa tín hiệu, xử lý, lưu trữ số liệu, giao tiếp với máy tính, modem, Lưu đồ thuật toán hoạt động của khối các vi xử

lý được thể hiện tại hình 3.3

Toàn bộ thiết bị sau khi được lắp đặt sẽ hoạt động khi được cấp nguồn điện

và sẽ ngừng làm việc khi mất nguồn cấp, chỉ có khối đồng hồ thời gian vẫn luôn làm việc để đồng bộ thời gian

Sau khi được cấp nguồn Datalogger đọc các tham số cần thiết từ bộ nhớ chống mất điện Eeprom, đọc thời gian từ RTC Sau khi kiểm tra tính hợp lệ của các tham số, kiểm tra khả năng làm việc của bộ nhớ, vi xử lý sẽ tiếp tục các bước sau hoặc dừng hoạt động nếu bộ nhớ không tốt Khi mọi bộ phận của Datalogger bình thường, sẽ khởi động các module đo đạc tính toán các yếu tố cần đo Chu kỳ tính toán lấy mẫu các giá trị gió là 2 giây Giá trị chu kỳ này là hợp lý, nó gần như phản ánh giá trị tức thì của gió Chu kỳ lấy mẫu của các yếu tố nhiệt, ẩm, áp, điểm sương là 30 giây là hợp lý, vì môi trường không khí thay đổi không quá nhanh Sau khi số hóa và tính toán các loại số liệu khác nhau, vào thời điểm mỗi giây số liệu cần thiết được “làm tươi” trên màn tinh thể lỏng