Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các module phục vụ đo lường giám sát trong trạm khí tượng tự động

Ngày 29/11/2007 Thủ tướng chính phủ Nguyễn Tấn Dũng đã ra quyết định số 16/2007/QĐ-TTg về việc phê duyệt “Quy hoạch tổng thể mạng lưới quan trắc tài nguyên và môi trường quốc gia đến nă

Viện Nghiên Cứu Điện tử, Tin học và Tự động hoá

Báo cáo tổng kết đề tài:

Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các module

phục vụ đo lường giám sát trong trạm khí tượng tự động

Cnđt: Trịnh Hải Thái

7985

Hà nội – 2009

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 4

1 Cơ sở pháp lý/ xuất xứ của đề tài 4

2 Tính cấp thiết và mục tiêu nghiên cứu của đề tài 4

2.1 Tính cấp thiết 4

2.2 Mục tiêu nghiên cứu 10

3 Đối tượng thụ hưởng và hiệu quả kinh tế - xã hội của đề tài 11

4 Mô tả phương pháp nghiên cứu 11

5 Nội dung, phạm vi nghiên cứu 12

6 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước 13

7 Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước 14

7.1 Tổng quan 14

7.2 Giới thiệu các trạm khí tượng tự động của nước ngoài 15

7.2.1 Trạm khí tượng tự động AWS 2700 hãng AANDERAA 15

7.2.2 Trạm khí tượng tự động RAWS-F hãng CAMPBELL 22

8 Công nghệ GPRS 30

8.1 Khái niệm chung và những tiện ích về công nghệ GPRS 30

8.2 Khối chức năng: Các node GSN 32

8.3 BSS cho GPRS 40

8.4 CSS cho GPRS 47

8.5 Quản lý tính cước, trợ giúp và quản lý mạng lưới trong GPRS 51 8.6 Phần lõi/Truyền dẫn trong GPRS 54

9 Kỹ thuật GIS 56

9.1 Giới thiệu 56

9.2 Lợi ích và những hạn chế của việc sử dụng kỹ thuật GIS 56

9.3 Các thành phần của hệ thống thông tin địa lý GIS 57

9.4 Ứng dụng của GIS trong các nghành 57

9.5 Cấu trúc cơ sở dữ liệu trong GIS 59

9.6 Hệ quản trị cơ sở dữ liệu của GIS 60

10 Bản tin METAR 61

10.1 Khái quát chung về bản tin METAR REPORT: 61

10.2 Giao diện METAR REPORT: 62

10.3 Các trường dữ liệu chung : 62

10.4 Giải mã bản tin METAR/MET REPORT 66

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CHẾ TẠO CÁC MODULE TRONG TRẠM KHÍ TƯỢNG TỰ ĐỘNG 71

1 Xây dựng mô hình tổng quát giám sát mạng lưới khí tượng 71

2 Thiết kế trạm khí tượng tự động 74

2.1 Đặc điểm ,chức năng trạm khí tượng tự động 74

2.2 Lựa chọn sensor: 75

2.2.1 Sensor đo độ ẩm, nhiệt độ SHT75: 75

2.2.2 Sensor đo mưa SL3-1 77

2.3 Thiết kế phần cứng trạm khí tượng tự động 78

2.3.1 Thiết kế phần cứng Data Logger 78

2.3.2 Thiết kế phần cứng transmitter đo độ ẩm và nhiệt độ không khí 85

2.3.3 Thiết kế phần cứng transmitter đo hướng gió và nhiệt độ đất 86 2.3.4 Thiết kế khối nguồn 87

2.4 Xây dựng phần mềm cho data logger 90

2.4.1 Lựa chọn công cụ phần mềm cho Data logger 90

2.4.2 Thiết kế các chức năng phần mềm cho Data Logger 90

2.4.3 Giao tiếp với thẻ nhớ 96

2.4.4 Truyền thông GSM: 98

2.4.5 Thiết kế giao thức truyền thông Modbus 100

2.4.6 Thiết kế phần mềm cho Transmitter đo độ ẩm và nhiệt độ không khí 101

2.4.7 Thiết kế phần mềm cho Transmitter đo nhiệt độ đất và hướng gió 101

2.5 Giải pháp loại bỏ ảnh hưởng của nhiễu điện từ gây ra đối với hoạt động của vi điều khiển trong thực tế: 102

3 Thiết kế phần mềm giám sát trung tâm: 105

3.1 Mô hình hệ thống 105

3.2 Trình bày giải pháp dùng server với IP động 108

3.3 So sánh hiệu quả của hai phương pháp khi sử dụng SMS và

GPRS 109

3.4 Xây dựng bảng quan hệ của CSDL 111

3.5 Xây dựng các chức năng của phần mềm giám sát trung tâm 115

3.6 Xây dựng các chức năng và giao diện trên trạm hiện trường 127

CHƯƠNG 3: THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 131

1 Thử nghiệm tại phòng thí nghiệm : 131

1.1 Mục đích thử nghiệm 131

1.2 Các nội dung thử nghiệm 131

2 Thử nghiệm ngoài hiện trường 135

KẾT LUẬN 139

LỜI CẢM ƠN 140

TÀI LIỆU THAM KHẢO 141

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1 Cơ sở pháp lý/ xuất xứ của đề tài

Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các module phục vụ đo lường giám sát trong trạm khí tượng tự động” được thực hiện theo:

Hợp đồng nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ số KHCN giữa Bộ Công Thương (Bên A) và Viện Nghiên cứu Điện tử, Tin Học, Tự động hóa (Bên B) ký ngày 30 Tháng 03 Năm 2009

023-09RDBS/HĐ-2 Tính cấp thiết và mục tiêu nghiên cứu của đề tài

2.1 Tính cấp thiết

Việt nam là một quốc gia nằm trong khu vực đông nam Châu Á, có vị trí địa lý

với bờ biển trải dài hơn 3260km Với những đặc điểm về vị trí địa lý theo đánh giá của cơ quan quản lý thiên tai châu Á thuộc tổ chức Khí tượng Thủy văn Thế Giới, ngoài những thuận lợi của điều kiện khí hậu nhiệt đới gió mùa thì Việt nam là một trong những nước chịu nhiều thiên tai ở châu Á cũng như trên thế giới Do vị trí địa lý và đặc điểm địa hình, ở Việt nam thường xảy ra bão, áp thấp nhiệt đới, mưa lớn, lũ lụt, hạn hán, dông tố, lốc, lũ quét….Trong đó bão và lũ là những thiên tai thường gây hậu quả nặng nề hơn cả Hàng năm trung bình có khoảng 6-7 cơn bão

và áp thấp nhiệt đới đổ bộ vào nước ta Ngoài ra các hiện tượng thiên tai khác như hạn hán, dông tố, lốc, lũ quét , sạt lở đất cũng xảy ra thường xuyên hơn và ở mức

độ phức tạp hơn Đặc biệt trong một vài thập kỷ gần đây, thời tiết trong khu vực nói chung và Việt nam nói riêng có những diễn biến hết sức phức tạp, thiên tai xảy

ra trên diện rộng và mức độ tàn phá nặng nề hơn

Từ năm 1995-2000, chỉ tính riêng mức độ thiệt hại do thiên tai gây ra: về người cao hơn gấp 3 lần, về tài sản cao hơn 4 lần so với 5 năm đầu của thập kỷ Từ năm 1990 đến năm 2000, khoảng 8.000 người bị thiệt mạng, 2.3 triệu tấn lương thực bị phá huỷ, 9.000 tàu thuyền bị đắm và 6 triệu căn nhà bị phá huỷ

Ngày 16-8-2002, cùng một thời điểm trận lũ quét xảy ra ở hai huyện Bắc Quang, Xín Mần (Hà Giang) làm chết 21 người Cũng trong năm 2002, lũ quét xảy

ra ở phạm vi rộng thuộc địa bàn ba huyện Hương Sơn, Hương Khê, Vụ Quang (Hà Tĩnh) làm chết 53 người, 111 người bị thương Năm 2004, trận lũ quét xảy ra ở hai

xã Du Già, Du Tiến thuộc huyện Yên Minh (Hà Giang) và huyện Bảo Lâm (Cao Bằng) làm chết 56 người

Theo Ban chỉ đạo phòng chống lụt bão Trung ương, năm 2005, tình hình thiên tai diễn biến phức tạp, xảy ra liên tục, dồn dập ở hầu hết mọi miền đất nước, làm

379 người thiệt mạng và gây thiệt hại về vật chất trên 5.200 tỷ đồng

Theo Tổng cục thống kê trong vài năm trở lại đây thiên tai, lũ lụt vẫn tiếp tục gia tăng:

Trong năm 2006 nước ta đã chịu ảnh hưởng của 10 cơn bão, 4 áp thấp nhiệt đới, 9 đợt lũ quét, nhiều trận lốc xoáy, mưa đá… trong năm nay Dù Chính phủ đã chỉ đạo các địa phương chủ động phòng chống nhưng thiệt hại do thiên tai gây ra vẫn rất lớn

Theo Ban Chỉ đạo phòng chống lụt bão Trung ương, gây thiệt hại lớn nhất về người và tài sản trong năm 2006 là những trận bão có sức tàn phá kinh hoàng như: Cơn bão số 6, số 9, số 1…

Thiên tai đã khiến 339 người thiệt mạng, 274 người mất tích, 2.065 người bị thương; 75 nghìn ngôi nhà bị đổ, trôi; 554 căn khác bị ngập, hư hại…

Về sản xuất kinh tế, đã có làm 140 nghìn ha lúa bị ngập, trong đó hơn 21 nghìn

ha bị mất trắng; 122 nghìn ha hoa màu bị ngập, hư hại; gần 10 nghìn ha nuôi trồng thuỷ sản, hơn 2 nghìn tàu thuyền bị chìm, hư hại; gần 1,1 triệu m3 đất đá công trình thủy lợi bị sạt lở, bồi lấp…

Năm 2006 tổng thiệt hại ước tính gần 18,6 nghìn tỷ đồng (1,19 tỷ USD)

Năm 2007 Tổng cục Thống kê cho biết, tổng thiệt hại do thiên tai, chủ yếu là

do sạt lở đất, mưa to và bão lũ gây ra ở 50 tỉnh, thành phố trên cả nước ước tính lên tới trên 11.600 tỷ đồng, bằng khoảng 1% GDP Thiên tai đã làm 435 người chết, mất tích; làm ngập và hư hại 113.800 ha lúa; phá huỷ trên 1.300 công trình đập, cống, làm sạt lở cuốn trôi hơn 1.500 km đê và kênh mương; làm hơn 7.800 ngôi nhà và phòng họp bị sập đổ

Do ảnh hưởng nặng nề của thiên tai nên tình trạng thiếu đói vẫn xảy ra ở những vùng thiên tai Năm 2007, cả nước có 723.900 lượt hộ với 3.034.500 lượt nhân khẩu bị thiếu đói

Theo Tổng cục Thống kê, trong 6 tháng đầu năm 2008, những đợt rét đậm, rét hại kéo dài, triều cường và lũ lớn xảy ra tại nhiều địa phương trên cả nước đã làm

ảnh hưởng lớn đến sản xuất và đời sống dân cư Thời tiết rét đậm rét hại hồi đầu năm đã làm 200 nghìn ha lúa bị hư hỏng; 122 nghìn con trâu bò, 1 nghìn con lợn

Để sản xuất sản phẩm dự báo cần có các dữ liệu đầu vào là các kết quả quan trắc KTTV Sản xuất sản phẩm dự báo chủ yếu vẫn đang sử dụng các phương pháp truyền thống như: synốp, thống kê Tuy rằng trong những năm gần đây đã ứng dụng thành công một vài mô hình dự báo số nhưng lại xảy ra tình trạng "đói" số liệu đầu vào do công tác quan trắc, đo đạc và truyền dẫn số liệu chưa đáp ứng kịp thời Hiện nay việc thu thập số liệu và truyền dẫn số liệu quan trắc về Trung tâm KTTV Quốc gia vẫn thực hiện theo phương pháp thủ công, quan trắc rời rạc, thực hiện nhiều lần trong ngày Mạng quan trắc chưa đủ dày về mật độ Chưa đạt yêu cầu đại biểu cho sự biến thiên của đối tượng quan trắc theo không gian và thời gian Hiện tại mạng lưới quan trắc có 170 trạm khí tượng bề mặt, 231 trạm thuỷ văn, 21 trạm khí tượng hải văn, 393 trạm đo mưa nhân dân

Vì vậy cần thiết phải tăng cường đầu tư lắp đặt rất nhiều trạm khí tượng trong thời gian tới Những trạm quan trắc khí tượng tự động trong ngành KTTV hiện nay đều do nước ngoài cung cấp, tuy nhiên sau một thời gian hoạt động đã hư hỏng Các trạm quan trắc khí tượng tự động ngoại nhập giá thành cao, chi phí duy trì hoạt động lớn, khả năng nâng cấp mở rộng rất khó, cụ thể như trạm quan trắc khí tượng tự động đã có mặt trên thị trường Việt Nam của Monitor sensors, MetOne, Campbell, Vaisala, khi hỏng đều phải mua module thay thế chính hãng

và thuê chuyên gia xác định sai hỏng với kinh phí lớn, thời gian sửa chữa cũng không kịp thời làm gián đoạn công việc quan trắc trong thời gian dài

Trước yêu cầu cấp bách đó, Chính phủ đã chỉ đạo "Đổi mới và tăng cường thiết

bị quan trắc đo đạc, truyền số liệu, công nghệ dự báo và xây dựng một số cơ sở cần thiết cho lắp đặt thiết bị đo đạc, nhằm nâng cao năng lực công tác cảnh báo, dự báo chính xác, kịp thời sự xuất hiện và quá trình diễn biến các hiện tượng thiên tai"

Ngày 29/11/2007 Thủ tướng chính phủ Nguyễn Tấn Dũng đã ra quyết định số

16/2007/QĐ-TTg về việc phê duyệt “Quy hoạch tổng thể mạng lưới quan trắc

tài nguyên và môi trường quốc gia đến năm 2020” trong đó gồm 3 giai đoạn

như sau:

a) Giai đoạn 2007 - 2010:

- Xây dựng và hoàn thiện cơ cấu tổ chức, bộ máy quản lý và điều hành; đào tạo

bổ sung đội ngũ quan trắc viên, đáp ứng yêu cầu, nhiệm vụ của mạng lưới quan trắc tài nguyên và môi trường quốc gia;

- Bổ sung, sửa đổi các quy định, quy trình, quy phạm, chỉ tiêu quan trắc một cách đồng bộ, đáp ứng được yêu cầu, nhiệm vụ quan trắc của từng lĩnh vực tài nguyên và môi trường cụ thể;

- Củng cố và từng bước hiện đại hoá các trạm quan trắc tài nguyên và môi trường hiện có; xây dựng và đưa vào vận hành ít nhất 1/3 số trạm dự kiến xây mới, trọng tâm là những khu vực, những yếu tố quan trắc có nhu cầu cấp bách phục vụ phòng chống thiên tai và bảo vệ môi trường;

- Xây dựng, củng cố, nâng cấp các trung tâm thông tin, tư liệu môi trường, tài nguyên nước, khí tượng thủy văn; tăng cường năng lực và bảo đảm truyền tin thông suốt giữa các trạm quan trắc, các trung tâm thông tin, tư liệu tài nguyên và môi trường; tạo lập, quản lý và khai thác có hiệu quả cơ sở dữ liệu quan trắc tài nguyên và môi trường

b) Giai đoạn 2011 - 2015:

- Tiếp tục củng cố và hiện đại hoá các trạm quan trắc tài nguyên và môi trường

đã có; xây dựng và đưa vào vận hành ít nhất 1/2 số trạm còn lại;

- Nâng cấp cơ sở dữ liệu tài nguyên và môi trường, bảo đảm thông tin thông suốt, đồng bộ, có hệ thống và độ tin cậy cao;

- Tiếp tục đào tạo bổ sung đội ngũ quan trắc viên, đáp ứng đủ nhu cầu cán bộ của mạng lưới quan trắc tài nguyên và môi trường quốc gia

c) Giai đoạn 2016 - 2020:

- Hoàn thành việc xây dựng và đưa vào hoạt động có hiệu quả các trạm quan trắc trong Quy hoạch, bảo đảm tính hợp lý, thống nhất, đồng bộ, hiện đại của mạng lưới quan trắc tài nguyên và môi trường quốc gia;

- Nâng cao năng lực đội ngũ quan trắc viên, kỹ thuật viên và cán bộ quản lý, đáp ứng tốt yêu cầu hoạt động của mạng lưới quan trắc tài nguyên và môi trường quốc gia

Quy hoạch mạng lưới quan trắc tài nguyên và môi trường quốc gia

Mạng lưới quan trắc tài nguyên và môi trường quốc gia được chia thành các mạng lưới chuyên ngành sau đây:

a) Mạng lưới quan trắc môi trường, gồm quan trắc môi trường nền và quan trắc môi trường tác động được xây dựng dựa trên cơ sở duy trì, nâng cấp các trạm, điểm quan trắc môi trường hiện có và xây dựng bổ sung các trạm, điểm quan trắc mới:

- Mạng lưới quan trắc môi trường nền đến năm 2020 gồm 8 điểm quan trắc môi trường nền không khí, 60 điểm quan trắc môi trường nền nước sông, 6 điểm quan trắc môi trường nền nước hồ, 140 điểm quan trắc môi trường nền nước dưới đất và 12 điểm quan trắc môi trường nền biển ven bờ và biển khơi;

- Mạng lưới quan trắc môi trường tác động đến năm 2020 gồm 34 đơn vị quan trắc với cơ sở vật chất, trang thiết bị quan trắc hiện đại 58 tỉnh, thành phố trực thuộc Trung ương, khu công nghiệp quan trắc tác động môi trường không khí;

64 tỉnh, thành phố trực thuộc Trung ương, khu công nghiệp quan trắc tác động môi trường nước mặt lục địa; 21 tỉnh, thành phố trực thuộc Trung ương quan trắc mưa axit; 32 tỉnh, thành phố trực thuộc Trung ương quan trắc môi trường đất Thực hiện quan trắc môi trường biển ở 48 cửa sông, 14 cảng biển, 11 bãi tắm, 7 vùng nuôi trồng thuỷ sản, 160 điểm ngoài khơi; quan trắc môi trường phóng xạ ở 120 mỏ và tỉnh, thành phố trực thuộc Trung ương; quan trắc chất thải rắn ở 64 tỉnh, thành phố trực thuộc Trung ương (tập trung cho các khu công nghiệp, làng nghề); quan trắc

đa dạng sinh học ở 49 vườn quốc gia và khu bảo tồn thiên nhiên

b) Mạng lưới quan trắc tài nguyên nước, gồm quan trắc tài nguyên nước mặt

và quan trắc tài nguyên nước dưới đất:

- Mạng lưới quan trắc tài nguyên nước mặt đến năm 2020 gồm 348 trạm, trong

đó có 270 trạm quan trắc lượng nước sông, 116 trạm quan trắc chất lượng nước sông,

hồ và 1580 điểm đo mưa Các trạm, điểm quan trắc này đã được lồng ghép tại các trạm, điểm thuộc mạng lưới quan trắc khí tượng thủy văn;

- Mạng lưới quan trắc tài nguyên nước dưới đất được xây dựng trên cơ sở duy trì, nâng cấp 39 trạm, 286 điểm và 661 công trình quan trắc hiện có và bổ sung các trạm, điểm còn thiếu đưa tổng số trạm, điểm quan trắc đến năm 2020 là 70 trạm,

692 điểm và 1331 công trình quan trắc

c) Mạng lưới quan trắc khí tượng thủy văn, gồm quan trắc khí tượng, quan trắc thủy văn và quan trắc khí tượng hải văn:

- Mạng lưới quan trắc khí tượng được xây dựng trên cơ sở duy trì, nâng cấp

174 trạm khí tượng bề mặt, 29 trạm khí tượng nông nghiệp, 19 trạm khí tượng cao không (6 trạm rađa thời tiết, 3 trạm thám không vô tuyến, 7 trạm pilot, 3 trạm ôdôn

- bức xạ cực tím) và 764 điểm đo mưa hiện có, đồng thời bổ sung các trạm, điểm còn thiếu, đưa tổng số trạm, điểm quan trắc đến năm 2020 là 231 trạm khí tượng bề mặt, 79 trạm khí tượng nông nghiệp, 50 trạm khí tượng cao không (15 trạm rađa thời tiết, 11 trạm thám không vô tuyến, 11 trạm pilot, 4 trạm ôdôn - bức xạ cực tím,

9 trạm định vị sét) và 1.580 điểm đo mưa;

- Mạng lưới quan trắc thủy văn được xây dựng trên cơ sở duy trì, nâng cấp

248 trạm hiện có và bổ sung một số trạm còn thiếu, đưa tổng số trạm quan trắc đến năm 2020 là 347 trạm;

- Mạng lưới quan trắc khí tượng hải văn được xây dựng trên cơ sở duy trì, nâng cấp 17 trạm hiện có và bổ sung một số trạm còn thiếu, đưa tổng số trạm đến năm 2020 là 35 trạm

Quan điểm quy hoạch tổng thể

Trong quyết định số 16/2007/QĐ-TTg ban hành ngày 29/11/2007 của Thủ tướng chính phủ có nêu rõ các quan điểm của quy hoạch tổng thể như sau:

- Quy hoạch phải có tính kế thừa, tận dụng và phát huy tối đa cơ sở vật chất kỹ thuật và đội ngũ quan trắc viên hiện có; sửa chữa, nâng cấp hoặc đầu tư xây dựng mới các trạm, điểm quan trắc phải tập trung, có trọng tâm, trọng điểm, tránh dàn trải, phù hợp với điều kiện kinh tế - xã hội, yêu cầu bảo vệ tài nguyên - môi trường, đáp ứng nhu cầu cung cấp thông tin, số liệu điều tra cơ bản phục vụ phát triển bền vững đất nước trong từng giai đoạn

- Mạng lưới quan trắc tài nguyên và môi trường quốc gia được quy hoạch phải bảo đảm tính đồng bộ, tiên tiến, hiện đại, trên phạm vi toàn lãnh thổ và có đội ngũ cán bộ đủ năng lực để vận hành Cùng một yếu tố quan trắc, tại mỗi thời điểm và vị

trí xác định, việc quan trắc chỉ do một đơn vị sự nghiệp thực hiện theo một quy trình thống nhất

- Mạng lưới quan trắc tài nguyên và môi trường quốc gia là một hệ thống mở, liên tục được bổ sung, nâng cấp và hoàn thiện, kết nối và chia sẻ thông tin bảo đảm thông suốt từ trung ương đến địa phương với sự quản lý thống nhất của Bộ Tài nguyên và Môi trường

- Từng bước hiện đại hóa công nghệ, máy móc và thiết bị quan trắc trên cơ sở

áp dụng rộng rãi các công nghệ nghiên cứu tạo ra ở trong nước và tiếp thu, làm chủ được các công nghệ tiên tiến của nước ngoài

Do vậy nghiên cứu , chủ động thiết kế chế tạo các module làm cơ sở xây dựng hoặc sửa chữa thay thế trạm KTTĐ, từng bước tiến tới nội địa hoá các trạm KTTĐ

; góp phần phòng chống thiên tai, tiết kiệm cho đất nước và đẩy nhanh quá trình hiện đại hoá mạng lưới QTKTTV tại Việt Nam đang có tính cấp thiết hiện nay

2.2 Mục tiêu nghiên cứu

ƒ Mục tiêu kinh tế - xã hội:

Thiết kế chế tạo ra các sản phẩm phục vụ nhu cầu cấp bách phòng chống thiên tai

Thay thế các thiết bị ngoại nhập để giảm giá thành, tiết kiệm cho đất nước

ƒ Mục tiêu khoa học công nghệ:

-Thiết kế chế tạo ra các module chuẩn để có thể thay thế các module ngoại nhập và làm cơ sở để thiết kế chế tạo trạm khí tượng và mạng lưới khí tượng tự động hoàn chỉnh, sao cho sản phẩm đi đúng theo xu hướng phát triển hiện nay trong lĩnh vực này và sản phẩm đạt các yêu cầu như: đạt các tiêu chuẩn chất lượng của ngành, giá thành hạ (cố gắng nội địa hoá tối đa các bộ phận như liên quan đến

cơ khí , điện tử, ), hiện đại tương đương với các hệ thống nhập ngoại và có cải tiến theo yêu cầu của người sử dụng, tiến đến thương mại hoá các sản phẩm để cung cấp cho thị trường trong nước, góp phần đẩy nhanh quá trình hiện đại hoá mạng lưới QTKT tại Việt Nam Chủ động thiết kế chế tạo trạm tự động quan trắc khí tượng phục vụ nhu cầu cấp bách phòng chống thiên tai hiện nay, có khả năng thay thế các trạm tự động quan trắc khí tượng ngoại nhập để tiết kiệm ngoại tệ cho đất nước

-Nâng cao trình độ nghiên cứu khoa học của cán bộ trong nước

3 Đối tượng thụ hưởng và hiệu quả kinh tế - xã hội của đề tài

Đối tượng thụ hưởng là:

- Ngành Khí Tượng Thủy Văn

đo tự động (vốn ODA) xong chưa phát huy được hiệu quả do thiết bị chưa nhiệt đới hoá và thiếu khả năng làm chủ về công nghệ cũng như linh kiện thay thế

Nhu cầu số trạm cần thiết bị đo KTTV lên tới hàng nghìn trạm, mà thực tế yêu cầu cứ 15km2 phải có 1 trạm đo mới đảm bảo cung cấp đủ thông tin cho công tác

dự báo thời tiết Diện tích Việt Nam là 330991km2 tương ứng cần 22060 trạm đo KTTV

Hiệu quả kinh tế - xã hội:

Chủ động thiết kế chế tạo sẽ làm giảm chi phí ứng dụng (bao gồm chi phí thiết

bị và chi phí duy trì hoạt động) sản phẩm khoảng 30% - 50% so với nhập ngoại, góp phần tiết kiệm ngoại tệ cho đất nước và các doanh nghiệp, đồng thời nâng cao năng lực của đội ngũ làm KHCN trong nước

4 Mô tả phương pháp nghiên cứu

Sensor khí tượng là thành phần cơ sở để xây dựng các trạm khí tượng Tuy nhiên chế tạo sensor khí tượng là chưa khả thi trong điều kiện Việt Nam hiện nay Các ngành công nghiệp phụ trợ liên quan chưa có hoặc chưa phát triển đến mức để

có thể đảm bảo chất lượng của sensor sản xuất ra đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật, đồng thời chi phí cho nghiên cứu chế tạo sensor rất lớn (hàng năm thế giới tiêu tốn hàng chục tỷ đô la cho nghiên cứu chế tạo các sensor)

Qua nghiên cứu bước đầu nhóm thực hiện đề tài nhận thấy giá trị của các module điện tử liên quan tới xử lý tín hiệu sensor và truyền thông; các phần mềm

chúng ta có thể hoàn toàn thiết kế chế tạo được Vì vậy phương pháp nghiên cứu là: trước hết nhóm thực hiện sẽ khảo sát các trạm khí tượng tại Việt Nam, thu thập, phân tích các yêu cầu và khả năng áp dụng thực tế Phối hợp với các chuyên gia trong lĩnh vực này để tìm hiểu các yêu cầu kỹ thuật phục vụ cho thiết kế Tại Việt Nam hiện đã có nhiều trạm khí tượng tự động đang hoạt động , 100% nhập khẩu Sau thời gian hoạt động đã có nhiều sự cố Việc khắc phục sự cố hiện nay chủ yếu

là mua các thiết bị, module thay thế với giá thành rất cao Nhóm thực hiện sẽ nghiên cứu, phân tích các sự cố đó để giảm thiểu các nhược điểm cho sản phẩm sẽ chế tạo Trên cơ sở kết quả khảo sát nhóm thực hiện tiến hành chọn lựa linh kiện, vật tư, thiết bị phù hợp với điều kiện Việt Nam và đưa ra các giải pháp mang tính tổng thể phù hợp với điều kiện Việt Nam Nhóm sẽ kết hợp với nghiên cứu giải pháp của các hãng nước ngoài chế tạo các trạm khí tượng để học hỏi kinh nghiệm phục vụ thiết kế Nhóm thực hiện đặt ra mục tiêu thiết kế chế tạo ra các module chuẩn để có thể thay thế các module ngoại nhập và làm cơ sở để thiết kế chế tạo trạm khí tượng và mạng lưới khí tượng tự động hoàn chỉnh, sao cho sản phẩm đi đúng theo xu hướng phát triển hiện nay trong lĩnh vực này và sản phẩm đạt các yêu cầu như: đạt các tiêu chuẩn chất lượng của ngành, giá thành hạ (cố gắng nội địa hoá tối đa các bộ phận như liên quan đến cơ khí , điện tử, ), hiện đại tương đương với các hệ thống nhập ngoại và có cải tiến theo yêu cầu của người sử dụng để phù hợp điều kiện Việt Nam và nhu cầu thực tế (như tính năng, giao diện, ngôn ngữ, trợ giúp, ), tiến đến thương mại hoá các sản phẩm để cung cấp cho thị trường trong nước

5 Nội dung, phạm vi nghiên cứu

Nội dung của đề tài là : Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các module phục vụ đo lường giám sát trong trạm khí tượng tự động

Theo như đăng ký khối lượng công việc của đề tài được thực hiện trong hai năm từ 01/2008 đến 12/2009, trong đó:

Năm 2008 đề tài đã thực hiện các nội dung:

- Khảo sát hiện trường, thu thập, phân tích các yêu cầu và khả năng áp dụng thực tế phục vụ thiết kế, chế tạo sản phẩm

- Xây dựng mô hình trạm khí tượng tự động

- Thiết kế chế tạo các module phục vụ đo: tốc độ gió , hướng gió

- Thiết kế chế tạo datalogger

- Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm , hiệu chỉnh và đánh giá

- Viết báo cáo tổng kết KHKT và báo cáo nghiệm thu đề tài

Nội dung đăng ký thực hiện trong năm 2009 như sau:

-Thiết kế chế tạo các module khí tượng tự động đo các thông số sau: lượng mưa, độ ẩm, nhiệt độ và hoàn thiện datalogger

-Xây dựng phần mềm giám sát trung tâm phục vụ quan trắc khí tượng tự động

- Thử nghiệm tại hiện trường, hiệu chỉnh và đánh giá

- Viết báo cáo tổng kết KHKT và báo cáo nghiệm thu đề tài

6 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước

Hiện nay việc thu thập số liệu và truyền dẫn số liệu quan trắc về Trung tâm KTTV Quốc gia vẫn thực hiện theo phương pháp thủ công, quan trắc rời rạc, thực hiện nhiều lần trong ngày Mạng quan trắc chưa đủ dày về mật độ Chưa đạt yêu cầu đại biểu cho sự biến thiên của đối tượng quan trắc theo không gian và thời gian Hiện tại mạng lưới quan trắc có 170 trạm khí tượng bề mặt, 231 trạm thuỷ văn, 21 trạm khí tượng hải văn, 393 trạm đo mưa nhân dân

Những trạm quan trắc khí tượng tự động trong ngành KTTV hiện nay đều do nước ngoài cung cấp, tuy nhiên sau một thời gian hoạt động đã hư hỏng Các trạm quan trắc khí tượng tự động ngoại nhập giá thành cao, chi phí duy trì hoạt động lớn, khả năng nâng cấp mở rộng rất khó, khi hỏng đều phải mua module thay thế chính hãng và thuê chuyên gia xác định sai hỏng với kinh phí lớn, thời gian sửa chữa cũng không kịp thời làm gián đoạn công việc quan trắc trong thời gian dài

Từ trước đến nay đã có một số đề tài nghiên cứu có liên quan ít nhiều tới vấn đề nghiên cứu đặt ra:

Đề tài “Nghiên cứu hiện trạng, xác định nguyên nhân sai hỏng các trạm khí tượng tự động đã lắp đặt và đề ra biện pháp xử lý khắc phục” do Trung tâm Mạng lưới KTTV và môi trường thuộc Trung tâm khí tượng thuỷ văn Quốc gia thực hiện

và bảo vệ thành công ngày 11 tháng 12 năm 2006 Tuy nhiên đề tài mới chỉ dừng ở

“đề ra biện pháp khắc phục”

Đề tài cấp bộ về nghiên cứu chế tạo vũ lượng ký chao lật hiện số tự ghi do Viện Khoa học vật liệu thực hiện Sản phẩm đã được thương mại hoá: KTM-496 đo được cường độ mưa, tổng lượng mưa và ghi lại trên giấy theo yêu cầu người sử dụng Đến nay chưa thấy đơn vị này phát triển chế tạo các module đo khác

Một số đơn vị trong nước đã sửa chữa các trạm KTTĐ nhưng chưa nghiên cứu một cách có hệ thống để chế tạo các thành phần chủ yếu có khả năng thay thế ngoại nhập và có định hướng nội địa hoá các trạm KTTD tại Việt Nam

7 Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước

7.1 Tổng quan

Trên thế giới hiện nay có nhiều hãng sản xuất trạm khí tượng tự động, trong đó các hãng nổi tiếng có thể kể đến là: Campbell, Vaisala, Monitor Sensor, Metone Trạm KTTĐ phục vụ cho các lĩnh vực khác nhau như dự báo thiên tai (báo bão, cháy rừng, lũ quét, ), sản xuất nông/công nghiệp, giao thông vận tải (trong đó đặc biệt

là hàng không) Thông số đo chủ yếu là tốc độ gió và hướng gió; nhiệt độ đất và không khí; áp suất khí quyển; độ bức xạ; lượng mưa; độ ẩm Có hai dạng trạm KTTĐ chính là loại xách tay (portable) và loại cố định Các trạm có thể hoạt động độc lập hoặc liên kết thành mạng lưới lớn (mạng quan trắc khí tượng thuỷ văn) với môi trường truyền thông vô tuyến hoặc hữu tuyến Tuy vậy các trạm độc lập vẫn

có giao diện truyền thông với thiết bị đọc và lưu dữ liệu (thường là PC) Tất cả các trạm khí tượng tại hiện trường đều có một bộ Datalogger Datalogger tiếp nhận xử

lý tín hiệu từ các sensor, lưu trữ ,hiển thị phục vụ giao tiếp HMI (theo dõi tại hiện trường, cấu hình hệ thống và calibrate), truyền dữ liệu thu được tới base station Phương thức truyền dữ liệu đi xa: hay sử dụng là dùng telephone-network, cellular telephone, GSM, sử dụng kênh truyền thông riêng qua vệ tinh (GOES, METEOSAT, LEOS, ARGOS, ), truyền không dây dùng sóng radio (UHF, VHF) Truyền thông tại hiện trường (trong phạm vi hẹp) thường sử dụng các giao thức trên nền RS232/RS485 như SDI-12, Modbus, Profibus,

Vi điều khiển thường dùng trong trạm KTTĐ hiện nay là loại 16/32bit , có chất lượng cao và nhiều tính năng ưu việt như: kích thước nhỏ, tiêu hao ít năng lượng, tốc độ xử lý nhanh, dung lượng bộ nhớ lớn, chống chịu tốt trước các tác động của môi trường về cơ học và hoá học Bộ nhớ lưu trữ của datalogger hàng chục/hàng trăm MB Dùng thẻ nhớ ngoài

Phần nguồn nuôi được cung cấp bởi điện lưới, được dự phòng bởi ắc quy, trong trường hợp trạm đặt ở xa trung tâm nguồn nuôi có thể được cung cấp bởi pin mặt trời Nguồn dự phòng và điện lưới sẽ được chuyển đổi tự động khi mất điện

Trạm khí tượng đặt ngoài trời và treo trên các cột cao tới 10-15m) do vậy do vậy có hệ thống chống sét trực tiếp (dùng cột thu sét, lồng farađây, ) và sét lan truyền qua dây dẫn nguồn và dây dẫn tín hiệu Dữ liệu truyền theo chuẩn quốc tế (dùng định dạng bản tin: METR, METAR, SPECI, )

Đầu đo nhiệt độ, độ ẩm và lượng mưa trong trạm khí tượng: Đo nhiệt độ thường sử dụng PT1000, PT100, đo độ ẩm kiểu điện dung, đo lượng mưa dạng chao lật có đầu ra dạng xung điện Các bộ datalogger thường thiết kế theo kiểu có các đầu nối chuẩn , tín hiệu dạng: tương tự 4-20mA (cho các đầu đo nhiệt độ, độ

ẩm, áp suất, ), dạng xung (cho các đầu đo mưa, gió, ), dạng số truyền theo giao thức chuẩn quốc tế (cho các đầu đo có đầu ra dạng số theo giao thức SDI, Modbus, )

Phần mềm trên PC có các tính năng cơ bản như: cấu hình hệ thống (cho truyền thông, cảnh báo báo động, ); báo động vượt ngưỡng; theo dõi online các thông số; kết xuất báo cáo thống kê theo định dạng chuẩn; truyền dữ liệu về trung tâm,

7.2 Giới thiệu các trạm khí tượng tự động của nước ngoài

7.2.1 Trạm khí tượng tự động AWS 2700 hãng AANDERAA

Là trạm được thiết kế để sử dụng cho các trạm đo từ xa mà không có nguồn điện lưới Số liệu thu được có thể ghi trên hiện trường hoặc truyền thời gian thực bằng sóng UHF/VHF

Một trạm tiêu chuẩn có thể đo được các yếu tố sau:

Trạm khí tượng tự động AWS 2700 là trạm được thiết kế theo dạng modul cho phép dễ dạng lập cấu hình hệ thống và dễ dàng thêm bớt đầu đo Tất cả các đầu đo lắp trên trạm là đầu đo đã được chuẩn hoá, sử dụng trên thực địa và chịu được thời tiết khắc nghiệt Hệ thống đầu đo có thể sử dụng trong nước, trên bề mặt và không khí có tín hiệu đầu ra được chuẩn hoá thành hai 2 dạng tín hiệu tương tự VR22 và tín hiệu số SR10 Các sensor như nhiệt độ, áp suất, bức xạ mặt trời có dạng tín hiệu đầu ra là tương tự ký hiệu là VR22, với dải tín hiệu là điện áp trong khoảng (5-6V) Các sensor như sensor đo tốc độ gió, hướng gió, sensor đo độ ẩm có đầu ra là dạng tín hiệu số SR10, tín hiệu được truyền nối tiếp dưới dạng thanh ghi dịch 10 bít Trạm có thể hoạt động bằng nguồn điện lưới hoặc nguồn pin năng lượng mặt trời

a) Sơ đồ bố trí thiết bị của trạm khí tượng tự động AWS 2700

Hình 1- Trạm khí tượng tự động AWS 2700

Datalogger 3660

- Bộ Datalogger 3660 là trái tim của trạm khí tượng, nó có nhiệm vụ thu thập lấy mẫu các tín hiệu đo lường của một trạm khí tượng, chuyển đổi và lưu trữ dữ liệu đo, có cổng RS232 giao tiếp tín hiệu với máy tính và các modem truyền thông Trên bộ Datalogger có một màn hình LCD để hiển thị các thông số đo

Thiết bị lưu trữ dữ liệu 2990

- Là một thiết bị lưu trữ dữ liệu có khả năng lưu 65500 từ, bộ lưu trữ có 1 màn hình hiển thị tổng số dữ liệu đã được lưu trữ

- Modem hiện trường 3431

c) Phần mềm thu thập và xử lý số liệu cho AWS 2700

- Chương trình đọc số liệu 5059

- Chương trình hiển thị số liệu thời gian thực 3710

d) Kết nối tín hiệu đo lường với bộ Datalogger

Hình 2 - Kết nối tín hiệu đo lường với bộ Datalogger

Tín hiệu đo lường của các thiết bị lắp trên đỉnh cột như: các sensor đo lường

và tín hiệu đầu ra cho bộ phát sóng UHF (Radio Transmitter 3694) được gom vào một cáp tín hiệu đi bên trong cột trạm gọi là Mast cable, tất cả các tín hiệu đo lường này được đưa về bộ Datalogger qua 1 phích cắm 18 chân (11 kênh) Mast Cable

Hình 3 - Mặt trước của bộ Datalogger

Đầu vào các tín hiệu từ các sensor đo lường khác được cắm vào các đầu vào

(sensor input for VR22 or SR10) gồm 10 đầu vào 6 chân và 2 đầu vào 10 chân,

trên bộ Datalogger còn có một cổng nối tiếp com port để người dùng có thể truy cập các dữ liệu từ Datalogger lên máy tính PC

f) Truyền thông bằng sóng vô tuyến VHF/UHF từ trạm AWS 2700 đến trạm theo dõi thông số khí tượng

Hình 4 - Truyền thông giữa các trạm bằng tín hiệu VHF/UHF

Trường hợp dùng sóng vô tuyến UHF dải tần từ 400 -500MHz

Tại trạm phát AWS 2700 tín hiệu đo lường thu được từ bộ Datalogger được đưa tới

bộ phát sóng UHF (Radio Transmitter 3694) qua phích cắm 6 chân, bộ phát tín hiệu UHF sẽ chuyển đổi tín hiệu đo được thành tín hiệu sóng vô tuyến, tín hiệu được truyền đi từ ăngten của bộ chuyển đổi dưới dạng mã của hãng Aanderaa là 10bit PDC-4, khoảng cách truyền giữa trạm phát và trạm thu là trong khoảng 50km Tại trạm thu các thiết bị thu gồm có một bộ thu tín hiệu (Radio Receiver 3696), một bộ chuyển đổi tín hiệu Deck Unit 3127 và một máy tính PC Tín hiệu sóng vô tuyến UHF được bộ Receiver 3696 tiếp nhận và gửi đến bộ chuyển đổi

Deck Unit 3127 Bộ chuyển đổi Deck Unit 3127 có nhiệm vụ chuyển tín hiệu thu được từ mã 10bit PCD-4 sang dạng tín hiệu theo chuẩn RS232 và đưa tới máy tính hiển thị

Hình 5 - Các thiết bị của Trạm theo dõi khí tượng

Hình 6 - Truyền thông vô tuyến qua trạm lặp trung gian

7.2.2 Trạm khí tượng tự động RAWS-F hãng CAMPBELL

Trạm khí tượng RAWS-F (Remote Automated Weather Station for Fire Weather) hãng CAMPBELL là trạm khí tượng tự động thiết kế nhằm mục đích đo lường các thông số khí tượng phục vụ cho công tác cảnh báo cháy rừng Các sensor được gắn trên trạm RAWS-F bao gồm: Đo tốc độ và hướng gió, đo nhiệt độ và độ

ẩm, lượng mưa, bức xạ mặt trời Trạm RAWS-F là loại trạm khí tượng di động với cấu hình gọn nhẹ sử dụng nguồn năng lượng Pin mặt trời

Hình 7 - Toàn cảnh Trạm khí tượng RAWS-F

Hình 8 - Các linh kiện của trạm khí tượng RAWS-F

Hình 9 - Bộ khung của trạm khí tượng RAWS-F

Bộ thu thập dữ liệu Datalogger của trạm RAWS-F

Bộ Datalogger CR1000 của trạm khí tượng RAWS-F có chức năng thu thập các tín hiệu đo lường từ các sensor khí tượng lưu trữ và xử lý dữ liệu, giao tiếp với máy tính và mạng lưới khí tượng thông qua các modem truyền dẫn

Hình 10 - Bộ Datalogger CR1000- Campbell Các đặc tính kỹ thuật của bộ Datalogger

- Nguồn cung cấp 12VDC

- Bộ nhớ của bộ CR1000 là 4 Mbyte

- Các cổng nối tiếp CS I/O trên CR1000 có thể nối với các máy tính PC

Hình 11 - Giao diện đấu nối tín hiệu của bộ Datalogger CR1000

- Có 8 kênh vào tương tự riêng biệt (differential channel H-L) để đấu nối với các sensor khí tượng, khi đấu nối các kênh đó theo kiểu (Single-Ended Channel) tín hiệu tương tự lấy giữa 1 chân H hoặc L với đất thì 8 kênh (differential channel) sẽ thành 16 kênh (Single-Ended Channel)

Differential channel H-L Single-Ended Channel

- Các kênh vào tương tự kết hợp với các đầu điện áp Ex ,Vx để tạo ra các kiểu tín hiệu vào khác nhau như: kiểu điện áp, kiểu chiết áp, kiểu cặp nhiệt ngẫu, kiểu cầu điện trở

- Có hai đầu vào dạng xung (Pulse inputs) P1, P2 , có chức năng như bộ đếm tốc độ cao, đầu vào này thường dùng cho các sensor đo gió kiểu chong chóng, hoặc

đo mưa kiểu chao lật

Pulse inputs

- Có 8 cổng vào ra có thể lựa chọn (Digital I/O ports selectable) từ C1 ,, C8 Các đầu vào ra này có rất nhiều chức năng như: bộ đếm xung đầu vào, bộ đếm xung tốc độ cao, truyền thông nối tiếp không đồng bộ, giao tiếp truyền thông theo giao thức SDI-12 (Serial Data Interface at 1200 Baud) Ngoài ra các đầu vào ra đa chức năng này còn có thể dùng để điều khiển tắt bật các thiết bị và giám sát vận hành thiết bị

- Các sensor kiểu đầu ra RS232 có thể được nối với bộ Datalogger CR1000 thông qua 1 cổng RS232 9 chân hoặc các đầu vào ra đa chức năng trên (C1-C2, C3-C4….) theo giao thức SDI-12 Theo cách truyền tín hiệu nối tiếp Datalogger đóng vai trò Master và các sensor sẽ được coi là Slave

Đấu nối đầu ra sensor tín hiệu số với Datalogger

- Trên Datalogger có một cổng 40 chân để kết nối với bộ nhớ ngoài như CFM100 Module

- Các tín hiệu đo lường từ các sensor ở các dạng: điện áp, chiết áp, cặp nhiệt ngẫu, cầu điện trở, truyền thông nối tiếp RS232… được nối tới các phích cắm ở dưới đáy của hộp chứa bộ Datalogger Các phích cắm cho các ăngten đến Modem truyền thông cũng được bố trí dưới đáy hộp Datalogger

Hình 12 - Các phích cắm ở đáy hộp Datalogger

Truyền thông vô tuyến giữa các trạm khí tượng RAWS-F

- Các trạm khí tượng tự động RAWS-F hiện trường (Field Station) truyền dữ liệu về một trạm giám sát theo dõi các thông số thời tiết gọi là trạm gốc (Base Station) bằng sóng vô tuyến sử dụng RF modem

- Tần số của sóng Radio giữa hai trạm khí tượng sử dụng hai dải tần là VHF Very High Frequency (132-170 MHz) và UHF Ultra High Frequency (403-512MHz) Khoảng cách giữa trạm thu và trạm phát phải nhỏ hơn 25 mile ( 40km) Khi khoảng cách giữa trạm hiện trường và trạm gốc (Base Station) lớn hơn 40km thì giữa hai trạm đó phải có một trạm lặp (Repeater Station) để khuyếch đại và chuyển tiếp tín hiệu

- Vì sóng Radio sẽ bị hấp thụ hoặc suy hao khi gặp vật cản, nên trên đường truyền từ trạm khí tượng hiện trường về trạm gốc phải không có vật cản trở ở giữa chúng Nói khác đi là đường truyền giữa hai trạm phải nằm trên tầm nhìn thẳng

- Thành phần của mạng lưới truyền thông vô tuyến bao gồm:

+ Trạm hiện trường (Field Station)

+ Trạm gốc (Base Station)

+ Trạm lặp (Repeater Station)

Hình 13 - Các thành phần trong mạng lưới khí tượng

* Trạm hiện trường (Field Station):

- Trạm hiện trường có nhiệm vụ thu thập, lưu trữ và thực hiện yêu cầu truyền thông đến các trung tâm theo dõi khí tượng Cấu trúc của một trạm hiện trường đã được mô tả ở các mục trên (Trạm RAWS-F) Các thiết bị có trong trạm hiện trường bao gồm : Bộ nguồn, Pin mặt trời, Datalogger, Các sensor đo lường, Modem RF, ăng ten

* Trạm Gốc (Base Station):

- Trạm Gốc có nhiệm vụ thu thập các tín hiệu đo luờng từ các trạm hiện trường, phân tích và hiển thị các giá trị thời tiết của các trạm thời tiết đặt tại các vị trí khác nhau

Hình 14 - Thiết bị của trạm gốc

- Thiết bị của trạm gốc bao gồm:

+ 01 bộ máy tính PC với phần mềm chuyên dụng PC208W

+ 01 bộ ăngten RF và cáp ăngten

+ 01 trạm RF232A Base Station (RF232 là 1 box bao gồm: 01 bộ nguồn

110VAC/12VDC, 01 cáp nối RS232 25 chân, 01 Modem RF loại modem trong.)

* Trạm lặp Repeater Station

- Khi khoảng cách giữa trạm hiện trường và trạm gốc lớn hơn khoảng cách truyền cho phép, người ta phải lắp đặt thêm một trạm trung gian gọi là trạm lặp (Repeater Station) Trạm lặp là một trạm ở giữa hai trạm hiện trường và Trạm gốc Trạm lặp có chức năng tiếp nhận sóng Radio của trạm hiện trường và chuyển tiếp tín hiệu nhận được từ trạm hiện trường tới trạm gốc

- Các thiết bị của trạm lặp bao gồm:

8 Công nghệ GPRS

8.1 Khái niệm chung và những tiện ích về công nghệ GPRS

Dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS (General Package Radio Service) là một công nghệ mới nhằm cung cấp những dịch vụ gói IP đầu cuối tới đầu cuối qua mạng GSM Với những ứng dụng IP mới GPRS, công nghệ mà trước đây không khả thi đối với mạng GSM thì bây giờ có thể triển khai và cung cấp những ứng dụng Internet vô tuyến hấp dẫn hơn cho số lượng lớn người sử dụng

Vì GPRS được thiết kế để cho phép người sử dụng luôn được kết nối mà không cần sử dụng thêm các nguồn lực phụ trợ nên GPRS mang lại những cơ hội kinh doanh mới cho các nhà khai thác dịch vụ di động nhằm tăng doanh thu bằng việc đưa ra những dịch vụ IP mới và thu hút thêm những khách hàng mới với chi phí hợp lý cho người sử dụng đầu cuối Về mặt đầu tư của nhà khai thác việc nhanh chóng đẩy mạnh mức độ bao phủ dịch vụ là có thể vì GPRS tận dụng được một cách hiệu quả mạng vô tuyến GSM

Giải pháp GPRS được thiết kế để đẩy nhanh việc triển khai GPRS mà vẫn giữ cho chi phí đầu vào thấp Các khối chức năng của mạng GSM hiện nay chỉ cần nâng cấp phần mềm, ngoại trừ BSC cần nâng cấp cả phần cứng (Hình 15 ) Hai nút mạng mới, nút mạng hỗ trợ phục vụ GPRS (Serving GPRS Support Node – SGSN) và nút mạng hỗ trợ cổng GPRS (Gateway GPRS Support Node – GGSN) được giới thiệu Hai nút mạng này có thể được kết hợp thành một nút vật lý Một sự triển khai linh hoạt GPRS là có thể, ví dụ: bắt đầu với nút mạng GPRS tập trung hợp cả SGSN và GGSN Ở bước tiếp theo, node tập trung có thể được tách ra thành SGSN

và GGSN chuyên dụng

Hình 16 - Giải pháp GPRS cho việc triển khai nhanh chóng GPRS

Những tiện ích

Mạng GPRS có thể truy cập mạng truyền số liệu với tốc độ lý tưởng là 171,2 Kbit/s, gấp 3 lần tốc độ truyền trong mạng điện thoại cố định và gấp hơn 10 lần mạng GSM Tuy nhiên, tại thời điểm hiện nay, tốc độ truyền dẫn của mạng GPRS Việt Nam mới chỉ đạt 35 – 40 Kbit/s,

Khi sử dụng dịch vụ GPRS, khách hàng có thể tải nhạc chuông đa âm sắc, âm thanh thực, lôgô và hình ảnh màu, hình ảnh động, truy cập Internet, wap, kiểm tra email, gửi tin nhắn đa phương tiện MMS

Nói một cách khác, khi sử dụng dịch vụ này, rất nhiều khách hàng có thể online 24/7 chỉ bằng chiếc điện thoại di động của mình Với MMS, dịch vụ cho phép khách hàng có thể gửi và nhận các bản tin đa phương tiện (bao gồm text, hình ảnh,

âm thanh, đoạn phim ngắn) từ máy điện thoại di động của mình đến các máy điện thoại di động khác Thay vì gửi cho nhau những mẩu tin nhắn nhỏ như trước đây, bạn có thể gửi cho người mình yêu cả… một lá thư tình qua hệ thống tin nhắn MMS

Hiện nay, các nhà cung cấp lớn như MobiFone, VinaPhone và Viettel đều cung cấp dịch vụ GPRS, trả theo thuê bao và dung lượng truy cập Kèm theo GPRS là dịch

vụ MMS, dịch vụ mặc định cho các thuê bao đăng ký sử dụng dịch vụ GPRS Khi khách hàng đăng ký GPRS, hệ thống sẽ tự động đăng ký dịch vụ MMS và tải cấu hình tự động MMS cho khách hàng

Khách hàng đăng ký dịch vụ GPRS có thể truy cập Internet bằng 2 cách: truy cập trực tiếp trên màn hình máy điện thoại di động: đối với các máy di động có tính năng web-browser (tương tự như chương trình Internet Browser trên máy tính), khách hàng có thể truy nhập trực tiếp vào các trang web ngay trên màn hình máy di động thông qua đường kết nối GPRS

Máy di động sẽ hoạt động như một máy tính thu nhỏ, khách hàng cũng có thể nhận

và gửi email, file dữ liệu đồng thời có thể tải trực tiếp các hình ảnh, đoạn video về máy di động của mình Cách thứ hai là truy cập gián tiếp: khách hàng có thể sử dụng máy di động GPRS thay thế đường truy nhập qua line thoại thông thường để truy nhập Internet từ máy tính xách tay hoặc các thiết bị khác như PDA, Pocket

người tiêu dùng không quan tâm đến dịch vụ này một phần vì việc cài đặt và sử dụng nó còn phức tạp

Phần khác là ngay chính các nhà cung cấp tại Việt Nam hiện nay cũng ít quảng bá

và đưa ra các dịch vụ mới cho GPRS Đó là điều duy nhất đáng tiếc tại Việt Nam

hiện nay đối với công nghệ tiện dụng này

8.2 Khối chức năng: Các node GSN

8.2.1 Chức năng của GSN

Hai nút mới của hệ thống GSM phụ trách chuyển các gói dữ liệu được gọi là nút hỗ trợ phục vụ GPRS (SGSN) và nút hỗ trợ cổng GPRS (GGSN) Cả SGSN và GGSN

có thể được biểu thị bởi một khái niệm chung là nút hỗ trợ GPRS (GSN)

SGSN cung cấp định tuyến gói tới và từ vùng SGSN địa lý, còn GGSN mang giao diện với các mạng gói IP bên ngoài

SGSN/GGSN tách biệt vật lý hoàn toàn với bộ phận chuyển mạch của hệ thống GSM Ercisson Khối điều khiển trạm gốc (BSC) cần phải có một phần cứng mới được gọi là khối điểu khiển gói tin (PCU) Những thành phần khác của cấu trúc GPRS sử dụng các khối chức năng của mạng GSM hiện hành nhưng yêu cầu phải nâng cấp phần mềm

Chức năng của SGSN và GGSN có thể được kết hợp trong cùng một node vật lý (khối chức năng của mạng), hoặc có thể nằm ở các nút vật lý khác nhau SGSN và GGSN mang chức năng GPRS của mạng IP xuơng sống và được liên kết với bộ định tuyến IP

- Quản lý kết nối logic tới trạm di động

- Kết nối tới các nút GSM: MSC, HLR, BSC, trung tâm dịch vụ tin nhắn ngắn, v.v…

- Đầu ra của dữ liệu tính cước (Bản ghi chi tiết cuộc gọi, CDR)

Nhiệm vụ chính của GGSN:

- Giao tiếp với mạng IP gói ngoài

- Chức năng bảo mật đối với Internet

- Quản lý phiên GPRS theo mức IP, cài đặt liên lạc với các mạng bên ngoài

- Đầu ra dữ liệu tính cước (CDR)

Những đặc điểm chính của nền tảng mới này là:

- Dựa trên những tiêu chuẩn của ngành cả về phần cứng và phần mềm

- Hệ thống có thể hỗ trợ sự tồn tại đồng thời của nhiều ứng dụng trong cùng một node Điều này có nghĩa là có thể hoạt động đồng thời trên một SGSN, một GGSN hay một SGSN/GGSN kết hợp trong cùng một phần cứng

- Bộ điều khiển và phần lưu lượng hoạt động với các bộ xử lý khác nhau Có 3 loại

bộ xử lý được sử dụng:

+ Bộ xử lý ứng dụng trung tâm (AP/C) cho những chứng năng thuộc trung tâm và

có đặc điểm chung, như O&M

+ Bộ xử lý ứng dụng (AP) để xử lý những chức năng đặc thù về GPRS như quản lý

di động

+ Bộ xử lý thiết bị được chuyên môn hóa để xử lý tải lưu lượng trong một giao diện nào đó như IP qua giao diện ATM

Hình 17 - Kiến trúc tách biệt cho lưu lượng và điều khiển

Hệ thống phụ GSN

Cấu trúc phần mềm bao gồm nhiều hệ thống phụ được triển khai trong lõi và các tính năng ứng dụng:

Hình 18 - Cấu trúc phần mềm trong nút GSN

Hệ thống phụ lõi (Core Subsystem)

Những hệ thống phụ dưới đây tạo thành hệ thống phụ lõi:

- Hệ thống phụ tính toán (CPS), thực hiện hỗ trợ bên trong và phần mềm quản lý

- Hệ thống phụ môi trường giao diện lõi (CIS), cung cấp các giao diện vật lý và giao thức cho nút liên lạc bên ngoài

- Hệ thống phụ giao diện người dùng lõi (CUI), chứa phần bổ sung của các giao diện đồ họa O&M

- Hệ thống phụ tin nhắn ngắn di động (MSS) xử lý SMS thông qua GPRS

- Hệ thống phụ truy nhập mạng di động (MAS) chứa các server truy nhập dựa vào mạng gói bên ngoài

- Hệ thống phụ phân phối và điều khiển các khối chức năng của mạng (NCS) với chức năng GPRS độc lập, liên quan đến đa xử lý như điều khiển thiết bị

Tính cước

Cả SGSN và GGSN đều có khả năng tính cước, ví dụ để tạo ra các bản ghi dữ liệu cước (Charging Data Records (CDR)) Tính năng tính cước được thực hiện trong các node GSN kết hợp với thiết bị trung gian như cổng tính cước mang lại cho nhà khai thác nhiều khả năng tính cước khác nhau như: khối lượng dữ liệu, thời lượng cuộc gọi, loại dịch vụ, điểm tới, v.v…

Đầu ra từ GSNs là ASN.1/BER được mã hóa và truyền qua FTP theo cơ chế đẩy hoặc kéo (push or pull)

Sự phân phối động các địa chỉ IP

Sự phân phối các địa chỉ IP động cho phép nhà khai thác (hoặc mạng ISP/Corporate) sử dụng và tái sử dụng các địa chỉ IP từ một tập hợp các địa chỉ IP được cấp cho PLMN/Network để tránh việc cần một địa chỉ IP định cho mỗi PDP

đã đăng ký của một thuê bao Điều này làm giảm đáng kể số lượng địa chỉ IP được yêu cầu ở mỗi mạng PLMN Đây là cách thức được đề xuất để phân chia các địa chỉ IP

Địa chỉ IP động có thể được phân phối bằng (hoặc qua) mạng khách GGSN hay mạng chủ GGSN khi chuyển vùng (roaming) Trong trường hợp phân phối địa chỉ

IP động mạng IP khách, tự GGSN khách hay máy chủ RADIUS được lựa chọn bởi GGSN khách có thể được sử dụng để cung cấp địa chỉ IP động Trong trường hợp phân phối địa chỉ IP động mạng chủ, GGSN chủ hay máy chủ RADIUS được lựa chọn bởi GGSN chủ có thể được sử dụng để cung cấp địa chỉ IP động

GGSN chứa RADIUS khách có thể bổ sung một máy chủ RADIUS bên ngoài với các thông tin xác nhận từ MS, và máy chủ RADIUS có thể trả lại một địa chỉ IP nếu nhận thực là chính xác Đối với mỗi MS riêng biệt có thể được định dạng máy chủ RADIUS nào để kết nối Máy chủ RADIUS có thể được định vị tại ISP hay tại site chung

Chức năng bảo mật của GSN

Một bộ nhận thực chọn lọc cài đặt có thể ứng dụng cho tất cả các thuê bao của mạng chủ trong node được hỗ trợ Trị số cài đặt là số qui trình đính kèm và qui trình nâng cấp vùng định tuyến inter/intra-SGSN, nó được phép xảy ra giữa mỗi qui trình nhận thực Tuy nhiên, những nhận thực này luôn gắn với các thuê bao khách Nhận thực luôn được thực hiện để gán và nâng cấp inter-SGSN RA cho cả thuê bao chủ và thuê bao khách

Một tập khóa được dùng cho các nỗ lực nhận thực không thành công Khoá gồm có IMSI, IMEI, nếu có hiệu lực, SGSN-ID, nhận dạng ô, thời gian và ngày của MS/máy cầm tay nhận thực không thành công

GGSN đảm bảo lưu lượng cho một MS cụ thể đến từ đúng ISP, ví dụ ISP mà MS được kết nối tới trong suốt quá trình kích hoạt PDP

Những kết nối an toàn có thể được cung cấp ở lớp 1, sử dụng đường dây chuyên dụng, ở lớp 2 sử dụng ATM PVC, chuyển tiếp khung PVC, hoặc PPP, hoặc ở lớp 3

sử dụng IPSec Cũng có thể kết hợp tất cả yếu tố nêu trên

GGSN có thể truy nhập vào máy chủ RADIUS, nó có thể được định vị ở mạng số liệu bên ngoài/ISP Nó cung cấp nhận thực cho mức IP truy nhập vào ISP

GSN hỗ trợ tính năng IPsec Tính năng này có thể được sử dụng để cung cấp một mạng xưong sống intra-PLMN an toàn và kết nối tới các mạng bên ngoài như mạng ISP, các mạng kết hợp và các mạng PLMN khác

Các lựa chọn gói lọc khác nhau có hiệu lực để bảo vệ GGSN khỏi sự xâm nhập hay

từ chối của các tác động bao gồm nguồn, điểm tới, giao thức, số cổng v.v… Xem phần bộ định tuyến

Xử lý tải trong SGSN

Trong một khoảng thời gian, tất cả gói tin từ QoS Delay Class 1 được phát đi trước các gói tin từ QoS class 2, và các gói từ QoS Class 2 được phát đi trước các gói từ QoS class 3 v.v…

Lưu lượng tới/từ các MS có cùng loại Qos Delay có thể phải xếp thứ tự, ví dụ vào trước-ra trước, trong mỗi loại QoS

Trong các tình huống quá tải báo động sẽ tăng, và SGSN sẽ loại bỏ PDU theo hệ thống để duy trì các mức QoS đã xác định càng lâu càng tốt, chẳng hạn ưu tiên cho QoS Class 1 trước QoS Class 2, v.v…

Chất lượng dịch vụ (QoS)

Tài liệu GPRS QoS được bổ sung theo GSM 03.60, ngoại trừ loại độ tin cậy Chỉ

có độ tin cậy loại 2 và 3 được bổ sung vì chúng thích hợp nhất cho số liệu IP SGSN ứng dụng chức năng Admission Control trong mỗi yêu cầu kích hoạt PDP Chức năng này hoặc là đưa đến quá trình xử lý tiếp yêu cầu, thỏa thuận của QoS với MS hay từ chối yếu cầu kích hoạt PDP

SGSN thỏa thuận QoS với MS khi mức độ QoS được yêu cầu bởi MS không được

hỗ trợ bởi việc kích hoạt PDP hay khi mức QoS được thỏa thuận từ SGSN trước đó

có thể được hỗ trợ bởi việc nâng cấp vùng định tuyến inter-SGSN Thỏa thuận QoS theo MS phụ thuộc vào dữ liệu thuê bao được lưu, QoS được yêu cầu và độ rộng dải thống kê trung bình, được báo cáo từ BSC trên mỗi ô tế bào (cell)

Từ chối yêu cầu có thể xảy ra khi số lượng các thuê bao được gán đồng thời trên mỗi SGSN vượt quá mức tối đa quy định trước

Ngăn xen theo luật

Ngăn xen theo luật (LI) sẽ được bổ sung Việc bổ sung cho LI gồm có:

- Giao diện dựa trên chuyển tiếp khung: Gb (SGSN)

- Giao diện dựa trên SS7: Gs, Gr và Gd (SGSN)

- Giao diện dựa trên IP qua “bất kỳ”: Gn (SGSN và GGSN) Gi, Gp (GGSN)

Dựa trên chuyển tiếp khung: Giao diện Gb (SGSN-BSS)

Tiêu chuẩn ETSI qui định chuyển tiếp khung phảI được dùng trên giao diện Gb giữa BSC và SGSN Chuyển tiếp khung sẽ chuyển giao trong suốt PDU dịch vụ mạng giữa SGSN và một BSC Một SGSN có thể được kết nối tới một vài BSC Ngược lại một BSC chỉ có thể được nối tới một SGSN Một BSC có thể sử dụng một hay nhiều kết nối vật lý để nối tới một SGSN Gb hỗ trợ FR thông qua các kết nối vật lý như E1 hay T1 Các giao diện có thể được sử dụng trong các cấu hình dưới đây:

- Không tạo kênh (non- channelised)

- Tạo kênh (channelised)

- Phân đoạn

Việc thực hiện giao diện Gb trong GSN là hoàn thoàn mở theo như tiêu chuẩn ETSI

Các giao diện dựa trên SS7: Gs, Gr và Gd (SGSN tới MSC, HLR và SMS-SC)

Giao thức SS7 được sử dụng trên giao diện Gd (SMS-SC0, Gs (MSC) và Gr (HLR) Các giao diện này là hoàn toàn mở, và việc triển khai được phối hợp với các tiêu chuẩn GPRS liên quan

SGSN sẽ phải liên lạc với một số lượng lớn HLR, MSC/VLR và SMS-GMSC và SMS-IWMSC trong mạng PLMN nội bộ cũng như trong các mạng PLMN của các

MS khách SGSN vì vậy sẽ được kết nối tới một số điểm chuyển giao báo hiệu (STP, đặc biệt là một hoặc hai), những điểm được kết nối tới mạng SS7 toàn cầu

Các giao diện IP qua “bất cứ giao diện nào”: Gn, Gi và Gp

Tên gọi chung chung IP qua “giao diện nào” bao gồm các loại giao diện sau: Gn (giao diện SGSN-GGSN), Gi (GGSN – mạng IP) và Gp (GGSN-mạng PLMN khác) Có một số lựa chọn để triển khai các giao diện này với GSN

IP qua PPP: Ip qua PPP đồng bộ hoá được hỗ trợ như đã được nêu trong RFC

1548 Lớp vật lý hỗ trợ là E1 hoặc T1

IP qua ATM: IP được chuyển sang AAL5 Nó được chuyển sang lớp vật lý là SDH

STM-1 hoặc SONET STS-3c (155Mbps)

IP qua Ethernet và Fast Ethernet: Giao diện Ethernet 10 Base-T (10Mbps) và

100BaseTx (100Mbps) được bổ sung Cả hai loại giao diện này được hỗ trợ trên cùng giao diện vật lý và có thể được cấu hình chạy thực,với giao diện không hoạt động, tới 10/100 Mbps

8.2.5 Khả năng thực hiện và dung lượng

Có hai sản phẩm GSN có thể được định dạng là một SGSN, một GGSN hay một SGSN/GGSN kết hợp:

Dung lượng của GSN về số lượng người dùng được gán đồng thời, số lượng phạm

vi PDP và dung lượng cho phép truyền qua Hai yếu tố giới hạn của GSN dung lượng cho phép truyền qua là số lượng gói tin mỗi giây và số lượng bít mỗi giây Nút có kích thước gói tin 300 byte mỗi gói (bao gồm tiêu đề IP) Con số 300 bytes mỗi gói tin gần với kích thước được tính toán trung bình trong các mạng IP lớn Nếu kích thước gói tin nhỏ hơn, số gói tin mỗi giây sẽ bị hạn chế, đối với các gói tin dài hơn tốc độ bit tối đa tính theo Mbps sẽ là giới hạn

Ví dụ:

dụng được gán đồng thời tối đa

Số lượng phạm

vi PDP đồng thời tối đa

Thông lượng tối

đa (gói trên mỗi giây)

Thông lượng tối đa

Số lượng phạm

vi PDP đồng thời tối đa

Thông lượng tối đa (gói trên mỗi giây)

Thông lượng tối đa