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

BTNMT
VKTTVMT

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
VIỆN KHOA HỌC KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN VÀ MÔI TRƯỜNG
23/62 Nguyễn Chí Thanh, Đống Đa, Hà Nội
********





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



ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG VÀ THỬ NGHIỆM
HỆ THỐNG TRẠM KHÍ TƯỢNG TỰ ĐỘNG




Tên Chủ nhiệm Đề tài: TS. Nguyễn Viết Hân

7595
18/01/2010


HÀ NỘI, 12-2009


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


ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG VÀ THỬ NGHIỆM
HỆ THỐNG TRẠM KHÍ TƯỢNG TỰ ĐỘNG

Chỉ số đăng ký:

Chỉ số phân loại:
Chỉ số lưu trữ:
Cộng tác viên chính:
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






Đào Hồng Châu
CƠ QUAN CHỦ TRÌ ĐỀ TÀI

Trần Thục

Hà Nội, ngày tháng năm 20 Hà Nội, ngày tháng năm 20
HỘI ĐỒNG ĐÁNH GIÁ CHÍNH THỨC
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
(Ký và ghi rõ họ tên, học hàm, học vị)







TS. Nguyễn Lê Tâm
CƠ QUAN QUẢN LÝ ĐỀ TÀI
TL. BỘ TRƯỞNG
KT. VỤ TRƯỞNG
VỤ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
PHÓ VỤ TRƯỞNG





Nguyễn Lê Tâm

HÀ NỘI, 12-2009
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. C
ơ 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 Bả
ng 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

TT Tên hình Trang
1 Hình 2.1. Máy gió Vild 16
2 Hình 2.2. Máy gió EL của Trung Quốc 17
3 Hình 2.3. Đầu đo gió Young 17
4 Hình 2.4. Cấu tạo của sen-xơ gió Young 05106MA 19
5 Hình 2.5. Tín hiệu tốc độ gió 5m/s 21
6 Hình 2.6. Tín hiệu tốc độ gió 0.3m/s 21
7 Hình 2.7. Tín hiệu tốc độ gió 0.5m/s 21
8 Hình 2.8. Sơ đồ khối giao diện 22
9
Hình 2.4. Thiết bị đo mưa xi phông SJ1 và vũ lượng ký SL1 của Trung
Quốc
23
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
12 Hình 2.7. Các sen-xơ
nhiệt ẩm tiêu biểu 25
13 Hình 2.8. Sen-xơ nhiệt ẩm VH-11TH và các thông số đặc trưng 26
14 Hình 2.9. Các sen-xơ khí áp tiêu biểu 27
15 Hình 2.10. Sen-xơ khí áp VH-15B và các thông số kỹ thuật 27
16 Hình 2.11. Sơ đồ khối của modem GSM tiêu biểu 28
17 Hình 2.12. Các modem GSM tiêu biểu 30

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 b
ộ 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
29 Hình 4.6. Mô hình tổ chức hệ thống các trạm KTTĐ 46
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 m
ật 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


2

LỜI MỞ ĐẦU

Việc đảm bảo số liệu khí tượng thủy văn (KTTV) trong đó có các khâu
truyền thông tin, lưu trữ, cung cấp số liệu cho các nhà chuyên môn, đặc biệt khi
có thời tiết nguy hiểm, đóng vai trò rất quan trọng trong nghiệp vụ của ngành. Đo
đạc các yếu tố KTTV, là mắt xích đầu tiên và được tiến hành theo một quy trình
rất chặt chẽ và thống nhất trong toàn ngành. Số liệu quan trắc nghiệp vụ là cơ sở

cho công việc d
ự báo KTTV, là đầu vào của công việc nghiên cứu phục vụ cho
nhiều lĩnh vực kinh tế xã hội nói chung. Cải tiến, nâng cao số lượng và chất
lượng thông tin từ quá trình đo đạc là nhu cầu cấp thiết của ngành trong nhiều
năm vừa qua.
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 hi
ện 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 gi
ảm 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 vi
ệc 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;

3
Chương 2 trình bày về cở sở khách quan cho việc lựa chọn công nghệ các bộ
phận quan trọng của trạm KTTĐ;
Chương 3 trình bày thuật toán và kỹ thuật thiết kế bộ hiển thị - điều khiển số
liệu Datalogger, phần quan trọng của đề tài;
Chương 4 thể hiện các chương trình, thuật toán điều khiển hệ thống các trạm
khí tượng tự động;
Chương 5 là ph
ần 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 y
ếu 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.

4
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 điể
m 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 truy
ền 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

5
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 trạ
m 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 trạ
m 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 t
ượng 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, Quả
ng 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;

6
*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
B
ắc 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 trạ
m 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 h
ải 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 n
ăm 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 cầ

u 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
thiện, thử nghiệm độ chính xác và tính ổn định. Năm 2007, Công ty Vật tư KTTV

7
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 mư
a 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 thự
c 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 b
ị 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 lướ
i 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 củ
a 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

8
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
ngh
ệ 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, m
ạng 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 ch
ủ 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. Nh
ững 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 đấ
t 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

9
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 gi
ải 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 kh
ăn. 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 đầ
u 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 n
ước, 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 bằ
ng 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 mư
a 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

10
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 gi
ảm 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 tr
ực 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 k
ỹ 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 th
ời 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 n
ăm 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

11
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 nhi
ều 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 h
ợp 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 nhiệ
t
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 kh
ăn 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 th
ống
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 v
ề chủng loại, yếu về tính
năng, khó có thể đáp ứng nhu cầu tự động hóa của ngành.

12
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 độ
ng 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 nhi

ều 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 v
ề 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

13
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 thi
ết
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 thự
c 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;

14
- 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 d
ựng 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; ho
ạt 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
động VH-051S thể hiện tại bảng 1.1.

Bảng 1.1. Thông số thiết kế của trạm KTTĐ
Yếu tố
Độ phân
giải
Dải đo Sai số cho phép Sen-xơ
Tốc độ gió 0.1m/s
0.5-60m/s
(gió giật 100m/s)
±(0.5+5%V)
(có thể đạt ±0.3m/s)
Young 05106MA
Hướng gió 1độ 0-360độ ±3độ Young 05106MA
Lượng mưa 0.1mm không hạn chế
±0.4mm, LM<10mm
±4% khi LM>10mm
SL3-1
Nhiệt độ
không khí
0.1
o
C -10
o
C – 80
o
C
±0.3
o
C
(có thể đạt ±0.2
o

C)
VH-11TH
Độ ẩm
không khí
1% 0-100% ±3% (có thể đạt ±2%) VH-11TH
Điểm sương 0.1
o
C -40
o
C – 60
o
C ±0.4
o
C VH-11TH
Áp suất
không khí
0.1hPa 600-1100 hPa
±0.4 hPa
(có thể đạt ±0.3 hPa)
VH-15B

*Môi trường không khí làm việc của trạm:
 Nhiệt độ: -20
o
C – 70
o
C;
 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.:

15
Bảng 1.2. Thông số bổ sung của sen-xơ
Tên đầu đo
Young
05106MA
SL3-1 VH-11TH VH-15B
Tín hiệu ra
Xung analog Xung số Số data Số data
Thời gian đo
2 giây 2 giây 30 giây 30 giây
Nguồn nuôi +5V +5V +5V +(7 – 35)V
Kết cấu, cấu
tạo
Nhựa composit Inốc Nhựa composit Nhựa composit
Trọng lượng
1kg 3kg 0.3kg 0.7kg

*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 hơ
n 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.


16
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-x
ơ 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 y
ếu
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, như
ng 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

17
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 củ
a 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 hợ
p 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 thiế
t 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

18
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 v
ề 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 vượ
t 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 đầ
u 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.

19









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.

20

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
kiệ
n 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 Mạ
ng 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 đầ
y 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 k
ỳ 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 b
ản như sau:

21

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
d
ụng 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.