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

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 lờng giám sát
trong trạm khí tợng tự động


Cnđt: Trịnh Hải Thái











7985

Hà nội 2009

1
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
2
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
3.3. 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

4
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 023-09RDBS/HĐ-
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 Nă
m 2009.
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
trải dài từ 8
0
30’ đến 23
0
22’ độ vĩ Bắc và từ 102

0
10’ đến 109
0
21’ độ kinh Đông,
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 v
ị 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 l
ần, 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
5
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 l
ụt 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 v
ề
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 thiế
u 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
6
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
và 290 nghìn con gia cầm bị chết.
Ước tính tổng giá trị thiệt hại hơn 814 tỷ đồng, tăng 720 tỷ đồng so với cùng
kỳ năm 2007.
Cần thiết phải tăng cường công tác phòng chống giảm nhẹ thiệt hạ
i do thiên tai
gây ra. Để phòng chống có hiệu quả cao thì việc cảnh báo, dự báo kịp thời, chính
xác sự xuất hiện cũng như diễn biến của các loại thiên tai là tối cần thiết.
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 nh
ư: 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 hiệ
n 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 vậ
y 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, c
ụ 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 trắ
c 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".
7
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 trườ
ng; 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;
8
- 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 độ
ng 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 tr
ường 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 ươ
ng, 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 thuộ
c 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 n
ước 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;
9
- 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 t
ượng 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 thi
ếu, 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 ki
ện 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 nă
ng lực để vận hành. Cùng một yếu tố quan trắc, tại mỗi thời điểm và vị
10
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
 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.
 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 thi
ết 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

11
-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.
- Ngành Nông Nghiệp.
- Ngành Giao thông vận tải
- Ngành Quân Sự
- Ngành Hàng Không….
Toàn bộ các trạm KTTV( tại 7 đài khu vực: Tây Bắc, Đông Bắc, đồng bằng
Bắc Bộ, Bắc trung bộ
, Trung trung bộ, Nam trung bộ và Nam bộ, và tại 64 tỉnh
thành đều đo bằng phương pháp thủ công). Chỉ có một số trạm KTTV có thiết bị
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 t
ế 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 ti
ết 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 đả
m 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
giám sát trung tâm chiếm t
ỷ lệ tương đối lớn trong trạm khí tượng tự động và
12
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 kh
ảo 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 hiệ
n 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 gắ
ng 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:
- Khả
o 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.

13
- 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
m
ưa, 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 trắ
c 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 trắ
c 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 m
ới chỉ dừng ở
“đề ra biện pháp khắc phục”.
14
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.
Mộ
t 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 đ
ó 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 loạ
i 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 mộ
t 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.
15
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 thố
ng 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 đầ
u 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 truy
ền
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 tr
ường hoặc truyền thời gian thực
bằng sóng UHF/VHF.
Một trạm tiêu chuẩn có thể đo được các yếu tố sau:
- Tốc độ gió
- Hướng gió
- Nhiệt độ không khí
- Độ ẩm tương đối
- Áp suất không khí
- Thời gian nắng
- Bức xạ thực
- Lượng mưa
16
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 b
ề 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 tiế
p dưới dạng thanh ghi dịch 10 bít.
Trạm có thể hoạt động bằng nguồn điện lưới hoặc nguồn pin năng lượng mặt trời.






















17
a) Sơ đồ bố trí thiết bị của trạm khí tượng tự động AWS 2700

Hình 1- Trạm khí tượng tự động AWS 2700


18
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.
Bộ phát tín hiệu VHF/UHF 3149/3694
- Có thể chọn thiết bị phát tín hiệu vô tuyến có tần số VHF (transmitter 3149)
hoặc bộ phát tín hiệu có tần số UHF (transmitter 3694) để truyền tín hiệu đo lường
về trạm theo dõi.
b) Một số thiết bị cần thiế
t để lưu trữ, truyền số liệu
- Dataloger 3660
- Bộ lưu trữ số liệu 2990 và 2995E
- Bộ tính toán số liệu 3015
- 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.

19

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.


20

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 củ
a 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
21
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



22
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 vớ
i

cấu hình gọn nhẹ sử dụng nguồn năng lượng Pin mặt trời.


Hình 7 - Toàn cảnh Trạm khí tượng RAWS-F







23



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


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




24
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.