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

Bộ công thơng
viện điện tử tin học








báo cáo tổng kết đề tài kh&cn cấp bộ

nghiên cứu thiết kê, chế tạo
các module phục vụ đo lờng
giám sát trong trạm khí tợng tự động

Mã số: 188. 08RD/HĐ-KHCN

chủ nhiệm đề tài: trịnh hải thái

7170
17/3/2009

Hà nội - 2008




1




BÁO CÁO
KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI CẤP BỘ
NĂM 2008

Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CÁC MODULE PHỤC VỤ
ĐO LƯỜNG GIÁM SÁT TRONG TRẠM KHÍ TƯỢNG TỰ ĐỘNG

(Mã số: 188.08RD/HĐ-KHCN.)



Chủ nhiệm nhiệm vụ: Trịnh Hải Thái
Đơn vị chủ trì: Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa
Các cơ quan phối hợp chính: TT Khí Tượng Thủy Văn Quốc Gia.

HÀ NỘI - 08/2008

BỘ CÔNG THƯƠNG
VIỆN NC ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA
      

2


DANH SÁCH CÁN BỘ THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
STT Họ và tên
Đơn vị công tác
1 Trịnh Hải Thái Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa
2 Trần Văn Tuấn Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa
3 Nguyễn Tuấn Nam Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa
4 Tạ Văn Nam Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa
5 Đinh Đức Chính Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa
6 Phạm Chí Công Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa
7 Nguyễn Thị Hương Lan Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa
8 Phạm Thùy Dung Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa
9 Bùi Đức Thắng Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa
10 Phạm Hùng Cường Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa

3

MỤC LỤC
Chương I.

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 5

1.Cơ sở pháp lý/ xuất xứ của đề tài 5

2.Tính cấp thiết và mục tiêu nghiên cứu của đề tài 5

2.1 Tính cấp thiết 5

2.2 Mục tiêu nghiên cứu 11

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

4. Phương pháp thực hiện 12

5. Nội dung, phạm vi nghiên cứu 13

6. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước 14

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. Kết quả khảo sát thực tế 30

8.1 Khảo sát trạm khí tượng tự động Sân Bay Nội Bài - MIDAS IV- hãng
VAISALA 30

8.2 Khảo sát trạm khí tượng tự động Thanh Hóa và Hải Phòng 42

8.3 Các đại lượng và đơn vị đo gió: 46

8.4 Tìm hiểu các loại sensor đo gió 49

8.4.1 Sensor đo gió chong chóng - kiểu cánh quạt hãng YOUNG. 49

8.4.2 Sensor đo gió chong chóng - kiểu chén gió hãng SUTRON 51

8.4.3 Sensor đo gió chong chóng - kiểu chén gió hãng VAISALA. 52

8.4.4 Sensor đo gió loại siêu âm 55

8.5 Tổng kết kết quả khảo sát 59

9. Tổng kết các vấn đề kỹ thuật cần giải quyết và giải pháp 60

Chương II.

THIẾT KẾ CHẾ TẠO CÁC MODULE TRONG TRẠM KHÍ
TƯỢNG 62

1. Mô hình tổng thể mạng lưới khí tượng 62

2. Thiết kế tổng quát trạm khí tượng 72

3. Thiết kế chế tạo module đo gió và Datalogger 73

4

3.1 Thiết kế Mainboard 74

3.2 Thiết kế khối LCD và bàn phím 80

3.3 Thiết kế khối truyền thông 81

3.4 Khối nguồn 84

4. Xây dựng phần mềm cho Datalogger 85

4.1 Chức năng phần mềm 85

4.2 Cấu trúc của phần mềm 86

4.3 Xây dựng chức năng truyền thông dữ liệu qua mạng GSM 87

4.4 Xây dựng chức năng lưu trữ dữ liệu 89

4.5 Các chức năng cài đặt và hiển thị trên màn hình LCD 89

Chương III.

THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 93

1. Thử nghiệm tại phòng thí nghiệm : 93

2. Thử nghiệm ngoài hiện trường: 98

KẾT LUẬN 127

LỜI CẢM ƠN 127

TÀI LIỆU THAM KHẢO 128

PHỤ LỤC 129

5

Chương I. 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 188.08RD/HĐ-
KHCN. giữa Bộ Công Thương (Bên A) và Viện Nghiên cứu Điện tử, Tin Học, Tự
động hóa (Bên B) ký ngày 03 Tháng 03 Năm 2008.
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 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
6

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
7

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 hại 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 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".
8

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;
9

- 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;
10

- 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
11

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:
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 và
góp phần đẩy nhanh quá trình hiện đại hoá mạng lưới QTKT tại Việt Nam .
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
12

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 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. Phương pháp thực hiện

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
giám sát trung tâm chiếm tỷ lệ tương đối lớn trong trạm khí tượng tự động và
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
13

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 sẽ được thực hiện trong hai
năm từ 01/2008 đến 12/2009, trong đó:
Năm 2008 đề tài thực hiện các nội dung có trong bản phụ lục 1 của hợp đồng số
188.08 RD/HD-KHCN ký ngày 03/03/2008 giữa Bộ Công Thương và Viện Nghiên
Cứu Điện tử, Tin học, Tự động hoá cụ thể như sau:
- 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 dự định đăng ký thực hiện trong năm 2009 như sau:



14

- Thiết kế chế tạo các module khí tượng tự động đo các thông số: lượng mưa,
độ ẩm, nhiệt độ.
- Xây dựng phần mềm giám sát trung tâm phục vụ quan trắc khí tượng tự động.
- Thử nghiệm, 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.

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
Hiện nay trên thế giới đã có nhiều hãng nghiên cứu thiết kế chế tạo các 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), Các hãng lớn có thể kể tới như Campbell, Vaisala, Monitor
Sensor, Metone. 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). Các phương thức truyền dữ liệu đi xa hay sử dụng là
15

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, spread spectrum). Truyền thông tại hiện trường (trong

phạm vi hẹp) thường sử dụng các giao thức trên nền RS232/RS485/Ethernet như
Modbus, Profibus, . Công nghệ sản xuất sensor đòi hỏi trình độ kỹ thuật cao nên
nhiều hãng không trực tiếp chế tạo mà chỉ chế tạo các thành phần khác trong trạm
KTTĐ như phần cơ khí, các module xử lý tín hiệu sensor, module truyền thông ,
các phần mềm ứng dụng chuyên ngành KTTV sau đó tích hợp thành trạm KTTĐ
và mạng lưới QTKT. Một trạm khí tượng tự động gồm các thành phần chủ yếu sau:
các sensor (đo các thông số 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) ; datalogger tích hợp
module truyền thông; các thiết bị cấp nguồn (ắc quy, pin mặt trời); các thiết bị bảo
vệ chống sét; PC và phần mềm giám sát trung tâm; cột tháp và các thiết bị phụ
khác. Trong đó giá trị các module xử lý tín hiệu sensor, datalogger, module truyền
thông và phần mềm chiếm tỷ lệ không nhỏ trong tổng giá trị trạm KTTĐ .
Cùng với sự phát triển của công nghệ sản xuất chip, các thiết bị điện tử trong
trạm KTTĐ ngày càng 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 cho phép
tăng liên tục, chống chịu tốt trước các tác động của môi trường về cơ học và hoá
học. Module nguồn thường dùng các loại 80–135/160–270 Vac, 50/60 Hz /9–30
Vdc. Các module xử lý tín hiệu sensor có thể mở rộng tối đa vài chục đầu vào
loại: điện áp, dòng điện, điện trở, xung, RS232, RS485, FSK; đầu ra là tín hiệu
analog: 0–1, 0–5, 0–10 Vdc, 4–20 mA và Serial Output: RS232, RS485, FSK.
Datalogger thế hệ trước (khoảng 10 năm trước) sử dụng vi điều khiển 8 bit, nhưng
nay đã được thay thế bởi các vi điều khiển 16/32bit mạnh hơn. Bộ nhớ lưu trữ của
datalogger thường vài mêga bytes. Trên datalogger có bàn phím, LCD phục vụ
theo dõi tại hiện trường và calibrate.
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.
16

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
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.

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

b) Dải đo của các sensor trong trạm khí tượng tự động.
1. Thiết bị đo tốc độ gió 2740
- Dải đo: 0 đến 79m/s
- Độ chính xác: ±2%
2. Đầu đo nhiệt độ không khí 3455
- Dải đo: -43 đến 48
0
C
- Độ chính xác: ± 0.1
0
C
- Độ phân giải: 0.1
0
C
3. Đầu đo áp suất không khí 2810
- Dải đo: 920 đến 1080 hPa
- Độ chính xác: ±0.2 hPa
- Độ phân giải : 0.2 hPa

4.Đầu đo thời gian nắng 3160
- Dải đo: 400 đến 1100 nm
- Độ phân giải: 1 phút
5. Đầu đo bức xạ thực 2811
- Dải đo: +2000W/m2
- Độ chính xác: ±1% toàn dải
6. Đầu đo tầm nhìn MIRA 3544
- Dải đo: 20 đến 3000m
- Bước sóng: 880nm
7. Đầu đo độ ẩm không khí 3445
- Dải đo: 0 đến 100%
- Độ chính xác: ± 2% RH
8. Thiết bị đo hướng gió 359
0

- Dải đo: 0 đến 360
0

- Độ chính xác: ±50
9. Thiết bị đo mưa 3864
- Dải đo: 200 mm/interval.
- Độ phân giải: 0.2mm
- Độ chính xác: +2%
10. Pin mặt trời 2770
- Dung lượng: 7Ah
- Điện áp : 8,4V
11. Thân cột 2772
- Chiều cao : 4m
12. Vỏ tủ điện 2720

13. 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
14. 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.
15. Bộ phát tín hiệu VHF/UHF 3149/3694
19

- 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.
c) Một số thiết bị cần thiết 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
d) 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
e) 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.
20


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
21

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
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 với
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
a) Dải đo của các sensor trong trạm khí tượng tự động.
- Nhiệt độ và độ ẩm không khí HMP45C:
+ Nhiệt độ:
Dải đo: -40 đến +60
0
C

Độ phân dải: 0.1
0
C
Độ chính xác: ±0.5
0
C tại -40
0
C; ±0.2
0
C tại 20
0
C; ±0.6
0
C tại 60
0
C
+ Độ ẩm không khí:
Dải đo: 0,8- 100%
Độ phân dải: 1%
Độ chính xác: ±1 % tại 20
0
C, ±2% RH(0-90%), ±3% RH(90-100%),
24

- Đo mưa TET25 (Tipping Bucket Rain Gage)
Sensor: Kiểu chao lật với công tắc từ (Magnetic reed switch)
Độ cảm ứng: 0,25mm một lần lật (1xung). 1 tip per 0,25mm.
Độ chính xác: ±1 %
-Thiết bị đo tốc độ gió loại Cup anemometer ( chong chóng cánh gió hình chén)
Độ phân giải: 0 đến 49,5 m/s

Ngưỡng bắt đầu: 0,4m/s
Độ chính xác : 0,11 m/s
-Thiết bị đo hướng gió loại Vane
Dải đo: 10- 360
0

Độ chính xác: ± 4
0

-Thiết bị đo áp suất không khí: CS100
Dải đo: 600 đến 1100 milibar
Độ chính xác: ± 0,5 mb (+20
0
C); ± 1 mb (0 đến 40
0
C);
-Thiết bị đo bức xạ mặt trời: CS300
Dải đo: 0 đến 2000 Wm
-2
Độ chính xác: ± 0,5 % tổng bức xạ
Đầu ra : 0,2mV / 1 Wm
-2

b) 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.