KHẢ NĂNG GIÁM sát từ XA mực nước SÔNG hồ BẰNG THIẾT bị đo NGUYÊN lý PHAO và CÔNG NGHỆ KHÔNG dây TRONG QUAN TRẮC NGHIỆP vụ, dự báo THỦY văn và CẢNH báo lũ lụt

Hội thảo khoa học Quốc gia về Khí tượng Thủy văn, Môi trường và Biến đổi khí hậu lần thứ XVI

308 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường

KHẢ NĂNG GIÁM SÁT TỪ XA MỰC NƯỚC SÔNG HỒ BẰNG THIẾT BỊ
ĐO NGUYÊN LÝ PHAO VÀ CÔNG NGHỆ KHÔNG DÂY TRONG QUAN
TRẮC NGHIỆP VỤ, DỰ BÁO THỦY VĂN VÀ CẢNH BÁO LŨ LỤT
Nguyễn Văn Hà, Nguyễn Minh Tuấn, Lê Hà Hoàng Minh
Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường

Nhu cầu tự động đo và giám sát từ xa mực nước sông hồ trong công tác quan trắc thuỷ
văn, đặc biệt cho dự báo, cảnh báo lũ lụt ngày càng cấp bách trong bối cảnh diễn biến phức
tạp của biển đổi khí hậ .Việc đáp ứng số liệu mực nước thời gian thực tại giếng đo của các
trạm thuỷ văn hay hồ chứa khi có hiện tượng thời tiết nguy hiểm là rất cần thiết cho công tác
dự báo. Báo cáo này trình bày một số kết quả ban đầu việc giám sát từ xa mực nước sông hồ
thời gian thực theo nguyên lý phao với công nghệ không dây, bao gồm việc xây dựng, triển
khai thiết bị đo tự động tại công trình giếng, truyền tin không dây về trạm thuỷ văn, từ đây số
liệu được dùng cho quan trắc nghiệp vụ và tự động truyền tin qua mạng di động về trung tâm
giám sát từ xa. Trong nội dung đề tài cấp cơ sở, các chuyên gia của Viện Khoa học Khí tượng
Thủy Văn và Môi trường đã triển khai thử nghiệm tại Trạm thủy văn Triều Dương, tỉnh Thái
Bình trong năm 2012 và cho kết quả khả quan.

1. Mở đầu
Hiện nay trên hệ thống sông ngòi gồm hơn 2600 sông, hồ lớn nhỏ của Việt
Nam đã hình thành hệ thống quan trắc thủy văn khá hoàn thiện, gồm có hơn 230 Trạm
thủy văn, được quản lý bởi 9 Đài KTTV khu vực, trong đó: Đài Đông Bắc: 26 trạm;
Đài Tây Bắc: 12 trạm; Đài Việt Bắc: 31 trạm; Đài Bắc Trung Bộ: 34 trạm; Đài Trung
Trung Bộ: 28 trạm; Đài Nam Trung Bộ: 12 trạm; Đài Tây Nguyên: 15 trạm; Đài ĐB
Bắc Bộ: 27 trạm; Đài Nam Bộ: 49 trạm.
Tại các trạm thuỷ văn ở nước ta, các thiết bị đo mực nước thông dụng vẫn là các

máy sử dụng giản đồ tự ghi mực nước, điển hình là máy tự ghi mực nước theo nguyên
lý phao, như: Vanđai (Liên Xô), SW-40 (Trung Quốc), Stevens A-04, A-71 (Hoa Kỳ).
Các thiết bị dạng này hoạt động ổn định, cung cấp số liệu khá chính xác và có thể nâng
cấp tự động hoá. Trong ngành KTTV nước ta, thực tiễn cho thấy, các thiết bị đo mực
nước theo tự động nhập ngoại theo các nguyên lý quang học, radar, siêu âm, áp lực,
do nhiều nguyên nhân khác nhau, hoạt động chưa được ổn định, độ bền chưa cao và
chi phí nhập khẩu lớn. Vì lý do trên, đề tài đã tập trung theo hướng lựa chọn tự động
hoá thiết bị đo mực nước theo nguyên lý phao cơ học, sự thành công của đề tài là cơ sở
quan trọng để có thể tự động hoá khá nhiều thiết bị đo mực nước của ngành KTTV
nước ta với chi phí hợp lý.
Thực tiễn đã cho thấy việc khai thác các thiết bị tự động hiện đại nhập ngoại
chưa đạt được hiệu quả mong muốn, thậm chí một số trạm đã ngừng hoạt động sau
thời gian ngắn. Theo nhận xét của nhiều nhà chuyên môn, nguyên nhân chính của các
hạn chế trên là do: đặc thù của khí hậu nhiệt đới và các hạ tầng còn hạn chế của nước
ta; cán bộ của ta chưa có điều kiện làm chủ công nghệ sản phẩm nhập ngoại.
2. Mô tả tóm tắt công nghệ
Sau quá trình nghiên cứu tích cực, với sự hỗ trợ của nhiều chuyên gia trong và
ngoài ngành, bằng các kiếm thức và kinh nghiệm của nhiều năm công tác, Bộ hiển thị

Hội thảo khoa học Quốc gia về Khí tượng Thủy văn, Môi trường và Biến đổi khí hậu lần thứ XVI

Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 309

Datalogger VH-024L đã được các chuyên gia của Viện KH KTTV&MT thiết kế thành
công. Thiết bị này được xây dựng, tích hợp trên cơ sở ứng dụng sản phẩm điện tử của
các hãng nổi tiếng: Maxim, Atmel, Philips, Cypress, Dalas, National, Thiết bị đã
được thử nghiệm hoạt động trong các môi trường khắc nghiệt của phòng thí nghiệm và
cho kết quả khả quan. Nhờ áp dụng công nghệ vi xử lý tiên tiến, thiết bị hoạt động linh
hoạt, tiêu tốn ít năng lượng và có thể mở rộng tính năng.
2.1 Sơ đồ khối chức năng các Datalogger VH-024L

Hình 1: Sơ đồ khối chức năng các Datalogger VH-024L
Hệ thống thiết bị được triển khai tại 3 địa điểm khác nhau và kết nối với nhau
bằng công nghệ không dây. Thiết bị đo – senxơ (1) tại giếng đo cảm nhận sự thay đổi
của mực nước, truyền tín hiệu tới Datalogger số 1 (2), ở đây giá trị mực nước được
hiển thị và lưu trữ, đồng thời truyền bằng vô tuyến RF tới Datalogger số 2 (3) đặt trong
nhà trạm. Tại đây, Datalogger số 2 (3) sẽ thu nhận, hiển thị và lưu trữ giá trị mực
nước, đồng thời truyền tin qua mạng điện thoại di động về Trung tâm điều khiển tại Hà
Nội thông qua Modem GSM (4). Việc kết nối không dây làm cho quá trình triển khai
thực tế thuận lợi, dễ kiểm soát thiết bị, tránh được đứt cáp thông tin khi phải thi công
vượt đê từ giếng đo vào nhà trạm thuỷ văn,…
Trạm đo mực nước tự động được thiết kế theo hai khối (2 Dataloggers, VH-
024LE và VH-024LA) độc lập, liên lạc kết nối với nhau bằng công nghệ không dây,
tạo tiện lợi cho người sử dụng, tính năng kỹ thuật dự kiến phù hợp đặc thù của nhiều
vùng khí hậu nước ta.
Các thiết bị VH-024LE, VH-12E tại Hình 2, lắp đặt tại giếng đo mực nước, được
thiết kế để thiết bị phải hoạt động trong môi trường ít thuận lợi, rất nóng, độ ẩm ẩm
cao và xa vị trí làm việc của trạm.




(3) DL

(4) MD
PC
Pin MT
(1) TB đo
Thiết bị đặt tại trạm
GMS

Radio
(2) DL
Pin MT
TT điều khiển tại HN
Thiết bị đặt tại giếng

Hội thảo khoa học Quốc gia về Khí tượng Thủy văn, Môi trường và Biến đổi khí hậu lần thứ XVI

310 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường










Hình 2: Thiết bị lắp đặt tại giếng đo trạm Triều Dương
Bộ cảm biến mực nước VH-12E là thiết bị cảm biến cơ điện khá phức tạp, do
chuyên gia của Viện KH KTTV&MT thiết kế, sau đó nhờ các kỹ thuật viên cơ khí tay
nghề cao của Việt Nam triển khai. Bộ phận Puly bằng hợp kim nhôm có trọng lượng
riêng rất thấp nhằm tránh quán tính lớn khi mực nước thay đổi, trong đó đặc biệt chú ý
đến tính đồng trục rất cao của thiết bị. Phần giải mã sự thay đổi mực nước bằng công
nghệ quang điện Encoder với số xung khá lớn là 1200 để đảm bảo tính chính xác của
phép đo. Chệnh lệch mực nước L thể hiện qua công thức sau:
L = (C/1200) x N
Trong đó, C là chu vi của Puly, N là số xung đã thay đổi.
Số xung đã thay đổi N được Datalogger VH-024LE phát hiện, tính toán và hiển

thị kết quả tại màn hình tinh thể lỏng LCD cho quan trắc viên. Hình sau đây sẽ cho ta
biết hình dạng của tín hiệu từ bộ mã hoá Encoder. Nhờ nhận biết số lần thay đổi biên
độ xung và độ lệch góc của tín hiệu, VH-024LE sẽ xác định độ thay đổi và chiều biến
thiên của mực nước. Để đảm bảo tính chính xác cao, bộ vi xử lý dùng cho VH-024LE
cần thiết phải có tốc độ rất cao để không bỏ sót tín hiệu khi mực nước thay đổi nhanh.







Hình 3: Hình dạng tín hiệu từ cảm biến đo mực nước VH-12E
Thiết bị VH-024LA, hình 4, được để trong phòng làm việc, có màn hình LCD đủ
lớn để hiển thị nhiều loại số liệu, quan trắc viên có thể giám sát hoạt động của thiết bị
tại phòng làm việc, thuận lợi cho họ khi có thời tiết xấu. Nhờ được hoạt động trong
môi trường của phòng làm việc ít khắc nghiệt hơn so với ngoài trời, thiết bị sẽ làm
việc ổn định hơn và tuổi thọ của thiết bị sẽ cao hơn.

Hội thảo khoa học Quốc gia về Khí tượng Thủy văn, Môi trường và Biến đổi khí hậu lần thứ XVI

Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 311

Hình 4: Thiết bị lắp đặt tại nhà trạm Triều Dương
Nguồn nuôi cho Datalogger có thể được sử dụng điện lưới AC220V, pin mặt trời,
acquy 12V. Bình thường nguồn điện lưới hoặc pin mặt trời sẽ nạp đầy acquy và khi cả hai
nguồn này bị mất, thiết bị vẫn hoạt động nhiều ngày nhờ năng lượng dự trữ từ acquy.
2.2 Thu nhận và xử lý số liệu
Giao tiếp theo chuẩn RS232 với máy tính cá nhân dùng cho việc cài đặt thông số
cho thiết bị, đồng thời dùng để thu nhận dữ liệu với dung lượng có thể đến hàng trăm
ngày được lưu trữ tại thiết bị. Cổng ra Modem dùng để giao tiếp và cung cấp số liệu
với trung tâm từ xa.
Trung tâm điều khiển thu nhận số liệu với chương trình SysVh024L đặt tại Viện
KH KTTV&MT, Hà Nội, đã thử nghiệm việc điều khiển trạm VH-024L Triều Dương
theo nhiều kỳ truyền số liệu khác nhau, trong các giá trị 10, 20, 30, 60, 120,180 phút
và cho kết quả như dự kiến.








Hình 5. Chương trình điều khiển trực tiếp
Số liệu dạng số thu được tại trạm thuỷ văn hay tại trung tâm từ xa được lưu trữ
và từ đó có thể xây dựng thành biểu đồ biến trình theo thời gian: 1 ngày, 3 ngày hay
tuần, tháng. Hình dưới là biểu đồ mực nước sông Luộc ngày 09/11/2012 tại Trạm thuỷ
văn Triều Dương.

Hội thảo khoa học Quốc gia về Khí tượng Thủy văn, Môi trường và Biến đổi khí hậu lần thứ XVI

312 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường














Hình 6. Biểu đồ mực nước theo thời gian
3. Kết luận và kiến nghị
3.1. Kết luận
Sau qua trình thử nghiệm hơn 3 tháng, về cơ bản có thể đưa ra một số nhận xét sau:
- Đạt các chỉ tiêu kỹ thuật và tiêu chuẩn ngành KTTV 94-TCN 1-2003 về độ
chính xác của phép đo mực nước;
- Phù hợp và thuận lợi cho quá trình quan trắc nghiệp vụ;
- Hoạt động liên tục và ổn định trong quá trình thử nghiệm;
- Đảm bảo độ tin cây cao trong việc cung cấp số liệu về các trung tâm điều hành
từ xa;
- Đảm bảo tính thống nhất của số liệu hiển thị tại trạm, số liệu lưu trữ tại
Datalogger, số liệu tại các trung tâm điều hành vào cùng một thời điểm;
- Đảm bảo kịp thời số liệu thời gian thực cho trung tâm điều khiển từ xa.

3.2. Kiến nghị
Các tác giả báo cáo này hy vọng, nếu được sự quan tâm của các cấp lãnh đạo,
sẽ hoàn thiện những công việc cần thiết, đảm bảo hệ thống trạm đo mực nước tự động
không dây dạng VH-024L hoạt động ổn định lâu dài và phục vụ hiệu quả nghiệp vụ
của ngành KTTV. Để sản phẩm sớm được ứng dụng trong ngành ở diện rộng hơn, xin
kiến Cơ quan quản lý của Bộ TNMT cho phép được tiếp tục hoàn thiện, thử nghiệm
trong thời gian hơn 12 tháng và định hướng triển khai ứng dụng.

Bieu do muc nuoc theo thoi gian ( Ngay 9/11/2012)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00
Muc Nuoc (mm)
Series1
Series2

Hội thảo khoa học Quốc gia về Khí tượng Thủy văn, Môi trường và Biến đổi khí hậu lần thứ XVI

Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 313

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. D.A. Smidchev. Tóm tắt các bài giảng về máy khí tượng để đào tại các nhân viên
khí tượng hạng III và hạng IV (Biên dịch Nguyễn Quang Việt, Nguyễn Lê Tâm).
Hà Nội: Tổng cục KTTV, 1998. – 570 tr
2. Đỗ Xuân Tiến. Kỹ thuật Vi xử lý và lập trình Assembly. Hà Nội: KH và KT, 2003.
– 350 tr
3. Hardware of Vaisala Milos 500. Helsinki: Vaisala, 1992. – 322 p.
4. Ngô Diên Tập. Lập trình bằng hợp ngữ Assembly. Hà Nội: KH và KT, 2001. – 360 tr.
5. Ngô Diên Tập. Vi xử lý trong đo lường và điều khiển. Hà Nội: KH và KT, 1999. –
340 tr.
6. Nguyễn Quốc Phô. Cảm biến. Hà Nội: KH và KT, 2005. – 327 tr.
7. Nguyễn Tăng Cường, Phan Quốc Thắng. Cấu trúc và lập trình họ vi điều khiển
8051. Hà Nội: KH và KT, 2004. – 285 tr.
8. Quy phạm Quan trắc thuỷ văn 94TCN 6-2001, Hà Nội: Tổng cục KTTV, 2001 201 tr.
9. Tống Văn On, Hoàng Đức Hải. Họ vi điều khiển 8051. Tp Hồ Chí Minh: LĐXH,
2004. – 412 tr.

THE ABILITY TO REMOTELY MONITOR THE WATER LEVEL OF
RIVERS AND RESERVOIRS BY FLOATING TECHNICS BY
WIRELESS TECHNICS BY WIRELESS TECHNOLOGY FOR
OPERATIONAL MONITORING AND FORECASTING HYDROLOGY
AND FLOOD WARNING
Nguyen Van Ha, Nguyen Minh Tuan, Le Ha Hoang Minh
Viet Nam Institute of Meteorology, Hydrology and Environment

The need of Remotely automatical measuring and monitoring water levels of rivers

and reservoirs in hydrological monitoring, forecasting, flood warning increasingly urgent in
the flood season, especially in the context of climate change. The online data of water levels
in wells of hydrological stations in dangerous weather conditions is very important for
hydrological warning and forecasting. This report presents some initial results of remotely
monitoring water levels by floating technics by wireless technology, including the design of
two dataloggers, construction of automatic measuring system, transmission of data by
wireless technology. The experts of the IMHEN has developed and tested the system in the
hydrological station Trieu Duong, Thai Binh province in 2012.