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
-----------------********--------------------

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:

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

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
KS. Hoàng Phi Thành
KS. Đặng Tùng Mẫn

KS. Nguyễn Danh Hiệp
KS. Nguyễn Ngọc Quý

ĐỀ TÀI:

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

Phòng NCTN CN Đo đạc - Viện KH KTTV&MT
Phòng NCTN CN Đo đạc - Viện KH KTTV&MT
Phòng KH&CN Thông tin - Viện KH KTTV&MT
Phòng KH&CN Thông tin - Viện KH KTTV&MT
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

ĐƠN VỊ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

CƠ QUAN CHỦ TRÌ ĐỀ TÀI

Nguyễn Viết Hân

Đào Hồng Châu

Trần Thục

Tên Chủ nhiệm Đề tài: TS. Nguyễn Viết Hân

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)

Hà Nội, ngày
tháng
năm 20
CƠ QUAN QUẢN LÝ ĐỀ TÀI
TL. BỘ TRƯỞNG
KT. VỤ TRƯỞNG
VỤ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
PHÓ VỤ TRƯỞNG

TS. Nguyễn Lê Tâm

Nguyễn Lê Tâm

7595
18/01/2010
HÀ NỘI, 12-2009

HÀ NỘI, 12-2009


MỤC LỤC
TT
Chương 1.
1.1.

1.1.1
1.1.2
1.2.
1.3.
1.4.
1.5.
1.6.
Chương 2.
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
2.5.
Chương 3.
3.1
3.2.
3.3.
3.4.
Chương 4.
4.1.
4.2.
4.3.
Chương 5.
5.1.
5.2.
5.3.
5.4.
5.5.

Nội dung

Trang
Lời mở đầu …………………………………………………………...
2
4
Tổng quan về các trạm khí tượng tự động và mục tiêu của đề tài
Các trạm khí tượng tự động trong nước …..…………………..............
4
Thiết bị có xuất xứ từ nước ngoài …………………………………….
5
Thiết bị có xuất xứ trong nước ……………………………………….
6
Về các trạm khí tượng tự động ở ngoài nước …………………………
7
Về công nghệ truyền tin ………………………………………………
9
Một số nhận xét ………………………………………………………
10
Cơ sở thực hiện các nhiệm vụ của đề tài ……………………………..
12
Mục tiêu và yêu cầu kết quả của đề tài ………………………………
13
Lựa chọn công nghệ xây dựng trạm khí tượng tự động …………..
16
Lựa chọn sen-xơ đo yếu tố gió ……………………………………….
16
Lựa chọn sen-xơ đo yếu tố mưa ………………………………………
23
Lựa chọn sen-xơ đo yếu tố nhiệt độ và độ ẩm không khí …………….
24
Lựa chọn sen-xơ đo yếu tố áp suất khí quyển ………………………..

26
Lựa chọn công nghệ truyền tin trên mạng điện thoại di động ………
27
Thiết kế bộ hiển thị Datalogger của trạm khí tượng tự động ……
31
Sơ đồ khối chức năng Datalogger VH-051S ………………………….
31
Lựa chọn hệ vi xử lý ………………………………………………….
33
Nguyên lý hoạt động Datalogger ……………………………………..
36
Tính năng kỹ thuật của Datalogger VH-051S ………………………..
38
Các chương trình điều khiển hệ thống trạm KTTĐ VH-051S ……
42
Chương trình điều khiển trực tiếp LocVh051s ……………………….
42
Chương trình điều khiển và thu nhận số liệu SysVh051sKv tại Trung
46
tâm Khu vực của hệ thống các trạm KTTĐ VH-051S ………………..
Ý nghĩa thông tin từ trạm VH-051S …………………………………..
51
53
Kết quả triển khai thực nghiệm hệ thống trạm KTTĐ VH-051S
Phương pháp tiến hành thử nghiệm ………………………………….
53
Kết quả kiểm định lần thứ nhất trước khi lắp đặt thử nghiệm ……….
54
Kết quả kiểm định lần thứ hai tại nơi lắp đặt …………………………
58

Kết quả kiểm định lần thứ ba sau quá trình thử nghiệm ……………...
59
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
56

9

Bảng 5.6. Sai số yếu tố độ ẩm khi sử dụng các sen-xơ VH-11TH

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
60

18

Bảng 5.15. Sai số yếu tố khí áp sau quá trình thực nghiệm

19

Bảng 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
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20

21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34

Tên hình
Hình 2.1. Máy gió Vild
Hình 2.2. Máy gió EL của Trung Quốc
Hình 2.3. Đầu đo gió Young
Hình 2.4. Cấu tạo của sen-xơ gió Young 05106MA
Hình 2.5. Tín hiệu tốc độ gió 5m/s
Hình 2.6. Tín hiệu tốc độ gió 0.3m/s
Hình 2.7. Tín hiệu tốc độ gió 0.5m/s
Hình 2.8. Sơ đồ khối giao diện
Hình 2.4. Thiết bị đo mưa xi phông SJ1 và vũ lượng ký SL1 của Trung
Quốc
Hình 2.5. Các sen-xơ đo mưa điển hình dùng cho các trạm KTTĐ
Hình 2.6. Sen-xơ đo mưa SL3-1 và các thông số kỹ thuật
Hình 2.7. Các sen-xơ nhiệt ẩm tiêu biểu
Hình 2.8. Sen-xơ nhiệt ẩm VH-11TH và các thông số đặc trưng

Hình 2.9. Các sen-xơ khí áp tiêu biểu
Hình 2.10. Sen-xơ khí áp VH-15B và các thông số kỹ thuật
Hình 2.11. Sơ đồ khối của modem GSM tiêu biểu
Hình 2.12. Các modem GSM tiêu biểu
Hình 3.1. Sơ đồ khối dạng tổng thể của Datalogger VH-051S
Hình 3.2. Sơ đồ khối của Datalogger VH-051S khi dùng modem GSM
Hình 3.3. Lưu đồ thuật toán chính của Datalogger
Hình 3.4. Bộ hiển thị Datalogger VH-051S
Hình 3.5. Bộ hiển thị Datalogger VH-051SA
Hình 3.6. Thông tin tại LCD của bộ hiển thị VH-051S
Hình 4.1. Giao diện chính của của chương trình điều khiển LocVh051s
Hình 4.2. Sơ đồ thuật toán chính của chương trình LocVh051s
Hình 4.3. Khung nhập mật khẩu LocVh051s
Hình 4.4. Khung nhập thông số LocVh051s
Hình 4.5. Khung nhập ngày bắt đầu và số ngày lấy số liệu
Hình 4.6. Mô hình tổ chức hệ thống các trạm KTTĐ
Hình 4.7. Giao diện chính của của chương trình điều khiển SysVh051s
Hình 4.8. Sơ đồ thuật toán chính của chương trình SysVh051s
Hình 4.9. Khung nhập mật khẩu SysVh051s
Hình 4.10. Khung nhập thông số SysVh051s
Hình 4.11. Khung nhập ngày bắt đầu và số ngày lấy số liệu

Trang
16
17
17
19
21
21
21

22
23
24
24
25
26
27
27
28
30
31
32
37
38
39
40
43
44
45
45
45
46
47
48
50
50
50

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 dự 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 hiện 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 giảm 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 việc 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;
2


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 phần 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 yếu 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.

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 điểm 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 truyền 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

3

4


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 trạm 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 trạm 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 tượng 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, Quảng 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;
5

*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
Bắc 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 trạm 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 hải 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 năm 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 cầu 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
6


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.

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.

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:

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
nghệ 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;

- Hệ thống đo mưa 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 thực 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 bị 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 lưới 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 của 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
7

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, mạng 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 chủ 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. Những 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 senxơ 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 đất 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
8


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 giải 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 khăn. 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 đầu 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 nước, 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 bằng 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 mưa 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
9

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 giảm 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 trực 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 kỹ 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 thời 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 năm 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
10


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 nhiều 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 hợp 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 nhiệt
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 khăn 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 thống
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.

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 động 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 nhiều 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 về 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.

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 về chủng loại, yếu về tính

năng, khó có thể đáp ứng nhu cầu tự động hóa của ngành.

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

11

12

1.4.1. Về thiết bị có xuất xứ trong nước


các nhiệm vụ của đề tài này;

- Hai trung tâm điều hành hoạt động hiệu quả và tin cậy, được lắp đặt tại Viện

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 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 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.

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 dựng trên công nghệ
tiên tiến nhờ áp dụng kỹ thuật vi xử lý thế hệ mới, sử dụng các linh kiện điện

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 thực 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;

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; hoạt 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

Tốc độ gió

0.1m/s

0.5-60m/s
(gió giật 100m/s)

Hướng gió

1độ

Dải đo

Sen-xơ

±(0.5+5%V)
(có thể đạt ±0.3m/s)

Young 05106MA

0-360độ

±3độ

Young 05106MA
SL3-1

Lượng mưa

0.1mm

không hạn chế

±0.4mm, LM<10mm
±4% khi LM>10mm

Nhiệt độ
không khí

0.1oC

-10oC – 80oC

±0.3oC
(có thể đạt ±0.2oC)

VH-11TH

Độ ẩm
không khí

1%

0-100%

±3% (có thể đạt ±2%)

VH-11TH

Điểm sương

0.1oC

-40oC – 60oC

±0.4oC

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:
ƒ Nhiệt độ: -20oC – 70oC;
ƒ 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.:

13

Sai số cho phép

14


Bảng 1.2. Thông số bổ sung của sen-xơ
Tên đầu đo
Tín hiệu ra
Thời gian đo
Nguồn nuôi
Kết cấu, cấu
tạo
Trọng lượng

Young
05106MA
Xung analog
2 giây
+5V

SL3-1

VH-11TH

VH-15B

Xung số
2 giây
+5V

Số data
30 giây
+5V

Số data
30 giây
+(7 – 35)V

Nhựa composit

Inốc

Nhựa composit

Nhựa composit

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 hơn 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.

15

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-xơ 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 yếu
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, nhưng sai số
khá cao và không đo được gió lớn, trên 40m/s. Ngoài
Hình 2.1. Máy gió Vild 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
16


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 của thiết bị này.

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.

Hình 2.2. Máy gió EL của Trung Quốc
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 hợp lý và chịu được thời tiết khắc
Hình 2.3. Đầu đo gió Young
(Hoa Kỳ)

nghiệt của nước ta.

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 về 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 vượt 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

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

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

Việt Nam.
Nhờ sự quan tâm của Nhà nước, trong mấy năm qua, số lượng máy đo gió

tới thay đổi điện trở 10kÔm tại hai đầu dây tín hiệu hướng gió.

Young đã và đang tăng lên đáng kể trên mạng lưới quan trắc KTTV. Nhưng đa

Nhờ tích hợp các công nghệ cao trong việc chế tạo, Young 05106MA có cấu

phần các thiết bị đo gió này vẫn phải quan trắc thủ công qua màn hiển thị, chỉ có

tạo gọn nhẹ chỉ 1 kg, tính ổn định cao trong một dải đo rất rộng 0-100m/s với sai

số ít đã được tự động hóa nhờ thiết bị nhập ngoại với chi phí khá cao. Không chỉ

số khá nhỏ ±0.3m/s và ±3độ.

tại nước ta mà hiện nay trên thế giới, do những đặc tính ưu việt của đầu đo gió
17

18


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
kiện 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 Mạng 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 đầy đủ và chính xác tính chất của tín hiệu.
Khảo sát tín hiệu ra đối với tốc độ gió

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.
19

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 kỳ 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 bản như sau:
20


- 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
dụng trong quá trình số hóa tốc
độ gió.

Hình 2.5. Tín hiệu tốc độ gió 5m/s

- 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.

Như vậy, sau khi khảo sát tín hiệu tốc độ gió nếu thiết kế thêm bộ ghép nối
hợp lý, sử dụng đặc tính tần số của tín hiệu do Young 05106MA cung cấp, chúng
ta có thể xác định được tốc độ gió trong khoảng từ 0.3m/s đến 100m/s. Các đặc

thù bộ ghép nối thể hiện tại phần sau của chương này. Việc đo được tốc độ gió
nhỏ hơn 1m/s và đo được tốc độ gió lớn từ 60 đến 100 m/s, mà chính hãng
Young chưa thực hiện, với sai số ±0.3m/s là bước cải thiện quan trọng cho nhu
cầu cung cấp số liệu gió, đặc biệt cho vùng biển của nước ta.
Khảo sát tín hiệu ra đối với hướng gió
Như đã trình bày ở phần cấu tạo, việc xác định hướng gió nhờ biến trở dạng
vòng có giá trị 10kilo-ôm được đặt trong bộ Young 05106MA. Việc xác định
hướng gió thực chất là xác định giá trị của biến trở này.
Yêu cầu kỹ thuật cho khối giao diện
Kết quả phân tích tại phần trên cho ta thấy, khối giao diện có vai trò rất quan
trọng trong việc bảo vệ, đảm bảo độ chính xác, mở rộng giới hạn đo [4]. Sơ đồ
khối của khối này được thể hiện tại hình 2.8.
Tín hiệu tốc độ gió
Tín hiệu hướng gió

Khối lọc
nhiễu và
khuếch đại

Khối bảo
vệ tín hiệu

Xung tốc
độ gió
Khối tách
xung

Điện áp
hướng gió

Các nguồn điện áp
Hình 2.8. Sơ đồ khối giao diện
Hoạt động của khối giao diện như sau: Tín hiệu gió được đưa vào khối bảo
vệ, sau khi được đảm bảo ở mức an toàn, cấp sang cho khối lọc nhiễu và khuếch
Hình 2.7. Tín hiệu tốc độ gió 0.5m/s

Hình 2.6. Tín hiệu tốc độ gió 0.3m/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.

21

đại, tín hiệu sau khi đã “làm sạch” chuyển tới bộ phận tách xung, qua phần ổn
định và cấp sang bộ phận đếm-xử lý.
Khối bảo vệ tín hiệu được thiết kế nhằm đảm bảo an toàn cho thiết bị, bao
gồm chống sét lan truyền, chống nhiễu sơ cấp, cắt xung điện áp cao hơn 5v khi
tốc độ quá lớn. Nhờ khối này, các bộ phận sau sẽ hoạt động với tín hiệu đầu vào
có đặc tính ổn định hơn.
Khối lọc nhiễu và khuếch đại đảm bảo sự ổn định mức tín hiệu cho đầu vào
khối sau, nếu tín hiệu yếu sẽ được lọc nhiễu và khuếch đại. Tín hiệu tại đầu ra
của khối này có dạng hình sin đồng đều có chu kỳ tỷ lệ nghịch với tốc độ gió.
22


Khối tách xung đảm bảo đầu ra của tín hiệu luôn ở dạng chuẩn, xung vuông

với biên độ 5v, chu kỳ (tần số) xung phụ thuộc vào tốc độ gió.
Với hướng gió, khối giao diện cần cấp ra một điện áp tham chiếu ổn định,
thường lấy mức chuẩn 5v, tín hiệu thu về sẽ là mức điện áp từ 0-5v ứng với giá
trị góc 0-360 độ.
Hoạt động ổn định, đồng bộ của khối giao diện có vai trò quan trọng cho

Trên hình 2.5 thể hiện các sen-xơ đo mưa dùng trong các thiết bị đo mưa tự
động và các trạm KTTĐ.

toàn bộ tổng thể thiết bị. Để có thể xác định đúng các giá trị tốc độ và hướng gió
trong mọi điều kiện thời tiết, khối giao diện cần có thiết kế với các thông số dự
phòng cao dựa trên các linh kiện chất lượng tốt của các nhà cung cấp tin cậy.
2.2. Lựa chọn sen-xơ đo yếu tố mưa
Các thiết bị đo mưa trong ngành cũng rất đa dạng, trong đó có các dạng như
thùng đo mưa thủ công kèm theo ống khắc độ để tính lượng mưa, các lạo vũ
lượng ký xi phông, vũ lượng ký SL1-Trung Quốc và các đầu đo mưa theo nguyên
lý chao lật dùng cho các thiết bị đo tự động.

Vaisala RG13

NovaLynx 2500

Young 52202

Hình 2.5. Các sen-xơ đo mưa điển hình dùng cho các trạm KTTĐ
Các thông số đặc trưng của SL3-1
• Độ phân giải 0.1 mm;

Hiện tại chỉ có các sen-xơ mưa dạng chao lật mới có thể sử dụng hiệu quả
cho mục tiêu tự động hóa, các loại đầu đo này khác nhau về kích thước miệng

hứng, độ phân giải, chất lượng và giá thành. Theo tìm hiểu của chúng tôi, các đầu

• Đường kính miệng hứng nước: 200

đo này có hàm lượng công nghệ cơ khí khá cao, yêu cầu phải đạt được sai số khá
tốt mới sử dụng được cho ngành KTTV, nên chưa có cơ sở trong nước sản xuất.

• Độ chính xác:

• Dải đo: không hạn chế;
mm;
-với LM < 10mm, sai số <0.4mm

Hình 2.4 thể hiện các thiết bị đo mưa dạng vũ lượng ký điển hình, sử dụng
nhiều trong ngành KTTV.

-với LM > 10mm, sai số <04%;
• Có kết cấu bằng Inốc, chống ăn mòn;
• Theo nguyên lý: chao lật

SL3-1 của Trung Quốc
Hình 2.6. Sen-xơ đo mưa SL3-1 và các thông số kỹ thuật

Hình 2.4. Thiết bị đo mưa xi phông SJ1 và vũ lượng ký SL1 của Trung Quốc
23

Như trình bày ở phần trên, đối tượng cho việc lựa chọn đầu đo mưa để xây
dựng trạm KTTĐ tương đối nhiều, nhưng điều phải quan tâm nhất là chất lượng,
độ bền và hiệu quả kinh tế.
Sen-xơ đo mưa SL3-1 của Trung Quốc, hình 2.6, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật

của ngành, có độ bền cao, thiết kế cơ khí bền vững, thích hợp nhiều vùng khí hậu,
đã được sử dụng nhiều trong ngành và được đánh giá rất cao, đồng thời có chi phí
nhập khẩu hợp lý. Ngoài ra, việc có thể sử dụng lại các sen-xơ đã dùng trong
ngành cho hệ thống các trạm KTTĐ sẽ thuận lợi và giảm nhiều chi phí.
24


2.3. Lựa chọn sen-xơ đo yếu tố nhiệt độ và độ ẩm không khí
Như đã trình bày ở phần tổng quan, các sen-xơ đo nhiệt độ và độ ẩm không
khí, là phần có hàm lượng công nghệ điện tử khá cao, yêu cầu độ chính xác lớn
mới có thể sử dụng trong ngành KTTV và chưa có cơ sở trong nước sản xuất.
Các loại sen-xơ này dùng cho các trạm KTTĐ trên thế giới rất đa dạng, khác
nhau về thông số kỹ thuật, chất lượng, độ bền, độ chính xác và giá thành nhập
khẩu. Một số đầu đo của một số hãng nỗi tiếng, có thể đáp ứng được nhu cầu xây
dựng trạm KTTĐ của đề tài, thể hiện tại hình dưới đây.

của ngành, thiết kế cơ khí bền vững, thích hợp nhiều vùng khí hậu, có giá thành
hợp lý, bảo hành dài hạn và do làm chủ công nghệ nên sẽ thuận lợi cho việc bảo
trì lâu dài. Việc lựa chọn sen-xơ này cho xây dựng trạm là hợp lý.
Một số đặc trưng cơ bản của VH-11TH
*Nhiệt độ không khí
-Độ phân giải: 0.1oC

-Giải đo: -10oC ÷ +80oC
-Sai số: ±0.3oC
*Độ ẩm không khí
-Độ phân giải: 1%

-Giải đo: -10oC ÷ +80oC
-Sai số: < ±3%

Hình 2.8. Sen-xơ nhiệt ẩm VH-11TH và các thông số đặc trưng

HMP-45D

NovaLynx 050-500

2.4. Lựa chọn sen-xơ đo yếu tố áp suất khí quyển
Các sen-xơ đo áp suất khí quyển, là sản phẩm có hàm lượng công nghệ điện
tử cao, yêu cầu độ chính xác lớn mới có thể sử dụng trong ngành KTTV và chưa
có cơ sở trong nước sản xuất. Các loại sen-xơ này dùng cho các trạm KTTĐ trên
thế giới rất đa dạng, khác nhau về thông số kỹ thuật, chất lượng, độ bền, độ chính
xác và giá thành nhập khẩu. Trong khuôn khổ của đề tài, chúng tôi tập trung chú
ý tới các đầu đo áp suất đa mục tiêu, vừa có khả năng sử dụng cho trạm tự động,
đồng thời có thể sử dụng độc lập như một thiết bị đo khí áp hiện số.
Một số đầu đo khí áp của một số hãng nỗi tiếng, có thể đáp ứng được nhu
cầu xây dựng trạm KTTĐ của đề tài, thể hiện tại hình dưới đây.

Jauntering MP101A
Young 41382, 41002
Hình 2.7. Các sen-xơ nhiệt ẩm tiêu biểu

PTB220

PTB110

Sen-xơ đo nhiệt-ẩm-điểm sương VH-11TH của Viện KH KTTV&MT thể
hiện tại hình dưới. Loại đầu đo này được Viện thiết kế, thử nghiệm liên tục từ
năm 2005 đến nay, trên cơ sở các linh kiện vật tư từ nhiều hãng nổi tiếng của Mỹ
có độ bền cao và cho kết quả khả quan. Sen-xơ này đều đáp ứng yêu cầu kỹ thuật

25

26


- Tốc độ truyền tin có dải rộng: từ 2400 đến 115200bps;
NovaLynx
230-278

BPO611A

Hình 2.9. Các sen-xơ khí áp tiêu biểu
Sen-xơ đo khí áp VH-15B của Viện KH KTTV&MT thể hiện tại hình 2.10.
Một số đặc trưng cơ bản của VH-15B
-Độ phân giải: 0.01hPa
-Giải đo: 600-1100 hPa
-Sai số: ±0.4 hPa, có thể đạt ±0.3 hPa
-Tín hiệu ra: số-data

VH-15B
Hình 2.10. Sen-xơ khí áp VH-15B và các thông số kỹ thuật

-

Môi trường hoạt động: trong dải nhiệt độ -10 đến 60 oC và độ ẩm tới 99%;
Nguồn điện cung cấp: 7-24V, dùng được từ acquy 12V;
Dòng tiêu thụ trung bình: nhỏ hơn 80mA;
Có tính năng: SMS, Data và GPRS;
Với các tính năng trên, nếu tốc độ có độ ổn định cao của mạng di động là

9600bps, chúng ta có thể nhận số liệu của 6 trạm/s, nghĩa là có thể nhận số liệu
của hàng trăm trạm trong vài phút. Với tính năng GPRS chúng ta có thể truyền
dữ liệu có dung lượng lớn với chi phí hợp lý trong tương lai gần.
2.5.2. Nguyên lý hoạt động của modem GSM
Thực chất Modem GSM có thể được xem như một máy tính nhỏ chuyên
dùng có gắn thêm bộ thu phát sóng điện từ, micro và loa. Bộ thu phát sóng này có
thể thực hiện thu và phát đồng thời trong chế độ song công. CPU bên trong
modem này dùng để điều khiển tất các các nhiệm vụ thông qua câu lệnh, phím
bấm và thu nhận, xử lý thông tin từ tổng đài gửi tới. Hình 2.11. thể hiện sơ đồ
khối của modem GSM.

Loại đầu đo này được Viện thiết kế, thử nghiệm liên tục từ năm 2005 đến
nay và cho kết quả khả quan. VH-15B được tích hợp từ các linh kiện có độ bền
cao do nhiều hãng nổi tiếng của Mỹ chế tạo. Sen-xơ này đáp ứng yêu cầu kỹ
thuật của ngành, thiết kế cơ khí bền vững, thích hợp nhiều vùng khí hậu, có giá
thành hợp lý, bảo hành dài hạn và do làm chủ công nghệ nên sẽ thuận lợi cho việc
bảo trì lâu dài. Việc lựa chọn sen-xơ này cho xây dựng trạm là hợp lý và thỏa
mãn nhu cầu của đề tài.

2.5. Lựa chọn công nghệ tuyền tin trên mạng điện thoại di động
Thiết bị thu nhận và xử lý thông tin trên mạng thông tin di động thường
được gọi là Modem GSM. Việc lựa chọn công nghệ và thiết bị đảm nhận tốt chức
năng của một modem truyền số liệu đóng vai trò rất quan trọng trong qúa trình
xây dựng tích hợp hệ thống trạm KTTĐ.

Hình 2.11. Sơ đồ khối của modem GSM tiêu biểu
Như thể hiện trên hình về mặt nguyên lý, thiết bị bao gồm bốn khối cơ bản:

2.5.1. Yêu cầu kỹ thuật đối với modem GSM
Để đảm bảo duy trì thông tin liên tục và ổn định cho các trạm đo đạc KTTV

trong các điều kiện môi trường khắc nghiệt, modem GSM phải đảm bảo các tính
năng kỹ thuật sau:

khối thu phát (1), khối tách sóng, mã hóa A/D, D/A (2), khối vi xử lý điều khiển
toàn bộ hoạt động của modem (3), và khối đảm bảo nguồn nuôi (4).

27

28


Khi thu tín hiệu: tín hiệu cao tần 900 MHz được thu vào ăng ten (khối 1),

- Hoa Kỳ; Siemens - LB Đức; Wavecom, Falcom – Pháp; Advanced Wireless,

sau đó đưa tới “chuyển mạch ăng ten”, tín hiệu sẽ nối với đường Gsm Rx, sau đó
được lọc cao tần “RxFilter” để loại bỏ nhiễu và những tần số không cần thiết. Tín
hiệu cao tần được khuếch đại biên độ và đưa vào “IC xử lý cao tần”, tại đây nó
được trộn với dao động nội từ bộ dao động VCO, để tạo thành tín hiệu trung tần.
Tín hiệu trung tần sau khi được tăng biên độ, đưa đến bộ tách sóng điều pha để

Maestro - Hong Kong; Novacom - Anh, các sản phẩm HAC-HN24, AyG-59C
của Trung Quốc,.. Trong các cơ sở cung cấp thiết bị modem GSM đáng chú ý
hơn cả là hai hãng lớn, lâu năm và có uy tín nhất là Motorola của Hoa Kỳ và
Wavecom của Pháp và cộng đồng châu Âu, sản phẩm đặc trưng của họ thể hiện
tại hình 2.12.

lấy ra tín hiệu “RxI, RxQ”. Hai tín hiệu được đưa sang “Converter” (khối 2) giải
mã thành tín hiệu tương tự hay số và được đưa xuống CPU để xử lý.
Khi phát tín hiệu: Sau khi đã xử lý từ CPU, tín hiệu số sẽ được theo hai

Wavecom là hãng có nhiều chuyên gia cao cấp trong lĩnh vực thông tin di
động và tham gia xây dựng tiêu chuẩn cho công nghệ này từ những năm 90. Sản
phẩm của Wavecom trong lĩnh vực này rất đa dạng về chủng loại và có khá nhiều

đường IDat, QDat để mã hoá thành 4 tín hiệu ( TxIp,TxIn, TxQp, TxQn) để đưa
sang IC xử lý cao tần “RF-IC” (khối 1), tại đây các tín hiệu sẽ điều chế theo
nguyên lý điều pha lên sóng mang cao tần (817-915 Mhz). Sau đó tín hiệu đưa tới

thiết bị đã được nhiệt đới hóa để hoạt động ổn định trong điều kiện thời tiết khắc
nghiệt nói chung và khí hậu nhiệt đới nước ta nói riêng.

bộ ghép hỗ cảm, lọc phát, tiền khuếch đại, khuếch đại công suất, phát lên ăng ten
đến trạm BTS.
Mạch xử lý (khối 3) bao gồm CPU - Center Processor Unit và các linh kiện
phụ trợ thực hiện các chức năng sau:
- Quản lý các chương trình trong bộ nhớ;
- Điều khiển màn hình LCD (nếu có);
- Điều khiển bàn phím, camera, SIM, bộ rung, chuông;
- Điều khiển hoạt động mạch thu-phát;
- Điều khiển hoạt động khối nguồn;
- Bộ nhớ EEPROM lưu giữ các chương trình quản lý thiết bị.
Khối nguồn (4) đảm bảo các nguồn điện áp khác nhau cho modem.
Về nguyên lý, modem GSM hoạt động tương tự như điện thoại di động,
nhưng điểm khác biệt lớn nhất là modem có khả năng xử lý số mạnh hơn, tương
thích với nhiều thiết bị và có thể làm việc trong môi trường khắc nghiệt.
2.5.3. Lựa chọn modem GSM cho việc truyền số liệu KTTV
Công nghệ thông tin di động GSM được khởi đầu từ thập niên 90 và sau gần
20 năm đã có nhiều thay đổi và phát triển vượt bậc. Công nghệ thông tin này
ngày càng hoàn thiện trên cơ sở các thành tựu của nhiều lĩnh vực điện tử, tin học,

viễn thám,... để có thể đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của hàng tỷ khách hàng.
Các thiết bị đầu cuối như điện thoại di động cầm tay, modem GSM di động và
các phụ kiện rất đa dạng về xuất xứ và tính năng kỹ thuật. Hiện nay trên thế giới

a) Wireless Modem G200
Motorola-Hoa Kỳ

b) Modem Fastrack M1203
Wavecom-Pháp

Hình 2.12. Các modem GSM tiêu biểu

-

Các tính năng kỹ thuật cơ bản của Modem Fastrack M120
Tốc độ truyền tin có dải rộng: từ 2400 đến 115200bps;
Môi trường hoạt động: trong dải nhiệt độ -20 đến +55 oC và độ ẩm tới 95%;
Nguồn điện cung cấp: 5-32V, dùng được từ accu 12V;
Dòng tiêu thụ cực đại: 140mA@12V, tại tần số 900MHz;
Có tính năng: SMS, Data, GPRS và hội thoại;
Giao tiếp quacổng RS232C;

Như đã phân tích ở trên, với tính năng kỹ thuật thỏa mãn yêu cầu dự kiến
Modem Fastrack M1203 của Wavecom được lựa chọn làm hạt nhân đảm bảo
truyền số liệu trên mạng điện thoại di động, phục vụ cho đề tài.

có nhiều hãng cung cấp các thiết bị modem di động, có thể liệt kê như: Motorola
29

30

CHƯƠNG III
THIẾT KẾ BỘ HIỂN THỊ XỬ LÝ SỐ LIỆU
DATALOGGER CỦA TRẠM KHÍ TƯỢNG TỰ ĐỘNG
Datalogger là bộ xử lý trung tâm, nó đóng vai trò như khối CPU của máy
tính cá nhân, ngoài ra nó phải đảm bảo chức năng giao tiếp với các đầu đo, máy
tính và modem truyền số liệu. Làm chủ công nghệ Datalogger là khâu quyết định
để xây dựng, tích hợp, nâng cấp và cải tiến các thiết bị đo đạc tự động.

3.1 Sơ đồ khối chức năng Datalogger VH-051S
Bộ hiển thị, xử lý và lưu trữ số liệu Datalogger đảm bảo chức năng nhận
thông tin từ các cảm biến sen-xơ, xử lý, tính toán và hiển thị, lưu trữ các số liệu
cần thiết. Ngoài ra Datalogger còn phải đảm bảo khả năng giao tiếp với máy tính
cá nhân, đồng thời sẵn sàng đáp ứng từ xa số liệu cho người sử dụng thông qua
các loại modem khác nhau [4].
Do đặc thù chuyên ngành KTTV, các thiết bị đo đạc thường gọn nhẹ, tiêu
thụ ít năng lượng, hoạt động tại các vùng khí hậu khắc nghiệt, nên việc thiết kế
Datalogger dựa trên các linh kiện đơn giản, dân dụng là không khả thi. Để đáp
ứng được tính năng trên Datalogger cần phải dựa trên bộ vi xử lý khá mạnh
[10,11]. Các khối chức năng chủ yếu cuả trạm KTTĐ được thể hiện tại hình 3.1.

Gió
Young 05106MA

Mưa
SL3-1

Nhiệt-Ẩm
VH-11TH

Mưa
SL3-1

Phím điều khiển

BỘ HIỂN THỊ DATALOGGER
Màn tinh thể lỏng
LCD 4x40

Hệ vi xử lý
(công năng cao)

Đường line

MODEM
(các loại)

Cổng giao tiếp
RS232

Pin mặt trời,
Acquy 12V,
AC-220

Khối giao diện

Bộ nhớ
(SL, thông số)

PC

Nhiệt-Ẩm
VH-11TH

Áp suất
VH-15B

Phím điều khiển

Khối nguồn
Các sen-xơ
khác

Mạng DĐ

Bus mở rộng
Cổng giao tiếp
RS232

Pin mặt trời,
Acquy 12V,
AC-220

Khối ghép nối

Hình 3.2. Sơ đồ khối của Datalogger VH-051S khi dùng modem GSM

Hình 3.1. Sơ đồ khối dạng tổng thể của Datalogger VH-051S
31

Đồng hồ thời gian
(chính xác cao)

MODEM GSM

Bus mở rộng

Khối nguồn
Các sen-xơ
khác

Đồng hồ thời gian
(chính xác cao)
Bộ nhớ
(SL, thông số)

Hệ vi xử lý
(công năng cao)

Áp suất
VH-15B

Gió
Young 05106MA

BỘ HIỂN THỊ - DATALOGGER
VH-051S
Màn tinh thể lỏng
LCD 4x40

Tín hiệu của các sen-xơ gió, mưa, nhiệt, ẩm, áp sau khi xử lý tại Khối giao
diện, được đưa vào Hệ vi xử lý công năng cao, tại đây tín hiệu được số hóa và sẽ
hiển thị trên màn tinh thể lỏng 160 ký tự 4 x 40, đồng thời khi tới chu kỳ lưu cất,
số liệu sẽ được lưu trữ tại bộ nhớ chống mất điện Eeprom. Đồng hồ thời gian
Real Time Clock RTC đảm bảo việc đồng bộ cho mọi hoạt động của Datalogger
theo giờ chuẩn và nếu thiết bị không hoạt động, đồng hồ dùng pin riêng để đảm
bảo cung cấp thời gian chính xác khi thiết bị hoạt động trở lại.
Giao tiếp theo chuẩn RS232C với máy tính cá nhân dùng cho việc cài đặt
thông số cho thiết bị, đồng thời dùng để thu nhận dữ liệu lưu trữ tại thiết bị, có
thể đến hàng trăm ngày. Cổng ra Modem dùng để giao tiếp và cung cấp số liệu
với trung tâm từ xa.
Nguồn nuôi Datalogger có thể được sử dụng từ các dạng khác nhau, như
điện lưới, pin mặt trời hay acquy 12v. Bình thường nguồn điện lưới hoặc pin mặt
trời sẽ nạp đầy vào acquy và khi cả hai nguồn này bị mất, thiết bị vẫn hoạt động
nhiều ngày nhờ năng lượng dự trữ từ acquy.
Hình 3.2. thể hiện sơ đồ khối thiết kế của bộ hiển thị VH-051S sử dụng
mạng thông tin di động làm môi trường truyền số liệu, mà đề tài dự kiến triển
khai thực nghiệm.

32

PC


Sự khác biệt đáng kể trong trường hợp dùng đường truyền di động, đặc biệt
với thông tin dạng SMS, là lệnh điều khiển có thể chuyển từ trung tâm về tram đo
vào bất kỳ lúc nào, nên cần phải thiết lập thêm bộ nhớ đệm RAM đủ lớn và tốc
độ xử lý nhanh nhằm tránh thất lạc thông tin.

3.2. Lựa chọn hệ vi xử lý
Như đã trình bày tại phần trên, hệ vi xử lý đóng vai trò rất quan trọng, có thể
xem nó là bộ não điều khiển toàn bộ hoạt động của Datalogger. Hiện nay, các vi
xử lý có rất nhiều loại, xuất xứ từ nhiều nước, nhiều hãng sản xuất, tính năng rất
khác nhau. Việc lựa chọn vi xử lý để đảm bảo điều khiển hiệu quả thiết bị là rất
quan trọng và quyết định nhiều khả năng mở rộng sau này.
3.2.1. Khái niệm cơ bản
Vi xử lý được xem như một máy tính được tích hợp trên một chip, khối linh
kiện đóng kín, nó thường được sử dụng để điều khiển các thiết bị điện tử [5, 6].
Vi xử lý, thực chất, là một hệ thống bao gồm một vi mạch lớn có hiệu suất đủ
mạnh và giá thành hợp lý, khác với các bộ vi xử lý đa năng dùng trong máy tính,
kết hợp với các khối ngoại vi như bộ nhớ, các mô đun vào - ra, các mô đun biến
đổi số sang tương tự và tương tự sang số,... Ở máy tính thì các mô đun thường
được xây dựng bởi các chip và mạch ngoài. Vi xử lý thường được dùng để xây
dựng các hệ thống nhúng và các loại vi xử lý bậc thấp đã xuất hiện khá nhiều
trong các dụng cụ điện tử, thiết bị điện, máy giặt, lò vi sóng, điện thoại, thiết bị
đa phương tiện, dây chuyền tự động,…
Hầu hết các vi xử lý ngày nay được xây dựng dựa trên kiến trúc Von
Neumann, kiến trúc này định nghĩa bốn thành phần cần thiết của một hệ thống
nhúng. Những thành phần này là lõi CPU, bộ nhớ chương trình, thông thường là
ROM hoặc bộ nhớ Flash, bộ nhớ dữ liệu RAM, một hoặc vài bộ định thời và các
cổng vào - ra để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi và các môi trường bên ngoài,
tất cả các khối này được thiết kế trong một vi mạch tích hợp. Khác với các bộ vi
xử lý đa năng thường dùng cho máy tính, vi xử lý có thể hoạt động chỉ với rất ít
vi mạch hỗ trợ bên ngoài và tiêu hao ít năng lượng.

405GP/CR, PPC 405GPr, PPC NPe405H/L, 440 PowerPC,..
* Họ vi xử lý Atmel
Dòng Atmel AT91 (Kiến trúc ARM THUMB), Dòng AT90, Tiny & Mega –
AVR (Atmel Norway design), Dòng Atmel AT89 (Kiến trúc Intel 8051/MCS51),

Dòng MARC4
* Họ vi xử lý Cypress MicroSystems CY8C2xxxx
* Họ vi xử lý Freescale Semiconductor. Từ năm 2004, những vi xử lý này được
phát triển và tung ra thị trường bởi Motorola.
Dòng 8bit: 68HC05 (CPU05), 68HC08 (CPU08), 68HC11 (CPU11),
Dòng 16bit: 68HC12 (CPU12), 68HC16 (CPU16), Freescale DSP56800
(DSPcontroller)
Dòng 32bit: Freescale 683XX (CPU32), MPC500, MPC 860 (PowerQUICC),
MPC 8240/8250 (PowerQUICC II), MPC 8540/8555/8560 (PowerQUICC III)
* Họ vi xử lý Fujitsu: FMC Family (8/16 bit), FR Family (32 bit), FR-V Family
(32 bit RISC)
* Họ vi xử lý Intel
Dòng 8-bit: 8XC42, MCS48, MCS51, 8061, 8xC251
Dòng 16-bit: 80186/88, MCS96, MXS296
Dòng 32-bit: 386EX, i960
* Họ vi xử lý Microchip, 12-bit instruction PIC, 14-bit instruction PIC và
PIC16F84, 16-bit instruction PIC
* Họ vi xử lý National Semiconductor: COP8, CR16
* Họ vi xử lý ST-MicroElectronics: ST 62, ST 7
* Họ vi xử lý Philips Semiconductors: LPC2000, LPC900, LPC700

3.2.2. Các vi xử lý thông dụng
Các họ vi xử lý rất đa dạng, có nhiều tính năng khác nhau, có các thế mạnh
khác nhau trong các lĩnh vực cụ thể, có các thông số kỹ thuật và môi trường làm
việc cũng rất khác nhau. Dưới đây là một số họ vi xử lý thông dụng nhất [15].
* Họ vi xử lý AMCC do tập đoàn Applied Micro Circuits Corporation sản xuất.
Từ tháng 5 năm 2004, họ vi xử lý này được phát triển và tung ra thị trường bởi
IBM: 403 PowerPC CPU, PPC 403GCX, 405 PowerPC CPU, PPC 405EP, PPC

Trên thị trường nước ta, thông dụng nhất là hai dòng vi xử lý Atmel

AT89Cxx và vi xử lý Microchip mà đại diện là PIC16F84. Hai dòng sản phẩm
này có ưu điểm là sử dụng không quá phức tạp, giá thành tương đối thấp, nhưng
có một số nhược điểm là tốc độ xử lý không cao, bộ nhớ không lớn, nên rất khó
ứng dụng cho những bài toán phức tạp. Trong vài năm gần đây, các dòng sản
phẩm vi xử lý của hãng Cypress MicroSystems của Hoa Kỳ CY2xxxx đã bắt đầu
được các nhà kỹ thuật nước ta chú ý tới. Sản phẩm vi xử lý của Cypress có một
số ưu điểm nổi trội: tốc độ xử lý cao, có loại chịu được môi trường khắc nghiệt,
rất đa dạng về chủng loại cho các ứng dụng khác nhau,… Nhưng bên cạnh đó có
vài nhược điểm cần khắc phục: sử dụng, thiết kế phức tạp, giá thành còn khá cao.
Vì các ưu điểm công nghệ của dòng sản phẩm này, nhóm thực hiện đề tài đã lựa
chọn dòng sản phẩm vi xử lý của Cypress Hoa Kỳ làm hạt nhân cho việc thiết kế
bộ hiển thị datalogger VH-051S của trạm KTTĐ.

33

34


3.2.3. Các tính năng cơ bản của họ vi xử lý Cypress
Trong phần này thể hiện các tính năng nổi bật của vi xử lý Cyp466, dự kiến
sử dụng cho thiết kế Datalogger. Nhờ có khả năng xử lý mạnh của dòng sản
phẩm này mà Datalogger VH-051S có thể xử lý được nhiều thông tin từ số lượng
lớn các đầu đo, đặc biệt với cả tốc độ gió lớn hơn 100m/s; có kết cấu gọn nhẹ,
tiêu hao ít năng lượng, hoạt động linh hoạt [15].
CPU
- Tốc độ CPU tối đa 24MHZ (có thể thay đổi được)
- Thanh chứa 32 bít
- Công suất thấp
- Có thể hoạt động trong 2 dải điện áp là 5V hoặc 3.3V
- Với chế độ SMP (Switch Mode Pump), cho phép hoạt động với điện áp 1V

Thiết bị ngoại vi
- Có 12 khối tương tự (Analog Block) cho phép tạo ra:
+ ADC từ 6-14bít
+ 9 bít DAC
+ Bộ khuếch đại có hệ số khuếch đại lập trình được
+ Bộ lọc và bộ so sánh lập trình được
-Có 16 khối số (Digital Block) cung cấp:
+ Timer, Counter, PWM 8, 16, 24, 32 bit
+ CRC và PRS Module
+ Tối đa 8 cổng UART với chế độ Full –Duplex
+ Truyền thông theo SPI, Master và Slave
+ Nối tới tất cả các chân vào ra GPIO
+ Việc kết hợp các khối số tạo ra các ngoại vi phức tạp
Nguồn Clock chính xác và có khả năng lập trình được
- Nguồn clock trong 24/48MHZ, cho phép không dùng thạch anh ngoài
- Nguồn clock 24/48MHZ từ bộ dao động ngoài 32.768K
- Lựa chọn bộ dao động ngoài, tối đa 24MHZ
- Bộ dao động trong phục vụ cho Sleep và WatchDog
Bộ nhớ mềm dẻo tích hợp sẵn trong chíp
- 32K Flash (bộ nhớ chương trình)
- 2K SRAM (bộ nhớ dữ liệu)
- Cho phép lập trình theo kiểu ISSP, In-System Serial Programming
35

- Chế độ bảo vệ bộ nhớ linh hoạt
- Tạo được EEPROM trong bộ nhớ Flash
Các chân Pins có thể cấu hình được
- Out dòng tới 25mA (Source)
- Có các chế độ: Pull up, Pull Down, High Z, Strong, Open Drain
- Tối đa 12 đầu vào tương tự (Analog Input) với chip 28 chân và nhiều hơn

với các chíp cao hơn
- Output Analog cho phép dòng tới 40mA
- Ngắt cấu hình được với GPIO
Tính năng khác
- Hỗ trợ I2C với cấu hình kiểu Master, Slave, Multi Master, tốc độ
400KHz
- Watchdog and Sleep
- Cảnh báo nguồn cung cấp thấp
- Tích hợp mạch giám sát bên trong
- Nguồn điện áp chuẩn bên trong có độ chính xác cao, dùng làm nguồn
tham chiếu cho ADC...

3.3 Nguyên lý hoạt động Datalogger
Như đã mô tả ở phần 3.1, bộ não của thiết bị là khối vi xử lý Cyp466 đảm
bảo mọi chức năng điều khiển, tính toán, số hóa tín hiệu, xử lý, lưu trữ số liệu,
giao tiếp với máy tính, modem,.. Lưu đồ thuật toán hoạt động của khối các vi xử
lý được thể hiện tại hình 3.3.
Toàn bộ thiết bị sau khi được lắp đặt sẽ hoạt động khi được cấp nguồn điện
và sẽ ngừng làm việc khi mất nguồn cấp, chỉ có khối đồng hồ thời gian vẫn luôn
làm việc để đồng bộ thời gian.
Sau khi được cấp nguồn Datalogger đọc các tham số cần thiết từ bộ nhớ
chống mất điện Eeprom, đọc thời gian từ RTC. Sau khi kiểm tra tính hợp lệ của
các tham số, kiểm tra khả năng làm việc của bộ nhớ, vi xử lý sẽ tiếp tục các bước
sau hoặc dừng hoạt động nếu bộ nhớ không tốt. Khi mọi bộ phận của Datalogger
bình thường, sẽ khởi động các module đo đạc tính toán các yếu tố cần đo. Chu kỳ
tính toán lấy mẫu các giá trị gió là 2 giây. Giá trị chu kỳ này là hợp lý, nó gần
như phản ánh giá trị tức thì của gió. Chu kỳ lấy mẫu của các yếu tố nhiệt, ẩm, áp,
điểm sương là 30 giây là hợp lý, vì môi trường không khí thay đổi không quá
nhanh. Sau khi số hóa và tính toán các loại số liệu khác nhau, vào thời điểm mỗi
giây số liệu cần thiết được “làm tươi” trên màn tinh thể lỏng.

36


Đến thời điểm chu kỳ Obs quan trắc vi xử lý tính toán xác định các địa chỉ
và lưu cất các loại số liệu cần thiết. Ngoài ra vào thời điểm 00h00 Datalogger sẽ
xác nhận một ngày mới, sau đó khởi tạo các thông số cần thiết cho ngày hôm đó.
Việc trao đổi thông
tin qua Modem và cổng
Bắt đầu
RS232C với máy tính sẽ
thực hiện qua các chương
Đọc thông tin lưu trữ và
khởi tạo các tham số
trình đặc biệt – chương
trình xử lý ngắt interrupt.
Thông báo
Các chương trình này sẽ
S
Bộ nhớ ok?
lỗi thiết bị
thực hiện nhờ ưu tiên ngắt
Đ
của vi xử lý, khi có yêu
Khởi động module nhận số
cầu giao tiếp qua hai cổng
Kết thúc
liệu đo từ các sen-xơ, đọc
này, Datalogger sẽ tạm
thông tin thời gian RTC
dừng các công việc “chưa

cần thiết khác”, xử lý các
yêu cầu từ bên ngoài và
Tính giá trị của các
yếu tố gió, mưa,
sau đó thực hiện các công
Đ
Đọc số liệu?
nhiệt, ẩm, điểm
việc thường lệ đã được
sương, áp suất;
xác định.
S
(Tham khảo thêm Phụ lục
1 về thiết kế Datalogger
Hiển thị các số
và Phụ lục 2 về các lệnh
Đ liệu trên màn tinh
Qua 1s ?
điều
khiển)
thể lỏng LCD
S

Đến Obs?
S

Đ

3.4. Tính năng kỹ thuật của Datalogger VH-051S
3.4.1. 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 Datalogger VH-051S 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 [7, 8, 9].
Thiết bị này được thiết kế theo hai chủng loại theo đặc thù của người sử
dụng của nhiều vùng khí hậu nước ta.
Dạng VH-051S, hình 3.4, được để trong phòng làm việc, có màn hình LCD
đủ lớn để hiển thị nhiều loại số liệu cùng một lúc, quan trắc viên có thể giám sát
hoạt động của trạm KTTĐ 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.
Dạng VH-051SA , hình 3.5, được lắp đặt tại nơi đo đạc, toàn bộ thiết bị của
trạm đo được triển khai ngoài trời, thiết bị phải hoạt động trong môi trường ít
thuận lợi, tuổi thọ có thể giảm đi ít nhiều và người khai thác thiết bị sẽ khó khăn
hơn khi cần giám sát trạm đo.

Xác định vị trí ô
nhớ, lưu trữ các
loại số liệu, tính
các giá trị cực trị

Kết thúc

Hình 3.3. Lưu đồ thuật toán chính của Datalogger

Hình 3.4. Bộ hiển thị Datalogger VH-051S
37

38


- Độ dài cáp nối tối đa từ sensor tới Datalogger: 150m
- Có thể dùng nhiều loại nguồn điện: AC220v, Pin mặt trời, Máy phát dạng
phong điện hay thủy điện nhỏ, Acquy DC12v.
- Kích thước 205 x 230 x 82 mm, trọng lượng 2.5kg;
- Có thể cung cấp số liệu thời gian thực qua nhiều mạng thông tin khác nhau,
như mạng: điện thoại di động, điện thoại hữu tuyến, vô tuyến độc lập, vô
tuyến vệ tinh.
Bảng 3.1. Các chỉ tiêu kỹ thuật chính của bộ hiển thị VH-051S
Yếu tố

Hình 3.5. Bộ hiển thị Datalogger VH-051SA
Sau quá trình thiết kế, hoàn thiện, thử nghiệm và kiểm tra sai số các yếu tố
của trạm KTTĐ VH-051S tại phòng thí nghiệm, có thể khẳng định, trạm KTTĐ
VH-051S đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật đã được phê duyệt của đề tài và cụ thể
qua hai nhóm tính năng sau.
3.4.2. Các tính năng cơ bản của VH-051S
Hiển thị số liệu gió, mưa, nhiệt,ẩm, áp, điểm sương tại điểm lắp đặt;
Lưu trữ số liệu hơn 12 tháng với Obs quan trắc 1 giờ;
Có thể mở rộng thêm đến 30 yếu tố đo;
Cung cấp số liệu thời gian thực từ xa cho 3 trung tâm độc lập. Khi sử dụng
modem GSM Trung tâm từ xa có thể nhận đủ số liệu trong vòng vài phút từ hệ
thống hàng trăm trạm KTTĐ;
- Kiểm soát lỗi và cảnh báo gió to - mưa lớn qua tin nhắn cho người quản lý;
- Nhận và xử lý các lệnh đặc biệt qua điện thoại di động cầm tay;

- Bảo mật thông tin trong quá trình truyền tin.

-

3.4.3. Các tính năng kỹ thuật chính của trạm VH-051S
Các chỉ tiêu kỹ thuật quan trong nhất của trạm VH-051S thể hiện tại bảng 3.1.
Ngoài ra, còn một số đặc tính sau:
- Hiển thị cùng một lúc nhiều loại số liệu trên màn tinh thể lỏng 160 ký tự với
Obs quan trắc tuỳ chọn, như: số liệu tức thì, số liệu kỳ trước, giá trị cực trị,..
- Cho phép tải số liệu và điều khiển trực tiếp từ máy tính hay qua mạng;
39

Độ phân
giải

Dải đo

Sai số cho phép

0.5-60m/s
nhỏ hơn ±0.4m/s
(gió giật 100m/s)
0-360độ
nhỏ hơn ±3độ
không hạn chế ±0.4mm, LM<10mm
±4% khi LM>10mm
-10oC – 80oC
nhỏ hơn ±0.3oC

Sen-xơ

Tốc độ gió

0.1m/s

Young 05106MA

Hướng gió
Lượng mưa

1độ
0.1mm

Nhiệt độ
không khí

0.1oC

Độ ẩm
không khí

1%

0-100%

nhỏ hơn ±3%

VH-11TH

Điểm sương

Áp suất
không khí

0.1oC
0.1hPa

-40oC – 60oC
600-1100 hPa

nhỏ hơn ±0.4oC
nhỏ hơn ±0.4 hPa

VH-11TH
VH-15B

Young 05106MA
SL3-1
VH-11TH

3.4.4. Số liệu hiển thị cho việc quan trắc tại chỗ
Số liệu đo các yếu tố khí tượng và các thông tin phụ trợ khác cho quan trắc
viên của trạm KTTĐ VH-051S thể hiện trên màn hình LCD tại hình 3.6.

Hình 3.6. Thông tin tại LCD của bộ hiển thị VH-051S
40


Số liệu được bố trí theo các nhóm thông tin của yếu tố đo và thể hiện trên
một cột, phù hợp với Quy phạm khí tượng bề mặt [1, 2], tạo điều kiện thuận lợi
cho quá trình quan trắc. Thông tin hiển thị trên hình 3.6 được giải nghĩa như sau:

Cột

1

2

3

4

5

6

7

===|----------------------------------------|
1 |TT.c HH.c RRR.c pppp.c dds ff.s YY-MM-DD|
2 |TT.p HH.p RRR.p pppp.p dev ff.c hh:mm:ss|
3 |TT.x DD.c R12.c pppp.x dev ff.p mOb vv.v|
4 |TT.n DD.p R12.p pppp.n dev ff.x KvO 0 1|
===|----------------------------------------|

Cột 1

Nhiệt độ: hiện tại, kỳ quan trắc trước,cực đại trong ngày, nhỏ nhất
trong ngày

Cột 2

Độ ẩm: hiện tại, kỳ quan trắc trước

Cột 2

Điểm sương: hiện tại, kỳ quan trắc trước

Cột 3

Lượng mưa: hiện tại, kỳ quan trắc trước, 24h hiện tại, 24h trước

Cột 4

Áp suất: hiện tại, kỳ trước, max, min kỳ trước

Cột 5,6

Hướng và tốc độ gió: tức thì 2 giây, tức thì TB 2phút, kỳ trước và
Max trong ngày

Cột 7

Năm-Tháng-Ngày, Giờ:phút:giây; kỳ QT phút, điện áp acquy

3.4.5. Tiêu chuẩn dự kiến đạt được
So sánh sai số của trạm KTTĐ VH-051S với các tiêu chuẩn của ngành
KTTV 94 TCN 6-2001 và tiêu chuẩn của Ủy ban khí tượng thế giới WMO, trạm
KTTĐ VH-051S có thể đạt được:
- Tiêu chuẩn ngành KTTV Việt Nam;
- Tiêu chuẩn WMO.

CHƯƠNG IV
CÁC CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
HỆ THỐNG TRẠM KTTĐ VH-051S
Chương này trình bày về các chương trình phục vụ cho việc điều hành hệ
thống các trạm KTTĐ VH-051S, bao gồm 04 bộ chương trình: chương trình điều
khiển và thu nhận số liệu khi sử dụng máy tính làm việc trực tiếp với trạm VH051S và 3 chương trình điều khiển hệ thống các trạm KTTĐ VH-051S từ xa qua
mạng điện thoại di động tại các Trung tâm ở Đài KTTV Khu vực, ở Trung ương
và Trung tâm di động phục vụ công việc khẩn cấp. Sự khác biệt khác nhau giữa
các chương trình tại các trung tâm điều hành không nhiều nên đề tài chỉ trình bày
vê 2 bộ chương trình điều khiển trực tiếp LocVh051s và điều khiển từ xa cho
trung tâm Khu vực SysVh051sKv.

4.1. Chương trình điều khiển trực tiếp LocVh051s
Chương trình được thiết kế dùng cho việc điều khiển và thu nhận số liệu khi
sử dụng máy tính làm việc trực tiếp với trạm VH-051S.
4.1.1. Giới thiệu chương trình
Chương trình điều khiển và thu nhận số liệu của Datalogger VH-051S được
thiết kế để có thể hoạt động và tương thích trên nền các hệ điều hành Windows
98, 2000, NT và XP, với yêu cầu phần cứng tối thiểu. Hoạt động của chương
trình theo nguyên lý thực hiện các sự kiện, nghĩa là khi có một sự kiện, ví dụ:
nhận dữ liệu, ấn nút lệnh, thực hiện lệnh từ menu,.. chương trình sẽ nhận lấy và
thực hiện theo một trật tự ưu tiên định sẵn. Sau khi khởi động chương trình, giao
diện điều khiển chính sẽ hiện lên, thể hiện trên hình 4.1.
Các chức năng điều khiển của chương trình được bố trí trong hai phần: phần
các menu, phía trên, bên trái hình 4.1. và phần các nút lệnh thường dùng, góc
dưới bên phải. Các thông tin mà chương trình đưa ra sẽ thể hiện tại phần bên
phải, phần A, màu vàng nhạt, còn số liệu lưu trữ chuyển về sẽ hiển thị tại phần
bên trái, phần B, màu trắng. Ví dụ: Sau khi chọn xong cổng Com RS232, ta vào
menu Get Params, và chọn Get CurrData hoặc bấm nút lệnh: “Get CurrData”
– xem số liệu hiện tại, ngay sau đó các giá trị của các yếu tố đo sẽ hiện thị tại

phần bên phải của màn hình. Với các lệnh khác cũng được sử dụng tương tự như
ví dụ trên.

41

42


- Get Memory lấy số liệu đang lưu tại Datalogger.
Bắt đầu
Đọc thông tin lưu trữ và
khởi tạo các tham số

Menu File?

Thực hiện các lệnh:
Open File, Save File,
Clear Data, Print File,
Print Data, Exit Prog.

Đ

S

Menu Com?

Hình 4.1. Giao diện chính của của chương trình điều khiển LocVh051s

Đ

Thực hiện các lệnh Com:
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, Com8

S

4.1.2. Lưu đồ thuật toán chương trình
Chương trình điều khiển được chia làm nhiều mô-đun thể hiện bằng các
nhóm lệnh tại menu và thực hiện theo nguyên lý sự kiện. Chương trình chính
được chia làm 5 nhóm lệnh, thể hiện tại lưu đồ thuật toán trên hình 4.2.
Nhóm lệnh File dùng để quản lý các tệp dữ liệu, in ấn và thoát chương trình.
- Open File dùng để mở các tệp số liệu đã lưu trên máy tính;
- Save File dùng để lưu tệp số liệu đã lấy từ Datalogger vào máy tính;
- Clear Data dùng để xóa các số liệu trên màn hình máy tính;
- Print File dùng để in nội dung các tệp số liệu lưu trữ;
- Print Data dùng để in số liệu đang hiển thị trên màn hình
- Exit Prog dùng để thoát chương trình.
Nhóm lệnh chọn cổng Com RS232C
Các lệnh này dùng để chọn một trong các cổng RS232C mà máy tính đang
ghép nối với Datalogger. Có thể chọn cổng Com từ 1 cho đến 8.
Nhóm lệnh GetParam dùng để xem các thông tin từ Datalogger
- Get Time cho biết thời gian và ngày tháng mà thiết bị đang hoạt động;
- Get Parameters cho biết các thông số hiện tại của thiết bị;
- Get CurrData cho biết các số liệu về các yếu tố đo hiện tại;
43

Menu Get?

Thực hiện các lệnh Get:
Time, Parameters,
CurrData, Memory

Đ

S

Menu Set?

Thực hiện các lệnh Set:
Time, Date, ManuObs,
NameSt, CodeSt,…

Đ

S

Menu Help?

Đ

Thực hiện các lệnh Help:
About Pog,..

S

Kết thúc

Hình 4.2. Sơ đồ thuật toán chính của chương trình LocVh051s
44

Nhóm lệnh SetParam dùng để cài đặt các thông số cho thiết bị
- Set Time dùng để thay đổi thời gian giờ-phút-giây cho thiết bị;
- Set Date dùng để thay đổi năm-tháng-ngày cho thiết bị;
- Set Manual Obs dùng để thay đổi chu kỳ quan trắc tại chỗ;
- Set Name Station dùng để thay đổi tên tram đo;
- Set Code Station dùng để thay đổi mã số tram.
Nhóm lệnh lệnh trợ giúp Help: About Pog cho biết cách thực hiện các hỗ trợ
trong quá trình sử dụng chương trình.
4.1.3. Một số lưu ý khi sử dụng chương trình
Trong quá trình thực hiện lệnh, cần quan sát hướng dẫn với các tình huống
cụ thể của chương trình.
Ví dụ 1: Khi thực hiện lệnh cài đặt thông
số Set Time, chương trình sẽ yêu cầu cung
cấp mật khẩu ở Hình 4.3., vì nhóm lệnh
Hình 4.3. Khung nhập mật khẩu

Việc cài đặt LocVh051s hoàn toàn theo chuẩn tương tự các phần mềm trên
nền hệ điều hành Windows 98, 2000, NT, XP bằng cách khởi động tệp setup.exe
trong “Bộ chương trình cài đặt” và làm theo các hướng dẫn của chương trình trên
màn hình.

4.2. Chương trình điều khiển và thu nhận số liệu tại
Trung tâm Khu vực của hệ thống các trạm KTTĐ VH-051S
Chương trình này thiết kế trung tâm điều hành từ xa qua mạng điện thoại di
động đặt tại Đài Khu vực, dùng để điều khiển, thu nhận số liệu từ các trạm đo,
đồng thời để kiểm tra, bảo trì và cài đặt các thông số cho Datalogger VH-051S.
4.1.1. Mô hình tổ chức hệ thống
Sự kết nối thông tin giữa các trạm với các trung tâm điều khiển được thể
hiện tại hình 4.6.
Mạng điện

thoại di động

này rất quan trọng.
Ví dụ 2: Khi thực hiện lệnh cài đặt thông

Trạm
KTTĐ 1

số chu kỳ quan trắc, chương trình sẽ yêu
cầu cung cấp mật khẩu và thông số chu kỳ
bằng phút, hình 4.4.

Trạm
KTTĐ 3

Trạm
KTTĐ 2

Hình 4.4. Khung nhập thông số

Ví dụ 3: Khi thực hiện lệnh lấy số liệu từ
Datalogger, chương trình sẽ yêu cầu cung
cấp hai thông số: ngày bắt đầu và số ngày
cần tải số liệu về máy tính, Hình 4.5.
Hình 4.5. Khung nhập ngày bắt
đầu và số ngày lấy số liệu

4.1.4. Yêu cầu phần cứng và hướng dẫn cài đặt chương trình
Cấu hình máy tính cho cài đặt chương trình điều khiển có mức trung bình
trở lên: tốc độ 1GHz, Ram 128MB, HDD 8GB,...

Để sử dụng được chương trình, cần có cáp nối chuẩn RS232C, đối với
máy tính không có cổng dạng này cần thêm bộ chuyển đổi USB-RS232 kèm theo
phần mềm.
45

Mobile
Modem GSM

Modem GSM
TT Khu vực

TT Tw tại Viện KTTV

Hình 4.6. Mô hình tổ chức hệ thống các trạm KTTĐ
Hai trung tâm điều hành hoạt động độc lập, cùng một lúc có thể thu nhận
thông tin và số liệu từ các trạm. Điểm khác biệt ở đây là các trung tâm được phân
cấp điều khiển, bình thường Trung tâm tại Đài khu vực chịu trách nhiệm điều
hành các trạm, đảm bảo duy trì đúng các số cần thiết, kiểm soát các điều kiện để
các trạm thuộc khu vực quản lý của mình hoạt động ổn định. Trung tâm tại Trung
ương có thể truy cập vào bất cứ trạm nào trong toàn quốc để khai thác các thông
tin cần thiết. Việc phân cấp này rất quan trọng, gắn trách nhiệm cho Đài khu vực,
nơi có thể giám sát tốt nhất sự hoạt động của các trạm KTTĐ.
46