Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo và giám sát các thông số môi trường ứng dụng trong lĩnh vực khí tượng

Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo và giám sát các thơng số mơi trường trong lĩnh vực khí tượng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập -Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ
THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP
Họ và tên: NGUYỄN TẬP TỒN
Khố: 2012B

Ngành: Điều khiển và Tự động hóa

Tên đề tài:
Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo và giám sát các thông số môi trường ứng dụng
trong lĩnh vực khí tượng.
1. Các số liệu ban đầu:
2. Nội dung các phần thuyết minh và tính tốn:
-

Tìm hiểu tổng thể cấu trúc và hoạt động của hệ thống trạm khí tượng trên ở trên
thế giới và Việt nam.

-

Tìm hiểu các thơng số và chức năng hoạt động, khoảng đo và sai số yêu cầu của
ngành khí tượng của các đầu đo sử dụng trên thế giới.

-

Tìm hiểu các chức năng hoạt động và nguyên lý điều khiển của đầu đo WXT510

-

Thiết kế và xây dựng hệ thống đo và giám sát các thơng số mơi trường ứng dụng
trong lĩnh vực khí tượng

3. Các bản vẽ đồ thị (ghi rõ các loại bản vẽ về kích thước các bản vẽ)
4. Cán bộ hướng dẫn
Họ và tên cán bộ

Phần

Luận văn thạc sĩ

1

Nguyễn Tập Toàn


Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo và giám sát các thơng số mơi trường trong lĩnh vực khí tượng

Phần lý thuyết

TS. Lê Minh Hoàng

Phần thực hành

TS. Lê Minh Hoàng

5. Ngày giao nhiệm vụ thiết kế: 30/12/2013
6. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 27/03/2015
Ngày

tháng

năm

Chủ nhiệm bộ môn

Cán bộ hướng dẫn

(Ký, ghi rõ họ tên)

(Ký, ghi rõ họ tên)

TS. Lê Minh Hoàng
Học viên đã hoàn thành
Ngày

tháng

năm 2015

(Ký, ghi rõ họ tên)

Nguyễn Tập Toàn

Luận văn thạc sĩ

2

Nguyễn Tập Toàn


Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo và giám sát các thơng số mơi trường trong lĩnh vực khí tượng

MỤC LỤC

MỤC LỤC ........................................................................................................................ 3
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................. 9
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TRẠM QUAN TRẮC KHÍ TƯỢNG ................................ 12
1.

Ngành khí tượng ở Việt Nam và trên Thế giới .................................................. 12
1.1 Thực trạng công tác dự báo và nghiên cứu dự báo khí tượng ở Việt Nam .. 12
1.2 Sự phát triển của cơng nghệ dự báo khí tượng trên thế giới .........................15

2.

Cấu trúc của một trạm khí tượng tự động .......................................................... 18

3.

Các thông số của trạm ........................................................................................ 22
3.1 Nhiệt độ .........................................................................................................22
3.2 Áp suất ..........................................................................................................26
3.3 Độ ẩm ............................................................................................................26
3.4 Hướng gió .....................................................................................................29

3.5 Tốc độ gió .....................................................................................................31
3.6 Lượng mưa ....................................................................................................34

4.

Kết luận .............................................................................................................. 35

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN THIẾT BỊ VÀ ÁP DỤNG VÀO XÂY DỰNG TRẠM KHÍ
TƯỢNG .......................................................................................................................... 37
1.

Cảm biến đa năng WXT510 ............................................................................... 38

2.

Các nguyên lý đo của cảm biến.......................................................................... 42

Luận văn thạc sĩ

3

Nguyễn Tập Toàn


Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo và giám sát các thơng số mơi trường trong lĩnh vực khí tượng

2.1 Cảm biến đo gió WINDCAP ........................................................................43
2.2 Cảm biến đo lượng mưa RAINCAP .............................................................44
2.3 Module PTU..................................................................................................45
3.

Các giao thức ...................................................................................................... 49
3.1. Các giao thức truyền thông nối tiếp .............................................................49
3.2. Các lệnh đặt chế độ truyền thông .................................................................50

4.

Kết luận .............................................................................................................. 58

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRẠM KHÍ TƯỢNG ....................................... 59
1.

Thiết kế hệ thống trạm khí tượng ....................................................................... 59
1.1 Phần mềm “Trạm khí tượng” .......................................................................61
1.2 Phần mềm “Cảm biến ảo WXT510”.............................................................63

2.

Kết luận .............................................................................................................. 64

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRẠM KHÍ TƯỢNG TRÊN MÁY TÍNH VÀ
CHẠY THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG ............................................................................. 65
1.

Lựa chọn công cụ xây dựng hệ thống ................................................................ 65
1.1 Lựa chọn ngơn ngữ lập trình .........................................................................65
1.2 Giới thiệu ngơn ngữ lập trình C# ..................................................................66

2.

Xây dựng cơ sở dữ liệu trên MySQL ................................................................. 69
2.1 Tổng quan về các cơ sở dữ liệu: ...................................................................69
2.2 Giới thiệu MySQL........................................................................................70

3.

Giao diện phần mềm Trạm khí tượng: ............................................................... 73
3.1 Đặt cấu hình: ................................................................................................74

Luận văn thạc sĩ

4

Nguyễn Tập Toàn


Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo và giám sát các thơng số mơi trường trong lĩnh vực khí tượng

3.2 Lựa chọn chế độ đo: .....................................................................................75
3.3 Giám sát số liệu: ...........................................................................................76
3.4 Tra cứu thống kê: ..........................................................................................78
4

Phần mềm “Cảm biến ảo” .................................................................................. 79

5

Ghép nối và chạy thử nghiệm ............................................................................ 80
5.1 Ghép nối: ......................................................................................................81
5.2 Chạy thử nghiệm ..........................................................................................82

5.3 Đánh giá thử nghiệm ....................................................................................86

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..................................................................... 87
Kết luận: .................................................................................................................... 87
Hướng phát triển của đề tài : ..................................................................................... 87
PHỤ LỤC: Các trường trong lệnh truyền thông của WXT 510 .................................... 88
1.

Các trường trong lệnh đặt chế độ giao tiếp hiện thời ......................................... 88

2.

Các trường trong lệnh yêu cầu thông tin đo gió ................................................. 88

3.

Các trường trong lệnh u cầu thơng tin đo áp suất, nhiệt độ, độ ẩm................ 89

4.

Các trường trong lệnh yêu cầu thông tin đo lượng mưa .................................... 89

5.

Các trường trong câu lệnh nhận dạng: aI! .......................................................... 89

TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 91

Luận văn thạc sĩ

5

Nguyễn Tập Toàn


Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo và giám sát các thơng số mơi trường trong lĩnh vực khí tượng

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 Hệ thống mạng thơng tin thời tiết di động ......................................................... 17
Hình 2 Mạng truyền thơng của hệ thống thơng tin thời tiết di động.............................. 18
Hình 3 Trạm khí tượng tự động quy mơ nhỏ ................................................................. 20
Hình 4 Trạm khí tượng tự động quy mơ lớn .................................................................. 21
Hình 5 Trao đổi nhiệt của cảm biến ............................................................................... 25
Hình 6 Các loại áp suất .................................................................................................. 26
Hình 7 Lượng nước trong khơng khí ở độ ẩm tương đối 100% theo nhiệt độ .............. 28
Hình 8 Phong kế chén bán cầu ....................................................................................... 34
Hình 9 Cảm biến đa năng WXT510............................................................................... 38
Hình 10 Các kích thước của cảm biến WXT510 ........................................................... 39
Hình 11 Cảm biến WXT510 nhìn theo mặt cắt ............................................................. 42
Hình 12 Cảm biến áp suất BAROCAP .......................................................................... 46
Hình 13 Cấu tạo của cảm biến nhiệt độ THERMOCAP................................................ 47
Hình 14 Sai số đo lường tại độ ẩm tương đối 100% khi sự chênh lệch nhiệt độ giữa môi
trường và cảm biến là 1°C.............................................................................................. 49
Hình 15 Mơ hình trạm khí tượng ................................................................................... 60
Hình 16 Giao diện của chương trình .............................................................................. 73
Hình 17 Giao diện chức năng “ Đặt cấu hình”............................................................... 75
Hình 18 Giao diện chức năng “ Lựa chọn chế độ đo” ................................................... 76
Hình 19 Lưu đồ thuật tốn ............................................................................................. 77
Hình 20 Giao diện chức năng “ Giám sát số liệu” ......................................................... 78

Luận văn thạc sĩ

6

Nguyễn Tập Toàn


Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo và giám sát các thơng số mơi trường trong lĩnh vực khí tượng

Hình 21 Giao diện chức năng “ Tra cứu thống kê” ........................................................ 79
Hình 22 Phần mềm cảm biến ảo WXT510 .................................................................... 80
Hình 23 Hai cáp chuyển đổi USB-RS232 và cáp RS232 với 2 đầu âm ........................ 81
Hình 24 Các chân của cổng COM RS232 đấu chéo chân 2 và 3 ................................... 81
Hình 25 Phần mềm trạm khí tượng sau khi đã kết nối................................................... 82
Hình 26 Cảm biến ảo WXT510 sau khi đã kết nối ........................................................ 83
Hình 27 Kết quả đo đạc khi sử dụng tab chế độ đo tự động .......................................... 84
Hình 28 Kết quả đo đạc khi sử dụng tab chế độ đo từng phần ...................................... 85
Hình 29 Kết quả đo đạc khi sử dụng tab chế độ Tra cứu thống kê ................................ 85

Luận văn thạc sĩ

7

Nguyễn Tập Toàn


Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo và giám sát các thơng số mơi trường trong lĩnh vực khí tượng

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 Các giá trị tương ứng của một số nhiệt độ quan trọng ...................................... 24
Bảng 2 Các giao thức truyền thông của WXT510 ......................................................... 49

Luận văn thạc sĩ

8

Nguyễn Tập Toàn


Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo và giám sát các thơng số mơi trường trong lĩnh vực khí tượng

LỜI NĨI ĐẦU
Con người ln mơ ước chinh phục thiên nhiên. Ngay từ khi có nhận thức về
thiên nhiên-xã hội, con người đã biết tận dụng các điều kiện thuận lợi, tìm mọi cách
tránh những điều kiện bất lợi để bảo tồn và nâng cao mức sống của mình, trong đó các
điều kiện khí tượng ln là yếu tố được địi hỏi trước và yêu cầu ngày càng cao. Trong
hoàn cảnh khoa học và công nghệ phát triển mạnh như hiện na y, thông tin thời tiết
được bổ sung không ngừng và có độ tin cậy ngày càng cao, địi hỏi các nhà khí tượng
phải có những nghiên cứu ứng dụng nhằm đáp ứng kịp thời các đòi hỏi khắt khe của
phát triển kinh tế - xã hội. Do nhiều nơi, nhiều lúc khơng kiểm sốt được nên mơi
trường bị huỷ hoại nghiêm trọng. Mức độ khốc liệt của các hiện tượng khí tượng cũng
mạnh mẽ hơn, nhiều vùng đất rộng lớn mất rừng, trở thành hoang mạc, khí hậu tồn
cầu và ở nhiều địa phương đã có nhiều biến đổi trái quy luật và xảy ra thường xuyên
hơn. Tất cả các quá trình trên là những thách thức to lớn đối với cơng tác dự báo khí
tượng trên tồn cầu, đặc biệt đối với cơng tác dự báo khí tượng thủy văn (KTTV) ở
nước ta. Nắm được các thông tin khí tượng thủy văn và biết sử dụng chúng một cách
phù hợp sẽ hạn chế được những hậu quả của các hiện tượng thiên tai, tận dụng được
những thuận lợi của các điều kiện thời tiết khí hậu, nâng cao hiệu quả của các hoạt
động kinh tế xã hội và quốc phịng.

Vì vậy đặt ra u cầu là các trạm quan trắc môi trường phải thu thậ p được số
liệu thường xun, đồng thời phân tích được số liệu đó nhằm dự báo được chính xác và
kịp thời. Ngày nay các trạm khí tượng tự động vừa thu thập, phân tích số liệu và cịn
truyền được qua mạng Internet đã trở nên phổ biến. Việc xây dựng các trạm như vậy ở
Việt Nam là cần thiết vì các thiên tai đã gây thiệt hại to lớn đến đời sống của người dân
mà phần nhiều là do công tác dự báo thời tiết còn thiếu và chậm.

Luận văn thạc sĩ

9

Nguyễn Tập Toàn


Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo và giám sát các thơng số mơi trường trong lĩnh vực khí tượng

Một trạm khí tượng tự động sẽ bao gồm cảm biến và phần mềm đi kèm. Ngơn
ngữ lập trình C# thực sự đã đáp ứng được nhu cầu xây dựng một giao diện thu thập và
xử lý tín hiệu của một trạm khí tượng như vậy.
Với đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo và giám sát các thông số mơi trường
ứng dụng trong lĩnh vực khí tượng” tơi mong muốn tìm hiểu về các t hơng số và cấu
trúc của một trạm khí tượng , từ đó sử dụng mềm C# để thiết kế hệ thống thiết bị đo tự
động các thông số sử dụng bộ cảm biến WXT510 thông qua cổng giao tiếp RS232.
Đồ án tập trung vào các vấn đề chính sau:
-

Tìm hiểu tổng quan về cấu trúc và ngun lý hoạt đơng của các trạm khí tượng
thủy văn của nước ta và trên thế giới.

-

Lựa chọn sử dụng và tìm hiểu nguyên lý hoạt động của đầu đo WXT510 của
hãng Vaissala dùng để đo thông số khí tượng.

-

Thiết kế và xây dựng hệ thống đo và giám sát các thông số môi trường ứng dụng
trong lĩnh vực khí tượng bao gồm:
o Giao diện trạm khí tượng trên máy tính cho phép điều khiển, kết nối, thu
thập dữ liệu từ đầu đo WXT510. Các dữ liệu thu thập được hiển thị và vẽ
đồ thị dữ liệu thu thập trên giao diện đồng thời được lưu trữ vào cơ sở dữ
liệu phục vụ tra cứu lịch sử dữ liệu.
o Cảm biến ảo có các chức năng giống như cảm biến WXT510 thực

-

Hệ thống trạm khí tượng được ghép nối và chạy thử nghiệm để đánh giá thực tế
và đưa ra những hướng phát triển của hệ thống
Sau thời gian ba tháng làm đồ án tốt nghiệp, được sự hướng dẫn tận tình của TS.

Lê Minh Hồng, tơi đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp đúng thời hạn. Tuy nhiên, trong
q trình làm luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót, do vậy tơi rất mong nhận được sự
góp ý của các thầy cơ giáo trong và ngồi bộ mơn.
Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS. Lê Minh Hồng, các thầy cơ giáo bộ
mơn Kỹ thuật Đo & Tin học Công nghiệp, các cán bộ Viện Nghiên cứu quốc tế MICA,

Luận văn thạc sĩ

10

Nguyễn Tập Toàn


Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo và giám sát các thơng số mơi trường trong lĩnh vực khí tượng

đã giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn tốt
nghiệp.
Hà Nội ngày

tháng

năm 2015

Học viên thực hiện

Nguyễn Tập Toàn

Luận văn thạc sĩ

11

Nguyễn Tập Toàn


Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo và giám sát các thơng số mơi trường trong lĩnh vực khí tượng

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TRẠM QUAN TRẮC KHÍ TƯỢNG
1. Ngành khí tượng ở Việt Nam và trên Thế giới
Ngành Khí tượng Thủy văn có vị trí quan trọng trong sự ng hiệp phát triển kinh
tế - xã hội, củng cố quốc phịng, an ninh, đặc biệt là trong cơng tác phịng, tránh và

giảm nhẹ thiên tai. Đầu tư cho ngành Khí tượng Thủy văn cần đi trước một bước để
cung cấp kịp thời, chính xác thơng tin và luận cứ khoa học về khí tượng thủy văn cho
sự phát triển bền vững của đất nước trong bối cảnh thiên tai ngày càng khắc nghiệt và
gia tăng do biến đổi khí hậu.
1.1 Thực trạng công tác dự báo và nghiên cứu dự báo khí tượng ở Việt Nam
Phát triển ngành Khí tượng Thủy văn đồng bộ theo hướng hiện đại hoá, lấy việc
đầu tư cho khoa học, công nghệ và đào tạo nguồn nhân lực làm giải pháp chủ yếu để
phát triển trên cơ sở kế thừa và ph át huy tối đa nguồn lực hiện có , khai thác triệt để
thành tựu khoa học, công nghệ trong nước, đồng thời ứng dụng chọn lọc những thành
tựu khoa học công nghệ tiên tiến trên thế giới.
Đổi mới phương thức phục vụ của ngành Khí tượng Thủy văn theo hướng Nhà
nước chịu trách nhiệm cung cấp thơng tin, dữ liệu khí tượng thủy văn đáp ứng các u
cầu phục vụ cơng cộng, phịng tránh thiên tai, bảo vệ cuộc sống, tài sản cho tồn xã
hội; đồng thời, khuyến khích xã hội hố, thương mại hố các hoạt động khí tượng thủy
văn và tăng cường sử dụng thơng tin khí tượng thủy văn trong sản xuất, kinh doanh,
dịch vụ nhằm mang lại hiệu quả kinh tế xã hội thiết thực.
Mục tiêu tổng quát đến năm 2020, ngành Khí tượng Thủy văn Việt Nam đạt
trình độ khoa học công nghệ tiên tiến của khu vực châu Á, có đủ năng lực điều tra cơ
bản, dự báo khí tượng thủy văn, phục vụ u cầu phịng tránh và giảm nhẹ thiệt hại do
thiên tai, phát triển kinh tế - xã hội, bảo đảm quốc phòng, an ninh, khai thác, sử dụng

Luận văn thạc sĩ

12

Nguyễn Tập Toàn


Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo và giám sát các thơng số mơi trường trong lĩnh vực khí tượng

hợp lý tài nguyên thiên nhiên, bảo vệ môi trường trong thời kỳ đẩy mạnh cơng nghiệp
hố, hiện đại hố đất nước
Mạng lưới trạm điều tra cơ bản khí tượng thủy văn nhằm đáp ứng yêu cầu số
liệu điều tra cơ bản, phục vụ dự báo KTTV, phục vụ phát triển kinh tế xã hội đảm bảo
an ninh quốc phòng. Mạng lưới trạm được phân bố trên khắp mọi miền của đất nước,
bao gồm cả đồng bằng, miền núi, hải đảo và vùng chủ quyền lãnh hải, với các loại trạm
khác nhau như sau:
Quan trắc khí tượng bề mặt
Hiện có 168 trạm khí tượng bề mặt, gồm có: 57 trạm hạng I, 68 trạm hạng II và
43 trạm hạng III. Trong đó có 122 trạm synop; 46 trạm khí hậu; 13 trạm đo bức xạ mặt
trời và 25 trạm phát báo quốc tế. Ngồi ra cịn có 393 điểm đo mưa nhân dân.
Quan trắc khí tượng nơng nghiệp
Hiện có 27 trạm khí tượng nơng nghiệp, trong đó có 15 trạm cơ bản, 12 trạm
phổ thông đại diện cho các vùng.
Quan trắc cao khơng
Hiện có 3 trạm thám khơng vơ tuyến tại Hà Nội, Đà Nẵng và thành phố Hồ Chí
Minh. Tại Hà Nội, Đà Nẵng quan trắc mỗi ngày hai lần, tại thành phố Hồ Chí Minh
quan trắc mỗi ngày một lần Các yếu tố quan trắc trên cao gồm: khí áp, nhiệt độ, độ ẩm,
hướng và tốc độ gió từ mặt đất lên đến độ cao 30 km. Có 7 trạm đo gió bằng kinh vĩ
quang học, 3 trạm đo tổng lượng ơzơn và bức xạ cực tím.
Quan trắc ra đa thời tiết
Hiện có 6 trạm ra đa thời tiết gồm 8 ra đa phục vụ phát hiện, theo dõi bão và các
hiện tượng thời tiết nguy hiểm khác, trong đó có 03 ra đa thời tiết TRS-2730 do Pháp
chế tạo đặt tại Phù Liễn (Hải Phòng), Vinh (Nghệ An) và Việt Trì (Phú Thọ), 03 ra đa
thời tiết DOPPLER do Hoa K
ỳ chế tạo đặt tại Tam Kỳ (Quảng Nam), Nha Trang
Luận văn thạc sĩ

13

Nguyễn Tập Toàn


Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo và giám sát các thơng số mơi trường trong lĩnh vực khí tượng

(Khánh Hồ) và Nhà Bè (Tp. Hồ Chí Minh), 02 ra đa thời tiết MRL-5 do Liên Xô (cũ)
chế tạo, đặt tại Phủ Liễn (Hải Phòng) và Vinh (Nghệ An).
Quan trắc thủy văn
Hiện có 231 trạm thủy văn, gồm: 59 trạm hạng I, 21 trạm hạng II và 151 trạm
hạng III. Trong số 231 trạm thủy văn có 88 trạm tự ghi, tự báo mực nước; 100 trạm
vùng ảnh hưởng triều.
Quan trắc khí tượng thủy văn biển
Hiện có 17 trạm khí tượng thủy văn biển quan trắc các yếu tố khí tượng và các
yếu tố hải dương: sóng, mực nước biển, thủy triều v.v...Ngồi ra, cịn có 1 tàu nghiên
cứu biển phục vụ điều tra khảo sát biển.
Quan trắc vệ tinh
Đã lắp đặt tại Hà Nội 01 trạm thu số liệu vệ tinh địa tĩnh GMS và vệ tinh quỹ
đạo cực NOOA với độ phân giải cao.
Quan trắc môi trường không khí và nước
Hiện có 154 trạm, điểm đo, gồm:
• 6 trạm quan trắc tự động mơi trường khơng khí, trong đó có 1 trạm nền vùng khí
quyển (gồm 01 trạm quan trắc mơi trường khơng khí tự động và 01 trạm quan
trắc khí tượng bề mặt).
• 18 trạm quan trắc bụi và thành phần hố học nước mưa.
• 48 trạm quan trắc mơi trường nước sơng.
• 8 trạm quan trắc mơi trường nước vùng hồ.
• 6 trạm quan trắc mơi trường nước biển ven bờ. Lấy mẫu và phân tích thành phần
hố học 1 lần/tháng.

Luận văn thạc sĩ

14

Nguyễn Tập Tồn


Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo và giám sát các thơng số mơi trường trong lĩnh vực khí tượng

• 68 điểm đo mặn
Kiểm định máy khí tượng, thủy văn
Trung tâm KTTV Quốc gia có cơ sở kiểm định các thiết bị, máy khí tượng thủy
văn. Các máy đo một số yếu tố khí tượng thủy văn cơ bản như: nhiệt độ, độ ẩm, khí áp,
bức xạ mặt trời, tốc độ gió và tốc độ dịng chảy được kiểm định thường xuyên, theo
định kỳ nhằm đảm bảo độ chính xác của số liệu đo đạc.
Phân tích mơi trường
Hiện có 3 phịng thí nghiệm phân tích mơi trường được trang bị các thiết bị phân
tích hiện đại, đồng bộ đặt tại Hà Nội, Đà Nẵng và Thành Phố Hồ Chí Minh. Phân tích
mẫu mơi trường cho tất cả các trạm thuộc 9 Đài KTTV khu vực và các cơ quan, đơn vị
có nhu cầu.
1.2 Sự phát triển của cơng nghệ dự báo khí tượng trên thế giới
Vào thế kỷ 19, cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật ở Tây Âu đã tiến bộ với
những bước tiến khổng lồ kéo theo sự phát triển về kinh tế và thương mại quốc tế. Việc
vận chuyển hàng hóa bằng đường biển ngày càng được tăng cường và yêu cầu phải
được bảo đảm an toàn. Việc thu thập tin tức chính xác về thời tiết phục vụ cho giao
thông vận tải là không thể thiếu được. Chính trong bối cảnh đó, nhiều hội nghị quốc tế
về khí tượng đã được triệu tập để xác định rõ vị trí, vai trị và tầm quan trọng của khí
tượng đối với hoạt động sống con người. Hội nghị Khí tượng Quốc tế năm 1873
tại Vienna đã đánh dấu một bước ngoặt có tính chất lịch sử về hợp tác quốc tế của
ngành Khí tượng thế giới và chính tại Hội nghị này, điều lệ của WMO đã được thơng
qua. Sự phát triển của cơng nghệ dự báo khí tượng trên thế giới đã ngày càng lớn mạnh

từ đó.
Phương tiện kỹ thuật trong đo đạc, thu thập số liệu ngày càng hiện đại và phát
triển đến mức người ta có thể nhận được bất cứ yếu tố khí tượng nào ở bất cứ nơi nào
Luận văn thạc sĩ

15

Nguyễn Tập Toàn


Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo và giám sát các thơng số mơi trường trong lĩnh vực khí tượng

cần, từ vùng núi cao tuyết phủ đến các vùng biển ít tàu thuyền qua lại, ở mặt đất hay
trên các độ cao bất kỳ. Mật độ các trạm khí tượng tự động ở các nước tiên tiến đủ thoả
mãn nhu cầu thơng tin đối với các mơ hình dự báo số trị. Các máy đo gió tự động c ó
thể thiết lập Profile gió cũng như các yếu tố khí tượng, môi trường ở mọi nơi, với đầy
đủ các thông số cần thiết trong mỗi khối khí. Hệ thống ra-đa hiện đại dày đặc có thể
phát hiện những biến đổi nhỏ nhất của các điều kiện khí tượng địa phương. Các phần
mềm phân tích số liệu ra-đa, ảnh mây vệ tinh ngày càng tiến bộ giúp các nhà khí tượng
nâng cao độ chính xác trong dự báo các hiện tượng thời tiết như tính chất mưa, lượng
mưa, thời gian mưa ở các khu vực đồng thời cũng bổ sung lượng thơng tin quan trọng
trong việc giải các bài tốn dự báo. Với hàng trăm vệ tinh theo dõi thời tiết, các nhà khí
tượng khơng chỉ nhìn thấy hình ảnh, diễn biến của các đám mây, vùng bão, mà cịn có
khả năng phát hiện những biển đổi từ quy mô nhỏ nhất của các diễn biến thời tiết, khí
hậu trên mọi vùng của trái đất, đến việc phát hiện những hiện tượng quy mô lớn hơn
như lỗ thủng tầng ôzon, sự mỏng đi của lớp băng vùng cực, hay diễn biến của hiện
tượng ENSO (El Nino-Southern Oscillation- sự dao động El Nino ở phía Nam). Vệ
tinh khí tượng đã giúp tăng cường khả năng liên lạc với dung lượng, tốc độ rất lớn. Các
máy tính thế hệ mới phát huy tính năng siêu việt, có thể giúp giải các bài tốn khí
tượng nhanh chóng mà chỉ vài chục năm trước đây khơng thể thực hiện được. Những

mơ hình dự báo cho phép các nhà khí tư
ợng có thể tiến hành dự báo chính xác hơn
nhiều yếu tố khí tượng với nhiều thời hạn dự báo khác nhau, từ những dự báo hạn cực
ngắn đối với các xốy nhỏ có thể gây ra tác động xấu cho hoạt động của máy bay ở các
sân bay đến các dự báo quy mô lớn hơn như bão, gió mùa, với độ chính xác ngày càng
cao. Internet, công cụ thông tin hiện đại đã phát triển mạnh mẽ, giúp không chỉ thu
thập số liệu, mà cịn trao đổi các loại thơng tin khí tượng từ số liệu khí hậu đến các
thơng tin đủ loại trong khí tượng: ảnh mây, ra đa, các kết quả dự báo số trị, các trường
dự báo, các yếu tố dự báo khí tượng mà bất cứ ai quan tâm cũng có thể tìm và sử dụng
có hiệu quả.Việc ứng dụng các công nghệ cao như Hệ thống thông tin địa lý (GIS –
Geographic Information System), Hệ thống định vị toàn cầu (GPS – Global Positioning
Luận văn thạc sĩ

16

Nguyễn Tập Toàn


Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo và giám sát các thơng số mơi trường trong lĩnh vực khí tượng

System) đã góp phần nâng cao khả năng và chất lượng thơng tin khí tượng và các loại
thơng tin khác phục vụ công tác theo dõi và dự báo thời tiết ngày càng tốt hơn.
Ngày nay, với sự xuất hiện của internet và vệ tinh thông tin giúp cho việc số hố
số liệu và tính chính xác được vị trí cần đo nên một hệ thống đo cịn có thể di động
được. Tại các nước tiên tiến, người ta đã đề xuất những hệ thống hiện đai tích hợp cơng
nghệ Internet. Ví dụ về một hệ thống tích hợp cơng nghệ như vậy:

Hình 1 Hệ thống mạng thơng tin thời tiết di động
Việc truyền thơng tin trong hệ thống có thể được thực hiện bằng các thiết bị
truyền thông đơn giản, gọn nhẹ và các máy điện thoại di động nhờ có các ăngten của

chúng. Mạng thơng tin có thể truyền cho nhau như sau:

Luận văn thạc sĩ

17

Nguyễn Tập Toàn


Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo và giám sát các thơng số mơi trường trong lĩnh vực khí tượng

Hình 2 Mạng truyền thông của hệ thống thông tin thời tiết di động
Với thiết kế này thì chỉ với một chiếc máy tính xách tay và một ăngten thì cả
đến một người dân bình thường cũng có thể biết được tình hình thời tiết chi tiết. Đặc
biệt hơn nữa là hệ thống này cảnh báo hữu hiệu các thiên tai và với phần mềm bản đồ
số thì cịn có thể biết được chính xác vị trí của thiên tai đó cách người sử dụng bao
nhiêu. Hệ thống này được gọi là Weather Information Network Enabled Mobile
System- hệ thống mạng thông tin thời tiết di động được. Với trình độ cơng nghệ thơng
tin như nước ta hiện nay thì việc xây dựng một hệ thống như vậy là có khả năng và rất
cần thiết để nghiên cứu dự báo và đặc biệt là trong việc cảnh báo thiên tai. Trung tâm
MICA hiện nay đang tham gia một dự án thiết lập một hệ thống thời tiết như vậy mang
tên ISLAND. Dự án này tập hợp các nhà khoa học của nhiều nước nhằm xây dựng một
hệ thống thống kê và tra cứu về các thơng số khí tượng thơng qua mạng Internet và
cơng nghệ Wireless, góp phần dự báo thời tiết cho các vùng nhanh chóng, kịp thời,
chính xác.
2. Cấu trúc của một trạm khí tượng tự động
Một trạm khí tượng tự động thực hiện được các chức năng sau:
• Quan sát tổng thể
• Quan sát khí hậu
Luận văn thạc sĩ

18

Nguyễn Tập Toàn


Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo và giám sát các thơng số mơi trường trong lĩnh vực khí tượng

• Giám sát mơi trường
• Giám sát phóng xạ
• Các chương trình ứng dụng cơng nghiệp
• Cài sẵn Internet
• Quan sát thời tiết trong hang không và giao thông vận tải
Một trạm khí tượng tự động được thiết kế cho nhiều ứng dụng và từ những nơi
nằm trong vùng dân cư đơng đúc ới
t những nơi dân cư thưa thớt. Nó bao gồm nhiều
loại cảm biến để đo nhiều thông số khác nhau và các thiết bị truyền thơng để có thể
truyền đi xa. Kết hợp với một phần mềm tiên tiến thì trạm khí tượng tự động thực sự
trở thành một giải pháp hữu hiệu và đáng tin cậy để quan trắc khí tượng và mơi trường.
Hãng Micro-Step đã đưa ra thiết kế về trạm IMS AWS 111 để thực hiện được
các chức năng trên. Trạm giao tiếp được với nhiều loại cảm biến và thiết bị truyền
thông và được nhúng trong một môi trường phần mềm tiên tiến. Trạm bao gồm các
khối được nối với nhau bằng 1 hệ thống bus RS485, trạm khí tượng tự động vận hành
như một cấu trúc module linh hoạt cho việc xây dựng các hệ thống đo đạc và ghi chép
với các cảm biến thơng minh, các màn hình hiển thị và các máy tính.
Sự linh hoạt của hệ thống cho phép phạm vi ứng dụng của trạm khí tượng từ hệ
thống đo chuyên dụng đến những trạm đo đa năng.
Những đặc trưng của bộ biến đổi tương tự - số và phần mềm như chuẩn hoá số
liệu và điều khiển chất lượng sẽ đảm bảo cho độ chính xác của số liệu đo được.
Hệ thống hỗ trợ cho đầu ra số liệu đi tới các đường dây RS232/485, các moderm

và các điện thoại di động, moderm viễn thông và các vệ tinh. Với thiết kế như vậy trạm
có thể truy cập được Internet dễ dàng.
Một trạm khí tượng tự động có thể có quy mơ khác nhau:

Luận văn thạc sĩ

19

Nguyễn Tập Tồn


Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo và giám sát các thơng số mơi trường trong lĩnh vực khí tượng

Hình 3 Trạm khí tượng tự động quy mơ nhỏ
Trạm quy mô nhỏ chủ yếu thực hiện chức năng đo đạc. Toàn bộ số liệu của trạm
sẽ được gửi lên máy tính thu thập dữ liệu tại các trung tâm khí tượng thuỷ văn. Module
ghi số liệu: dùng để ghi lại dữ liệu để gửi đi. Ngồi ra có thể có thêm module mở rộng
như moderm, các màn hình hiển thị.

Luận văn thạc sĩ

20

Nguyễn Tập Toàn


Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo và giám sát các thơng số mơi trường trong lĩnh vực khí tượng

Hình 4 Trạm khí tượng tự động quy mơ lớn
Trạm quy mô lớn không chỉ thực hiện chức năng đo đạc mà cịn thu thập phân

tích dữ liệu và hiển thị nên nó gồm nhiều khối.
Chức năng của các khối:
•

Máy ghi chủ: thu thập số liệu từ các cảm biến thời tiết và gửi lên máy tính.

•

Máy ghi con: vì có một số cảm biến phải đặt trong đất nên có một máy ghi riêng
gửi số liệu lên máy tính.

•

Module đầu ra số mở rộng: để hệ thống có thể điều khiển nhiều loại thiết bị hơn.

Luận văn thạc sĩ

21

Nguyễn Tập Toàn


Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo và giám sát các thơng số mơi trường trong lĩnh vực khí tượng

•

Nguồn xoay chiều để cung cấp điện cho các máy ghi và các thiết bị trong hệ
thống

•

Nguồn dự phịng dung để cấp điện trong trường hợp mất điện cho nguồn chính.

•

Màn hình hiển thị số liệu: hiển t hị đầy đủ các thơng số được đo bằng các cảm
biến

•

Màn hình hiển thị tại nơi công cộng: đặt tại địa điểm công cộng nhưng không
nằm xa trạm quá để tiện cho việc truyền thơng.

•

Ngồi ra cịn có một số cảm biến thơng minh hoạt động độc lập như một trạm đo
riêng để đo các thơng số đặc biệt như phóng xạ, tầm nhìn xa.

•

Hệ thống bus RS 485 dùng để truyền thơng giữa tất cả các thiết bị trong trạm.

3. Các thông số của trạm
3.1 Nhiệt độ
Nhiệt độ là một trong số những đại lượng có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất vật
chất. Bởi vậy trong nghiên cứu khoa học, trong công nghiệp cũng như trong đời sống
hàng ngày việc đo nhiệt độ là rất cần thiết. Tuy nhiên việc xác định chính xác một nhiệt
độ là một vấn đề khơng đơn giản. Đa số các đại lượng vật lý đều có thể xác định trực
tiếp nhờ so sánh chúng với một đại lượng cùng bản chất. Nhiệt độ là đại lượng chỉ có
thể đo gián tiếp dựa vào sự phụ thuộc của tính chất vật liệu vào nhiệt độ.

Để đo nhiệt độ trước hết phải thiết lập thang nhiệt độ. Thang nhiệt độ tuyệt đối
được thiết lập dựa vào tính chất của khí lý tưởng.
Theo định lý Carnot: hiệu suất η của một động cơ nhiệt thuận nghịch hoạt động
giữa hai nguồn có nhiệt độ θ1 và θ 2trong một thang đo bất kỳ chỉ phụ thuộc vào θ 1 và
θ2 :
η=

Luận văn thạc sĩ

F (θ1 )
F (θ 2 )

22

(1.1)

Nguyễn Tập Toàn


Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo và giám sát các thơng số mơi trường trong lĩnh vực khí tượng

Dạng của hàm F phụ thuộc vào thang đo nhiệt độ. Ngược lại việc chọn dạng
hàm F sẽ quyết định thang đo nhiệt độ. Đặt F(θ) = T , khi đó hiệu suất nhiệt của động
cơ nhiệt thuận nghịch được viết như sau:
η = 1−

T1
T2

(1.2)

Trong đó T1 và T2 là nhiệt độ động học tuyệt đối của hai nguồn.
Đối với chất khí lý tưởng, nội năng U chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của chất khí và
phương trình đặc trưng liên hệ giữa áp suất p, thể tích v và nhiệt độ có dạng:
p.v = G (θ )

(1.3)

Có thể chứng minh được rằng:
G (θ ) = RT

(1.4)

Trong đó R là hằng số khí lý tưởng, T là nhiệt độ động học tuyệt đối.
Để có thể gán một giá trị số cho T, cần phải xác định đơn vị cho nhiệt độ. Muốn
vậy chỉ cần gán giá trị cho nhiệt độ tương ứng với một hiện tượng nào đó với điều kiện
hiện tượng này hồn tồn xác định và có tính lặp lại.
Thang Kelvin (Thomson Kelvin - 1852): Thang nhiệt độ động học tuyệt đối,
đơn vị nhiệt độ là K. Trong thang đo này người ta gán cho nhiệt độ của điểm cân bằng
ba trạng thái nước - nước đá - hơi một giá trị số bằng 273,15 K.
Thang Celsius (Andreas Celsius - 1742): Thang nhiệt độ bách phân, đơn vị nhiệt
độ là oC và một độ Celsius bằng một độ Kelvin.
Nhiệt độ Celsius xác định qua nhiệt độ Kelvin theo biểu thức:
T (°C =
) T(K) − 273,15

(1.5)

Thang Fahrenheit (Fahrenheit - 1706): Đơn vị nhiệt độ là oF. Trong thang đo
này, nhiệt độ của điểm nước đá tan là 32 oF và điểm nước sôi là 212oF.

Quan hệ giữa nhiệt độ Fahrenheit và nhiệt Celssius:

Luận văn thạc sĩ

23

Nguyễn Tập Toàn


Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo và giám sát các thơng số mơi trường trong lĩnh vực khí tượng

5
{T (°F ) − 32}
9
9
T (° F ) = T (°C ) + 32
5
T (°C )=

(1.6)

Bảng 1 Các giá trị tương ứng của một số nhiệt độ quan trọng
Nhiệt độ

Kelvin (oK)

Celsius (oC)

Fahrenheit (oF)

0

-273,15

-459,67

Hỗn hợp nước - nước đá

273,15

0

32

Cân bằngnước - nước đá - hơi

273,16

0,01

32,018

Nước sôi

373,15

100

212

Điểm 0 tuyệt đối

Giả sử môi trường đo có nhiệt độ thực bằng Tx, nhưng khi đo ta chỉ nhận được
nhiệt độ Tc là nhiệt độ của phần tử cảm nhận của cảm biến. Nhiệt độ Tx gọi là nhiệt độ
cần đo, nhiệt độ Tc gọi là nhiệt độ đo được. Điều kiện để đo đúng nhiệt độ là phải có sự
cân bằng nhiệt giữa mơi trường đo và cảm biến. Tuy nhiên, do nhiều nguyên nhân,
nhiệt độ cảm biến không bao giờ đạt tới nhiệt độ mơi trường Tx, do đó ồn
t tại một
chênh lệch nhiệt độ Tx - Tc nhất định. Độ chính xác của phép đo phụ thuộc vào hiệu số
Tx – Tc , hiệu số này càng bé, độ chính xác của phép đo càng cao. Muốn vậy khi đo cần
phải:
• Tăng cường sự trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và môi trường đo.
• Giảm sự trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và mơi trường bên ngồi.
Chúng ta hãy kh
ảo sát trường hợp đo bằng cảm biến tiếp xúc. Lượng nhiệt
truyền từ môi trường vào bộ cảm biến xác định theo công thức:
=
dQ α A(Tx − Tc ) dt

Luận văn thạc sĩ

24

(1.7)

Nguyễn Tập Toàn


Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo và giám sát các thơng số mơi trường trong lĩnh vực khí tượng

với:
o α - hệ số dẫn nhiệt
o A - diện tích bề mặt trao đổi nhiệt.
o T - thời gian trao đổi nhiệt.
Lượng nhiệt cảm biến hấp thụ: dQ = mCdTe , với:
o m - khối lượng cảm biến.
o C - nhiệt dung của cảm biến.
Nếu bỏ qua tổn thất nhiệt của cảm biến ra mơi trường ngồi và giá đỡ, ta có:
α A(Tx − Tc )dt =
mCdTc

Đặt

(1.8)

dTc
dt
mC
= τ là hằng số thời gian nhiệt, ta có:
=
Tx − Tc
αA
τ

Nghiệm của phương trình có dạng:
T=
Tx − ke
c

−

1

τ

(1.9)

Hình 5 Trao đổi nhiệt của cảm biến
Để tăng cường trao đổi nhiệt giữa môi trường có nhiệt độ cần đo và cảm biến ta
phải dùng cảm biến có phần tử cảm nhận có tỉ nhiệt thấp, hệ số dẫn nhiệt cao, để hạn
chế tổn thất nhiệt từ cảm biến ra ngồi thì các tiếp điểm dẫn từ phần tử cảm nhận ra
mạch đo bên ngoài phải có hệ số dẫn nhiệt thấp.

Luận văn thạc sĩ

25

Nguyễn Tập Toàn