Nghiên cứu và xây dựng hệ đo mưa, đo mức lũ giá rẻ ứng dụng cho các tỉnh tây bắc

Đại Học Quốc Gia Hà Nội
Trường Đại Học Công NGhệ

Mai Thế Phú Quý

Nghiên cứu và xây dựng hệ đo mưa, đo mức lũ giá rẻ
ứng dụng cho các tỉnh Tây Bắc
Đồ Án Tốt Nghiệp Đại Học Hệ Chính Quy
Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử, Truyền Thông

HÀ NỘI - 2016


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

MAI THẾ PHÚ QUÝ

Nghiên cứu và xây dựng hệ đo mưa, đo mức lũ giá
rẻ ứng dụng cho các tỉnh Tây Bắc

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử, Truyền Thông

Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Trần Đức Tân

HÀ NỘI - 2016


Tóm tắt:
Vào mùa mưa, rất nhiều địa phương ở nước ta bị tác động bởi mưa, lũ. Tại các tỉnh

vùng cao, mưa có tính chất cục bộ (có khu vực mưa to, có khu vực không mưa do ngăn
cách bởi các day núi). Vì thế giải pháp đo mưa, lũ giá rẻ để có thể triển khai diện rộng là
cần thiết. Một hệ thống đo mưa và mực nước lũ với giá rẻ phục vụ cho các tỉnh Tây Bắc.
Nó có nhiệm vụ đo mưa, đo mực nước lũ và cảnh báo tại chỗ khi các tiêu chí đo vượt
quá ngưỡng an toàn.Để đạt được mục đích đó, đồ án này sẽ trình bày 2 thiết bị độc lập
với nhau để đo được lượng mưa và mực nước lũ trên các hệ thống sông, suối. Mục đích
cuối cùng là tạo ra các thiết bị có giả rẻ hơn nhiều so với các thiết bị khác có cùng chức
năng trên thị trường, nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác. Do đó nó phù hợp để lắp đặt cho
các tỉnh Tây Bắc để đảm báo tính mạng và tài sản cho đồng bào đang còn gặp nhiều khó
khăn nơi đây.
Từ khóa: giá rẻ, Tây Bắc, đo mưa, đo mức lũ.

ii


LỜI CAM ĐOAN
Trong quá trình làm đồ án, tôi đã đọc và tham khảo rất nhiều tài liệu khác nhau từ
giáo trình, sách chuyên khảo cho đến rất nhiều các bài báo được đăng tải trong và ngoài
nước. Tôi xin cam đoan những gì tôi đã viết dưới đây là hoàn toàn chính thống, chân
thực, những kết quả đo đạc thực nghiệm đã đạt được trong khóa luận không sao chép từ
bất kì tài liệu nào dưới mọi hình thức. Những kết quả đó là những gì tôi đã nghiên cứu,
tích lũy được trong quá trình làm khóa luận này.
Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm nếu có dấu hiệu sao chép kết quả từ các tài liệu khác.

Hà Nội, ngày

tháng

năm 2016

TÁC GỈA

MAI THẾ PHÚ QUÝ

iii


LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian nghiên cứu và hoàn thiện đồ án em đã nhận được sự giúp đỡ chu đáo
của các Thầy, Cô giáo trong khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại Học Công Nghệ,
Đại Học Quốc Gia Hà Nội.
Đề tài :”Nghiên cứu và xây dựng hệ đo mưa, đo mức lũ giá rẻ ứng dụng cho các tỉnh
Tây Bắc” đã được triển khai thực hiện và hoàn thành với một số kết quả thu được có
khả năng ứng dụng trong thời gian tới trong điều kiện thực tiễn hiện nay.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS Trần Đức Tân, người đã trực
tiếp hướng dẫn em trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài với tất cả lòng nhiệt
tình chu đáo, ân cần cùng với thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc và thẳng thắn của
một nhà khoa học uy tín, mẫu mực. Em xin gửi lời cảm ơn đến anh Nguyễn Đình
Chinh – cán bộ bộ môn Vi cơ điện tử và vi hệ thống, Khoa Điện tử - Viễn thông, Đại
học Công Nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội đã giúp đỡ đóng góp ý kiến cho em. Em xin
chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, các anh chị và các bạn đã có những góp ý kịp thời
và bổ ích, giúp đỡ em trong suốt quá trình em nghiên cứu và hoàn thiện khóa luận này
này.
Mặc dù em đã có nhiều cố gắng hoàn thiện đồ án bằng tất cả sự nhiệt tình và nỗ lực
của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được
những ý kiến đóng góp quý báu của quý Thầy Cô và các bạn.
Hà Nội , ngày

tháng

năm 2016

SINH VIÊN

MAI THẾ PHÚ QUÝ

iv


MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH............................................................................................................. vii
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT................................................................................. viii
DANH MỤC CÁC BẢNG:......................................................................................................... viii
LỜI MỞ ĐẦU.................................................................................................................................... ix
Chương 1: Tìm hiểu thực trạng cảnh báo lũ quét và sạt lở đất ở Việt Nam......................... 1
1.1 Thực trạng lũ quét và sạt lở đất ở Việt Nam...................................................................... 1
1.2 Thực trạng cảnh báo lũ quét và sạt lở đất ở Việt Nam.................................................... 3
1.2.1 Khái niệm lũ quét và sạt lở đất...................................................................................... 3
1.2.2 Thực trạng cảnh báo lũ quét và sạt lở đất trên thế giới và Việt Nam...................4
1.3 Kết luận...................................................................................................................................... 4
Chương 2: Thiết kế hệ thống.......................................................................................................... 5
2.1 Thiết kế tổng quan................................................................................................................... 5
2.2 Thiết kế phần cứng.................................................................................................................. 7
2.2.1 Mạch Arduino................................................................................................................... 7
2.2.2 Mô – đun nguồn và quản lí sạc / sả điện..................................................................... 8
2.2.3 Còi cảnh báo...................................................................................................................... 9
2.2.4 Pin Lithium........................................................................................................................ 9
2.2.5 Mô-đun sim 900A............................................................................................................ 9
2.2.6 Pin năng lượng mặt trời................................................................................................ 10

2.2.7 Cảm biến.......................................................................................................................... 11
a. Cảm biến mức................................................................................................................ 11
b. Cảm biến siêu âm............................................................................................................ 13
v


2.3 Phần mềm ......................................................................................................... 15
2.3.1 Arduino IDE ...............................................................................................15
2.3.2

Thuật toán của hệ đo mưa ...........................................................................16

a. Cách xác định ngưỡng cảnh báo ...................................................................16
b. Lưu đồ thuật toán của hệ đo mưa .................................................................17
2.3.3

Thuật toán của hệ đo mức lũ .......................................................................19

a. Cách xác định ngưỡng cảnh báo ...................................................................19
b. Lưu đồ thuật toán của hệ đo mức lũ ............................................................. 20
Chương 3 : Thực Hiện ...............................................................................................22
3.1

Chế tạo mạch in ................................................................................................22
3.2 Hệ đo mưa ........................................................................................................24

3.2.1

Gầu đo mưa ................................................................................................24

3.2.2

Hình ảnh thực tế của hệ đo mưa.................................................................. 24

3.3

Hệ đo mức lũ ....................................................................................................25

3.3.1

Ống thủy tĩnh .............................................................................................25

3.3.2

Hình ảnh thực tế của hệ đo lũ .....................................................................26

Chương 4: Kết quả đạt được ...................................................................................... 27
4.1 Thử nghiệm với hệ đo mưa ...............................................................................27
4.2

Thử nghiệm với hệ đo mức lũ ........................................................................... 29

4.3

Ước tính điện năng tiêu thụ ...............................................................................30

4.4

Ước tính chi phí ................................................................................................31

KẾT LUẬN ...............................................................................................................33
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................... 34

vi


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Số lần lũ quét trên 1 năm xảy ra từ 1958-2004 tại các tỉnh phía Bắc.................. 2
Hình 2.1: Mô hình khái niệm hệ thống......................................................................................... 5
Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ đo mưa..................................................................................................... 6
Hình 2.3: Sơ đồ khối hệ đo lũ.......................................................................................................... 7
Hình 2.4: Mạch Arduino UNO cơ bản.......................................................................................... 8
Hình 2.5: Mô-đun nguồn LM2596……………………………………………………..9
Hình 2.6: Mô-đun sạc/TP4056........................................................................................................ 9
Hình 2.7: Còi cảnh báo..................................................................................................................... 9
Hình 2.8: Mô-đun sim900A.......................................................................................................... 10
Hình 2.9: Bản năng lượng mặt trời.............................................................................................. 10
Hình 2.10: Nguyên lí của cảm biến mức.................................................................................... 11
Hình 2.11: Cảm biến mức.............................................................................................................. 11
Hình 2.12: Vi mạch LM358........................................................................................................... 12
Hình 2.13: Sơ đồ chức năng của 74HC165............................................................................... 12
Hình 2.14: Hệ đo mưa sử dụmng cảm biến mức...................................................................... 13
Hình 2.15 : Mô-đun cảm biến siêu âm SRF05.......................................................................... 14
Hình 2.16: Dòng thời gian cảm biến siêu âm............................................................................ 15
Hình 2.17: Arduino IDE................................................................................................................. 16
Hình 2.18: Thuật toán thiết bị đo mưa sử dụng cảm biến siêu âm....................................... 17
Hình 2.19: Thuật toán thiết bị đo mưa sử dụng cảm biến mức............................................ 18
Hình 2.20: Thuận toán thời gian lấy mẫu................................................................................... 20
Hình 2.21: Thuật toán hệ đo mức lũ............................................................................................ 21
Hình 3.1: Altium Designer 14....................................................................................................... 22

Hình 3.2: Mạch in của cảm biến mức......................................................................................... 22
Hình 3.3: Mạch mở rộng cảm biến, sạc và hiển thị LED trạng thái.................................... 23
Hình 3.4: Mạch mở rộng Arduino thiết bị đo mức lũ.............................................................. 23
Hình 3.5: Thông số kĩ thuật của gầu đo mưa............................................................................. 24
Hình 3.6: Hộp cảm biến và xử lí thiết bị đo mưa..................................................................... 25
Hình 3.7: Ống thủy tĩnh.................................................................................................................. 26
Hình 3.8: Hình ảnh mô hình của hệ đo mức lũ......................................................................... 26
Hình 4.1: Gầu đo mưa………………………………………………………………...28
Hình 4.2: Hộp cảm biến ………………………………………………………………28
Hình 4.3: Đầu đo cảm biến mức sau 1 thời gia sử dụng......................................................... 28
Hình 4.4: Hình ảnh dữ liệu hiển thị trang chủ........................................................................... 30

vii


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT
Kí Hiệu

Tiếng Anh

Tiếng Việt

MCU

Micro Controller Unit

Vi điều khiển

GSM

Global System for Mobile

Hệ thống thông tin di động toàn

Communications

cầu

GPRS

General Packet Radio Service

Dịch vụ dữ liệu di động dạng gói

IDE

Integrated Development

Môi trường phát triển tích hợp

Environment
PCB

Printed circuit board

Mạch in

IoT

Internet of Thing

Internet của vạn vật

GPS

Global Positioning Systems

Hệ thống định vị toàn cầu

DANH MỤC CÁC BẢNG:
Bảng 2.1: Thông số kĩ thuật của Arduino Uno............................................................................ 8
Bảng 2.2: Các chân của cảm biên siêu âm................................................................................. 14
Bảng 4.1: Thử nghiệm hệ đo mưa sử dụng cảm biến mức..................................................... 27
Bảng 4.2: Thử nghiệm hệ đo mưa sử dụng cảm biến siêu âm............................................... 27
Bảng 4.3: Thử nghiệm với thiết bị đo mức lũ........................................................................... 29
Bảng 4.4 : Điện năng tiêu thụ của thiết bị đo mưa................................................................... 30
Bảng 4.5: Điện năng tiêu thụ của thiết bị đo mức lũ............................................................... 31
Bảng 4.6: Ước tính chi phí của hệ đo mưa................................................................................ 31
Bảng 4.7: Ước tính chi phí của hệ đo lũ..................................................................................... 32

viii


LỜI MỞ ĐẦU
Tây Bắc là khu vực thuộc loại khó khăn nhất của đất nước bởi vì nhiều lí do như địa
hình chia cắt, hay gặp thiên tai như: lũ lụt, sạt lở đất, rét đậm, rét hại …Do địa hình gồm
nhiều đồi núi, mỗi năm vào mùa mưa lũ ở đây thường sảy ra lũ quét và sạt lở đất gây ra
nhiều thiệt hại lớn về người và tài sản. Việc tạo ra 1 thiết bị giá rẻ có thể dự báo sớm lũ
và sạt lở đất do mưa gây ra là điều vô cùng ý nghĩa với đồng bào , nơi mà tỷ lệ hộ nghèo
gấp 2,7 lần so với trung bình của cả nước [1].Mặc dù trên thị trường có nhiều thiết bị

khác nhau để đo mưa và cảnh báo lũ .Chúng có ưu điểm về độ chính xác cao nhưng lại
quá đắt đỏ hoặc rất khó khăn để đưa vào thực tế, ví dụ như hệ thống cảnh báo bằng vệ
tinh, hay những vũ lượng kế tự động. Ở những vùng núi, thông thường lượng mưa,và hệ
thống sông suối phân bổ không đều ở các khu vực khác nhau [2].Những hệ đo mưa, lũ
đắt tiền thường sẽ chỉ được trang bị ở những trạm khí tượng cơ bản, nó làm giảm đi tính
bao quát của các kết quả đo. Hệ đo mưa giá rẻ không chỉ góp phần tăng tính đa dạng của
các kết quả đo mà nó còn góp phần nâng cao nhận thức của đồng bào (đa phần là các
đân tộc thiểu số) về phòng ngừa thiên tai.
Hệ thống đo mưa được đặt ngay tromg khu dân cư nên có tác dụng cảnh báo tức thời
khi có nguy cơ xảy ra lũ hoặc sạt lở đất. Hệ thống đo mức lũ sẽ gửi dữ liệu về trang chủ
và nhà chức trách để có thể đưa ra những quyết định kịp thời.
Nội dung của đồ án được tóm tắt như sau:
Chương 1: Tìm hiểu thực trạng cảnh báo lũ và sạt lở đất ở Việt Nam
Chương 2: Thiết kế hệ thống
Chương 3: Thực hiện
Chương 4: Các kết quả đạt được
Tuy nhiên do thời gian nên khóa luận này chưa đề cập được đầy đủ mọi vấn đề liên
quan, và chắc chắn là sẽ không tránh khỏi những sai sót. Em rất mong nhận được nhiều
ý kiến đóng góp để em có thêm những kiến thức quý báu cho những công việc trong
tương lai.
Em

xin

chân

thành
ix

cảm

ơn!


Chương 1: Tìm hiểu thực trạng cảnh báo lũ quét và sạt lở đất ở Việt Nam
1.1 Thực trạng lũ quét và sạt lở đất ở Việt Nam
Lũ quét và sạt lở đất là một trong số những loại hình thiên tai phổ biến nhất trên thế
giới và cả ở Việt Nam. Ba phần tư lãnh thổ Việt Nam là địa hình đồi núi, nơi này thì dân
cư sinh sống phân tán và bao gồm nhiều dân tộc thiểu số. Các hoạt động kinh tế - xã hội
chưa được quy hoạch hợp lý nên hằng năm lũ quét và sạt lở đất để lại hậu quả rất
nghiêm trọng, đôi khi kéo tụt lại nhiều năm phát triển của địa phương. Những năm gần
đây do ảnh hưởng của biến đồi khí hậu, các loại hình thiên tai xảy ra với tần suất và
cường độ ngày càng gia tăng gây thiệt hại nghiêm trọng về người và tài sản. Theo thống
kê từ năm 2000 đến năm 2014 cả nước đã xảy ra 250 vụ lũ quét và sạt lở đất lớn nhỏ
ảnh hưởng đến các khu dân cư, làm chết và mất tích 616 người, bị thương 351 người,
hơn 9700 căn nhà bị đổ trôi, hơn 100,000 căn nhà bị ngập, hư hại nặng; nhiều công trình
giao thông, thủy lợi trọng yếu bị hư hại năng nề, tổng thiệt hại ước tính trên 3,300 tỷ
đồng. Các tỉnh thường xảy ra lũ quét và sạt lở đất bao gồm: Lào Cai, Hà Giang, Lai
Châu, Sơn La, Cao Bằng, Bắc Cạn, Yên Bái, Nghệ An, Quảng Nam, Kon Tum, Gia Lai,
Đắc Lắc, Bình Thuận.[3]
Một số trận lũ quét và sạt lở đất điển hình diễn gia trong những năm qua như:
- Trận lũ ngày 15/7/2000 tại huyện Sa Pa, tỉnh Lào Cai làm 20 người chết, 25
người bị thương;
- Trận lũ quét ngày 3/10/2000 tại bản Nậm Coóng xã Nậm Cuổi huyện Sìn Hồ
tỉnh Lai Châu làm 39 người chết, 18 người bị thương.
- Trận lũ quét ngày 16/8/2002 tại huyện Bắc Quang và Xín Mần tỉnh Hà Giang
làm 25 người chết, 17 người bị thương;
- Trận lũ quét ngày 20/9/2002 xảy ra ở các huyện Hương Sơn, Hương Khê và Vụ
Quang tỉnh Hà Tĩnh làm 53 người chết và mất tích, 111 người bị thương;
- Trận lũ lịch sử ở 2 xã Du Tiến, Du Già huyện Yên Minh tỉnh Hà Giang năm

2004 làm 45 người chết;
- Sạt lở đất núi tại tỉnh Lào Cai năm 2004 đã làm 22 người chết và mất tích và 16
người bị thương, trong đó có hộ cả gia đình thiệt mạng.
- Trận lũ quét ngày 28/9/2005 tại huyện Văn Chấn, tỉnh Yên Bái đã làm 50 người
chết và mất tích.
- Lũ, lũ quét, sạt lở đất sau bão số 4 và số 6, tại Lào Cai, Yên Bái năm 2008 làm
120 người chết và mất tích.
- Sạt lở đất tại xã Pắc Nậm, Bắc Kạn năm 2009 làm 13 người chết và mất tích, 5
người bị thương.
1


- Trận lũ ống, lũ quét tháng 9 năm 2011 tại các tỉnh Thanh Hóa, Nghệ An làm 6
người chết
- Trận lũ quét ngày 05/9/2013 tại xã Bản Khoang, huyện Sa Pa tỉnh Lào Cai làm
11 người chết và mất tích, 16 người bị thương.
- Lũ quét và sạt lở đất năm 2014: Từ đầu năm đến 6/2014 do ảnh hưởng của
hoàn lưu bão số 2 và mưa lớn đã xảy ra các trận lũ quét và sạt lở đất trên địa bàn các
tỉnh miền núi (Hà Giang, Lai Châu, Cao Bằng, Sơn La…) làm chết và mất tích 24
người, trong đó có 2 gia đình ở thị trấn Tam Đường và huyện Hoàng Su Phì bị thiệt
mạng tới 5 người trong nhà.
Hình 1 là thống kê số lần xảy ra lũ quét và sạt lở đất ở Tây Bắc trong giai đoạn 19582004 [4]:

Hình 1.1: Số lần lũ quét trên 1 năm xảy ra từ 1958-2004 tại các tỉnh phía Bắc
Thiệt hại do lũ quét, trượt lở đất chủ yếu do các nguyên nhân khách quan như mưa
cường độ lớn, tập trung trong một thời gian ngắn tại những khu vực có độ dốc lớn, tốc
độ dòng chảy mạnh có sức tàn phá lớn, nhưng trong rất nhiều trường hợp những thiệt
hại xảy ra là do tác động của hoạt động phát triển kinh tế của con người.
2

Nguyên nhân chính và quan trọng nhất dẫn đến lũ quét và sạt lở đất là do lượng mưa
với cường độ lớn, tập trung trong thời gian ngắn. Như vậy để dự báo được lũ quét và sạt
lở đất, việc tính toán được lượng mưa và lượng nước tập trung trên các con sông, suối là
điều vô cùng quan trọng. Trên thế giới và Việt Nam có nhiều hệ thống có thể xác định
được lượng mưa và lượng nước tập trung bất thường. Nhưng đặc điểm chung của chúng
là hạn chế về mặt giá thành, nhất khi triển khai đại trà đến nhiều địa điểm khu dân cư
khác nhau. Hệ đo mưa, đo mực nước lũ giá rẻ sẽ giải quyết được vấn đề đó mà vẫn đảm
bảo sự chính xác của hệ thống.
1.2 Thực trạng cảnh báo lũ quét và sạt lở đất ở Việt Nam
1.2.1 Khái niệm lũ quét và sạt lở đất
Lũ quét và sạt lở đất là lũ xảy ra bất ngờ trên các lưu vực sông suối nhỏ miền núi,
dòng chảy xiết, thường kèm theo bùn đá, lũ lên nhanh, xuống nhanh, có sức tàn phá
lớn. Đặc điểm chính của lũ quét và sạt lở đất.
- Chứa lượng vật rắn rất lớn: Lũ quét thường có tỷ lệ vật chất rắn rất lớn, thường
chiếm 3-10%, thậm chí trên 10% và trở thành dạng lũ bùn đá, rất hay xảy ra ở nước ta.
- Lũ quét có sức tàn phá rất lớn, gây thiệt hại lớn về người và tài sản. Vì vậy, động
lực của nó rất lớn, sức tàn phá lớn xuất hiện trên lưu vực có sườn dốc cao, độ dốc lớn và
hình dạng thích hợp cho mạng sông suối tập trung nước nhanh. Lũ xảy ra trong thời
gian ngắn (thường vào đêm và sáng), có tốc độ lớn, quét mọi thứ trên đường đi.
- Lũ quét nghẽn dòng: do vỡ các đập tạm thời do cây cối, rác, bùn cát và các vật thể
khác làm nghẽn dòng sông, suối do mưa lớn gây ra.
Lũ quét nghẽn dòng là loại hình lũ miền núi thường phát sinh từ các khu vực có nhiều
trượt lở ven sông, suối. Đó là các khu vực đang có biến dạng mạnh, sông suối đào xẻ
lòng dữ dội, mặt cắt hẹp, sườn núi rất dốc. Do mưa lớn kéo dài, dòng suối đột nhiên bị
tắc nghẽn, nước sông suối dâng cao ngập một vùng rộng lớn thường là các vùng lòng
chảo, những thung lũng. Khi dòng lũ tích tụ đến mức đập chắn bị mất ổn định và vỡ,
lượng nước tích lại trong vùng lòng chảo khi bị nghẽn dòng được giải phóng đột ngột
tạo thành sóng lũ lớn cho phía hạ lưu.
- Lũ bùn đá là dòng lũ đậm đặc bùn đá, cuộn chảy với động năng lớn. Lượng bùn đá

trong dòng lũ chủ yếu do sạt lở núi cung cấp. Một phần bùn đá được lấy từ vật liệu có
sẵn trong lòng suối. Đây là loại lũ quét đặc biệt nguy hiểm, thường gây nhiều thương
vong lớn.
- Lũ quét vỡ đập, đê, hồ chứa: là lũ do vỡ hồ, đập, đê hoặc công trình thuỷ điện, thuỷ
lới gây ra. Lũ quét dạng này có sức tàn phá rất lớn trong khu vực rộng.

3


- Lũ quét hỗn hợp là tổ hợp bất lợi giữa nhiều dạng thiên tai như sạt lở đất, lũ quét
sườn dốc, lũ bùn đá. Đây là dạng lũ thường xảy ra nhiều ở vùng núi nước ta và chúng có
sức tàn phá mạnh, trong khu vực rộng.
1.2.2 Thực trạng cảnh báo lũ quét và sạt lở đất trên thế giới và Việt Nam
Trên thế giới mỗi năm xảy ra rất nhiều các vụ lũ quét và sạt lở đấy lớn nhỏ làm thiệt
hại nghiêm trọng về người và tài sản. Đặc biệt là ở các nước thuộc Châu Á như Ấn Độ,
Trung Quốc, Nhật Bản, Pakistan, Nelpan, Bangladesh, một số nước ở khu vực châ Âu
như Pháp, Ý, Tây Ban Nha, hay các khu vực Đông Nam Á khác như Việt Nam,
Indonesia, Philippin. Chính vì những thiệt hại lớn về người và tài sản như vậy, ngay từ
những năm 80 của thế kỷ XX, nhiều nước trên thế giới đã chú ý đến nghiên cứu tìm ra
các biện pháp, công cụ để sớm cảnh báo tai biến do lũ quét và sạt lở đất nhằm giảm
thiểu thiệt hại do chúng gây ra.Việc cảnh báo dài hạn là phương pháp sử dụng dữ liệu
ảnh viễn thám, kết hợp với thông tin địa lí toàn cầu GPS( Global Positioning System) và
các mô hình toán học để xây dựng bản đồ về các khu vực có nguy cơ xảy ra lũ quét và
sạt lở đất cao. Việc cảnh báo tức thời là sử dụng cảm biến để nhận dạng các dấu hiệu
ngay trước khi thảm họa có thể xảy ra. Ví dụ như các hệ đo mưa thương mại phổ biến
như model 52202-10-L/52203-L Tipping Bucket [5], máy đo mưa có dây với hai bộ đếm
RAINEW-211 803-1002 [6]. Chúng có đặc điểm chung là giá thành tương đối đắt đỏ,
khó có thể đưa vào đại trà. Hiện tại ở Việt Nam chưa có hệ thống nào có thể xác định
được lũ quét và sạt lở đất dựa vào lượng mưa.
1.3 Kết luận

Lũ quét và sạt lở đất là loại hình thiên tai phổ biến nhất trên thế giới và Việt Nam nơi
mà ba phần tư lãnh thổ có địa hình đồi núi, hoạt động kinh tế - xã hội chưa được quy
hoạch một các hợp lí nên thường xảy ra lũ quét và sạt lở đất. Những năm gần đây, do tác
động của biến đổi khí hậu, các loại hình thiên tai này diễn ra với tần suất và cường độ
ngày càng gia tăng gây thiệt hại lớn về người và tài sản.
Mưa và lượng nước dồn nhanh với cường độ lớn là nguyên nhân trực tiếp gây ra lũ
quét và sạt lở đất. Đo được lượng mưa và lượng nước trên các sông suối theo thời gian
là 1 phương pháp tốt có thể cảnh báo sớm lũ và sạt lở đất. Trên thế giới có nhiều hệ đo
mưa, đo mực nước lũ khác nhau như việc sử dụng công nghệ viễn thám, hay các thiết bị
như model 52202-10-L/52203-L Tipping Bucket , RAINEW-211 803-1002. Đặc điểm
chung của chúng là tương đối đắt đỏ và không thể triển khai với quy mô đại trà ở điều
kiện Việt Nam. Hệ đo mưa, đo mức lũ giá rẻ là một giải pháp phù hợp mà vẫn đảm bảo
được độ chính xác của các kết quả đo. Hệ đo mưa đã được triển khai ở điều kiện thực tế
tại tỉnh Hà Giang và cho kết quả tốt. Đây chính là điều kiện để có thể triển khai đại trà
trong tương lai.

4


Chương 2: Thiết kế hệ thống
Hệ đo mưa và đo mức lũ bao gồm 2 thiết bị hoàn toàn độc lập với nhau, nhưng nhìn
chung chúng vẫn phải đảm bảo đầy đủ các yêu cầu về mặt thiết kế sau:
-

Tổng chi phí phải ít hơn 2 triệu đồng.

-

Hệ thống phải hoạt động được trong 1 thời gian khi không có nguồn điện.

-

Cảm biến phải xác định được các mực nước khác nhau trong gầu đo mưa.

-

Phải đưa ra được cảnh báo tức thời tới người sử dụng khi các thông số đo
vượt quá ngưỡng an toàn.

-

Các đèn trạng thái phải thể hiện được mức nước theo thời gian thực.

2.1 Thiết kế tổng quan
Hình 2.1 miêu tả thiết kế về mặt khái niệm của hệ. Nó bao gồm 2 thiết bị độc lập.
Đầu tiên là thiết bị đo mức lũ, nó sử dụng năng lượng mặt trời, cảm biến sẽ đo mực
nước trên các dòng sông, suối sau đó sẽ truyền dữ liệu về trang chủ, đồng thời sẽ phát
tín hiệu cảnh báo đến nhà chức trách thông quan công nghệ GSM khi nó vượt quá
ngưỡng an toàn. Thiết bị thứ 2 có nhiệm vụ đo lượng nước mưa theo thời gian thực, nó
sẽ cảnh tức thời khi lượng nước vượt quá ngưỡng an toàn bằng còi cảnh báo ngay tại vị
trí mà thiết bị được đặt thường là trong khu dân cư.

Hình 2.1: Mô hình khái niệm hệ thống
Ở thiết bị đo mưa, nó bao gồm các thành phần như cảm biến, khối nguồn và pin, vi
điều khiển, còi cảnh báo…Hình 2.2 sẽ mô tả sơ đồ khối của hệ.

5


Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ đo mưa

Thiết bị đo mưa sẽ có 2 chế độ làm việc khác nhau. Chế độ 1 khi có nguồn điện, thiết
bị sẽ sử dụng trực tiếp năng lượng từ nguồn điện, và lúc này pin Litium 6000 mAh được
sạc. Ngược lại ở chế độ 2 khi mất điện điều rất hay sảy ra trong điều kiện mưa lũ, thiết
bị sẽ sử dụng điện năng được tích lũy trong pin Lithium. Cảm biến sẽ cung cấp dữ liệu
cho về lượng nước hiện có trong gầu đo mưa. Sau đó vi điều khiển họ AVR có nhiệm vụ
tính toán lượng nước theo thời gian và quyết định xem có đưa ra cảnh báo hay không.
Thiết bị đo lũ bao gồm 1 mô-đun năng lượng mặt trời, pin có khả năng sạc được, cảm
biến đo lượng nước, mô-đun truyền dữ liệu GSM, vi điều khiển… Dữ liệu từ cảm biến
sau khi được xử lí sẽ được truyền về trang chủ và gửi đến nhà chức trách thông qua môđun GSM sim900A. Vì hệ được đặt ở trên các dòng sông, suối nên thiết bị phải có khả
năng sử dụng năng lượng mặt trời để có thế chủ động nguồn điện. Hình 2.3 sẽ mô tả các
khối của thiết bị:

6


Hình 2.3: Sơ đồ khối hệ đo lũ
2.2 Thiết kế phần cứng
Ở phần này sẽ trình bày các cấu kiện con của cả 2 thiết bị.
2.2.1 Mạch Arduino
Vi điều khiển là bộ não của thiết bị.Vi điều khiển là một chip máy tính thu nhỏ,
cho phép các hệ thống điện tử thực hiện tính toán các phép logic thức tạp. Có rất nhiều
các loại vi điều khiển tích hợp số khác nhau như họ AVR, PIC, 8051… Arduino Uno là
một mạch vi điều kiển dựa trên chip ATmega328P. Nó có 14 chân vào ra kỹ thuật số, sử
dụng thạch anh 16 Mhz, kết nối USB. Nó chứa tất cả các hỗ trợ cần thiết cho vi điều
khiển; kết nối một cách đơn giản với máy tính thông qua giao tiếp USB. Năng lượng
cung cấp cho vi mạch này có thể là thông qua cổng kết nối USB, bộ chuyển đổi điện áp
AC-DC hoặc từ nguồn pin [4]. Ưu điển của vi mạch này là có một nền tảng phần cứng
và phần mềm ổn định, có IDE thân thiện và dễ dàng thao tác cho người sử dụng. Khác
với các vi mạch vi điều khiển khác là không cần thêm mạch nạp, việc nạp chương trình
thông qua trình biên dịch IDE và kết nối USB sẵn có. Giá thành rẻ giúp giảm giá thành

sản phẩm và tăng quy mô sản xuất.
Tất cả các vi điều khiển Arduino hoạt động ở điện áp 5V và 3,3V. Hình 2.4 sẽ mô tả
cơ bản các đặc điểm cơ bản về bo mạch Arduino Uno [7], và bảng 2.1 là các thông số kĩ
thuật của Arduino Uno R3.

7


Hình 2.4: Mạch Arduino UNO cơ bản
Bảng 2.1: Thông số kĩ thuật của Arduino Uno
Chi tiết về Arduino Uno
Vi điều khiển

ATmega 328P

Kích cỡ

6.85x 5.84 cm

Điện áp hoạt động

3.3 – 5 V

Điện áp lối vào

6 – 20 V

Số chân Analog

6

Số chân I/O Digital

14

Cường độ dòng điện
1 chiều

40mA

Xung nhịp hoạt
động

16MHz

2.2.2 Mô – đun nguồn và quản lí sạc / sả điện
Mô-đun LM2596 (hình 2.5) là mô-đun chỉnh lưu dòng điện 9-12 V sang 5 V để
cung cấp điện áp cho hệ thống trong trường hợp không mất điện và cung cấp dòng
điện đầu vào cho mô-đun sạc/ sả pin lithium.
8


Để dự trữ điện năng vào 2 pin Lithium cho những ngày mất điện, ta cần cần 1 modul
có khả năng sạc điện cho Pin Lithium. Mô-đun TP4056 (hình 2.6) là mô-đun điều tiết
điện cho pin. Nó có nhiệm vụ sạc/ sả một cách hợp lí, ngắt khi pin đầy và sạc trở lại khi
hết pin.

Hình 2.5: Mô-đun nguồn LM2596
Hình 2.6: Mô-đun sạc/TP4056
2.2.3 Còi cảnh báo

Còi báo động giúp cảnh báo khi hệ thống tính toán và phát hiện ra nguy cơ xảy ra lũ
hoặc trượt lở đất. Hình 2.7 là hình ảnh thực tế của còi cảnh báo. Nó hoạt động ở tần số
cao, với công suất lớn gây khó chịu cho người sử dụng (và sẽ gây chú ý của người dân).
Vì thế, còi này rất thích hợp để cảnh báo trong khu dân cư. Còi hoạt động ở điện áp
3.7V đến 12V.

Hình 2.7: Còi cảnh báo
2.2.4 Pin Lithium
Pin Lithium gồm 2 pin Lithium 3.7V – 3000mAh được nối song song với nhau để có
nguồn 3.7V – 6000mAh. Một trong những lý do quan trọng của việc sử dụng nguồn dự
phòng là cung cấp điện áp cho toàn hệ thống trong trường hợp mất điện. Tại khu vực đồi
núi thường mất điện mỗi khi có mưa lớn. Tuy nhiên, hệ thông cần luôn hoạt động để kịp
thời cảnh báo khi có hiện tượng trượt lở đất xảy ra. Vì thế nguồn dự phòng là giải pháp
rất cần thiết cho hệ thống này.
2.2.5 Mô-đun sim 900A
Ở hệ đo mức lũ, ta cần 1 thiết bị có thể kết nối với thể giới bên ngoài để truyền thông
tin, Mô-đun sim900 được lựa chọn vì sự phổ biến, tương đối dễ sử dụng và đáp ứng
được đầy đủ yêu cầu về mặt thiết kế.
9


Mô-đun sim900 hoạt động ở băng tần 900/1900 Hz trên công nghệ GSM. Nó sử dụng
nguồn điện áp 9 V. Sim900 hộ trợ nhiều chuẩn kết nối như RS232, giao tiếp với
vi điều khiển, có Mic thoại và Audio. Hình 2.8 là phiên bản thực tế của Mô-đun
sim900A do công ty Minh Hà sản xuất.

Hình 2.8: Mô-đun sim900A
2.2.6 Pin năng lượng mặt trời
Một đặc điểm quan trọng của hệ đo mức lũ là nó được đặt ở trên bờ các dòng sông,
suối. Như vậy thì nguồn điện cung cấp cho thiết bị là 1 bài toán phải được đặt ra. Pin

năng lượng mặt trời là 1 giải pháp thay thế tương đối rẻ và hiệu quả. Việc tính toán
những ngày có nắng, khả năng sạc đầy pin là điều vô cùng quan trọng để đánh giá được
khả năng hoạt động của hệ thống.
Hình 2.9 là 1 bảng thu năng lượng mặt trời với công suất trung bình, giá rẻ, phù hợp
với hệ thống.

Hình 2.9: Bản năng lượng mặt trời
10


2.2.7 Cảm biến
Đối với bất kì một hệ đo lường điện tử nào cảm biến luôn là một trong số những
thành phần quan trọng nhất. Các kết quả đo có chính xác hay không đều phụ thuộc vào
cảm biến. Về mặt kĩ thuật báo cáo này sẽ trình bày 2 phương pháp khác nhau để đo
được mực nước, đó là sử dụng cảm biến mức và cảm biến siêu âm. Đây là 2 phương
pháp đã được thử nghiệm thực tế trong quá trình thực hiện báo cáo. Dựa vào kết quả
thực tế, cuối cùng sẽ đưa ra được ưu và nhược điểm của từng phương pháp.
a. Cảm biến mức
Cảm biến mức được chế tạo dựa trên nguyên lí cơ bản đó là sự dẫn điện của nước.
Hầu hết các loại nước đều chứa các loại ion có khả năng vận chuyển điện tử. Hình 2.10
sẽ miêu tả cơ chế hoạt động của cảm biến mức. Cảm biến sẽ bao gồm rất nhiều điện cực
khác nhau, mỗi điện cực tương ứng với một mực nước trong gầu đo mưa. Khi điện cực
ngập trong nước sẽ tạo thành mạch thông, tín hiệu được khuếch đại và truyền về vi xử
lí.

Hình 2.10: Nguyên lí của cảm biến mức

Hình 2.11: Cảm biến mức
11

- Bởi vì tín hiệu điện áp khi mạch thông là tương đối nhỏ. Ta cần khuếch đại nó lên
trước khi đưa và vi điều khiển để xử lí. Vi mạch LM358 có tác dụng như vậy.

Hình 2.12: Vi mạch LM358
-Cảm biến mức có rất nhiều các điện cực khác nhau, đôi khi số lượng lên đến vài chục
mức. Tuy nhiên số lượng chân của vi điều khiển là có hạn. Vi mạch 74HC165 sẽ có
nhiệm vụ chuyển các bits song song của cảm biến mức trở thành 1 chuỗi các bits nối
tiếp để xử lí. Nó giúp tiết kiệm số đường dây nối với vi điều khiển, đồng thời khả năng
xử lí được cải thiện hơn. Hình 2.13 là hình ảnh sơ đồ các pin của 74HC165 [8].

Hình 2.13: Sơ đồ chức năng của 74HC165
Như vậy để tổng kết lại cảm biến mức là 1 thiết bị có thể đo được nhiều mức nước
khác nhau. Tín hiệu từ các điện cực sẽ được đưa qua 1 bộ so sánh và khuếch đại điện áp.
Nếu điện cực thông, vi điều khiển sẽ quyết định là mức 1 hoặc ngược lại. Cuối cùng
chúng được đưa qua bộ chuyển đổi song song sang nối tiếp. Việc này sẽ tiết kiệm đáng
kể số lượng chân vi điều khiển cần phải sử dụng. Hình 2.14 miêu tả lại quá trình hoạt
động của cảm biến mức ứng với trường hợp của hệ đo mưa.

12


Hình 2.14: Hệ đo mưa sử dụmng cảm biến mức
b. Cảm biến siêu âm
Sóng siêu âm là một loại sóng cao tần mà con người không thể nghe thấy được. Tuy
nhiên, ta có thể thấy được sự hiện diện của sóng siêu âm ở khắp mọi nơi trong tự nhiên.
Các loại động vật như dơi, cá heo …dùng sóng siêu âm để liên hệ với nhau, để săn mồi
hay định vị không gian [9].
Dựa vào quan sát từ tự nhiên, việc sử dụng sóng siêu âm để định vị hoặc tìm ra vị trí
của vật thể hồm 3 bước đơn giản:

-

Vật chủ phát ra sóng siêu âm
Sóng này va chạm với môi trường xung quanh và bị phản xạ lại.
Dựa vào thời gian phát thu , khoảng cách giữa vật chủ và môi trường xung
quanh được tính ra

Cảm biên siêu âm SRF05 cũng dựa trên nguyên tắc trên, thiết bị gồm 2 loa – thu và
phát – cùng với 5 chân để kết nối chân với cảm biến với Arduino. Theo tài liệu từ nhà
sản xuất tầm hoạt động của cảm biến siêu âm là từ 2cm – 5m.
Cảm biến siêu âm SRF05:
Cảm biến siêu âm SRF05 được sử dụng rất phổ biến để xác định khoảng cánh vì giá
rẻ và độ chính xác cao. Cảm biến xử dụng sóng siêu âm có thể đo khoảng các từ 2 cm
đến 5m với độ chính xác gần như chỉ phụ thuộc vào cách lập trình. Bảng 2.2 là miêu tả
về chức năng của các chân cảm biến siêu âm SRF05.

13


Bảng 2.2: Các chân của cảm biên siêu âm
Chân
Chức năng
Vcc

Nguồn 5 V

Trig

Chân lối ra Digital

Echo

Chân
Digital

Out

Cài đặt

GND

Đất

lối

vào

Hình 2.15 là hình ảnh trên thực tể của mô-đun cảm biến siêu âm SRF05. Nó có 2 bộ
phận phát (Trig) và thu (Echo) tín hiệu. Hình ảnh trực quan trông giống như 2 cái mắt
của mô-đun.

Hình 2.15 : Mô-đun cảm biến siêu âm SRF05
Để đo được khoảng cách SRF05 sẽ phát ra 1 xung rất ngắn (5 µs) từ chân Trig. Sau
đó cảm biến sẽ tạo ra 1 xung HIGH ở chân Echo cho đến tận khi nhận được sóng phản
xạ từ chân này. Chiều rộng của xung sẽ là khoảng thời gian sóng siêu âm từ cảm biến
gặp vật và quay lại [10]. Hình 2.16 miêu tả dòng thời gian của cảm biến siêu âm SRF05.

14

Hình 2.16: Dòng thời gian cảm biến siêu âm
Công thức tính khoảng cách:
Trong không gian sóng siêu âm di chuyển với tốc độ là 340 m/s, tương đương với
29.412 µs/cm.
Gọi T là thời gian tín hiệu phát đến lúc chân Echo nhận được. D là khoảng cách giũa
vật cản và cảm biến siêu âm. Phương trình 1 tính ra được khoảng cách:

D=

.

(1)

(cm)

2.3 Phần mềm
2.3.1 Arduino IDE
Thiết bị sẽ được lập trình trên môi trường Arduino IDE do nhà sản xuất vi điều khiển
cung cấp. Dựa trên ngôn ngữ lập trình C, Arduino IDE đưa đến cho người sử dụng 1
môi trường thân thiện, rất dễ dùng. Nó hỗ trợ nhiều thư viện khác nhau như về Robot,
Ethernet, Wifi, GSM…[11]
Arduino được hỗ trợ bở 1 cộng đổng đông đảo với rất nhiều các dự án khác nhau. Nó
1 nguồn tài liệu tham khảo vô cùng phong phú và hữu ích đối với những người sử dụng.
Việc tối ưu hóa các hàm thực thi vừa là điểm mạnh và điểm yếu của Arduino IDE. Các
hàm được tích hợp sắn sẽ đương đối dễ sự dụng, nhưng đôi khi người sử dụng sẽ không
hiểu được bản chất của vấn đề dẫn đến sử dụng chúng không đúng ý nghĩa vốn có. Hình
2.17 là 1 cửa sổ hiển thị của Arduino IDE.

15