Nghiên cứu, xây dựng hệ thống giám sát vị trí và cảnh báo rung lắc của phao, phục vụ quan trắc môi trường biển

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

BÙI XUÂN THÀNH

NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT
VỊ TRÍ VÀ CẢNH BÁO RUNG LẮC CỦA PHAO,
PHỤC VỤ QUAN TRẮC MÔI TRƢỜNG BIỂN

LUẬN VĂN THẠC SĨ
CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Hà Nội - 2019


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

BÙI XUÂN THÀNH

NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT
VỊ TRÍ VÀ CẢNH BÁO RUNG LẮC CỦA PHAO,
PHỤC VỤ QUAN TRẮC MÔI TRƢỜNG BIỂN
Ngành:

Công nghệ Điện tử Viễn thông

Chuyên ngành:

Kỹ thuật Điện tử

Mã số:

8510302.01
LUẬN VĂN THẠC SĨ

CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
Xác nhận của cán bộ hướng dẫn

TS. NGUYỄN TIẾN ANH

TS. TRẦN THỊ THÚY QUỲNH

Hà Nội - 2019


LỜI CẢM ƠN
Trước hết, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Nguyễn Tiến Anh
(HVKTQS) và TS. Trần Thị Thúy Quỳnh (ĐHCN), những người đã tận tình
hướng dẫn em trong suốt thời gian thực hiện luận văn này. Em xin chân thành
cảm ơn PGS. TS. Trần Đức Tân (Đại học Phenikaa), Th.S Lê Tiến Dung và
Th.S. Ngô Thành Công (Trung tâm Vũ trụ - Viện Hàn Lâm và Khoa học Việt
Nam) đã giúp đỡ trong quá trình thực nghiệm.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các thầy cô giáo tại Trường
Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà nội đã trang bị cho em những kiến
thức vô cùng bổ ích trong suốt những năm học vừa qua. Em cũng xin gửi lời
cảm ơn chân thành tới Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo, Khoa điện tử viễn
thông Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà nội đã tạo điều kiện
cho em trong quá trình học tập.
Luận văn này được thực hiện với sự hỗ trợ một phần của đề tài cấp Bộ
Quốc Phòng: “Nghiên cứu, phát triển và tích hợp hệ thống phao thông minh để

quan trắc, giám sát phóng xạ trên biển”, thuộc Chương trình KHCN KC.AT.
Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, những người đã
luôn động viên và khuyến khích em trong suốt thời gian học tập và thực hiện
đề tài này.
Hà Nội, ngày tháng năm 2019
Tác giả

Bùi Xuân Thành


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng tôi
dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Nguyễn Tiến Anh và TS. Trần Thị Thúy
Quỳnh. Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực và
chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây. Những số liệu, công thức,
hình ảnh, bảng biểu và các dữ liệu khác phục vụ cho việc phân tích, nhận xét,
đánh giá được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong
phần tài liệu tham khảo.
Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách
nhiệm về nội dung luận văn của mình. Trường đại học Công Nghệ không liên
quan đến những vi phạm tác quyền, bản quyền do tôi gây ra trong quá trình
thực hiện (nếu có).
Hà Nội, ngày

tháng năm 2019
Tác giả

Bùi Xuân Thành

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
LỜI CAM ĐOAN
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN ........................................................................... 3
I.1. Vấn đề quan trắc, giám sát môi trường biển ở Việt Nam [1] .......... 3
I.2. Mục tiêu của luận văn. ............................................................................. 5
I.3. Tìm hiểu tổng quan về hệ thống địnhvị toàn cầu GPS ...................... 5
I.3.1. Giới thiệu tổng quan về GPS[3][26] .................................................. 5
I.3.2. Các thành phần hệ thống GPS [5][25] ............................................... 6
I.3.3. Nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS [25][26] ........................... 8
I.3.4. Ứng dụng hệ thống GPS........................................................................ 9
I.4. Giải pháp của luận văn .............................................................................. 9
CHƢƠNG II: HỆ THỐNG ĐỀ XUẤT ....................................................... 10
II.1. Mô hình tổng thể hệ thống phao thông minh quan trắc môi trường
biển ....................................................................................................................... 10
II.2. Sơ đồ khối và nguyên tắc hoạt động chung của hệ thống phao... 12
II.2.1. Nguyên tắc hoạt động chung ............................................................ 12
II.2.2. Sơ đồ khối của phao ............................................................................ 13
II.3. Bộ thu GPS và GSM [6] ........................................................................ 14
II.3.1 Module EC25 ......................................................................................... 14
II.4. Khối đo quán tính MPU-6050 [8][9] ................................................. 17
II.5. PC box [4] ................................................................................................. 19
II.6. Hệ thống nguồn ....................................................................................... 20
CHƢƠNG III: KẾT QUẢ ............................................................................ 21
III.1. Kết quả kết nối phần cứng................................................................... 21


III.2. Phần mềm ................................................................................................ 24
III.2.1. Lưu đồ hoạt động của hệ thống phao ............................................ 24

III.2.2. Giao tiếp và tập lệnh Module EC25 với PC ................................ 24
III.2.3. Giao tiếp của module cảm biến MPU6050.................................. 29
III.2.4. Xử lý tín hiệu cảm biến MPU 6050 và EC25 ............................. 29
III.3. Kết quả chạy thử hệ thống................................................................... 32
III.3.1. Định vị GPS khi đứng tại 1 vị trí ................................................... 32
III.3.2. Thử nghiệm hoạt động trong điều kiện bình thường và khi có
rung lắc vượt ngưỡng ...................................................................................... 34
III.3.3. Thử nghiệm truyền và nhận SMS khi phao lệch vị trí .............. 37
KẾT LUẬN .................................................................................................... 39
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 41


DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

Tên viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

GSM

Global System for Mobile

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

Communications
IDE

Integrated Development

Môi trường phát triển tích hợp

Environment
GNSS

Global Navigation Satellite Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu
System

MEMS

Micro-Electro-Mechanical

Hệ thống vi cơ điện tử

Systems
USB

Universal Serial Bus

Chuẩn kết nối tuần tự đa dụng

SMS

Short Message Services

Dịch vụ tin nhắn ngắn

KCN

Khu công nghiệp

KH&CN

Khoa học và công nghệ

TN&MT

Tài nguyên và môi trường

UHF

Ultra-high frequency

Tần số siêu cao

VHF

Very high frequency

Tần số rất cao

GPRS

General Packet Radio

Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp

Service


DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1: Bản đồ các điểm quan trắc môi trường biển ........................................ 4
Hình 2: Vệ tinh GPS (nguồn www.academia.edu) ........................................... 6
Hình 3: Các trạm điều khiển GPS trên thế giới ................................................ 7
Hình 4: Nguyên lý hoạt động của GPS ............................................................. 8
Hình 5: Mô hình hệ thống quan trắc giám sát môi trường biển ...................... 10
Hình 6: Neo phao ............................................................................................ 11
Hình 7: Sơ đồ khối hệ thống phao thông minh ............................................... 12
Hình 8: Sơ đồ khối hệ thống phao .................................................................. 13
Hình 9: Hình dáng phao và sơ đồ thiết bị được gắn bên trong ...................... 13
Hình 10 Module EC25 .................................................................................... 15
Hình 11: Sơ đồ chân EC25.............................................................................. 16
Hình 12: Sơ đồ cấu tạo EC25 .......................................................................... 16
Hình 13: Sơ đồ MPU-6050 ............................................................................ 18
Hình 14: Module cảm biến rung lắc MPU 6050 ............................................. 19
Hình 15: Khối PC box .................................................................................... 19
Hình 16: Kết nối phần cứng phao ................................................................... 21
Hình 17: Khối PC ............................................................................................ 22
Hình 18: Khối cảm biến rung lắc .................................................................... 22
Hình 19: Kết nối giữa cảm biến rung lắc và PC ............................................. 23
Hình 20: Lưu đồ hoạt động của hệ thống phao ............................................... 24
Hình 21: Các vị trí đo được khi rung lắc ........................................................ 32
Hình 22: Quỹ đạo di chuyển xác định bởi GPS khi hiển thị trên googlemap 33

Hình 23: Gia tốc rung đo theo trục x .............................................................. 34
Hình 24: Gia tốc rung đo theo trục y .............................................................. 35
Hình 25: Gia tốc rung theo trục z .................................................................... 35
Hình 26 Kết quả thử nghiệm đo rung dùng MPU6050 .................................. 35


Hình 27: Kết quả cảnh báo rung lắc trên phần mềm....................................... 36
Hình 28: Kết quả gửi SMS cảnh báo rung lắc ................................................ 36
Hình 29: Vị trí mặc định của phao trên phần mềm ......................................... 37
Hình 30: Cảnh báo vị trí khi phao dịch chuyển .............................................. 37
Hình 31: Cảnh báo SMS khi phao dịch chuyển khỏi vị trí ............................. 38


MỞ ĐẦU
Các số liệu khí tượng và hải dương học của môi trường biển có thể được
quan trắc, giám sát thông qua các hệ thống phao biển. Với việc tích hợp các
cảm biến và công nghệ truyền thông hiện đại, hiện nay các hệ thống phao cho
phép quan trắc, đo đạc các thông số môi trường biển theo thời gian thực. Tùy
theo bài toán và yêu cầu thực tiễn của khu vực biển cần quan trắc mà các cảm
biến (nhiệt độ, độ pH, độ mặn, các tham số về ô nhiễm ...) cũng như công
nghệ truyền tín hiệu (dùng sóng di động GSM/GPS, sóng ngắn UHF/VHF
hoặc vệ tinh) được sử dụng phù hợp. Tùy theo đặc điểm địa hình khu vực biển
mà phao được triển khai như: độ sâu, sức gió, tốc độ dòng chảy ... mà chọn
lựa phương án thiết kế kỹ thuật neo giằng phao. Từ các hệ thống phao, các số
liệu quan trắc được đóng gói, xử lý và truyền về các trung tâm thu thập dữ
liệu trên đất liền. Số liệu được quản lý, lưu trữ bảo mật trên máy chủ, hiển thị
thống kê theo thời gian thực thông qua các phần mềm và các kỹ thuật xử lý
chuyên dụng. Tình trạng và vị trí của phao được theo dõi giám sát liên tục
thông qua định vị toàn cầu GPS giúp giảm thiểu các rủi ro do các sự cố, phá
hoại, lấy cắp … Từ những phân tích nêu trên, đề tài “Nghiên cứu, xây dựng

hệ thống giám sát vị trí và cảnh báo rung lắc của phao, phục vụ quan trắc
môi trường biển” được lựa chọn để thực hiện trong luận văn này. Đây là đề
tài có tính khoa học, công nghệ và thực tiễn cao.
Nội dung của luận văn gồm 5 phần chính như sau:
Chƣơng I: Tổng quan:
Tìm hiểu tổng quan về các hệ thống quan trắc, giám sát môi trường biển và nghiên
cứu định vị GPS cảnh báo giám sát vị trí của phao.
Chƣơng II: Hệ thống đề xuất

1


Trình bày tổng thệ về hệ thống phao thông minh để quan trắc môi trường
biển và nội dung lựa chọn thực hiện trong phạm vi luận văn.
Chƣơng III: Kết quả
Trình bày các kết quả thu được từ mô hình thực tế thí nghiệm.
Kết luận: Đưa ra kết luận và kết quả của hệ thống, chỉ ra ưu nhược điểm
của hệ thống.
Hƣớng phát triển: Nêu các giải pháp đề khắc phục một số nhược điểm
của hệ thống hiện tại đồng thời đưa ra hướng phát triển cho hệ thống.

2


CHƢƠNG I: TỔNG QUAN
I.1. Vấn đề quan trắc, giám sát môi trƣờng biển ở Việt Nam [1]
Việt Nam là đất nước có bờ biển dài trải dọc từ Bắc vào Nam. Chính vì
thế vấn đề quan trắc môi trường biển có vai trò hết sức quan trọng nhằm đưa
ra các cảnh báo sớm về ô nhiễm môi trường để đưa ra các giải pháp ứng phó
cho phù hợp. Đặc biệt, nước ta có rất nhiều các nhà máy, xí nghiệp, khu công

nghiệp đang được xây dựng và hoạt động dọc ven biển nên vấn đề môi trường
biển càng phải được quan tâm, đặc biệt là khu vực miền Trung nơi có nhiều
nhà máy xả thải ra biển.
Sau sự cố Fomorsa về môi trường biển tại khu vực miền Trung, theo
báo cáo các tỉnh Quảng Bình, Quảng Trị, Thừa Thiên - Huế và Hà Tĩnh đã
tiến hành quan trắc chất lượng nước biển ven bờ tại 24 bãi tắm. Ngoài ra các
địa phương còn thực hiện quan trắc tại 19 bãi tắm với tần suất từ 1- 4 lần/ngày
và gửi báo cáo kết quả quan trắc về Tổng cục Môi trường. Các kết quả đã
được công bố hàng ngày trên Cổng thông tin điện tử Bộ TN&MT
(www.monre.gov.vn). Cũng trong thời gian đó Trung tâm Quan trắc Môi
trường thuộc Tổng cục Môi trường đã phối hợp với các Trung tâm Quan trắc
Môi trường của các Sở địa phương thực hiện quan trắc tại 50 điểm ven bờ dọc
vùng biển 8 tỉnh/thành phố miền Trung với tần suất khá dày đặc như minh
họa trong Hình 1.
Để đánh giá chính xác về môi trường biển, các địa phương còn thực
hiện quan trắc môi trường gần bờ trong phạm vi 15 km do 3 đơn vị thuộc
Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam (Viện TN&MT Biển; Viện Cơ học; Viện
Hải dương học Nha Trang) thực hiện với 27 điểm quan trắc, tần suất 2
lần/tuần. Các chương trình quan trắc xa bờ do Trung tâm Điều tra Tài nguyên
Môi trường Biển; Trung tâm Hải văn (Tổng cục Biển và Hải đảo Việt Nam);

3


Trung tâm Quan trắc và Phân tích Môi trường biển (Bộ Tư lệnh Hải quân, Bộ
Quốc phòng); Trung tâm Quan trắc Môi trường Biển (Viện Nghiên cứu Hải
sản, Bộ NN&PTNT) thực hiện với tần suất 2 lần/tuần (nguồn
tapchimoitruong.vn). Nhìn vào thực tế về việc quan trắc môi trường biển tại
Việt Nam, chúng ta thấy rằng việc lấy các thông số quan trắc vẫn còn khá rời
rạc và phụ thuộc vào nhiều vào sức lực con người.

Hình 1: Bản đồ các điểm quan trắc môi trường biển
(nguồn tapchimoitruong.vn)
Để đánh giá chính xác chất lượng môi trường biển cần phải thực hiện
việc lấy mẫu thường xuyên và liên tục. Tuy nhiên, việc lấy mẫu tại một khu
vực biển là việc làm hết sức phức tạp và tốn kém. Hoạt động quan trắc liên
tục dài ngày trên biển hết sức tốn kém về chi phí cho các phương tiện di
chuyển và hao tổn về nguồn lực con người và đặc biệt nguy hiểm trong điều
kiện thời tiết không thuận lợi.

4


Giám sát môi trường biển liên tục và từ xa là mục tiêu của nhiều quốc
gia nhằm dự báo chính xác về tình trạng ô nhiễm, phát hiện sớm các mối rủi
ro, nguy hại môi trường, cũng như đánh giá lâu dài về các quá trình liên quan
đến biến đổi khí hậu. Những phương pháp lấy mẫu định kỳ hay sử dụng các
trạm khí tượng sẵn có là không đủ thông tin liên tục và không bao phủ hết
được các khu vực biển. Gần đây, ứng dụng những phát triển về khoa học công
nghệ cho phép chế tạo những thiết bị thu thập dữ liệu tích hợp trên các phao
biển cho phép thu thập dữ liệu một cách liên tục theo thời gian thực thông qua
việc truyền nhận dữ liệu với các trạm điều khiển trung tâm trên đất liền hoặc
các tàu tuần tra trên biển sử dụng các kỹ thuật truyền thông hiện đại như sóng
di động GSM, sóng ngắn UHF/VHF hoặc sóng vệ tinh.
I.2. Mục tiêu của luận văn.
Bài toán xây dựng hệ thống phao biển tích hợp các cảm biến để quan
trắc môi trường liên tục theo thời gian thực nhằm tiết kiệm chi phí, giảm thiểu
công sức của con người là bài toán lớn trong tổng thể của đề tài cấp Bộ Quốc
phòng. Trong phạm vi thực hiện của luận văn này, tác giả tập trung vào khía
cạnh đảm bảo hoạt động an toàn, tin cậy của hệ thống phao kết hợp sử dụng

cảm biến gia tốc và định vị GPS. Dữ liệu thu thập từ 2 cảm biến này sẽ được
dùng để đánh giá vị trí hoạt động của phao neo, đưa ra cảnh báo trong trường
hợp phao neo bị đứt, trôi hoặc bị lai dắt một cách cố ý. Thực nghiệm về sự
thay đổi vị trí khi sử dụng kết hợp cả thông tin vị trí từ GPS và cảm biến gia
tốc được tiến hành cả về phần cứng và phần mềm.
I.3. Tìm hiểu tổng quan về hệ thống địnhvị toàn cầu GPS
I.3.1. Giới thiệu tổng quan về GPS[3][26]
 Hệ thống định vị toàn cầu GPS là hệ thống xác định vị trí của một vật
thể trên trái đất dựa trên vị trí tương đối của nó so với các vệ tinh nhân
tạo của Mỹ.

5


 Vệ tinh GPS đầu tiên được phóng vào năm 1978. Hệ thống hoàn chỉnh
đầy đủ 24 vệ tinh được hoàn thành vào năm 1994.
 Thời gian hoạt động của mỗi vệ tinh tối đa là 10 năm.
 Khối lượng mỗi vệ tinh khoảng 1500 kg và dài khoảng 5m với các tấm
năng lượng Mặt Trời mở rộng có diện tích khoảng 7 m².
 Công suất phát bằng hoặc dưới 50 W.
I.3.2. Các thành phần hệ thống GPS [5][25]
I.3.2.1 Mảng không gian
Mảng không gian của hệ thống GPS là các vệ tinh GPS. Các chức năng
chính của các vệ tinh bao gồm:
 Thu nhận và lưu trữ dữ liệu được truyền từ mảng điều khiển.
 Cung cấp thời gian chính xác bằng các chuẩn tần số nguyên tử đặt trên
vệ tinh.
 Truyền thông tin và tín hiệu đến người sử dụng.

Hình 2: Vệ tinh GPS (nguồn www.academia.edu)

6


I.3.2.2. Mảng điều khiển
Để hệ thống GPS có thể hoạt động cần các trạm điều khiển trên mặt đất. Hiện
tại có 5 trạm điều khiển trên mặt đất được đặt tại: Hawaii, Colorado Springs,
Ascension Is., Diego Garcia và Kwajalein. Chức năng của chúng như sau:
 Tất cả 5 đều là trạm giám sát, theo dõi vệ tinh và truyền dữ liệu đến
trạm điều khiển chính.
 Trạm đặt tại Colorado Springs là trạm điều khiển chính (MSC). Tại đó dữ
liệu theo dõi được xử lý nhằm tính toạ độ và số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh.
 Ba trạm tại Ascension, Diego Garcia và Kwajalein là các trạm nạp dữ
liệu lên vệ tinh. Dữ liệu bao gồm các bản lịch và thông tin số hiệu
chỉnh đồng hồ vệ tinh trong thông báo hàng hải. (nguồn
www.academia.edu)

Hình 3: Các trạm điều khiển GPS trên thế giới
(nguồn www.academia.edu)
I.3.2.3. Mảng người sử dụng
Mảng người sử dụng bao gồm các thiết bị máy thu gồm:
- Phần cứng (theo dõi tín hiệu và trị đo khoảng cách).
- Phần mềm (các thuật toán, giao diện người sử dụng).
- Các quá trình điều hành.

7


I.3.3. Nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS [25][26]
Các vệ tinh GPS bay vòng quanh Trái Đất theo một quỹ đạo chính xác

đã được định trước và phát tín hiệu xuống Trái Đất. Các máy thu GPS nhận
thông tin này và bằng các thuật toán, phép tính lượng giác … để định vị vị
trí của người dùng. Để tính khoảng cách giữa máy thu và vệ tinh GPS, máy
thu so sánh thời gian tín hiệu được phát đi từ vệ tinh với thời gian nhận được
chúng. Máy thu tính toán dựa vào khoảng thời gian tính từ khi vệ tinh phát
tín hiệu đến lúc nó nhận được, sai lệch về khoảng thời gian cho biết khoảng
cách từ máy thu đến vệ tinh. Khi máy thu nhận được tín hiệu của ít nhất ba
vệ tinh thì hoàn toàn có thể xác định được vị trí của máy thu là giao điểm
của 3 khối cầu có tâm là các vệ tinh và bán kính là khoảng cách từ máy thu
tới các vệ tinh đó như mô tả trong Hình 4. Khi nhận được tín hiệu của càng
nhiều vệ tinh thì độ chính xác sẽ càng tăng lên, ít nhất 4 vệ tinh thì máy thu
có thể tính được vị trí ba chiều kinh độ, vĩ độ và độ cao của máy thu.

Hình 4: Nguyên lý hoạt động của GPS
(nguồn />
8


I.3.4. Ứng dụng hệ thống GPS
Mục đích sử dụng ban đầu của hệ thống GPS chỉ giới hạn trong lĩnh
vực quân sự nhưng ngày nay được mở rộng cho hầu hết các lĩnh vực. Dựa
vào tính năng chính xác của GPS để thiết lập các bản đồ, khảo sát các công
trình, tuyến kênh, tuyến đường, xác định vị trí chính xác của các trụ điện,
đường dây tải điện, quản lí các tuyến xe, dẫn đường (Navigation), quản lí
thú hoang dã bằng cách gắn lên chúng những con chip đã tích hợp gps, các
ứng dụng trong du lịch, thám hiểm…
I.4. Giải pháp của luận văn
Từ những ứng dụng của hệ thống GPS như đã nêu ở trên, nội dung của
luận văn tập trung vào vấn đề định vị vị trí và tình trạng của hệ thống phao
biển nhằm ngăn chặn và giảm thiểu các rủ ro do các sự cố, phá hoại, lấy cắp

cũng như đảm bảo việc lấy số liệu quan trắc môi trường đúng vị trí.
Công nghệ MEMs ngày nay cho phép chế tạo được các cảm biến có độ
chính xác rất cao và kích thước nhỏ. Điều này cho phép giám sát được độ
rung lắc của phao thông qua các cảm biến này. Trong khuôn khổ của luận văn
sử dụng cảm biến MPU-6050, là cảm biến tích hợp một cảm biến gia tốc 3
trục và một con quay hồi chuyển 3 trục để giám sát độ rung lắc.
Các thông số về vị trí và độ rung lắc của phao sẽ được đóng gói gửi về
trạm bờ để xử lý, trong trường hợp độ rung lắc và vị trí của phao vượt qua
ngưỡng cảnh báo do sóng gió của biển gây ra thì thông tin sẽ được gửi SMS
tới người quản lý để kịp thời đưa ra các biện pháp khắc phục.

9


CHƢƠNG II: HỆ THỐNG ĐỀ XUẤT
II.1. Mô hình tổng thể hệ thống phao thông minh quan trắc môi trƣờng biển
Mô hình tổng thể hệ thống phao thông minh quan trắc, giám sát môi
trường biển được minh họa trong Hình 5 gồm 3 thành phần chính: Phao biển,
các tàu tuần tra tích hợp cảm biến và trạm bờ.

Hình 5: Mô hình hệ thống quan trắc giám sát môi trường biển
Phao biển: Là thành phần chính trong hệ thống trên đó tích hợp 01 PC
onboard; hệ thống liên lạc sử dụng sóng ngắn U/VHF, sóng di động GSM
hoặc thông tin vệ tinh; hệ thống nguồn nuôi (các ắc quy và panel năng lượng
mặt trời); hệ thống các cảm biến (phóng xạ, nhiệt độ, hướng và tốc độ dòng
chảy, gia tốc…). Phao được thiết kế chế tạo đạt theo tiêu chuẩn IP 68 để các
thành phần thiết bị điện tử đặt bên trong hoạt động được ổn định và tuổi thọ
cao nhất. Các phao được neo giữ tại một vị trí bằng các mỏ neo nối với dây
cáp. Để hạn chế tình trạng đứt cáp do dây bị kéo căng liên tục và phao ít bị
ngập dưới nước khi có sóng đẩy phao đi, dây cáp được tính toán đủ dài theo

10


mức thủy triều tại khu vực triển khai. Vị trí của phao trên mặt biển sẽ giới hạn
trong một mặt phẳng tròn như mô tả trên Hình 6.

Hình 6: Neo phao
Tàu tuần tra tích hợp các cảm biến: Hệ thống quan trắc trên tàu tuần
tra tương tự như trên phao neo. Tuy nhiên chỉ các cảm biến được tích hợp
cùng với phao để đưa xuống biển, hệ thống truyền thông và điện tử được gắn
trên tàu. Các tàu tuần tra có thể hoạt động độc lập như các trạm thu thập dữ
liệu hoặc đóng vai trò kết nối giữa các phao để lấy số liệu và thực hiện sự
điều khiển cần thiết.
Trạm bờ: Là các hệ thống trên bờ đóng vai trò trung gian truyền nhận giữa
các phao - tàu tuần tra với trung tâm chỉ huy. Các trạm bờ được tích hợp các hệ
thống điện tử và truyền thông tương tự như trên phao có vai trò thu nhận, xử lý số
liệu truyền về trung tâm chỉ huy và truyền các lệnh điều khiển tới các phao.

11


II.2. Sơ đồ khối và nguyên tắc hoạt động chung của hệ thống phao

Hình 7: Sơ đồ khối hệ thống phao thông minh
II.2.1. Nguyên tắc hoạt động chung
Hình 7 minh họa sơ đồ khối hệ thống phao thông minh tích hợp các cảm
biến quan trắc môi trường biển và các thiết bị truyền thông. Các thông tin về vị
trí của phao được xác định thông qua hệ thống định vị toàn cầu GPS nhằm đảm
bảo việc quan trắc môi trường đúng vị trí, giảm thiểu các rủi ro về sự cố, đánh

cắp … Tình trạng rung lắc của phao được giám sát thông qua các cảm biến gia
tốc. Khi sự rung lắc cũng như dịch chuyển của phao vượt ngưỡng cho phép thì
thông tin cảnh báo sẽ được gửi về trạm bờ và gửi SMS tới người quản lý. Tại
trạm bờ, các thông tin thu nhận từ hệ thống phao được lưu trữ, xử lý bằng các
phần mềm chuyên dụng. Các cơ quan quản lý có được thông tin quan trắc môi
trường tự động, liên tục theo thời gian thực do hệ thống quan trắc đặt trên phao
gửi về, từ đó đưa ra các cảnh báo về diễn biến bất thường của môi trường biển
cũng như đưa ra các giải pháp khắc phục kịp thời.
Kết hợp thông tin GPS và các cảm biến gia tốc, thông tin về sự dịch
chuyển và rung lắc quá ngưỡng của phao sẽ được gửi tới người quản lý bằng
những tín hiệu cảnh báo nhằm đưa ra các giải pháp ứng phó kịp thời.
12


II.2.2. Sơ đồ khối của phao

Hình 8: Sơ đồ khối hệ thống phao

Hình 9: Hình dáng phao và sơ đồ thiết bị được gắn bên trong

13


Sơ đồ khối của hệ thống phao được minh họa trên Hình 8 bao gồm:
- Khối thu phát GPS và GSM: Đây là khối có nhiệm vụ xác định vị trí
của phao thông qua hệ thống định vị toàn cầu GPS và gửi dữ liệu vào trạm
bờ qua sóng GSM.
- Khối đo các rung lắc của phao: Đây là khối có nhiệm vụ đo độ rung
lắc của phao dưới tác động của sóng, gió biển.
- Khối PC box: Xử lý các tín hiệu từ các cảm biến và gửi thông tin về

trạm bờ thông qua sóng GSM.
- Khối nguồn: Có nhiệm vụ cung cấp nguồn điện cho các hệ thống
trên phao.
II.3. Bộ thu GPS và GSM [6]
II.3.1 Module EC25
Module EC25 trong sơ đồ hệ thống bao gồm một module thu GPS và
một bộ GSM module. Module này có nhiệm vụ chính là xác định vị trí của
phao một cách chính xác, hiệu quả. Các kết quả sau khi xử lý sẽ được
module này gửi kết quả thông qua sóng 3G, 4G, GSM vào tới trạm bờ.
Module EC25 gồm rất nhiều biến thể: EC25-E, EC25-EU, EC25-EC,
EC25-A, EC25-V, EC25-AF, EC25-AU, EC25-AUT, EC25-AUTL và
EC25-J. Điều này làm cho nó tương thích ngược với các mạng EDGE và
GSM/GPRS hiện có, đảm bảo rằng nó có thể được kết nối ngay cả ở những
vùng xa xôi không có vùng phủ sóng 4G hoặc 3G.
EC25 hỗ trợ công nghệ vị trí Qualcomm® IZat ™ Gen8C Lite hỗ trợ
định vị qua nhiều hệ thống định vị toàn cầu khác nhau như GPS,
GLONASS, BeiDou, Galileo và QZSS. GNSS tích hợp rất đơn giản hóa
thiết kế sản phẩm, và cung cấp vị trí nhanh hơn, chính xác hơn và đáng tin
cậy hơn.

14


Hình 10 Module EC25
Module này được tích hợp trực tiếp vào bo mạch chủ của Marine PC
và kết nối với Marine PC qua 3 cổng COM ảo:
Quectel USB AT port - COM21: kết nối cho phép điều khiển và nhận
phản hồi từ EC25 qua tập lệnh AT. Với cổng kết nối này, Marine PC có thể
điều khiển cả module GSM và module GPS của EC25. Đây là cổng trao đổi
dữ liệu chính giữa Marine PC và EC25.

Quectel USB NMEA port - COM20: kết nối cho phép Marine PC nhận
bản tin GPS NMEA định kì từ EC25. Tốc độ nhận bản tin và định dạng kiểu bản
tin NMEA có thể được cấu hình bằng tập lệnh AT qua cổng COM 21.
Quectel USB DM port - COM19: cổng debug và thay đổi firmware.
Thường chỉ sử dụng trong một số trường hợp đặc biệt.

15


Hình 11: Sơ đồ chân EC25

Hình 12: Sơ đồ cấu tạo EC25
16