Tải bản đầy đủ (.pdf) (45 trang)

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

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.23 MB, 45 trang )

Đại Học Quốc Gia Hà Nội
Trƣờng Đại Học Công NGhệ

Mai Thế Phú Quý

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

Đồ Án Tốt Nghiệp Đại Học Hệ Chính Quy
Ngành: Cơng Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử, Truyền Thông

HÀ NỘI - 2016


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

MAI THẾ PHÚ QUÝ

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

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

Cán bộ hƣớng 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 khơng 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 tồn.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 sơng,
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 cịn gặp nhiều khó khăn nơi đây.
Từ khóa: giá rẻ, Tây Bắc, đo mƣa, đo mức lũ.

ii


LỜI CAM ĐOAN
Trong q trình làm đồ án, tơi 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
ngồi nước. Tơi xin cam đoan những gì tơi đã viết dưới đây là hồn tồn chính thống,
chân thực, những kết quả đo đạc thực nghiệm đã đạt được trong khóa luận khơng sao
chép từ bất kì tài liệu nào dưới mọi hình thức. Những kết quả đó là những gì tơi đã
nghiên cứu, tích lũy được trong q trình làm khóa luận này.
Tơi hồn tồn 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 lịng 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 mơn 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 hồn thiện khóa luận
này này.
Mặc dù em đã có nhiều cố gắng hồn thiện đồ án bằng tất cả sự nhiệt tình và nỗ lực
của mình, tuy nhiên khơng 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 Mơ – 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 qt trên 1 năm xảy ra từ 1958-2004 tại các tỉnh phía Bắc .............2
Hình 2.1: Mơ 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: Mơ-đun nguồn LM2596……………………………………………………..9
Hình 2.6: Mơ-đun sạc/TP4056 ........................................................................................9
Hình 2.7: Cịi cảnh báo ....................................................................................................9
Hình 2.8: Mơ-đun sim900A ..........................................................................................10
Hình 2.9: Bản năng lượng mặt trời ................................................................................10
Hình 2.10: Ngun 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 : Mơ-đun cảm biến siêu âm SRF05 ..............................................................14
Hình 2.16: Dịng thời gian cảm biến siêu âm ................................................................15
Hình 2.17: Arduino IDE ................................................................................................16
Hình 2.18: Thuật tốn thiết bị đo mưa sử dụng cảm biến siêu âm ................................17
Hình 2.19: Thuật tốn thiết bị đo mưa sử dụng cảm biến mức ...................................18
Hình 2.20: Thuận tốn thời gian lấy mẫu .....................................................................20
Hình 2.21: Thuật tốn 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: Thơng 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 mơ 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

Mơi 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 tồn cầu

DANH MỤC CÁC BẢNG:
Bảng 2.1: Thơng 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 q 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 qt của các kết quả đo. Hệ đo mưa giá rẻ khơng chỉ
góp phần tăng tính đa dạng của các kết quả đo mà nó cịn 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!


Chƣơng 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
cơng trình giao thơng, 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 Cng 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 Hồng 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
1958-2004 [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 dịng 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 tốn 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 sơng suối nhỏ miền núi,
dịng 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 sơng 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 dịng sơng, suối do mưa lớn gây ra.
Lũ qt nghẽn dịng là loại hình lũ miền núi thường phát sinh từ các khu vực có
nhiều trượt lở ven sơng, suối. Đó là các khu vực đang có biến dạng mạnh, sơng suối
đào xẻ lịng dữ dội, mặt cắt hẹp, sườn núi rất dốc. Do mưa lớn kéo dài, dịng suối đột
nhiên bị tắc nghẽn, nước sơng suối dâng cao ngập một vùng rộng lớn thường là các
vùng lịng chảo, những thung lũng. Khi dịng lũ tích tụ đến mức đập chắn bị mất ổn
định và vỡ, lượng nước tích lại trong vùng lịng chảo khi bị nghẽn dịng được giải
phóng đột ngột tạo thành sóng lũ lớn cho phía hạ lưu.

- Lũ bùn đá là dịng 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 lịng 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 cơng 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 tồn cầu GPS( Global Positioning System)
và các mơ hình tốn 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 sơng 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


Chƣơng 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 khơng 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 dịng sơng, 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 q
ngưỡng an tồn. Thiết bị thứ 2 có nhiệm vụ đo lượng nước mưa theo thời gian thực, nó
sẽ cảnh tức thời khi lượng nước vượt q ngưỡng an tồn bằng cịi cảnh báo ngay tại
vị trí mà thiết bị được đặt thường là trong khu dân cư.

Hình 2.1: Mơ 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 mơ tả sơ đồ khối của hệ.

5



Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ đo mƣa
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 tốn lượng nước theo thời gian và quyết định xem có đưa ra cảnh báo
hay khơng.
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
mơ-đun GSM sim900A. Vì hệ được đặt ở trên các dịng sơng, 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 mơ
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 tốn 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 thơng 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 thơng 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 mơ 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: Thơng 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 dịng điện 40mA
1 chiều
Xung
động

nhịp

hoạt 16MHz

2.2.2 Mơ – đun nguồn và quản lí sạc / sả điện
Mơ-đun LM2596 (hình 2.5) là mơ-đun chỉnh lưu dịng điện 9-12 V sang 5 V để
cung cấp điện áp cho hệ thống trong trường hợp khơng mất điện và cung cấp dịng
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. Mơ-đun TP4056 (hình 2.6) là mơ-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: Mơ-đun nguồn LM2596

Hình 2.6: Mơ-đun sạc/TP4056
2.2.3 Cịi cảnh báo
Cịi báo động giúp cảnh báo khi hệ thống tính tốn và phát hiện ra nguy cơ xảy ra lũ
hoặc trượt lở đất. Hình 2.7 là hình ảnh thực tế của cịi 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, cịi này rất thích hợp để cảnh báo trong khu dân cư. Còi hoạt động ở điện
áp 3.7V đến 12V.

Hình 2.7: Cịi 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 phịng là cung cấp điện áp cho tồn 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
phịng 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 ngồi để truyền
thơng tin, Mơ-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 cơng 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: Mơ-đun sim900A
2.2.6 Pin năng lƣợng mặt trời

Một đặc điểm quan trọng của hệ đo mức lũ là nó được đặt ở trên bờ các dịng sơng,
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 tốn
những ngày có nắng, khả năng sạc đầy pin là điều vơ 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 cơng suất trung bình, giá rẻ, phù hợp
với hệ thống.

Hình 2.9: Bản năng lƣợng 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 khơng 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 thơng, tín hiệu được khuếch đại và truyền
về vi xử lí.

Hình 2.10: Ngun lí của cảm biến mức

Hình 2.11: Cảm biến mức

11


- Bởi vì tín hiệu điện áp khi mạch thơng 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 mƣa 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 mơi 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 trơng giống như 2 cái mắt
của mơ-đun.

Hình 2.15 : Mơ-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 dịng thời gian của cảm biến siêu âm
SRF05.


14


Hình 2.16: Dịng thời gian cảm biến siêu âm
Cơng thức tính khoảng cách:
Trong khơng 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 mơi trường Arduino IDE do nhà sản xuất vi điều
khiển cung cấp. Dựa trên ngơn 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 vơ 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 khơng đúng ý
nghĩa vốn có. Hình 2.17 là 1 cửa sổ hiển thị của Arduino IDE.

15



×