Báo cáo Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các module phục vụ đo lường giám sát trong trạm khí tượng tự động

Bé c«ng th−¬ng viÖn ®iÖn tö – tin häc b¸o c¸o tæng kÕt ®Ò tµi kh&cn cÊp bé nghiªn cøu thiÕt kª, chÕ t¹o c¸c module phôc vô ®o l−êng gi¸m s¸t trong tr¹m khÝ t−îng tù ®éng M· sè: 188. 08RD/H§-KHCN chñ nhiÖm ®Ò tµi: trÞnh h¶i th¸i 7170 17/3/2009 Hµ néi - 2008 1 BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI CẤP BỘ NĂM 2008 Tên đề tài: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CÁC MODULE PHỤC VỤ ĐO LƯỜNG GIÁM SÁT TRONG TRẠM KHÍ TƯỢNG TỰ ĐỘNG (Mã số: 188.08RD/HĐ-KHCN.) Chủ nhiệm nhiệm vụ: Trịnh Hải Thái Đơn vị chủ trì: Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa Các cơ quan phối hợp chính: TT Khí Tượng Thủy Văn Quốc Gia. HÀ NỘI - 08/2008 BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN NC ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA
   
 2 DANH SÁCH CÁN BỘ THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI STT Họ và tên Đơn vị công tác 1 Trịnh Hải Thái Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa 2 Trần Văn Tuấn Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa 3 Nguyễn Tuấn Nam Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa 4 Tạ Văn Nam Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa 5 Đinh Đức Chính Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa 6 Phạm Chí Công Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa 7 Nguyễn Thị Hương Lan Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa 8 Phạm Thùy Dung Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa 9 Bùi Đức Thắng Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa 10 Phạm Hùng Cường Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa 3 MỤC LỤC Chương I. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI........................................................5 1.Cơ sở pháp lý/ xuất xứ của đề tài ..............................................................5 2.Tính cấp thiết và mục tiêu nghiên cứu của đề tài .......................................5 2.1 Tính cấp thiết ......................................................................................5 2.2 Mục tiêu nghiên cứu .........................................................................11 3. Đối tượng thụ hưởng và hiệu quả kinh tế - xã hội của đề tài...................11 4. Phương pháp thực hiện...........................................................................12 5. Nội dung, phạm vi nghiên cứu ...............................................................13 6. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước. ..........................................14 7. Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước ..........................................14 7.1 Tổng quan.........................................................................................14 7.2 Giới thiệu các trạm khí tượng tự động của nước ngoài. .....................15 7.2.1 Trạm khí tượng tự động AWS 2700 hãng AANDERAA ...............15 7.2.2 Trạm khí tượng tự động RAWS-F hãng CAMPBELL...................22 8. Kết quả khảo sát thực tế .........................................................................30 8.1 Khảo sát trạm khí tượng tự động Sân Bay Nội Bài - MIDAS IV- hãng VAISALA ..............................................................................................30 8.2 Khảo sát trạm khí tượng tự động Thanh Hóa và Hải Phòng...............42 8.3 Các đại lượng và đơn vị đo gió: ........................................................46 8.4 Tìm hiểu các loại sensor đo gió. ........................................................49 8.4.1 Sensor đo gió chong chóng - kiểu cánh quạt hãng YOUNG. ..........49 8.4.2 Sensor đo gió chong chóng - kiểu chén gió hãng SUTRON............51 8.4.3 Sensor đo gió chong chóng - kiểu chén gió hãng VAISALA. .........52 8.4.4 Sensor đo gió loại siêu âm..............................................................55 8.5 Tổng kết kết quả khảo sát..................................................................59 9. Tổng kết các vấn đề kỹ thuật cần giải quyết và giải pháp .......................60 Chương II. THIẾT KẾ CHẾ TẠO CÁC MODULE TRONG TRẠM KHÍ TƯỢNG 62 1. Mô hình tổng thể mạng lưới khí tượng. ..................................................62 2. Thiết kế tổng quát trạm khí tượng ..........................................................72 3. Thiết kế chế tạo module đo gió và Datalogger........................................73 4 3.1 Thiết kế Mainboard...........................................................................74 3.2 Thiết kế khối LCD và bàn phím ........................................................80 3.3 Thiết kế khối truyền thông ................................................................81 3.4 Khối nguồn .......................................................................................84 4. Xây dựng phần mềm cho Datalogger .....................................................85 4.1 Chức năng phần mềm........................................................................85 4.2 Cấu trúc của phần mềm.....................................................................86 4.3 Xây dựng chức năng truyền thông dữ liệu qua mạng GSM ...............87 4.4 Xây dựng chức năng lưu trữ dữ liệu .................................................89 4.5 Các chức năng cài đặt và hiển thị trên màn hình LCD ......................89 Chương III. THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ .............................................93 1. Thử nghiệm tại phòng thí nghiệm : ........................................................93 2. Thử nghiệm ngoài hiện trường: ..............................................................98 KẾT LUẬN .............................................................................................127 LỜI CẢM ƠN..........................................................................................127 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................128 PHỤ LỤC................................................................................................129 5 Chương I. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.Cơ sở pháp lý/ xuất xứ của đề tài Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các module phục vụ đo lường giám sát trong trạm khí tượng tự động” được thực hiện theo: Hợp đồng nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ số 188.08RD/HĐ- KHCN. giữa Bộ Công Thương (Bên A) và Viện Nghiên cứu Điện tử, Tin Học, Tự động hóa (Bên B) ký ngày 03 Tháng 03 Năm 2008. 2.Tính cấp thiết và mục tiêu nghiên cứu của đề tài 2.1 Tính cấp thiết Việt nam là một quốc gia nằm trong khu vực đông nam Châu Á, có vị trí địa lý trải dài từ 8030’ đến 23022’ độ vĩ Bắc và từ 102010’ đến 109021’ độ kinh Đông, với bờ biển trải dài hơn 3260km. Với những đặc điểm về vị trí địa lý theo đánh giá của cơ quan quản lý thiên tai châu Á thuộc tổ chức Khí tượng Thủy văn Thế Giới, ngoài những thuận lợi của điều kiện khí hậu nhiệt đới gió mùa thì Việt nam là một trong những nước chịu nhiều thiên tai ở châu Á cũng như trên thế giới. Do vị trí địa lý và đặc điểm địa hình, ở Việt nam thường xảy ra bão, áp thấp nhiệt đới, mưa lớn, lũ lụt, hạn hán, dông tố, lốc, lũ quét….Trong đó bão và lũ là những thiên tai thường gây hậu quả nặng nề hơn cả. Hàng năm trung bình có khoảng 6-7 cơn bão và áp thấp nhiệt đới đổ bộ vào nước ta. Ngoài ra các hiện tượng thiên tai khác như hạn hán, dông tố, lốc, lũ quét , sạt lở đất cũng xảy ra thường xuyên hơn và ở mức độ phức tạp hơn. Đặc biệt trong một vài thập kỷ gần đây, thời tiết trong khu vực nói chung và Việt nam nói riêng có những diễn biến hết sức phức tạp, thiên tai xảy ra trên diện rộng và mức độ tàn phá nặng nề hơn. Từ năm 1995-2000, chỉ tính riêng mức độ thiệt hại do thiên tai gây ra: về người cao hơn gấp 3 lần, về tài sản cao hơn 4 lần so với 5 năm đầu của thập kỷ. Từ năm 1990 đến năm 2000, khoảng 8.000 người bị thiệt mạng, 2.3 triệu tấn lương thực bị phá huỷ, 9.000 tàu thuyền bị đắm và 6 triệu căn nhà bị phá huỷ. Ngày 16-8-2002, cùng một thời điểm trận lũ quét xảy ra ở hai huyện Bắc Quang, Xín Mần (Hà Giang) làm chết 21 người. Cũng trong năm 2002, lũ quét xảy ra ở phạm vi rộng thuộc địa bàn ba huyện Hương Sơn, Hương Khê, Vụ Quang (Hà Tĩnh) làm chết 53 người, 111 người bị thương. Năm 2004, trận lũ quét xảy ra ở hai 6 xã Du Già, Du Tiến thuộc huyện Yên Minh (Hà Giang) và huyện Bảo Lâm (Cao Bằng) làm chết 56 người. Theo Ban chỉ đạo phòng chống lụt bão Trung ương, năm 2005, tình hình thiên tai diễn biến phức tạp, xảy ra liên tục, dồn dập ở hầu hết mọi miền đất nước, làm 379 người thiệt mạng và gây thiệt hại về vật chất trên 5.200 tỷ đồng. Theo Tổng cục thống kê trong vài năm trở lại đây thiên tai, lũ lụt vẫn tiếp tục gia tăng: Trong năm 2006 nước ta đã chịu ảnh hưởng của 10 cơn bão, 4 áp thấp nhiệt đới, 9 đợt lũ quét, nhiều trận lốc xoáy, mưa đá… trong năm nay. Dù Chính phủ đã chỉ đạo các địa phương chủ động phòng chống nhưng thiệt hại do thiên tai gây ra vẫn rất lớn. Theo Ban Chỉ đạo phòng chống lụt bão Trung ương, gây thiệt hại lớn nhất về người và tài sản trong năm 2006 là những trận bão có sức tàn phá kinh hoàng như: Cơn bão số 6, số 9, số 1… Thiên tai đã khiến 339 người thiệt mạng, 274 người mất tích, 2.065 người bị thương; 75 nghìn ngôi nhà bị đổ, trôi; 554 căn khác bị ngập, hư hại… Về sản xuất kinh tế, đã có làm 140 nghìn ha lúa bị ngập, trong đó hơn 21 nghìn ha bị mất trắng; 122 nghìn ha hoa màu bị ngập, hư hại; gần 10 nghìn ha nuôi trồng thuỷ sản, hơn 2 nghìn tàu thuyền bị chìm, hư hại; gần 1,1 triệu m3 đất đá công trình thủy lợi bị sạt lở, bồi lấp… Năm 2006 tổng thiệt hại ước tính gần 18,6 nghìn tỷ đồng (1,19 tỷ USD). Năm 2007 Tổng cục Thống kê cho biết, tổng thiệt hại do thiên tai, chủ yếu là do sạt lở đất, mưa to và bão lũ gây ra ở 50 tỉnh, thành phố trên cả nước ước tính lên tới trên 11.600 tỷ đồng, bằng khoảng 1% GDP. Thiên tai đã làm 435 người chết, mất tích; làm ngập và hư hại 113.800 ha lúa; phá huỷ trên 1.300 công trình đập, cống, làm sạt lở cuốn trôi hơn 1.500 km đê và kênh mương; làm hơn 7.800 ngôi nhà và phòng họp bị sập đổ. Do ảnh hưởng nặng nề của thiên tai nên tình trạng thiếu đói vẫn xảy ra ở những vùng thiên tai. Năm 2007, cả nước có 723.900 lượt hộ với 3.034.500 lượt nhân khẩu bị thiếu đói. Theo Tổng cục Thống kê, trong 6 tháng đầu năm 2008, những đợt rét đậm, rét hại kéo dài, triều cường và lũ lớn xảy ra tại nhiều địa phương trên cả nước đã làm 7 ảnh hưởng lớn đến sản xuất và đời sống dân cư. Thời tiết rét đậm rét hại hồi đầu năm đã làm 200 nghìn ha lúa bị hư hỏng; 122 nghìn con trâu bò, 1 nghìn con lợn và 290 nghìn con gia cầm bị chết. Ước tính tổng giá trị thiệt hại hơn 814 tỷ đồng, tăng 720 tỷ đồng so với cùng kỳ năm 2007. Cần thiết phải tăng cường công tác phòng chống giảm nhẹ thiệt hại do thiên tai gây ra. Để phòng chống có hiệu quả cao thì việc cảnh báo, dự báo kịp thời, chính xác sự xuất hiện cũng như diễn biến của các loại thiên tai là tối cần thiết. Để sản xuất sản phẩm dự báo cần có các dữ liệu đầu vào là các kết quả quan trắc KTTV. Sản xuất sản phẩm dự báo chủ yếu vẫn đang sử dụng các phương pháp truyền thống như: synốp, thống kê. Tuy rằng trong những năm gần đây đã ứng dụng thành công một vài mô hình dự báo số nhưng lại xảy ra tình trạng "đói" số liệu đầu vào do công tác quan trắc, đo đạc và truyền dẫn số liệu chưa đáp ứng kịp thời. Hiện nay việc thu thập số liệu và truyền dẫn số liệu quan trắc về Trung tâm KTTV Quốc gia vẫn thực hiện theo phương pháp thủ công, quan trắc rời rạc, thực hiện nhiều lần trong ngày. Mạng quan trắc chưa đủ dày về mật độ. Chưa đạt yêu cầu đại biểu cho sự biến thiên của đối tượng quan trắc theo không gian và thời gian. Hiện tại mạng lưới quan trắc có 170 trạm khí tượng bề mặt, 231 trạm thuỷ văn, 21 trạm khí tượng hải văn, 393 trạm đo mưa nhân dân. Vì vậy cần thiết phải tăng cường đầu tư lắp đặt rất nhiều trạm khí tượng trong thời gian tới. Những trạm quan trắc khí tượng tự động trong ngành KTTV hiện nay đều do nước ngoài cung cấp, tuy nhiên sau một thời gian hoạt động đã hư hỏng. Các trạm quan trắc khí tượng tự động ngoại nhập giá thành cao, chi phí duy trì hoạt động lớn, khả năng nâng cấp mở rộng rất khó, cụ thể như trạm quan trắc khí tượng tự động đã có mặt trên thị trường Việt Nam của Monitor sensors, MetOne, Campbell, Vaisala,...khi hỏng đều phải mua module thay thế chính hãng và thuê chuyên gia xác định sai hỏng với kinh phí lớn, thời gian sửa chữa cũng không kịp thời làm gián đoạn công việc quan trắc trong thời gian dài. Trước yêu cầu cấp bách đó, Chính phủ đã chỉ đạo "Đổi mới và tăng cường thiết bị quan trắc đo đạc, truyền số liệu, công nghệ dự báo và xây dựng một số cơ sở cần thiết cho lắp đặt thiết bị đo đạc, nhằm nâng cao năng lực công tác cảnh báo, dự báo chính xác, kịp thời sự xuất hiện và quá trình diễn biến các hiện tượng thiên tai". 8 Ngày 29/11/2007 Thủ tướng chính phủ Nguyễn Tấn Dũng đã ra quyết định số 16/2007/QĐ-TTg về việc phê duyệt “Quy hoạch tổng thể mạng lưới quan trắc tài nguyên và môi trường quốc gia đến năm 2020” trong đó gồm 3 giai đoạn như sau: a) Giai đoạn 2007 - 2010: - Xây dựng và hoàn thiện cơ cấu tổ chức, bộ máy quản lý và điều hành; đào tạo bổ sung đội ngũ quan trắc viên, đáp ứng yêu cầu, nhiệm vụ của mạng lưới quan trắc tài nguyên và môi trường quốc gia; - Bổ sung, sửa đổi các quy định, quy trình, quy phạm, chỉ tiêu quan trắc một cách đồng bộ, đáp ứng được yêu cầu, nhiệm vụ quan trắc của từng lĩnh vực tài nguyên và môi trường cụ thể; - Củng cố và từng bước hiện đại hoá các trạm quan trắc tài nguyên và môi trường hiện có; xây dựng và đưa vào vận hành ít nhất 1/3 số trạm dự kiến xây mới, trọng tâm là những khu vực, những yếu tố quan trắc có nhu cầu cấp bách phục vụ phòng chống thiên tai và bảo vệ môi trường; - Xây dựng, củng cố, nâng cấp các trung tâm thông tin, tư liệu môi trường, tài nguyên nước, khí tượng thủy văn; tăng cường năng lực và bảo đảm truyền tin thông suốt giữa các trạm quan trắc, các trung tâm thông tin, tư liệu tài nguyên và môi trường; tạo lập, quản lý và khai thác có hiệu quả cơ sở dữ liệu quan trắc tài nguyên và môi trường. b) Giai đoạn 2011 - 2015: - Tiếp tục củng cố và hiện đại hoá các trạm quan trắc tài nguyên và môi trường đã có; xây dựng và đưa vào vận hành ít nhất 1/2 số trạm còn lại; - Nâng cấp cơ sở dữ liệu tài nguyên và môi trường, bảo đảm thông tin thông suốt, đồng bộ, có hệ thống và độ tin cậy cao; - Tiếp tục đào tạo bổ sung đội ngũ quan trắc viên, đáp ứng đủ nhu cầu cán bộ của mạng lưới quan trắc tài nguyên và môi trường quốc gia. c) Giai đoạn 2016 - 2020: - Hoàn thành việc xây dựng và đưa vào hoạt động có hiệu quả các trạm quan trắc trong Quy hoạch, bảo đảm tính hợp lý, thống nhất, đồng bộ, hiện đại của mạng lưới quan trắc tài nguyên và môi trường quốc gia; 9 - Nâng cao năng lực đội ngũ quan trắc viên, kỹ thuật viên và cán bộ quản lý, đáp ứng tốt yêu cầu hoạt động của mạng lưới quan trắc tài nguyên và môi trường quốc gia. Quy hoạch mạng lưới quan trắc tài nguyên và môi trường quốc gia. Mạng lưới quan trắc tài nguyên và môi trường quốc gia được chia thành các mạng lưới chuyên ngành sau đây: a) Mạng lưới quan trắc môi trường, gồm quan trắc môi trường nền và quan trắc môi trường tác động được xây dựng dựa trên cơ sở duy trì, nâng cấp các trạm, điểm quan trắc môi trường hiện có và xây dựng bổ sung các trạm, điểm quan trắc mới: - Mạng lưới quan trắc môi trường nền đến năm 2020 gồm 8 điểm quan trắc môi trường nền không khí, 60 điểm quan trắc môi trường nền nước sông, 6 điểm quan trắc môi trường nền nước hồ, 140 điểm quan trắc môi trường nền nước dưới đất và 12 điểm quan trắc môi trường nền biển ven bờ và biển khơi; - Mạng lưới quan trắc môi trường tác động đến năm 2020 gồm 34 đơn vị quan trắc với cơ sở vật chất, trang thiết bị quan trắc hiện đại. 58 tỉnh, thành phố trực thuộc Trung ương, khu công nghiệp quan trắc tác động môi trường không khí; 64 tỉnh, thành phố trực thuộc Trung ương, khu công nghiệp quan trắc tác động môi trường nước mặt lục địa; 21 tỉnh, thành phố trực thuộc Trung ương quan trắc mưa axit; 32 tỉnh, thành phố trực thuộc Trung ương quan trắc môi trường đất. Thực hiện quan trắc môi trường biển ở 48 cửa sông, 14 cảng biển, 11 bãi tắm, 7 vùng nuôi trồng thuỷ sản, 160 điểm ngoài khơi; quan trắc môi trường phóng xạ ở 120 mỏ và tỉnh, thành phố trực thuộc Trung ương; quan trắc chất thải rắn ở 64 tỉnh, thành phố trực thuộc Trung ương (tập trung cho các khu công nghiệp, làng nghề); quan trắc đa dạng sinh học ở 49 vườn quốc gia và khu bảo tồn thiên nhiên. b) Mạng lưới quan trắc tài nguyên nước, gồm quan trắc tài nguyên nước mặt và quan trắc tài nguyên nước dưới đất: - Mạng lưới quan trắc tài nguyên nước mặt đến năm 2020 gồm 348 trạm, trong đó có 270 trạm quan trắc lượng nước sông, 116 trạm quan trắc chất lượng nước sông, hồ và 1580 điểm đo mưa. Các trạm, điểm quan trắc này đã được lồng ghép tại các trạm, điểm thuộc mạng lưới quan trắc khí tượng thủy văn; 10 - Mạng lưới quan trắc tài nguyên nước dưới đất được xây dựng trên cơ sở duy trì, nâng cấp 39 trạm, 286 điểm và 661 công trình quan trắc hiện có và bổ sung các trạm, điểm còn thiếu đưa tổng số trạm, điểm quan trắc đến năm 2020 là 70 trạm, 692 điểm và 1331 công trình quan trắc. c) Mạng lưới quan trắc khí tượng thủy văn, gồm quan trắc khí tượng, quan trắc thủy văn và quan trắc khí tượng hải văn: - Mạng lưới quan trắc khí tượng được xây dựng trên cơ sở duy trì, nâng cấp 174 trạm khí tượng bề mặt, 29 trạm khí tượng nông nghiệp, 19 trạm khí tượng cao không (6 trạm rađa thời tiết, 3 trạm thám không vô tuyến, 7 trạm pilot, 3 trạm ôdôn - bức xạ cực tím) và 764 điểm đo mưa hiện có, đồng thời bổ sung các trạm, điểm còn thiếu, đưa tổng số trạm, điểm quan trắc đến năm 2020 là 231 trạm khí tượng bề mặt, 79 trạm khí tượng nông nghiệp, 50 trạm khí tượng cao không (15 trạm rađa thời tiết, 11 trạm thám không vô tuyến, 11 trạm pilot, 4 trạm ôdôn - bức xạ cực tím, 9 trạm định vị sét) và 1.580 điểm đo mưa; - Mạng lưới quan trắc thủy văn được xây dựng trên cơ sở duy trì, nâng cấp 248 trạm hiện có và bổ sung một số trạm còn thiếu, đưa tổng số trạm quan trắc đến năm 2020 là 347 trạm; - Mạng lưới quan trắc khí tượng hải văn được xây dựng trên cơ sở duy trì, nâng cấp 17 trạm hiện có và bổ sung một số trạm còn thiếu, đưa tổng số trạm đến năm 2020 là 35 trạm. Quan điểm quy hoạch tổng thể. Trong quyết định số 16/2007/QĐ-TTg ban hành ngày 29/11/2007 của Thủ tướng chính phủ có nêu rõ các quan điểm của quy hoạch tổng thể như sau: - Quy hoạch phải có tính kế thừa, tận dụng và phát huy tối đa cơ sở vật chất kỹ thuật và đội ngũ quan trắc viên hiện có; sửa chữa, nâng cấp hoặc đầu tư xây dựng mới các trạm, điểm quan trắc phải tập trung, có trọng tâm, trọng điểm, tránh dàn trải, phù hợp với điều kiện kinh tế - xã hội, yêu cầu bảo vệ tài nguyên - môi trường, đáp ứng nhu cầu cung cấp thông tin, số liệu điều tra cơ bản phục vụ phát triển bền vững đất nước trong từng giai đoạn. - Mạng lưới quan trắc tài nguyên và môi trường quốc gia được quy hoạch phải bảo đảm tính đồng bộ, tiên tiến, hiện đại, trên phạm vi toàn lãnh thổ và có đội ngũ cán bộ đủ năng lực để vận hành. Cùng một yếu tố quan trắc, tại mỗi thời điểm và vị 11 trí xác định, việc quan trắc chỉ do một đơn vị sự nghiệp thực hiện theo một quy trình thống nhất. - Mạng lưới quan trắc tài nguyên và môi trường quốc gia là một hệ thống mở, liên tục được bổ sung, nâng cấp và hoàn thiện, kết nối và chia sẻ thông tin bảo đảm thông suốt từ trung ương đến địa phương với sự quản lý thống nhất của Bộ Tài nguyên và Môi trường. - Từng bước hiện đại hóa công nghệ, máy móc và thiết bị quan trắc trên cơ sở áp dụng rộng rãi các công nghệ nghiên cứu tạo ra ở trong nước và tiếp thu, làm chủ được các công nghệ tiên tiến của nước ngoài. Do vậy nghiên cứu , chủ động thiết kế chế tạo các module làm cơ sở xây dựng hoặc sửa chữa thay thế trạm KTTĐ, từng bước tiến tới nội địa hoá các trạm KTTĐ ; góp phần phòng chống thiên tai, tiết kiệm cho đất nước và đẩy nhanh quá trình hiện đại hoá mạng lưới QTKTTV tại Việt Nam đang có tính cấp thiết hiện nay. 2.2 Mục tiêu nghiên cứu  Mục tiêu kinh tế - xã hội: Thiết kế chế tạo ra các sản phẩm phục vụ nhu cầu cấp bách phòng chống thiên tai Thay thế các thiết bị ngoại nhập để giảm giá thành, tiết kiệm cho đất nước.  Mục tiêu khoa học công nghệ: Nghiên cứu , chủ động thiết kế chế tạo các module làm cơ sở xây dựng hoặc sửa chữa thay thế trạm KTTĐ, từng bước tiến tới nội địa hoá các trạm KTTĐ và góp phần đẩy nhanh quá trình hiện đại hoá mạng lưới QTKT tại Việt Nam . 3. Đối tượng thụ hưởng và hiệu quả kinh tế - xã hội của đề tài Đối tượng thụ hưởng là: - Ngành Khí Tượng Thủy Văn. - Ngành Nông Nghiệp. - Ngành Giao thông vận tải - Ngành Quân Sự - Ngành Hàng Không…. Toàn bộ các trạm KTTV( tại 7 đài khu vực: Tây Bắc, Đông Bắc, đồng bằng Bắc Bộ, Bắc trung bộ, Trung trung bộ, Nam trung bộ và Nam bộ, và tại 64 tỉnh 12 thành đều đo bằng phương pháp thủ công). Chỉ có một số trạm KTTV có thiết bị đo tự động (vốn ODA) xong chưa phát huy được hiệu quả do thiết bị chưa nhiệt đới hoá và thiếu khả năng làm chủ về công nghệ cũng như linh kiện thay thế. Nhu cầu số trạm cần thiết bị đo KTTV lên tới hàng nghìn trạm, mà thực tế yêu cầu cứ 15km2 phải có 1 trạm đo mới đảm bảo cung cấp đủ thông tin cho công tác dự báo thời tiết. Diện tích Việt Nam là 330991km2 tương ứng cần 22060 trạm đo KTTV Hiệu quả kinh tế - xã hội: Chủ động thiết kế chế tạo sẽ làm giảm chi phí ứng dụng (bao gồm chi phí thiết bị và chi phí duy trì hoạt động) sản phẩm khoảng 30% - 50% so với nhập ngoại, góp phần tiết kiệm ngoại tệ cho đất nước và các doanh nghiệp, đồng thời nâng cao năng lực của đội ngũ làm KHCN trong nước. 4. Phương pháp thực hiện Sensor khí tượng là thành phần cơ sở để xây dựng các trạm khí tượng. Tuy nhiên chế tạo sensor khí tượng là chưa khả thi trong điều kiện Việt Nam hiện nay. Các ngành công nghiệp phụ trợ liên quan chưa có hoặc chưa phát triển đến mức để có thể đảm bảo chất lượng của sensor sản xuất ra đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật, đồng thời chi phí cho nghiên cứu chế tạo sensor rất lớn (hàng năm thế giới tiêu tốn hàng chục tỷ đô la cho nghiên cứu chế tạo các sensor). Qua nghiên cứu bước đầu nhóm thực hiện đề tài nhận thấy giá trị của các module điện tử liên quan tới xử lý tín hiệu sensor và truyền thông; các phần mềm giám sát trung tâm chiếm tỷ lệ tương đối lớn trong trạm khí tượng tự động và chúng ta có thể hoàn toàn thiết kế chế tạo được. Vì vậy phương pháp nghiên cứu là: trước hết nhóm thực hiện sẽ khảo sát các trạm khí tượng tại Việt Nam, thu thập, phân tích các yêu cầu và khả năng áp dụng thực tế . Phối hợp với các chuyên gia trong lĩnh vực này để tìm hiểu các yêu cầu kỹ thuật phục vụ cho thiết kế. Tại Việt Nam hiện đã có nhiều trạm khí tượng tự động đang hoạt động , 100% nhập khẩu. Sau thời gian hoạt động đã có nhiều sự cố. Việc khắc phục sự cố hiện nay chủ yếu là mua các thiết bị, module thay thế với giá thành rất cao. Nhóm thực hiện sẽ nghiên cứu, phân tích các sự cố đó để giảm thiểu các nhược điểm cho sản phẩm sẽ chế tạo. Trên cơ sở kết quả khảo sát nhóm thực hiện tiến hành chọn lựa linh kiện, vật tư, thiết bị phù hợp với điều kiện Việt Nam và đưa ra các giải pháp mang tính 13 tổng thể phù hợp với điều kiện Việt Nam. Nhóm sẽ kết hợp với nghiên cứu giải pháp của các hãng nước ngoài chế tạo các trạm khí tượng để học hỏi kinh nghiệm phục vụ thiết kế . Nhóm thực hiện đặt ra mục tiêu thiết kế chế tạo ra các module chuẩn để có thể thay thế các module ngoại nhập và làm cơ sở để thiết kế chế tạo trạm khí tượng và mạng lưới khí tượng tự động hoàn chỉnh, sao cho sản phẩm đi đúng theo xu hướng phát triển hiện nay trong lĩnh vực này và sản phẩm đạt các yêu cầu như: đạt các tiêu chuẩn chất lượng của ngành, giá thành hạ (cố gắng nội địa hoá tối đa các bộ phận như liên quan đến cơ khí , điện tử,...), hiện đại tương đương với các hệ thống nhập ngoại và có cải tiến theo yêu cầu của người sử dụng để phù hợp điều kiện Việt Nam và nhu cầu thực tế (như tính năng, giao diện, ngôn ngữ, trợ giúp,.....), tiến đến thương mại hoá các sản phẩm để cung cấp cho thị trường trong nước. 5. Nội dung, phạm vi nghiên cứu Nội dung của đề tài là : Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các module phục vụ đo lường giám sát trong trạm khí tượng tự động Theo như đăng ký khối lượng công việc của đề tài sẽ được thực hiện trong hai năm từ 01/2008 đến 12/2009, trong đó: Năm 2008 đề tài thực hiện các nội dung có trong bản phụ lục 1 của hợp đồng số 188.08 RD/HD-KHCN ký ngày 03/03/2008 giữa Bộ Công Thương và Viện Nghiên Cứu Điện tử, Tin học, Tự động hoá cụ thể như sau: - Khảo sát hiện trường, thu thập, phân tích các yêu cầu và khả năng áp dụng thực tế phục vụ thiết kế, chế tạo sản phẩm. - Xây dựng mô hình trạm khí tượng tự động. - Thiết kế chế tạo các module phục vụ đo: tốc độ gió , hướng gió . - Thiết kế chế tạo datalogger - Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm , hiệu chỉnh và đánh giá - Viết báo cáo tổng kết KHKT và báo cáo nghiệm thu đề tài. Nội dung dự định đăng ký thực hiện trong năm 2009 như sau: 14 - Thiết kế chế tạo các module khí tượng tự động đo các thông số: lượng mưa, độ ẩm, nhiệt độ. - Xây dựng phần mềm giám sát trung tâm phục vụ quan trắc khí tượng tự động. - Thử nghiệm, hiệu chỉnh và đánh giá - Viết báo cáo tổng kết KHKT và báo cáo nghiệm thu đề tài 6. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước. Từ trước đến nay đã có một số đề tài nghiên cứu có liên quan ít nhiều tới vấn đề nghiên cứu đặt ra: Đề tài “Nghiên cứu hiện trạng, xác định nguyên nhân sai hỏng các trạm khí tượng tự động đã lắp đặt và đề ra biện pháp xử lý khắc phục” do Trung tâm Mạng lưới KTTV và môi trường thuộc Trung tâm khí tượng thuỷ văn Quốc gia thực hiện và bảo vệ thành công ngày 11 tháng 12 năm 2006. Tuy nhiên đề tài mới chỉ dừng ở “đề ra biện pháp khắc phục”. Đề tài cấp bộ về nghiên cứu chế tạo vũ lượng ký chao lật hiện số tự ghi do Viện Khoa học vật liệu thực hiện. Sản phẩm đã được thương mại hoá: KTM-496 đo được cường độ mưa, tổng lượng mưa và ghi lại trên giấy theo yêu cầu người sử dụng. Đến nay chưa thấy đơn vị này phát triển chế tạo các module đo khác. Một số đơn vị trong nước đã sửa chữa các trạm KTTĐ nhưng chưa nghiên cứu một cách có hệ thống để chế tạo các thành phần chủ yếu có khả năng thay thế ngoại nhập và có định hướng nội địa hoá các trạm KTTD tại Việt Nam. 7. Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước 7.1 Tổng quan Hiện nay trên thế giới đã có nhiều hãng nghiên cứu thiết kế chế tạo các trạm KTTĐ phục vụ cho các lĩnh vực khác nhau như dự báo thiên tai (báo bão, cháy rừng, lũ quét,....), sản xuất nông/công nghiệp, giao thông vận tải (trong đó đặc biệt là hàng không),...Các hãng lớn có thể kể tới như Campbell, Vaisala, Monitor Sensor, Metone. Có hai dạng trạm KTTĐ chính là loại xách tay (portable) và loại cố định. Các trạm có thể hoạt động độc lập hoặc liên kết thành mạng lưới lớn (mạng quan trắc khí tượng thuỷ văn) với môi trường truyền thông vô tuyến hoặc hữu tuyến. Tuy vậy các trạm độc lập vẫn có giao diện truyền thông với thiết bị đọc và lưu dữ liệu (thường là PC). Các phương thức truyền dữ liệu đi xa hay sử dụng là 15 dùng telephone-network, cellular telephone, GSM, sử dụng kênh truyền thông riêng qua vệ tinh (GOES, METEOSAT, LEOS, ARGOS), truyền không dây dùng sóng radio (UHF, VHF, spread spectrum). Truyền thông tại hiện trường (trong phạm vi hẹp) thường sử dụng các giao thức trên nền RS232/RS485/Ethernet như Modbus, Profibus,.. . Công nghệ sản xuất sensor đòi hỏi trình độ kỹ thuật cao nên nhiều hãng không trực tiếp chế tạo mà chỉ chế tạo các thành phần khác trong trạm KTTĐ như phần cơ khí, các module xử lý tín hiệu sensor, module truyền thông , các phần mềm ứng dụng chuyên ngành KTTV sau đó tích hợp thành trạm KTTĐ và mạng lưới QTKT. Một trạm khí tượng tự động gồm các thành phần chủ yếu sau: các sensor (đo các thông số chủ yếu là tốc độ gió và hướng gió; nhiệt độ đất và không khí; áp suất khí quyển; độ bức xạ; lượng mưa; độ ẩm) ; datalogger tích hợp module truyền thông; các thiết bị cấp nguồn (ắc quy, pin mặt trời); các thiết bị bảo vệ chống sét; PC và phần mềm giám sát trung tâm; cột tháp và các thiết bị phụ khác. Trong đó giá trị các module xử lý tín hiệu sensor, datalogger, module truyền thông và phần mềm chiếm tỷ lệ không nhỏ trong tổng giá trị trạm KTTĐ . Cùng với sự phát triển của công nghệ sản xuất chip, các thiết bị điện tử trong trạm KTTĐ ngày càng có chất lượng cao và nhiều tính năng ưu việt như: kích thước nhỏ, tiêu hao ít năng lượng, tốc độ xử lý nhanh, dung lượng bộ nhớ cho phép tăng liên tục, chống chịu tốt trước các tác động của môi trường về cơ học và hoá học. Module nguồn thường dùng các loại 80–135/160–270 Vac, 50/60 Hz /9–30 Vdc. Các module xử lý tín hiệu sensor có thể mở rộng tối đa vài chục đầu vào loại: điện áp, dòng điện, điện trở, xung, RS232, RS485, FSK; đầu ra là tín hiệu analog: 0–1, 0–5, 0–10 Vdc, 4–20 mA và Serial Output: RS232, RS485, FSK. Datalogger thế hệ trước (khoảng 10 năm trước) sử dụng vi điều khiển 8 bit, nhưng nay đã được thay thế bởi các vi điều khiển 16/32bit mạnh hơn. Bộ nhớ lưu trữ của datalogger thường vài mêga bytes. Trên datalogger có bàn phím, LCD phục vụ theo dõi tại hiện trường và calibrate. 7.2 Giới thiệu các trạm khí tượng tự động của nước ngoài. 7.2.1 Trạm khí tượng tự động AWS 2700 hãng AANDERAA Là trạm được thiết kế để sử dụng cho các trạm đo từ xa mà không có nguồn điện lưới. Số liệu thu được có thể ghi trên hiện trường hoặc truyền thời gian thực bằng sóng UHF/VHF. 16 Một trạm tiêu chuẩn có thể đo được các yếu tố sau: - Tốc độ gió - Hướng gió - Nhiệt độ không khí - Độ ẩm tương đối - Áp suất không khí - Thời gian nắng - Bức xạ thực - Lượng mưa Trạm khí tượng tự động AWS 2700 là trạm được thiết kế theo dạng modul cho phép dễ dạng lập cấu hình hệ thống và dễ dàng thêm bớt đầu đo. Tất cả các đầu đo lắp trên trạm là đầu đo đã được chuẩn hoá, sử dụng trên thực địa và chịu được thời tiết khắc nghiệt. Hệ thống đầu đo có thể sử dụng trong nước, trên bề mặt và không khí có tín hiệu đầu ra được chuẩn hoá thành hai 2 dạng tín hiệu tương tự VR22 và tín hiệu số SR10. Các sensor như nhiệt độ, áp suất, bức xạ mặt trời có dạng tín hiệu đầu ra là tương tự ký hiệu là VR22, với dải tín hiệu là điện áp trong khoảng (5-6V). Các sensor như sensor đo tốc độ gió, hướng gió, sensor đo độ ẩm có đầu ra là dạng tín hiệu số SR10, tín hiệu được truyền nối tiếp dưới dạng thanh ghi dịch 10 bít. Trạm có thể hoạt động bằng nguồn điện lưới hoặc nguồn pin năng lượng mặt trời. 17 a) Sơ đồ bố trí thiết bị của trạm khí tượng tự động AWS 2700 Hình 1- Trạm khí tượng tự động AWS 2700 18 b) Dải đo của các sensor trong trạm khí tượng tự động. 1. Thiết bị đo tốc độ gió 2740 - Dải đo: 0 đến 79m/s - Độ chính xác: ±2% 2. Đầu đo nhiệt độ không khí 3455 - Dải đo: -43 đến 48 0C - Độ chính xác: ± 0.1 0C - Độ phân giải: 0.1 0C 3. Đầu đo áp suất không khí 2810 - Dải đo: 920 đến 1080 hPa - Độ chính xác: ±0.2 hPa - Độ phân giải : 0.2 hPa 4.Đầu đo thời gian nắng 3160 - Dải đo: 400 đến 1100 nm - Độ phân giải: 1 phút 5. Đầu đo bức xạ thực 2811 - Dải đo: +2000W/m2 - Độ chính xác: ±1% toàn dải 6. Đầu đo tầm nhìn MIRA 3544 - Dải đo: 20 đến 3000m - Bước sóng: 880nm 7. Đầu đo độ ẩm không khí 3445 - Dải đo: 0 đến 100% - Độ chính xác: ± 2% RH 8. Thiết bị đo hướng gió 3590 - Dải đo: 0 đến 3600 - Độ chính xác: ±50 9. Thiết bị đo mưa 3864 - Dải đo: 200 mm/interval. - Độ phân giải: 0.2mm - Độ chính xác: +2% 10. Pin mặt trời 2770 - Dung lượng: 7Ah - Điện áp : 8,4V 11. Thân cột 2772 - Chiều cao : 4m 12. Vỏ tủ điện 2720 13. Datalogger 3660 - Bộ Datalogger 3660 là trái tim của trạm khí tượng, nó có nhiệm vụ thu thập lấy mẫu các tín hiệu đo lường của một trạm khí tượng, chuyển đổi và lưu trữ dữ liệu đo, có cổng RS232 giao tiếp tín hiệu với máy tính và các modem truyền thông. Trên bộ Datalogger có một màn hình LCD để hiển thị các thông số đo 14. Thiết bị lưu trữ dữ liệu 2990 - Là một thiết bị lưu trữ dữ liệu có khả năng lưu 65500 từ, bộ lưu trữ có 1 màn hình hiển thị tổng số dữ liệu đã được lưu trữ. 15. Bộ phát tín hiệu VHF/UHF 3149/3694 19 - Có thể chọn thiết bị phát tín hiệu vô tuyến có tần số VHF (transmitter 3149) hoặc bộ phát tín hiệu có tần số UHF (transmitter 3694) để truyền tín hiệu đo lường về trạm theo dõi. c) Một số thiết bị cần thiết để lưu trữ, truyền số liệu - Dataloger 3660 - Bộ lưu trữ số liệu 2990 và 2995E - Bộ tính toán số liệu 3015 - Modem hiện trường 3431 d) Phần mềm thu thập và xử lý số liệu cho AWS 2700 - Chương trình đọc số liệu 5059 - Chương trình hiển thị số liệu thời gian thực 3710 e) Kết nối tín hiệu đo lường với bộ Datalogger. Hình 2 - Kết nối tín hiệu đo lường với bộ Datalogger. Tín hiệu đo lường của các thiết bị lắp trên đỉnh cột như: các sensor đo lường và tín hiệu đầu ra cho bộ phát sóng UHF (Radio Transmitter 3694) được gom vào một cáp tín hiệu đi bên trong cột trạm gọi là Mast cable, tất cả các tín hiệu đo lường này được đưa về bộ Datalogger qua 1 phích cắm 18 chân (11 kênh) Mast Cable. 20 Hình 3 - Mặt trước của bộ Datalogger. Đầu vào các tín hiệu từ các sensor đo lường khác được cắm vào các đầu vào (sensor input for VR22 or SR10) gồm 10 đầu vào 6 chân và 2 đầu vào 10 chân, trên bộ Datalogger còn có một cổng nối tiếp com port để người dùng có thể truy cập các dữ liệu từ Datalogger lên máy tính PC. f) Truyền thông bằng sóng vô tuyến VHF/UHF từ trạm AWS 2700 đến trạm theo dõi thông số khí tượng Hình 4 - Truyền thông giữa các trạm bằng tín hiệu VHF/UHF Trường hợp dùng sóng vô tuyến UHF dải tần từ 400 -500MHz 21 Tại trạm phát AWS 2700 tín hiệu đo lường thu được từ bộ Datalogger được đưa tới bộ phát sóng UHF (Radio Transmitter 3694) qua phích cắm 6 chân, bộ phát tín hiệu UHF sẽ chuyển đổi tín hiệu đo được thành tín hiệu sóng vô tuyến, tín hiệu được truyền đi từ ăngten của bộ chuyển đổi dưới dạng mã của hãng Aanderaa là 10bit PDC-4, khoảng cách truyền giữa trạm phát và trạm thu là trong khoảng 50km. Tại trạm thu các thiết bị thu gồm có một bộ thu tín hiệu (Radio Receiver 3696), một bộ chuyển đổi tín hiệu Deck Unit 3127 và một máy tính PC. Tín hiệu sóng vô tuyến UHF được bộ Receiver 3696 tiếp nhận và gửi đến bộ chuyển đổi Deck Unit 3127. Bộ chuyển đổi Deck Unit 3127 có nhiệm vụ chuyển tín hiệu thu được từ mã 10bit PCD-4 sang dạng tín hiệu theo chuẩn RS232 và đưa tới máy tính hiển thị. Hình 5 - Các thiết bị của Trạm theo dõi khí tượng Hình 6 - Truyền thông vô tuyến qua trạm lặp trung gian 22 7.2.2 Trạm khí tượng tự động RAWS-F hãng CAMPBELL Trạm khí tượng RAWS-F (Remote Automated Weather Station for Fire Weather) hãng CAMPBELL là trạm khí tượng tự động thiết kế nhằm mục đích đo lường các thông số khí tượng phục vụ cho công tác cảnh báo cháy rừng. Các sensor được gắn trên trạm RAWS-F bao gồm: Đo tốc độ và hướng gió, đo nhiệt độ và độ ẩm, lượng mưa, bức xạ mặt trời. Trạm RAWS-F là loại trạm khí tượng di động với cấu hình gọn nhẹ sử dụng nguồn năng lượng Pin mặt trời. Hình 7 - Toàn cảnh Trạm khí tượng RAWS-F 23 Hình 8 - Các linh kiện của trạm khí tượng RAWS-F Hình 9 - Bộ khung của trạm khí tượng RAWS-F a) Dải đo của các sensor trong trạm khí tượng tự động. - Nhiệt độ và độ ẩm không khí HMP45C: + Nhiệt độ: Dải đo: -40 đến +60 0C Độ phân dải: 0.1 0C Độ chính xác: ±0.5 0C tại -400C; ±0.2 0C tại 200C; ±0.6 0C tại 600C + Độ ẩm không khí: Dải đo: 0,8- 100% Độ phân dải: 1% Độ chính xác: ±1 % tại 200C, ±2% RH(0-90%), ±3% RH(90-100%), 24 - Đo mưa TET25 (Tipping Bucket Rain Gage) Sensor: Kiểu chao lật với công tắc từ (Magnetic reed switch) Độ cảm ứng: 0,25mm một lần lật (1xung). 1 tip per 0,25mm. Độ chính xác: ±1 % -Thiết bị đo tốc độ gió loại Cup anemometer ( chong chóng cánh gió hình chén) Độ phân giải: 0 đến 49,5 m/s Ngưỡng bắt đầu: 0,4m/s Độ chính xác : 0,11 m/s -Thiết bị đo hướng gió loại Vane Dải đo: 10- 3600 Độ chính xác: ± 40 -Thiết bị đo áp suất không khí: CS100 Dải đo: 600 đến 1100 milibar Độ chính xác: ± 0,5 mb (+200C); ± 1 mb (0 đến 400C); -Thiết bị đo bức xạ mặt trời: CS300 Dải đo: 0 đến 2000 Wm-2 Độ chính xác: ± 0,5 % tổng bức xạ Đầu ra : 0,2mV / 1 Wm-2 b) Bộ thu thập dữ liệu Datalogger của trạm RAWS-F Bộ Datalogger CR1000 của trạm khí tượng RAWS-F có chức năng thu thập các tín hiệu đo lường từ các sensor khí tượng lưu trữ và xử lý dữ liệu, giao tiếp với máy tính và mạng lưới khí tượng thông qua các modem truyền dẫn. Hình 10 - Bộ Datalogger CR1000- Campbell Các đặc tính kỹ thuật của bộ Datalogger - Nguồn cung cấp 12VDC. 25 - Bộ nhớ của bộ CR1000 là 4 Mbyte. - Các cổng nối tiếp CS I/O trên CR1000 có thể nối với các máy tính PC. Hình 11 - Giao diện đấu nối tín hiệu của bộ Datalogger CR1000 - Có 8 kênh vào tương tự riêng biệt (differential channel H-L) để đấu nối với các sensor khí tượng, khi đấu nối các kênh đó theo kiểu (Single-Ended Channel) tín hiệu tương tự lấy giữa 1 chân H hoặc L với đất thì 8 kênh (differential channel) sẽ thành 16 kênh (Single-Ended Channel). Differential channel H-L Single-Ended Channel 26 - Các kênh vào tương tự kết hợp với các đầu điện áp Ex ,Vx để tạo ra các kiểu tín hiệu vào khác nhau như: kiểu điện áp, kiểu chiết áp, kiểu cặp nhiệt ngẫu, kiểu cầu điện trở. Kiểu chiết áp Kiểu cầu điện trở - Có hai đầu vào dạng xung (Pulse inputs) P1, P2 , có chức năng như bộ đếm tốc độ cao, đầu vào này thường dùng cho các sensor đo gió kiểu chong chóng, hoặc đo mưa kiểu chao lật. Pulse inputs - Có 8 cổng vào ra có thể lựa chọn (Digital I/O ports selectable) từ C1..,,..C8. Các đầu vào ra này có rất nhiều chức năng như: bộ đếm xung đầu vào, bộ đếm xung tốc độ cao, truyền thông nối tiếp không đồng bộ, giao tiếp truyền thông theo giao thức SDI-12 (Serial Data Interface at 1200 Baud). Ngoài ra các đầu vào ra đa chức năng này còn có thể dùng để điều khiển tắt bật các thiết bị và giám sát vận hành thiết bị. - Các sensor kiểu đầu ra RS232 có thể được nối với bộ Datalogger CR1000 thông qua 1 cổng RS232 9 chân hoặc các đầu vào ra đa chức năng trên (C1-C2, C3-C4….) theo giao thức SDI-12. Theo cách truyền tín hiệu nối tiếp Datalogger đóng vai trò Master và các sensor sẽ được coi là Slave. 27 Đấu nối đầu ra sensor tín hiệu số với Datalogger - Trên Datalogger có một cổng 40 chân để kết nối với bộ nhớ ngoài như CFM100 Module. - Các tín hiệu đo lường từ các sensor ở các dạng: điện áp, chiết áp, cặp nhiệt ngẫu, cầu điện trở, truyền thông nối tiếp RS232… được nối tới các phích cắm ở dưới đáy của hộp chứa bộ Datalogger. Các phích cắm cho các ăngten đến Modem truyền thông cũng được bố trí dưới đáy hộp Datalogger. Hình 12 - Các phích cắm ở đáy hộp Datalogger c) Truyền thông vô tuyến giữa các trạm khí tượng RAWS-F - Các trạm khí tượng tự động RAWS-F hiện trường (Field Station) truyền dữ liệu về một trạm giám sát theo dõi các thông số thời tiết gọi là trạm gốc (Base Station) bằng sóng vô tuyến sử dụng RF modem. - Tần số của sóng Radio giữa hai trạm khí tượng sử dụng hai dải tần là VHF Very High Frequency (132-170 MHz) và UHF Ultra High Frequency (403- 512MHz). Khoảng cách giữa trạm thu và trạm phát phải nhỏ hơn 25 mile ( 40km). Khi khoảng cách giữa trạm hiện trường và trạm gốc (Base Station) lớn hơn 40km thì giữa hai trạm đó phải có một trạm lặp (Repeater Station) để khuyếch đại và chuyển tiếp tín hiệu. 28 - Vì sóng Radio sẽ bị hấp thụ hoặc suy hao khi gặp vật cản, nên trên đường truyền từ trạm khí tượng hiện trường về trạm gốc phải không có vật cản trở ở giữa chúng. Nói khác đi là đường truyền giữa hai trạm phải nằm trên tầm nhìn thẳng. - Thành phần của mạng lưới truyền thông vô tuyến bao gồm: + Trạm hiện trường (Field Station). + Trạm gốc (Base Station). + Trạm lặp (Repeater Station). Hình 13 - Các thành phần trong mạng lưới khí tượng * Trạm hiện trường (Field Station): - Trạm hiện trường có nhiệm vụ thu thập, lưu trữ và thực hiện yêu cầu truyền thông đến các trung tâm theo dõi khí tượng. Cấu trúc của một trạm hiện trường đã được mô tả ở các mục trên (Trạm RAWS-F). Các thiết bị có trong trạm hiện trường bao gồm : Bộ nguồn, Pin mặt trời, Datalogger, Các sensor đo lường, Modem RF, ăng ten. * Trạm Gốc (Base Station): - Trạm Gốc có nhiệm vụ thu thập các tín hiệu đo luờng từ các trạm hiện trường, phân tích và hiển thị các giá trị thời tiết của các trạm thời tiết đặt tại các vị trí khác nhau. 29 Hình 14 - Thiết bị của trạm gốc - Thiết bị của trạm gốc bao gồm: + 01 bộ máy tính PC với phần mềm chuyên dụng PC208W. + 01 bộ ăngten RF và cáp ăngten + 01 trạm RF232A Base Station (RF232 là 1 box bao gồm: 01 bộ nguồn 110VAC/12VDC, 01 cáp nối RS232 25 chân, 01 Modem RF loại modem trong.) * Trạm lặp Repeater Station - Khi khoảng cách giữa trạm hiện trường và trạm gốc lớn hơn khoảng cách truyền cho phép, người ta phải lắp đặt thêm một trạm trung gian gọi là trạm lặp (Repeater Station). Trạm lặp là một trạm ở giữa hai trạm hiện trường và Trạm gốc . Trạm lặp có chức năng tiếp nhận sóng Radio của trạm hiện trường và chuyển tiếp tín hiệu nhận được từ trạm hiện trường tới trạm gốc. - Các thiết bị của trạm lặp bao gồm: + 01 bộ Modem RF. + 01 bộ ăngten RF và cáp ăngten. + 01 bộ nguồn 12V và 5V. + 01 bộ pin mặt trời. - Trạm lặp không phải luôn cần thiết trong thành phần của mạng lưới truyền sóng Radio. Một trạm hiện trường cũng có chức năng như một trạm lặp. 30 8. Kết quả khảo sát thực tế 8.1 Khảo sát trạm khí tượng tự động Sân Bay Nội Bài - MIDAS IV- hãng VAISALA a)Tổng quan chung Trạm khí tượng sân bay Nội Bài được thiết kế với các chức năng sau: - Cung cấp cho giao thông đường không các thông số khí tượng cần thiết được quy định bởi tổ chức hàng không dân dụng quốc tế ICAO (international civil aviation organization). Cung cấp các bản tin thời tiết ngắn METAR (Meteorological Aerodrome Report) theo thời gian định trước. - Cung cấp các dữ liệu khí tượng cho mạng lưới khí tượng vùng và mạng lưới khí tượng quốc gia. Những tham số khí tượng được đo tự dộng bao gồm các tham số sau đây: - Tốc độ gió, hướng gió - Áp suất - Nhiệt độ không khí - Độ ẩm không khí - Lượng mưa - Tầm nhìn đường băng - Chiều cao tầng mây. - Thời tiết hiện tại. b) Mặt bằng bố trí thiết bị của trạm khí tượng tự động Hình 15 - Mặt bằng bố trí thiết bị của trạm khí tượng tự động Như trên hình vẽ ta thấy các sensor được bố trí bên cạnh và dọc theo đường băng. Các sensor đo tốc độ và hướng gió, áp suất, độ ẩm, đo lượng mưa, nhiệt độ 31 không khí được lắp đặt trên cùng một cột gọi là trạm hiện trường. Trong hình vẽ trên ta thấy có 03 trạm hiện trường AWOS Wind Station ( Automated Weather Observing System ). Tại mỗi trạm hiện trường có 01 bộ chuyển đổi tín hiệu và lưu trữ các thông số đo được gọi là bộ QML201 AWS logger. Các trạm hiện trường truyền tín hiệu về trung tâm quan sát khí tượng thông qua một modem board được cắm ở bên trong của bộ Datalogger (đối với Datalogger QML201 modem board sử dụng là loại DMX501). Đường truyền nối giữa modem tại trạm hiện trường và thiết bị dữ liệu trung tâm CDU (Central Data Unit) sử dụng cáp đôi dây xoắn theo kiểu kết nối điểm - điểm. Sensor đo chiều cao tầng mây (Ceilometer) sử dụng đường truyền riêng biệt truyền tín hiệu về bộ CDU, không thông qua trạm hiện trường (AWOS Wind Station). Modem board tích hợp trong bộ đo chiều cao tầng mây có thể được chọn lựa một trong hai loại là DMX55 hoặc DMX50, các modem board này được cắm trên khung DMF51 đặt bên trong của hộp của bộ đo chiều cao tầng mây Cũng giống như sensor chiều cao tầng mây, sensor đo tầm nhìn (Transmissometer) cũng sử dụng đường truyền riêng biệt truyền tín hiệu về bộ CDU, modem board mà sensor đo tầm nhìn sử dụng là loại DMX21 được tích hợp bên trong hộp của thiết bị đo tầm nhìn. c) Dải đo của các sensor: 1. Đầu đo áp suất không khí PTB220 - Dải đo: 600 đến 1100 hPa - Độ chính xác: ±0.2 hPa - Độ phân giải : 0.1 hPa - Đầu ra sensor: giao tiếp theo cổng RS-232 2. Đầu đo nhiệt độ và độ ẩm không khí HMP45D *Nhiệt độ kiểu PT100 - Dải đo: -60 đến +80 0C - Độ chính xác: theo tiêu chuẩn ¼ DIN 43760 - Độ phân giải: 1 0C - Tín hiệu đầu ra: kiểu 4 dây tín hiệu điện trở 0.385 Ω/ 0C *Độ ẩm kiểu điện dung - Dải đo: 0,8 đến 100% RH 32 - Độ chính xác: (1% khi độ ẩm 90%) - Tín hiệu đầu ra: (0 …1VDC) tương ứng với dải đo (0,8 đến 100%) - Điện áp nguồn nuôi (7…35VDC) 3. Thiết bị đo mưa RG13 - Đường kính sensor: 225 mm - Thiết diện sensor: 400 cm2 - Tín hiệu đầu ra : dạng tiếp điểm (0,2mm/1xung). 4. Thiết bị đo tốc độ và hướng gió loại siêu âm WAS425 - Dải đo: 0….65 m/s; 0....3600 - Độ phân giải : 0.1m/s; 10 - Độ chính xác: ± 3%; ± 20 - Đầu ra sensor: giao tiếp theo cổng RS-232 5. Thiết bị đo tầm nhìn đường băng (Runway Visual Range), Có tích hợp phép đo độ chói nền (Background luminance) *Đo tầm nhìn: - Dải đo: 0…..100% transmittance (hệ số truyền sáng) - Độ phân giải : 0,02% of transmittance - Độ chính xác: 1% của toàn dải đo - Dải đo tầm nhìn: (Visibility measuring range) (Dải đo tầm nhìn phụ thuộc vào khoảng cách đặt giữa đầu thu và đầu phát chùm sáng của bộ đo tầm nhìn, khoảng cách đặt giữa đầu thu và đầu phát được gọi là baseline.) Single baseline. - 25….1500 m với 35m baseline - 40….2000 m với 50m baseline - 50….3000 m với 75m baseline - 70….5000 m với 100m baseline - 150….10000 m với 200m baseline Khi sử dụng phép đo với một đầu phát và hai đầu thu chùm sáng thì hai khoảng cách này được gọi là Double baseline. Double baseline. - 7….3000 m với 10 và 75m baseline 33 - 7….10000 m với 10 và 200m baseline - Giữa đầu thu và đầu phát chùm sáng được nối với nhau qua cáp đôi dây xoắn và truyền thông nối tiếp với nhau. - Đầu ra sensor: giao tiếp theo cổng RS-232 - Truyền tín hiệu về bộ CDU qua modem DMX21 *Đo độ chói nền: - Dải đo: 4…..30000 cd/m2 - Độ phân giải : 10% - Đầu ra sensor: giao tiếp theo cổng RS-485. 6. Thiết bị đo chiều cao tầng mây (Ceilometer CT25K) - Dải đo: 0….25000 ft (0….7,5km) - Độ phân giải : 50 ft (15m) - Độ chính xác: 2% ± 1/2 * [độ phân giải] - Đầu ra sensor: giao tiếp theo cổng RS-232; RS-485. - Truyền tín hiệu về bộ CDU qua modem board DMX55 7. Thiết bị đo thời tiết hiện tại (Present Weather Sensor FD12P) Là một thiết bị đo đa năng có thể đo tầm nhìn, trạng thái thời tiết như: mưa, sương mù. - Dải đo tầm nhìn: 10….50000m - Độ chính xác: ± 10% (10km) - Nhận dạng thời tiết: 11 kiểu (mưa, mưa đá sương mù nặng, sương mù nhẹ, tuyết...) - Truyền tín hiệu về bộ CDU qua modem board DMX21 d) Bộ Datalogger QML201 - Bộ Datalogger QML201 của trạm khí tượng MIDAS IV có chức năng thu thập các tín hiệu đo lường từ các sensor khí tượng lưu trữ và xử lý dữ liệu, giao tiếp với máy tính và mạng lưới khí tượng thông qua các modem truyền dẫn. 34 Hình 16 - Hình ảnh bộ Datalogger QML201 Các đặc tính của bộ Datalogger: - Được thiết kế với 1 một bảng mạch sử dụng vi xử lý 32 bit của Motorola. - Bộ nhớ lưu trữ dữ liệu là 1,6Mb Flash memory. - Trên mặt Datalogger có một khe cắm thẻ nhớ (bộ nhớ ngoài) có dung lượng từ 32 Mb lên đến hàng trăm Mb. Thẻ nhớ có thể được máy tính PC đọc thông qua một Card Reader, jắc nối từ Card Reader vào PC là cổng USB. - Có 10 đầu vào tín hiệu analog riêng biệt (differential channel H-L) để đấu nối với các sensor khí tượng, khi đấu nối các kênh đó theo kiểu (Single-Ended Channel) tín hiệu tương tự lấy giữa 1 chân H hoặc L với common C thì 10 kênh (differential channel) sẽ thành 20 kênh (Single-Ended Channel). - Trong 10 kênh vào analog có 2 kênh CHA, CHB là kênh đầu vào xung, loại kênh này phù hợp với các sensor đo tốc độ gió loại chong chóng và sensor đo mưa dạng chao lật. Các kênh CH0, CH1, CH2, CH3 là loại 16-bit ADC có cực E là cực phát ra điện áp (voltage excitation) 12V/25mA, và cung cấp dòng điện (current excitation) 100µΑ/1mΑ, các đầu vào này phù hợp với các sensor như: kiểu điện áp, kiểu chiết áp, kiểu cặp nhiệt ngẫu, kiểu cầu điện trở, nhiệt điện trở. Bốn kênh tương tự CH4, CH5, CH6, CH7 là loại ACD 16 bit với cực E có thể cấp dòng (current excitation) 100µΑ/1mΑ các đầu vào này phù hợp với các sensor như : kiểu điện áp, kiểu nhiệt điện trở. - Trên Datalogger QLM201 có một cổng nối tiếp COM0 có thể đấu nối theo chuẩn RS232 các chân ( RXD, TXD, GND) hoặc theo chuẩn RS485 ( SD+, SD-). 35 Cổng này áp dụng cho các sensor có dạng đầu ra số như sensor đo gió bằng siêu âm AWS425, hay sensor đo áp suất khí… - Có hai khe cắm nằm bên trong của bộ Datalogger là các khe MOD1, MOD2 sử dụng với các Module giao tiếp, với hai khe cắm này ta có thể lựa chọn các loại module sau: + Module DSU232 (chuẩn RS232) hoặc module DSI485 (chuẩn RS485) , khi cắm các module truyền thông trên vào vị trí khe MOD1, MOD2 ta được các cổng giao tiếp RS232 hay RS485. + Modem board DMX501 dùng để truyền thông giữa trạm hiện trường và bộ điều khiển trung tâm CDU, khoảng cách truyền lớn nhất có thể lên đến 10km 36 Hình 17 - Giao diện đấu nối sensor của bộ Datalogger QML201 Đầu ra của Modem board DMX501 sử dụng cho truyền thông dữ liệu Dùng để truyền thông với PC tại chỗ hoặc với các sensor có tín hiệu ra dạng số Nối với sensor đo tốc độ gió (đầu vào dạng xung) Nối với sensor đo Mưa (đầu vào dạng xung) Nguồn cung cấp Dùng cho đấu nối các sensor khác như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm ..v.v Dùng cho đấu nối các sensor khác như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm..v.v 37 e) Modem truyền thông sử dụng trong trạm khí tượng tự động sân bay Nội Bài: Tại tủ điều khiển trung tâm có gắn một bộ Modem Rack gồm nhiều khe cắm để gắn những modem board. Modem sử dụng để kết nối truyền thông tín hiệu tại tủ điều khiển trung tâm có tên là DMX55U Modem Board. (Hình 18) Hình 18 - DMX55U Modem Board. Modem Board DMX55U có thể được cấu hình kết nối kiểu điểm điểm (point to point) hoặc điểm- nhiều điểm (multi-drop). Modem DMX55U có thể hoạt động theo chuẩn điều chế tín hiệu V.21 (300bps FSK) hoặc chuẩn điều chế dịch pha V.22bis (1200 bps DPSK). Tại trạm hiện trường Modem module được cắm trên khe cắm MOD1 hoặc MOD2 bên trong của bộ Datalogger QML201. Modem sử dụng trong các trạm hiện trường là loại DMX501. Giống như Modem DMX55U, Modem module DMX501 có thể hoạt động theo chuẩn điều chế tín hiệu V.21 (300bps FSK) hoặc chuẩn điều chế dịch pha V.22bis (1200 bps DPSK). 38 Hình 19 - DMX501 Modem module Hình 20 - Khe cắm Modem module trên Datalogger QML201 Thiết bị đo chiều cao tầng mây Ceilometer truyền tín hiệu đo lường về trung tâm sử dụng Modem board DMX55 cắm trên một giá có tên là DMF51 Fame đặt bên trong của hộp Ceilometer. Modem board DMX55 có thể hoạt động theo chuẩn điều chế tín hiệu V.21 (300bps FSK) hoặc chuẩn điều chế V.23 (1200 bps). 39 Hình 21 - Modem board DMX55 Thiết bị đo tầm nhìn đường băng (Runway Visual Range) và thiết bị đo thời tiết hiện thời (Present Weather Sensor) truyền tín hiệu đo lường về trung tâm sử dụng Modem board DMX21. Với thiết bị đo tầm nhìn đường băng (Runway Visual Range) Modem board DMX21 được bảng Mother Board LPB11. Với thiết bị đo thời tiết hiện thời (Present Weather Sensor) thì Modem board DMX21 được cắm trên Interface board 16127FD. Modem board DMX21 có thể hoạt động theo chuẩn điều chế tín hiệu V.21 (300bps FSK). 40 f) Các thiết bị điều khiển giám sát trung tâm của trạm khí tượng tự động Sân Bay Quốc Tế Nội Bài. Hình 22 - Mô hình giám sát, theo dõi thông số khí tượng tại trung tâm Tất cả các tín hiệu từ các trạm khí tượng hiện trường, các thiết bị đo tầm nhìn, chiều cao tầng mây.. được đưa về một máy tính công nghiệp tại trung tâm điều khiển. Máy tính công nghiệp có vai trò như một thiết bị dữ liệu trung tâm CDU Central Data Unit. Các trạm hiện trường và các thiết bị đo như thiết bị đo chiều cao tầng mây (Ceilometer), thiết bị đo tầm nhìn (Runway Visual Range), thiết bị nhận dạng thời tiết hiện thời (Present Weather Sensor) được nối tới CDU qua modem theo kiểu kết nối điểm-điểm. Modem truyền dẫn giữa trung tâm và hiện trường sử dụng dạng Modem Board. Môi trường truyền dẫn sử dụng cáp đôi dây xoắn. Tại trung tâm có một Rack để gắn các Modem board loại DMX55U. Tại các thiết bị hiện trường có 2 loại modem được sử dụng là: dạng Module cắm trên Datalogger như modem DMX501, hoặc ở dạng Modem Board cắm trên Frame hay Mother Board đặt trong hộp của các thiết bị như các modem DMX55, DMX21. 41 Các modem được được nối với bộ CDU qua giao tiếp RS232. Thiết bị CDU có một card Digitalboard gồm 16 cổng nối tiếp theo chuẩn RS232. Trên mặt panel tủ điều khiển trung tâm có gắn các thiết bị hiển thị như nhiệt độ, áp suất, tốc độ gió. Các thiết bị này nối với bộ CDU qua chuẩn giao tiếp RS485. Các máy tính theo dõi vận hành (máy tính trạm) được nối với máy tính server (CDU) thông qua mạng LAN với giao thức TCP/IP. Máy tính trung tâm CDU có nhiệm vụ cung cấp các thông số khí tượng theo tiêu chuẩn của tổ chức hàng không dân dụng quốc tế ICAO (international civil avitation organization) và tổ chức khí tượng thế giới WMO (World Meteorological Organization). Các phần mềm tính toán và hiển thị các thông số đo lường khí tượng được cài đặt trong CDU. Các ứng dụng trên máy tính CDU gồm: - Soạn thảo các bản tin bán tự động hoặc tự động theo định dạng METAR hoặc SPECI). - Giao diện dữ liệu thời tiết. - Phần mềm cảnh báo. - Hệ thống các ứng dụng bảo trì. 42 8.2 Khảo sát trạm khí tượng tự động Thanh Hóa và Hải Phòng. a) Mô hình tổng quan. - Trạm khí tượng tự động Thanh Hóa, Hải Phòng mang tên AURIE 18 có nhiệm vụ cung cấp các thông số phục vụ cho dự báo thời tiết, theo dõi tình hình khí tượng thuỷ văn, phát các bản tin dự báo khí tượng thuỷ văn hàng ngày, các bản tin cảnh báo các hiện tượng khí tượng thuỷ văn xảy ra hoặc có ảnh hưởng đến địa phương, tới các cấp, các ngành, trên các phương tiện thông tin đại chúng của Tỉnh. - Các thông số đo bao gồm : Đo tốc độ gió, hướng gió, nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, đo mưa, đo bức xạ mặt trời và thời gian nắng. Cấu hình thu thập và giám sát thông số của trạm khí tượng như hình vẽ dưới đây: Hình 23 - Mô hình tổng thể trạm khí tượng Thanh Hóa và Hải Phòng - Các sensor được nối tới bộ lưu trữ và hiển thị Datalogger thông qua các bộ biến đổi đo lường (Transmiter). Máy tính trung tâm Modem Modem AURIE 18 Datalogger Pin mặt trời Transmitter Transmitter RS232 RS232 Sensor Sensor Sensor Sensor Sensor Sensor Sensor Cáp đôi dây xoắn 43 - Datalogger có nhiệm vụ xử lý tín hiệu nhận được từ các sensor, lưu trữ và truyền dữ liệu đến máy tính hiển thị trung tâm. Trên Datalogger còn có màn hình LCD có chức năng hiển thị các thông số đo lường. - Dữ liệu từ Datalogger được truyền về máy tính trung tâm qua modem điện thoại RTC E963285, Modem FSK E963230. b) Dải đo của các sensor. - Nhiệt độ không khí: Dải đo: -40 đến +60 0C Độ phân dải: 0.1 0C Độ chính xác: 0.1 0C Chu kỳ đo: 1 phút - Độ ẩm không khí: Dải đo: 0- 100% Độ phân dải: 1% Độ chính xác: 2% Chu kỳ đo: 1 phút - Áp suất không khí: Dải đo: 0- 1100 hPa Chu kỳ đo: 1 phút - Thiết bị đo tốc độ gió và hướng gió +Tốc độ: 0-60 m/s Độ phân giải: 0.1 m/s Độ chính xác : 0.1 m/s + Hướng gió: 10- 3600 Độ phân dải: 100 Độ chính xác: 100 - Bức xạ mặt trời Dải đo: 0- 190mW/cm2 Độ phân giải: 0.2mW/cm2 Chu kỳ đo: 3 giây - Thời gian nắng Độ phân giải: giây 44 Chu kỳ đo: 36 giây - Đo mưa Dải đo: 0- 25mm/phút - Nhiệt độ mặt đất và các lớp sâu: 10, 20, 50, 100 cm hoặc 5, 10,15, 20 cm Dải đo: -10 đến +80 0C Độ phân dải: 0.1 0C Độ chính xác: 0.1 0C Chu kỳ đo: 1 phút c) Hiện trạng các sensor T Tên thiết bị Ký hiệu L Thành phần Hiện trạng Ghi chú Bộ đo nhiệt ẩm HRT 2121 1 sensor transmitter - - Bộ đo áp suất RPT301 VAISALA 1 sensor transmitter - Bộ đo tốc độ gió W06440B: 1101 1 sensor transmitter + - Chỉ còn phần cơ khí Bộ đo hướng gió W06440B: 1102 1 sensor transmitter + - Chỉ còn phần cơ khí Bộ đo Tổng xạ QQ06Q59 1 sensor transmitter - - Bộ đo Mưa R01 3030-15028 1 sensor transmitter + + Cần kiểm tra độ chính xác Bộ đo nhiệt độ đất PT100 1 sensor transmitter + + Còn 02 thông số. Đưa dữ liệu theo kiểu dồn kênh Datalogger SP05 1 - Hỏng 45 Hình 24 - Hình ảnh Bộ Datalogger trạm khí tượng Thanh Hóa Hình 25 - Hình ảnh Bộ Datalogger trạm khí tượng Thanh Hóa 46 8.3 Các đại lượng và đơn vị đo gió: a) Đại lượng đo Đối với sensor đo gió người ta quan tâm đến hai đại lượng đo là tốc độ gió và hướng gió. b) Đơn vị đo -Với tốc độ gió áp dụng cho các ngành liên quan khác nhau ví dụ như nông nghiệp, hàng hải, hàng không nên đơn vị đo có thể được biểu diễn bởi các đơn vị khác nhau như: m/s, km/h, dặm/h, hải lý/ h, cấp gió (0-12). -Thang sức gió (Beaufort) được Francis Beaufort (1774–1857), người Ailen, đồng thời là sỹ quan hải quân của Hoàng gia Anh, đề xuất từ năm 1805, dựa trên mô tả trạng thái mặt biển. Từ cuối năm 1830, thang đo này được đưa vào nhật ký đi biển của các tàu hải quân hoàng gia Anh như một tiêu chuẩn. -Về sau, việc phân cấp gió được hoàn thiện dần và thêm vào vận tốc gió để sử dụng cho cả trên đất liền và tương ứng với các thiết bị đo gió kiểu gáo quay. Đến năm 1923, thang từ cấp 0 đến cấp 12 được tiêu chuẩn hóa, và đến năm 1939, nó được Tổ chức Khí tượng thế giới (WMO) thừa nhận, với cấp 12 là cao nhất có vận tốc gió là 32,7 m/s (117 km/h, 64 knots). -Vào năm 1944, thang Beaufort được mở rộng thêm 5 cấp, từ cấp 13 đến cấp 17. Sau khi mở rộng, cấp 12 có vận tốc gió là 32,7 m/s – 36,9 m/s (117 km/h – 133 km/h, 64 knots - 71 knots); còn cấp 17 có vận tốc gió đến 61,2 m/s (220 km/h - 118 knots). Tuy nhiên, những cấp bổ sung này chỉ được dùng trong những trường hợp đặc biệt, chẳng hạn ở những vùng thường chịu ảnh hưởng của xoáy lốc nhiệt đới (tropical cyclone) và bão tố (typhoon) như ở bờ tây Thái Bình Dương; còn trong các mục đích thông thường, người ta vẫn dùng thang Beaufort đến cấp 12. -Trong dự báo thời tiết người ta thường dùng đơn vị đo tốc độ là cấp gió, công thức qui đổi từ cấp gió sang đơn vị đo m/s như sau: V = 0,836.B3/2 Trong đó : V là tốc độ m/s B là giá trị tính theo đơn vị cấp gió (Beaufort) từ 0,1,2.... đến 17. 47 Bảng thang cấp gió Beaufort (0 – 17) và chiều cao sóng đi kèm Vận tốc gió Chiều cao sóng Cấp gió (Beaufort number) Mô tả chuẩn của WMO và của ngành KTTV nước ta (94TCN-90) hải lý/giờ (knot) km/h m/s ft m 0 Calm/Lặng gió <1 <1 0-0,2 0 1 Light air/Gió rất nhẹ 1-3 1-6 0,3-1,5 0,25 0,1 2 Light breeze/Gió nhẹ 4-6 7-11 1,6-3,3 0,5-1 0,2-0,3 3 Gentle breeze/Gió nhỏ 7-10 12-19 3,4-5,4 2-3 0,6-1,0 4 Moderate breeze/Gió vừa 11-16 20-29 5,5-7,9 3,5-5 1,0-1,5 5 Fresh breeze/Gió khá mạnh 17-21 30-39 8,0- 10,7 6-8,5 2,0-2,5 6 Strong breeze/Gió mạnh 22-27 40-50 10,8- 13,8 9,5-13 3,0-4,0 7 Near gale/Gió khá lớn 28-33 51-62 13,9- 17,1 13,5-19 4,0-5,5 8 Gale/Gió lớn 34-40 63-75 17,2-20,7 18-25 5,5-7,5 9 Strong gale/Gió rất lớn 41-47 76-87 20,8- 24,4 23-32 7,0- 10,0 10 Storm/Gió bão 48-55 88-102 24,5-28,4 29-41 9,0- 12,5 11 Violent storm/Gió bão to 56-63 103- 117 28,5- 32,6 37-52 11,5- 16,0 12 Hurricane/Đại cuồng phong 64-71 118- 132 32,7- 36,9 45 - >52 14,0 - >16 13 Hurricane/Đại cuồng phong 72-80 133- 149 37,0- 41,4 >45 - >52 >14 - >16 14 Hurricane/Đại cuồng phong 81-89 150- 166 41,5- 46,1 - - 15 Hurricane/Đại cuồng phong 90-99 167- 183 46,2- 50,9 - - 16 Hurricane/Đại cuồng phong 100-109 184- 201 51,0- 56,0 - - 17 Hurricane/Đại cuồng phong 109-118 202- 220 56,1- 61,2 - - 48 -Cấp gió còn được mô tả một cách trực quan bằng các hiện tượng tương ứng với sức gió diễn ra trên mặt biển và trên đất liền như bảng dưới đây: Bảng cấp gió Beaufort và các hiện tượng tương ứng diễn ra trên mặt biển và trên đất liền Cấp gió (Beaufort) Diễn tả Hiện tượng tương ứng trên mặt biển Hiện tượng tương ứng trên đất liền 0 Êm đềm Phẳng lặng Êm đềm 1 Gió rất nhẹ Sóng lăn tăn, không có ngọn. Chuyển động của gió thấy được trong khói. 2 Gió thổi nhẹ vừa phải Sóng lăn tăn. Cảm thấy gió trên da trần. Tiếng lá xào xạc. 3 Gió nhẹ nhàng Sóng lăn tăn lớn. Lá và cọng nhỏ chuyển động theo gió. 4 Gió vừa phải Sóng nhỏ. Bụi và giấy rời bay lên. Những cành cây nhỏ chuyển động. 5 Gió mạnh vừa phải Sóng dài vừa phải (1,2 m). Có một chút bọt và bụi nước. Cây nhỏ đu đưa. 6 Gió mạnh Sóng lớn với chỏm bọt và bụi nước. Cành lớn chuyển động. Sử dụng ô khó khăn. 7 Gió mạnh Biển cuộn sóng và bọt bắt đầu có vệt. Cây to chuyển động. Phải có sự gắng sức khi đi ngược gió. 8 Gió mạnh hơn Sóng cao vừa phải với ngọn sóng gẫy tạo ra nhiều bụi. Các vệt bọt nước. Cành nhỏ gẫy khỏi cây. 9 Gió rất mạnh Sóng cao (2,75 m) với nhiều bọt hơn. Ngọn sóng bắt đầu cuộn lại. Nhiều bụi nước. Một số công trình xây dựng bị hư hại nhỏ. 10 Gió bão Sóng rất cao. Mặt biển trắng xóa và xô mạnh vào bờ. Tầm nhìn bị giảm. Cây bật gốc. Một số công trình xây dựng hư hại vừa phải. 11 Gió bão dữ dội Sóng cực cao. Nhiều công trình xây dựng hư hỏng. 12 Gió bão cực mạnh Các con sóng khổng lồ. Không gian bị bao phủ bởi bọt và bụi nước. Biển hoàn toàn trắng với các bụi nước. Nhìn gần cũng không rõ. Nhiều công trình hư hỏng nặng. 49 Bảng tham chiếu tốc độ gió với các đơn vị đo khác nhau: 1 m/s = 2,237 dặm/h = 3,6km/h = 1,944 hải lý/h (knot) 1 km/h = 0,621 dặm/h = 0,278 m/s = 0,54 hải lý/h 1 dặm/h = 0,447 m/s = 1,609 km/h = 0,869 hải lý/h 1 hải lý/h = 1,151 dặm/h = 1,852 km/h = 0,514 m/s 8.4 Tìm hiểu các loại sensor đo gió. Dựa vào phương pháp đo của sensor đo gió người ta phân ra hai loại sensor đo gió chính dùng trong ngành Khí tượng thủy văn. - Sensor đo gió kiểu chong chóng + Kiểu hình cánh quạt. + Kiểu hình chén gió. - Sensor đo gió kiểu siêu âm. 8.4.1 Sensor đo gió chong chóng - kiểu cánh quạt hãng YOUNG. a) Cấu tạo sensor: Hình 26 - Sensor đo gió Model 05106 hãng YOUNG Sensor đo gió loại chong chóng cấu tạo gồm 2 phần, một phần để xác định tốc độ gió và một phần để xác định hướng gió: b) Nguyên lý đo tốc độ gió: Tốc độ gió được xác định bởi phần cánh quạt (chong chóng gió). Dưới tác dụng của lực gió làm cho cánh quạt quay, trên trục quay của cánh quạt được gắn bởi một 50 nam châm vĩnh cửu có 6 cực, khi cánh quạt quay từ trường của nam châm sẽ được cuộn dây đặt bên cạnh đó cảm ứng và sinh ra một điện áp xoay chiều (AC). Điện áp xoay chiều sinh ra có tần số tỷ lệ với tốc độ gió. Mỗi vòng quay của cánh quạt tạo ra 3 chu kỳ điện áp sine. Như vậy tốc độ gió sẽ được tính toán theo số xung đầu ra của thiết bị đo gió với công thức như sau: V = MX + B V : là tốc độ gió. M : là hệ số tỉ lệ. X : là số xung đầu ra của sensor đo gió được đo bằng Hz B : là hằng số offset Tùy theo đơn vị của tốc độ gió tính theo m/s, km/h, dặm/h, hải lý/ h mà hệ số tỷ lệ M sẽ theo bảng sau: Đơn vị tốc độ m/s: M= 0.0980  V = 0.0980 X + B Đơn vị tốc độ km/h: M= 0.3528  V = 0.3528 X + B Đơn vị tốc độ dặm/h: M= 0.2192  V = 0.2192 X + B Đơn vị tốc độ hải lý/h: M= 0.1904  V = 0.1904 X + B c) Nguyên lý đo hướng gió: Hướng gió được xác định bằng cách gắn 1 chiết áp 10kΩ lên trục nằm bên trong sensor đo gió. Khi hướng gió thay đổi lực gió sẽ tác động lên cánh dẫn hướng của sensor đo gió làm thân của sensor đo gió lệch đi 1 góc, thân sensor đo gió xoay sẽ tác động đến chiết áp làm cho chiết áp xoay theo và độ lớn của biến trở thay đổi. Nếu ta đặt một điện áp chuẩn vào chiết áp, khi chiết áp bị xoay, điện áp lấy ra trên chiết áp sẽ tỷ lệ với hướng gió. Công thức tính hướng gió cụ thể như sau: G = Uref U 360* (độ); Trong đó: : G là góc lệch : U là điện áp đo được tại đầu ra của chiết áp : Uref là điện áp chuẩn đặt vào chiết áp d)Dải đo và tín hiệu đầu ra tốc độ của sensor đo gió: - Dải đo tốc độ gió của bộ đo gió : 0- 60 m/s - Dải đo hướng gió của bộ đo gió : 0-3600 51 - Ngưỡng cảm ứng là : 1,1 m/s - Độ chính xác đo tốc độ gió : ± 0,3 m/s - Độ chính xác đo hướng gió : ± 30 Tốc độ gió: - Biên độ điện áp AC cảm ứng tại đầu ra sensor là như sau: 1,1m/s – 100m/s  0,18 – 16,3 VAC. - Tần số điện áp AC cảm ứng tại đầu ra sensor là như sau: 1,1m/s – 100m/s  11,22 – 1020 Hz Hướng gió: - Chiết áp 10kΩ - Đối với bộ đo gió MODEL 05106 thì điện áp đặt lên chiết áp là: Uref max = 15VDC 8.4.2 Sensor đo gió chong chóng - kiểu chén gió hãng SUTRON. a) Cấu tạo sensor: Giống như Sensor đo gió chong chóng kiểu cánh quạt, cấu tạo sensor đo gió chong chóng kiểu chén gió cũng gồm 2 phần, một phần để xác định tốc độ gió và một phần để xác định hướng gió. Sự khác biệt giữa hai sensor là phần cánh quạt được thay bằng hệ thống gồm 03 chén hứng gió. Hình 27 - Sensor đo gió Model 5600-0241 hãng SUTRON b) Nguyên lý đo tốc độ gió: Trên thân của bộ phận đo tốc độ gió có gắn 03 chén nhựa hình nón. Dưới tác dụng của lực gió hệ thống 03 chén gió sẽ quay. Trên trục của hệ thống chén hứng gió có gắn một nam châm vĩnh cửu có hai cực, khi hệ thống chén gió quay sẽ tạo ra điện áp xoay chiều hình sine, mỗi vòng quay tạo ra một chu kỳ điện áp sine. 52 Như vậy điện áp sine phát ra sẽ có tần số tỷ lệ với tốc độ gió. Tín hiệu đầu ra của sensor là dạng xung với điện áp là 5 Volt DC. Tỷ lệ xung ra và tốc độ gió là: 90Hz = 8,8 m/s c) Nguyên lý đo hướng gió: Hướng gió được xác định bởi một cánh chong chóng cân bằng, trên trục quay của cánh cân bằng có gắn một biến trở (chiết áp) 10kΩ. Dưới tác dụng của hướng gió thổi cánh chong chóng cân bằng xoay làm cho giá trị chiết áp thay đổi. Nếu ta đặt một điện áp chuẩn vào chiết áp, khi chiết áp bị xoay, điện áp lấy ra trên chiết áp sẽ tỷ lệ với hướng gió. d) Dải đo và tín hiệu đầu ra của sensor - Dải đo tốc độ gió của bộ đo gió : 0-50 m/s - Dải đo hướng gió của bộ đo gió : 0-3600 - Ngưỡng cảm ứng là : 1,1 m/s - Độ chính xác đo tốc độ gió : ± 0,5 m/s - Độ chính xác đo hướng gió : ± 50 Tốc độ gió: - Nguồn cung cấp từ (8 – 20 VDC) - Tín hiệu đầu ra tốc độ gió: xung điện áp 5V 90Hz = 8,8 m/s Hướng gió: - Chiết áp 10kΩ - Điện áp max đặt lên chiết áp là: Uref max = 15VDC 8.4.3 Sensor đo gió chong chóng - kiểu chén gió hãng VAISALA. Bộ sensor đo gió WA15 Wind set (do hãng Vaisala chế tạo) là một bộ sensor đo gió mà bộ phận đo tốc độ gió và bộ phận đo hướng gió được chế tạo riêng biệt thành 02 phần bao gồm: Sensor đo tốc độ gió WAA151 Sensor đo hướng gió WAV151 53 Hình 28 - Bộ sensor đo gió Model WA15 Wind Set hãng VAISALA 8.4.3.1 Sensor đo tốc độ gió - kiểu chén gió WAA151 a) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của sensor: Hình 29 - Sensor đo tốc độ gió Model WAA151 hãng VAISALA 1. Hệ thống chén hứng gió 2. Trục sensor 3. Thân sensor Thực chất sensor đo tốc độ gió Model WAA151 là một thiết bị quang điện tử đáp ứng nhanh. Trên thân của bộ phận đo tốc độ gió có gắn 03 chén nhựa hình nón. Dưới tác dụng của lực gió hệ thống 03 chén gió sẽ quay. Ở phần dưới trục quay sensor người ta gắn một đĩa chắn tia hồng ngoại, mỗi vòng quay trùm sáng 54 hồng ngoại sẽ bị cắt 14 lần, đĩa quay ngắt tia hồng ngoại sẽ tạo ra một chuỗi xung tại đầu ra của một phototransitor. Đầu ra xung sẽ tỷ lệ với tốc độ gió. b) Dải đo và tín hiệu đầu ra của sensor - Dải đo tốc độ gió của bộ đo gió : 0,4-75 m/s - Ngưỡng cảm ứng là : <0,5 m/s - Độ chính xác đo tốc độ gió : ± 0,5 m/s - Tín hiệu đầu ra tốc độ gió: xung điện áp Uf = 0,1007 x R + 0,3278 Uf = Tốc độ gió R = Số xung đầu ra 0,3278 là hằng số offset - Nguồn cung cấp cho sensor từ 9,5 – 15,5 VDC, 20 mA 8.4.3.2 Sensor đo hướng gió - kiểu chong chóng cân bằng WAV151 a) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của sensor: Hình 30 - Sensor đo hướng gió Model WAV151 hãng VAISALA 1. Bộ phận cánh chong chóng thăng bằng 2. Trục sensor 3. Thân sensor Sensor đo hướng gió WAV151 là một bộ đếm cân bằng. Dưới tác dụng của lực cản gió cánh cân bằng sẽ xoay đi một góc và dừng lại khi mặt phẳng của cánh cân bằng trùng với hướng gió. Trên trục quay của cánh cân bằng ta gắn một chiếc đĩa gọi là đĩa mã hóa GRAY 6 bit. Trên thân sensor người ta gắn các đèn LED hồng 55 ngoại và các Phototransistor sao cho khi đĩa xoay một góc thì các LED hồng ngoại sẽ đóng mở các phototransitor tạo thành tín hiệu mã GRAY 6 bit. Đối với sensor này nhà sản xuất sử dụng mã GRAY 6 bit nên các vị trí hướng gió có thể phân biệt được theo bộ mã là 26 = 64 vị trí. Giá trị của mã sẽ thay đổi mỗi khi cánh cân bằng xoay đi một góc là 5,60 ( =360/64). Hướng gió được xác định tương ứng với bảng mã GRAY 6 bit như bảng liệt kê dưới đây. Bảng liệt kê hướng gió theo mã GRAY 6 bit Theo bảng trên thì mỗi hướng Đông, Tây, Nam, Bắc (E, W, S, N) có 16 vị trí hướng gió có thể phân biệt được. b) Dải đo và tín hiệu đầu ra của sensor - Dải đo hướng gió : 0-3600 - Ngưỡng cảm ứng là : <0,4m/s - Độ phân giải hướng gió : 5,60 - Độ chính xác đo hướng gió : ± 30 - Nguồn cung cấp cho sensor từ 9,5 – 15,5 VDC, 20 mA - Tín hiệu đầu ra dạng mã GRAY 6 bit 8.4.4 Sensor đo gió loại siêu âm a) Cấu tạo sensor: 56 Hình 31 - Sensor đo gió bằng siêu âm 5600-0210 hãng SUTRON Cấu tạo của sensor đo gió dùng siêu âm gồm có 4 đầu thu phát tín hiệu sóng siêu âm, các đầu thu phát được đặt thành 2 cặp theo 2 trục tọa độ là Đông – Tây và Nam - Bắc. Dựa vào thời gian thu phát tín hiệụ siêu âm giữa các cặp Transceiver trên người ta sẽ có được tốc độ gió và hướng gió. b) Đo tốc độ gió và hướng gió: Tốc độ gió được tính toán theo thời gian truyền tín hiệu siêu âm từ điểm A đến điểm B theo chiều gió và ngược chiều gió. Khi tín hiệu siêu âm truyền xuôi theo chiều gió thì thời gian truyền sẽ ngắn hơn vì vận tốc truyền sẽ bằng vận tốc siêu âm cộng với vận tốc gió, ngược lại khi ta truyền tín hiệu siêu âm ngược chiều gió thì thời gian truyền sẽ tăng lên vì trong trường hợp này vận tốc truyền sẽ bằng vận tốc siêu âm trừ đi vận tốc gió, các công thức tính toán được biểu diễn như sau: Thời gian truyền xuôi gió: Tf = VwindVs d + (1) Thời gian truyền ngược gió: Tb = VwindVs d − (2) Trong đó: d là khoảng cách truyền đơn vị là (m) Tf là thời gian truyền xuôi gió 57 Vs là vận tốc siêu âm (m/s) Vwind là vận tốc gió (m/s) Tb là thời gian truyền ngược gió Từ (1) và (2) ta rút ra công thức tính vận tốc gió là: Vwind =       Τ − Τ bf d 11 2 (công thức này áp dụng cho trường hợp hai điểm thu và phát siêu âm nằm dọc theo chiều gió.) Để đo được tốc độ và hướng gió bất kỳ các đầu thu phát của sensor đo gió được định vị như hình dưới đây: Hình 32 - Trục tọa độ tính tốc độ và hướng gió. Bốn đầu thu phát siêu âm của sensor đo gió được đặt theo hai trục Đông- Tây (trục X) và Nam - Bắc (trục Y). Vận tốc gió theo hướng bất kỳ được phân tích theo hai thành phần véctơ X và Y. Công thức tính toán theo hai thành phần là như sau: Công thức tính tốc độ gió: Vx = (d/2) * (1/Twe – 1/Tew) Vy = (d/2) * (1/Tsn – 1/Tns) 58 Vwind = (Vx2 + Vy2) Công thức tính hướng gió: Hướng gió được xác định theo góc lệch so với hướng bắc vì vậy tùy thuộc vào giá trị của vận tốc thành phần Vx, Vy mà hướng gió được xác định theo các công thức dưới đây: Tại góc phần tư thứ nhất (+Vx, +Vy ): Φ = 90 – arcsin (Vy / Vwind) Tại góc phần tư thứ hai (-Vx, +Vy ): Φ = arcsin (Vy / Vwind) + 270 Tại góc phần tư thứ ba (-Vx, -Vy ): Φ = (90 – arcsin (Vy / Vwind)) + 180 Tại góc phần tư thứ tư (+Vx, -Vy ): Φ = arcsin (Vy / Vwind) + 90 Trong đó: d là khoảng cách truyền đơn vị là (m) Vx là vận tốc gió theo phương X (m/s) Vy là vận tốc gió theo phương Y (m/s) Tew là thời gian truyền theo hướng Đông sang Tây Twe là thời gian truyền theo hướng Tây sang Đông Tsn là thời gian truyền theo hướng Nam sang Bắc Tns là thời gian truyền theo hướng Bắc vào Nam Vwind là vận tốc gió (m/s) Φ là góc lệch của hướng gió so với hướng Bắc (hướng được lấy làm chuẩn) Dải đo tốc độ và hướng gió: Tốc độ: Tốc độ gió : 0-65 m/s Độ chính xác : 2% Độ phân giải : 0,01m/s Hướng gió: 59 Hướng gió : 0- 3590 Độ chính xác: ± 20 Độ phân giải: 10 Tín hiệu đầu ra tốc độ của sensor đo gió: -Dạng số: Tín hiệu đầu ra của sensor đo gió siêu âm dạng tín hiệu số theo chuẩn RS422, tốc độ truyền Baud rate :1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, định dạng tín hiệu là 8 bít dữ liệu, bit kiểm lỗi chẵn, lẻ hoặc không kiểm tra chẵn lẻ. -Dạng tương tự: có thể yêu cầu theo đặt hàng (OPTIONAL) Có 3 đầu ra tương tự ( tốc độ gió, hướng gió, trạng thái hoặc nhiệt độ âm thanh), dạng tín hiệu đầu ra có thể là ±2,5V, 0-5V hoặc 4-20mA. Nguồn cung cấp cho sensor đo gió: 9-30VDC dòng tiêu thụ là 40mA Lựa chọn sensor đo gió: Để đảm bảo các yêu cầu về độ chính xác theo tiêu chuẩn ngành khí tượng thủy văn và độ bền trong điều kiện thời thiết khắc nghiệt, điều kiện môi trường khắc nghiệt ( độ ẩm cao, muối mặn ở các vùng ven biển , hải đảo) chúng tôi chọn sensor đo gió mã hiệu model Marine 05106 của hãng YOUNG - Mỹ sensor này đã được sử dụng trong nhiều trạm khí tượng tại Việt nam và kết quả cho thấy nó có độ tin cậy cao được ngành khí tượng thủy văn khuyến cáo sử dụng. 8.5 Tổng kết kết quả khảo sát Ứng dụng: Trạm KTTĐ phục vụ cho các lĩnh vực khác nhau như dự báo thiên tai (báo bão, cháy rừng, lũ quét,....), sản xuất nông/công nghiệp, giao thông vận tải (trong đó đặc biệt là hàng không) ... Thông số đo: chủ yếu là tốc độ gió và hướng gió; nhiệt độ đất và không khí; áp suất khí quyển; độ bức xạ; lượng mưa; độ ẩm Chủng loại: Có hai dạng trạm KTTĐ chính là loại xách tay (portable) và loại cố định. Mạng lưới: Các trạm có thể hoạt động độc lập hoặc liên kết thành mạng lưới lớn (mạng quan trắc khí tượng thuỷ văn) với môi trường truyền thông vô tuyến hoặc hữu tuyến. Tuy vậy các trạm độc lập vẫn có giao diện truyền thông với thiết bị đọc và lưu dữ liệu (thường là PC). 60 Datalogger: Tất cả các trạm khí tượng tại hiện trường đều có một bộ Datalogger. Datalogger tiếp nhận xử lý tín hiệu từ các sensor, lưu trữ ,hiển thị phục vụ giao tiếp HMI (theo dõi tại hiện trường, cấu hình hệ thống và calibrate), truyền dữ liệu thu được tới base station. Phương thức truyền dữ liệu đi xa: hay sử dụng là dùng telephone-network, cellular telephone, GSM, sử dụng kênh truyền thông riêng qua vệ tinh (GOES, METEOSAT, LEOS, ARGOS,....), truyền không dây dùng sóng radio (UHF, VHF). Truyền thông tại hiện trường (trong phạm vi hẹp) thường sử dụng các giao thức trên nền RS232/RS485 như SDI-12, Modbus, Profibus,... Vi điều khiển và bộ nhớ: 16/32bit , ngày càng có chất lượng cao và nhiều tính năng ưu việt như: kích thước nhỏ, tiêu hao ít năng lượng, tốc độ xử lý nhanh, dung lượng bộ nhớ cho phép tăng liên tục, chống chịu tốt trước các tác động của môi trường về cơ học và hoá học. Bộ nhớ lưu trữ của datalogger hàng chục/hàng trăm MB. Dùng thẻ nhớ ngoài. Các thành phần khác: cấp nguồn (ắc quy, pin mặt trời); các thiết bị bảo vệ chống sét; PC và phần mềm giám sát trung tâm; cột tháp và các thiết bị phụ khác 9. Tổng kết các vấn đề kỹ thuật cần giải quyết và giải pháp Nguồn cấp: Trạm khí tượng phải liên tục được cấp nguồn. Phần nguồn nuôi được cung cấp bởi điện lưới, được dự phòng bởi ắc quy, trong trường hợp trạm đặt ở xa trung tâm nguồn nuôi có thể được cung cấp bởi pin mặt trời. Tuy nhiên tại VN có nơi vào thời điểm nhất định ít nắng nên có thể tính tới khả năng dùng năng lượng gió(hải đảo, ven biển, trên núi cao,...). Nguồn dự phòng và điện lưới sẽ được chuyển đổi tự động khi mất điện. Thiết kế chế tạo module chuyển nguồn đảm bảo độ tin cậy cao, tránh gây sai, nhiễu, treo,.. hệ thống. Tiêu thụ năng lượng: Giảm tối đa có thể năng lượng tiêu thụ bằng tối ưu hóa thiết kế phần cứng (sử dụng IC, linh kiện,... tiêu ít năng lượng), xây dựng cơ chế truyền thông hợp lý (truyền/ngủ) và nén dữ liệu trước khi truyền để giảm thời gian truyền nhờ đó giảm tiêu hao năng lượng. Môi trường làm việc: Trạm khí tượng có thể ở gần biển nên vỏ trạm và bảng mạch phải được thiết kế chống ăn mòn do muối. Bảng mạch được đổ kín bằng epoxy, silicon hoặc dạng nhựa dẻo. Vỏ dùng nhựa, composite, inox,... 61 Chống sét: Trạm khí tượng đặt ngoài trời và treo trên các cột cao tới 10-15M) do vậy do vậy phải thiết kế hệ thống chống sét trực tiếp (dùng cột thu sét, lồng farađây,... ) và sét lan truyền qua dây dẫn nguồn và dây dẫn tín hiệu (mua sẵn các module này-không chế tạo) Format dữ liệu: phải theo chuẩn quốc tế (dùng định dạng bản tin: METR, METAR, SPECI,... ) Truyền thông đa dạng: Các trạm khí tượng có thể lắp đặt tại những vùng núi, vùng xa xôi hẻo lánh (hải đảo) nên cần có giải pháp truyền thông không dây, hoặc sử dụng mạng điện thoại công cộng sẵn có để truyền dữ liệu về trung tâm. Tại Việt Nam hiện nay khả thi là dùng mạng điện thoại công cộng (modem dial-up) và mạng mobile GSM (modem GSM). Có thể dùng truyền radio tuy nhiên giá cao cho đầu tư mua thiết bị ban đầu và đã có thử nghiệm tại Huế nhưng không thành công (dùng radio modem và thiết bị thu phát radio của motorola, nguyên nhân do tiêu năng lượng quá lớn nên nguồn pin mặt trời không đủ, mặt khác bị nhiễu và gián đoạn khi thời tiết xấu). Một khả năng khác trong tương lai có thể dùng là mạng wimax và truyền qua vệ tinh (tuy nhiên hiện các giải pháp này có giá rất cao-tương lai có thể rẻ hơn). Có thể dùng truyền radio tuy nhiên giá cao cho đầu tư mua thiết bị ban đầu, các trạm cách nhau 50km và phải nhìn thấy nhau. Đã có thử nghiệm tại Huế nhưng không thành công (dùng radio modem và thiết bị thu phát radio của motorola, nguyên nhân do tiêu năng lượng quá lớn nên nguồn pin mặt trời không đủ, mặt khác bị nhiễu và gián đoạn khi thời tiết xấu). Một khả năng khác trong tương lai có thể dùng là mạng wimax (khoảng cách truyền bán kính 50km và không cần nhìn thấy nhau) và truyền qua vệ tinh (tuy nhiên hiện các giải pháp này có giá rất cao hy vọng trong tương lai không xa giá có thể rẻ hơn). 62 Chương II. THIẾT KẾ CHẾ TẠO CÁC MODULE TRONG TRẠM KHÍ TƯỢNG 1. Mô hình tổng thể mạng lưới khí tượng. Mô hình tổng thể của mạng lưới khí tượng gồm đầy đủ các thành phần như sau: Hình 33 - Mô hình tổng thể mạng lưới khí tượng Hub Modem (Option dial up) Database server TTKTQG Web server TTKTQG Work station TTKTQG Datalogger Field Station Field sensor Field sensor Field sensor Field sensor Field sensor Modem ADSL Modem ADSL Modem ADSL Datalogger Field Station Datalogger Field Station Datalogger Field Station Base station PC Trạm vùng Base station PC Trạm vùng Work station RS232 modem GSM modem GSM modem GSM modem GSM modem GSM modem GSM Radio modem UHF, VHF FO or UTP cable <5km (có repeater) Radio modem UHF, VHF Profield bus/ modbus Hub Modem ADSL Modem ADSL Web client Web client RS485/232 RS232 RS232 RS232 Datalogger Field Station Trạm ở miền núi, hải đảo S M S S M S S M S S M S S M S S M S SMS Fibre Optic Cable Radio Wave LAN Cable Modem (Option dial up) Modem (Option dial up) Modem (Option dial up) Modem (Option dial up) Modem (Option dial up) Modem line (Option telephone network) Modem line (Option telephone network) Modem line (Option telephone network) 63 Một trạm khí tượng có chức năng cung cấp các thông tin về khí tượng phục vụ cho việc dự báo thời tiết, thông báo thời tiết cho các ngành nghề như xây dựng, nông nghiệp, hàng hải….v.v Thông thường một trạm khí tượng hoàn chỉnh có thể thực hiện các phép đo như: đo tốc độ và hướng gió, đo nhiệt độ và độ ẩm, lượng mưa, bức xạ mặt trời, thời gian nắng, áp suất không khí. Từ mô hình tổng thể (Hình 33) ta có thể thấy được quá trình đo, xử lý tín hiệu, lưu trữ và mạng truyền thông truyền các thông số khí tượng từ các trạm hiện trường đến các trung tâm theo dõi và dự báo khí tượng. a) Mô tả các thiết bị phần cứng trong mạng lưới khí tượng -Như trên mô hình hệ thống ta có thể thấy đường đi của tín hiệu là bắt đầu từ Field Sensor  Field Station  Modem  Base Station  Modem Internet hoặc đến máy tính chủ Web server. Từ một Web Client ta có thể truy cập vào máy tính chủ Web Server để biết được các thông số thời tiết tại một Field Station. - Field sensor  Datalogger: Là quá trình các tín hiệu đo lường từ các sensor tại hiện trường (Field sensor) như : sensor đo tốc độ và hướng gió, đo nhiệt độ và độ ẩm, lượng mưa, bức xạ mặt trời, thời gian nắng, áp suất không khí được đưa đến bộ thu thập dữ liệu Datalogger đặt trong tủ điện của trạm hiện trường (Field station). Datalogger có nhiệm vụ xử lý tín hiệu nhận được từ các sensor, lưu trữ và truyền dữ liệu đến máy tính hiển thị trung tâm. Trên Datalogger còn có màn hình LCD có chức năng hiển thị tại chỗ các thông số đo lường. Các tín hiệu của sensor đo lường trên có thể ở các dạng số Digital hoặc tương tự Analog, dạng tín hiệu đầu ra analog gồm các dải là: 0–1, 0–5, 0–10 VDC, 4–20 mA, 0-10 kΩ, PT100, tín hiệu số thường được truyền nối tiếp qua các chuẩn: RS232, RS485 với các giao thức như Profibus, Modbus, SDI-12. Đường truyền từ các field sensor đến Datalogger sử dụng cáp tín hiệu có lớp chống nhiễu, với cự ly đấu nối từ sensor đến Datalogger khoảng 5-10 mét. - Field Station  Modem  Base Station. Sau khi thu thập và xử lý dữ liệu từ các sensor hiện trường, bộ Datalogger (phần tử chính của Field Station) có nhiệm vụ lưu trữ và đóng gói dữ liệu và thực 64 hiện các kết nối truyền thông đến trạm cấp trên của nó gọi là trạm Gốc hay trạm Vùng (Base Station). Trạm Vùng có nhiệm vụ thu thập các tín hiệu đo luờng từ các trạm hiện trường, phân tích và hiển thị các giá trị thời tiết của các trạm thời tiết đặt tại các vị trí khác nhau. Thiết bị của trạm vùng thường bao gồm các máy tính có phần mềm hiển thị các thông số khí tượng, phần mềm truyền thông và các modem truyền thông để thu thập được các dữ liệu của trạm Field Station. Trạm vùng có thể là một trung tâm quan trắc khí tượng của một địa phương, của một vùng hay của một tỉnh nào đó. Tùy thuộc vào địa hình, địa điểm, khoảng cách giữa trạm Field Station đến trạm Base Station mà áp dụng các giải pháp truyền thông số liệu khác nhau: + Với khoảng cách từ Field Station đến Base Station ≥ 5 km ta có thể áp dụng truyền thông nối tiếp với các giao thức Profibus, Modbus truyền tín hiệu qua các chuẩn RS485, để khuyếch đại tín hiệu ta có thể sử dụng bộ lặp repeater đặt ở giữa hai trạm. Ở khoảng cách này ta cũng có thể sử dụng cơ sở hạ tầng sẵn có như đường điện thoại với modem quay số (dial up modem) để truyền thông tín hiệu. Mô hình khí tượng của sân bay thường áp dụng giải pháp truyền thông này. + Với khoảng cách từ Field Station đến Base Station lớn hơn 10 km đến hàng 100 km ta có thể sử dụng giải pháp dùng mạng điện thoại cố định với modem dial up để truyền thông tín hiệu. +Với các trạm Field Station đặt tại những vùng núi, vùng hải đảo, xa xôi hẻo lánh ta phải áp dụng giải pháp truyền thông không dây, hoặc sử dụng hạ tầng cơ sở truyền thông sẵn có (ví dụ như mạng điện thoại cố định) để truyền dữ liệu về trung tâm quan sát (Base Station). +Với các địa hình không có đường truyền hữu tuyến ta phải áp dụng giải pháp truyền thông không dây. Truyền thông không dây có thể dùng mạng điện thoại di động GSM với modem GSM hoặc có thể dùng các Radio Modem với dải tần UHF, VHF để truyền tín hiệu từ Field Station  Base Station. -Base Station  Modem Internet, Web Server Từ trạm vùng Base Station ta truyền dữ liệu đến máy chủ tại trung tâm khí tượng thủy văn Web Server là hình thức truyền thông giữa hai máy tính, vì vậy ta có thể áp dụng nhiều giải pháp truyền thông như: giải pháp truyền thông qua mạng 65 điện thoại công cộng với modem dial up, mạng điện thoại di động với modem GSM, mạng Internet với modem ADSL. Từ một máy tính PC có kết nối mạng (PC Client) ta có thể truy cập đến trung tâm khí tượng thủy văn (máy chủ Web Serve) qua mạng Internet với địa chỉ trang Web của ngành khí tượng. b) Phác thảo các chức năng phần mềm Thông qua các phần mềm truyền thông và các phần mềm giao diện, các thông số khí tượng sẽ được cập nhật và hiển thị qua các màn hình máy tính đặt tại các trung tâm quan sát và theo dõi khí tượng. Tại trung tâm quan sát người vận hành có thể quan sát được các tham số khí tượng qua các dạng biểu đồ và các giá trị. Phần mềm khí tượng còn cho phép người vận hành thiết lập các trạng thái cảnh báo với ngưỡng thấp và ngưỡng cao của một thông số đo, qua đó bằng trực quan người vận hành có thể thấy được mức độ nghiêm trọng của các diễn biến thời tiết. Ngoài các chức năng kể trên phần mềm khí tượng còn có thể lưu trữ các thông số khí tượng đã xảy ra trong quá khứ thành các history file, những dữ liệu này giúp cho người theo dõi có thể đánh giá quá trình diễn biến của thời tiết trong một khoảng thời gian dài hơn. Màn hình giao diện chính: Hình 34 - Màn hình giao diện tại trung tâm theo dõi khí tượng 66 Như trên màn hình giao diện (Hình 34) ta có thể thấy các thông số khí tượng được hiển thị bao gồm: tốc độ gió, hướng gió, nhiệt độ, độ ẩm, nhiệt độ điểm sương, lượng mưa và áp suất không khí. Hiển thị hướng gió và tốc độ gió Wind speed, Wind direction: Với tốc độ gió trên giao diện thể hiện hai đơn vị đo là mph (mile per hour) dặm trên giờ và tốc độ gió còn thể hiện theo cấp gió từ 1 đến 12 bft (beaufort). Bên cạnh giá trị tốc độ gió có 2 nút hình vuông để cấu hình ngưỡng cảnh báo tốc độ gió mức thấp và mức cao. Hướng gió được thể hiện bằng độ, phía trên của giá trị hướng gió là phần chữ mô tả hướng, trong hình trên thì phần chữ hiển thị là ESE (East South East: Đông Nam Đông) hướng đông nam nhưng thiên về phía đông nhiều hơn. Hiển thị lượng mưa: Lượng mưa được hiển thị trên giao diện hình 34 bao gồm: Tổng lượng mưa (Rain Total), lượng mưa trong 24 giờ (Rain 24h) và lượng mưa trong 1 giờ (Rain 1h) trên giao diện lựa chọn đơn vị hiển thị lượng mưa là inch. Ngoài giá trị hiển thị còn có biểu đồ dạng bể nước để hiển thị lượng mưa trong các thời gian khác nhau. Bên cạnh giá trị lượng mưa cũng có nút hình vuông để cấu hình ngưỡng cảnh báo max cho lượng mưa. Hiển thị nhiệt độ: Trên giao diện các nhiệt độ được hiển thị gồm có nhiệt độ ngoài trời (Outdoor Temperature) và nhiệt độ trong nhà (Indoor Temperature). Ngoài hiển thị nhiệt độ bằng giá trị trên giao diện cũng hiển thị nhiệt độ bằng biểu đồ có hình dạng giống như chiếc nhiệt kế thủy ngân. Bên cạnh giá trị nhiệt độ cũng có nút hình vuông để cấu hình ngưỡng cảnh báo cho phép đo nhiệt độ. Các hiển thị khác bao gồm: hiển thị nhiệt độ điểm sương (Dewpoint), độ ẩm trong nhà(Indoor humidity) đổ ẩm ngoài trời (Outdoor humidity), hiển thị áp suất tương đối (Relative pressure), hiển thị gió lạnh (Wind chill) cũng được biểu diễn trên giao diện giống như hiển thị gió, mưa, nhiệt độ ở phần trên chỉ khác một chút là trên giao diện chính các giá trị này không có hiển thị bằng dạng biểu đồ. 67 Các giao diện cấu hình: Cấu hình cổng truyền thông: Hình 35 - Giao diện lựa chọn cổng truyền thông Giao diện trên cho phép lựa chọn cổng truyền thông của máy tính PC tại trạm quan sát khí tượng để kết nối với trạm hiện trường. Tại hình trên ta chọn là cổng COM1. Cấu hình định dạng thời gian và dấu ngăn cách phần thập phân của dữ liệu: Hình 36 - Giao diện cấu hình định dạng đồng hồ thời gian Giao diện này cho phép ta có thể hiển thị đồng hồ thời gian theo kiểu 12h hay kiểu 24h. 68 Hình 37 - Giao diện lựa chọn dấu cách phần thập phân Giao diện này cho phép ta có thể chọn kiểu dấu ngăn cách giữa phần nguyên và phần thập phân của dữ liệu là dấu chấm (.) hay dấu phảy (,). Các giao diện lựa chọn đơn vị hiển thị cho các thông số đo lường: Hình 38 Giao diện lựa chọn đơn vị đo áp suất, nhiệt độ, lượng mưa, tốc độ gió. Các giao diện cấu hình cho các ngưỡng cảnh báo Ví dụ ta có các bước cấu hình các ngưỡng cảnh báo mức thấp cho giá trị đo độ ẩm không khí như sau: 69 - kích chuột phải vào nút vuông phía dưới giá trị biểu diễn độ ẩm trên màn hình giao diện chính. Hình 39 - Nút đặt ngưỡng cảnh báo với phép đo độ ẩm - Sau khi kích chuột phải cửa sổ đặt ngưỡng sẽ hiện ra, ta sẽ tích vào ô Alarm active để kích hoạt chế độ cảnh báo, sau đó ta dùng thanh cuốn để đặt giá trị cho ngưỡng cảnh báo (với hình 40 ta đặt ngưỡng cảnh báo độ ẩm thấp là 45%), sau khi đặt giá trị ta phải xác nhận bằng nút set. Hình 40 - Thao tác đặt ngưỡng cảnh báo Khi độ ẩm không khí ở dưới mức thấp thì biểu tượng hình chiếc chuông sẽ hiện lên phía dưới của giá trị đo độ ẩm thay cho ô vuông phía dưới báo hiệu rằng giá trị độ ẩm thấp hơn ngưỡng dưới (hình 41). Hình 41 - Trạng thái cảnh báo độ ẩm ở mức thấp 70 Các giao diện biểu diễn dữ liệu lưu trữ Các dữ liệu lấy từ một trạm hiện trường được tự động lưu vào một file dữ liệu lưu trữ. Các thông tin trong flie lưư trữ được hiển thị bởi màn hình giao diện như sau: Hình 42 - Giao diện hiển thị các thông số lưu trữ Ta có thể xem các thông tin lưu trữ theo các khoảng thời gian khác nhau bằng cách nhập các khoảng thời gian vào cửa sổ sau: Hình 43 - Cửa sổ lựa chọn khoảng thời gian đọc dữ liệu lưu trữ 71 Các dữ liệu lưu trữ có thể được xuất sang định dạng file Excel như sau: Hình 44 - File dữ liệu lưu trữ được mở bằng phần mềm Microsoft Excel Với định dạng file dữ liệu Excel ta có thể chuyển thành biểu đồ như sau: Hình 45 - Hiển thị dạng đồ thị 72 2. Thiết kế tổng quát trạm khí tượng Trạm khí tượng trong thiết kế có chức năng ghi lại các thông số khí tượng gồm tốc độ gió và hướng gió đều đặn theo chu kỳ đặt trước và lưu giữ các thông số đó. Hệ có khả năng lưu trữ dữ liệu tại chỗ bằng thẻ nhớ, truyền thông không dây GSM và truyền thông hữu tuyến qua modem dial up. Các dữ liệu cần lưu trữ gồm số liệu về hướng gió, tốc độ gió tức thời và giá trị trung bình trong một khoảng thời gian. Các giá trị này sẽ tự động hiển thị trên màn hình LCD tại chỗ để thuận tiện cho việc quan trắc và gửi về trung tâm giám sát. Mỗi trạm hoạt động nhờ vào một bộ pin nạp liên tục từ nguồn điện lưới 220V, do đó hệ có thể hoạt động liên tục ngay cả khi nguồn điện lưới bị ngắt trong một khoảng thời gian nhất định. Hình 46 - Bố trí các thành phần của trạm khí tượng Trạm khí tượng gồm các các thành phần chính: các sensor đo tốc độ gió và hướng gió, khối thu thập, xử lý tín hiệu từ các sensor, khối truyền tin từ các trạm quan trắc đến hệ giám sát trung tâm, khối cấp nguồn cho hệ thống. Các thành phần của hệ được thiết kế bố trí như hình vẽ số 46. Ngoài ra, trạm khí tượng đặt ngoài 73 trời nên các thiết bị trong trạm luôn chịu tác động của các điều kiện môi trường như nắng, mưa, ăn mòn, sét…. Do đó trong thiết kế chúng tôi có hệ chống sét trực tiếp, sét lan truyền theo đường nguồn và đường tín hiệu đảm bảo an toàn cho hệ thống và các thành phần của trạm khí tượng đều được chế tạo từ các vật liệu chịu được các tác động của môi trường. 3. Thiết kế chế tạo module đo gió và Datalogger Datalogger là thành phần chính của một trạm khí tượng, có nhiệm vụ kết nối với các sensor, xử lý tín hiệu nhận được từ các sensor, hiển thị, lưu trữ và truyền dữ liệu đến các trạm quan trắc trung tâm. Datalogger gồm một hộp WeatherLink, modem GSM và khối nguồn. Hộp WeatherLink chứa bo mạch chính kết nối với các sensor, xử lý tín hiệu, một bo mạch truyền thông kết nối với các modem, một màn hình hiển thị, bàn phím. Các thành phần của Datalogger kết nối với nhau như hình 47. Hình 47 - Các thành phần của bộ Datalogger 74 Modem GSM Datalogger Power Supply DATALOGGER J9 J10 J5 RS232 J8 220VAC J1 J2J3 J4 5-32V GSM Dial-up Power Supply Sensors J6 J7 PS WeatherLink PS-GSM PS-Dialup Hình 48 - Bố trí thiết bị bên trong hộp Datalogger 3.1 Thiết kế Mainboard WeatherLink_Main board là khối xử lý trung tâm và giám sát toàn bộ hoạt động của trạm khí tượng. Mainboard nhận tín hiệu thu thập được từ các sensor, xử lý, tính toán, hiển thị kết quả trên màn hình LCD và lưu trữ dữ liệu trong bộ nhớ thẻ, đồng thời điều khiển việc giao tiếp với các Modem truyền thông. Dựa vào đặc điểm của các sensor và cấu hình của trạm đo, chúng tôi tiến hành thiết kế WeatherLink gồm hai board mạch, một board mạch xử lý trung tâm gọi là WeatherLink_MainBoard và một board mạch truyền thông 75 WeatherLink_CommBoard. Sơ đồ thiết kế các board mạch trong hộp WeatherLink như trên hình 49. J_ G S M J_ D ia lu p Hình 49 - Thiết kế bo mạch WeatherLink a) Module đo tốc độ gió và hướng gió Sensor đo gió đưa ra hai loại tín hiệu, tín hiệu AC từ phần đo tốc độ gió và tín hiệu DC từ phần đo hướng gió. Hai tín hiệu này cần được xử lý theo hai cách khác nhau. Tín hiệu AC có thể đạt đến biên độ khá lớn (16.5VDC), do đó ta cần có phương pháp giới hạn biên độ của tín hiệu, đảm bảo giao tiếp với vi xử lý. Phần đo hướng gió của sensor đo gió, như đã trình này ở trên, là một biến trở, giá trị của biến trở này phụ thuộc vào hướng gió (góc lệch của trục sensor so với phương Bắc). Để xác định giá trị điện trở này, ta cần đặt vào sensor một điện áp chuẩn, điện áp ở lối ra của sensor đo gió sẽ tỉ lệ với điện trở của biến trở, nghĩa là nhờ vào việc xác định điện áp ra, ta có thể biết được hướng gió. Điện áp này sẽ được số hóa trước khi đưa vào vi xử lý. Dựa vào đặc điểm của thiết bị đo tốc độ, hướng gió và như các phân tích ở trên, sơ đồ thu thập, xử lý tín hiệu từ các sensor này được thiết kế như sau: 76 Hình 50 - Thu thập và xử lý tín hiệu từ thiết bị đo tố độ gió và hướng gió Ở đây, chúng tôi sử dụng IC so sánh mức điện áp để biến tín hiệu AC dạng sin ở lối ra của sensor đo gió và giới hạn biên độ xung. Trong thiết kế, chúng tôi sử dụng IC so sánh LM393. Tín hiệu sau LM393 là tín hiệu dạng xung vuông trong khoảng từ 0-5V. Một vài đặc tính kĩ thuật của LM393: • Điện áp nguồn nuôi: 2V đến 36V hoặc ±1V đến ±18V • Điện áp offset lối vào thấp cỡ 2mV, cực đại đạt 5mV • Dải điện áp chênh lệch ở các lối vào cho phép bằng điện áp nguồn nuôi. • Điện áp lối ra tương thích với các mức logic DTL, ECL, TTL, MOS, CMOS Hình 51 - Sơ đồ khối của LM393 74HC14 nhận tín hiệu từ LM393 có chức năng làm mịn các sườn của xung. Dưới đây là đặc trưng biến đổi dạng sóng của 74HC14. Dạng sóng lối ra của 74HC14 được xác định thông qua các điện áp ngưỡng VT+ và VT-, ở đây các giá trị điện áp ngưỡng này tương ứng bằng 20% và 70% VCC. 77 Trong phần đo hướng gió, điện áp chuẩn đặt vào sensor là 2.5V, được lấy ở lối ra của MC1403. Thành phần có chức năng số hóa tín hiệu DC từ sensor đo gió là AD7794 24 bit, công suất nhỏ, mức nhiễu thấp, nó là một ADC Σ − ∆ với 6 đầu vào vi sai, phù hợp với các thiết kế đa kênh, dùng trong các phép đo tín hiệu analog cần độ chính xác cao. Trong IC có chứa một bộ khuếch đại dụng cụ, do đó IC vẫn có thể đo được tín hiệu biên độ nhỏ. Tốc độ xuất dữ liệu từ mỗi kênh biến thiên từ 4.17Hz đến 500Hz. Với việc lựa chọn này, thiết kế của chúng tôi luôn sẵn sàng cho phép mở rộng ứng dụng của hệ khi muốn đo thêm các thông số cho trạm khí tượng. Hình 52 - Sơ đồ khối chức năng của AD7794 Các đặc tính tiêu biểu của ADC7794: • 22.5 bit có nghĩa • RMS của nhiễu: 40nV @ 4.17Hz, 85nV @ 16.7Hz • Power-down lớn nhất là 1µA • Bộ khuếch đại dụng cụ nhiễu thấp, hệ số khuếch đại có thể điều khiển được • 6 lối vào vi sai analog • Có bộ tạo clock bên trong • Nguồn nuôi 2.7V đến 5.25V • Giao tiếp nối tiếp SPI, QSPI, MICROWIRE, và DSP 78 b) Thiết kế khối xử lý trung tâm Hạt nhân của khối mạch xử lý trung tâm là vi điều khiển. Vi điều khiển thực hiện các chức năng chính sau: - Lập trình và đọc các dữ liệu từ kênh đo tốc độ gió và hướng gió - Hiển thị các thông số trên LCD - Chuẩn hóa tín hiệu đo và lưu các thông số trong bộ nhớ - Tự kiểm tra trạng thái thiết bị - Giao tiếp với các Modem truyền thông Để thực hiện các chức năng này một cách chính xác và hiệu quả, các vi điều khiển cần được lựa chọn có tốc độ xử lý, điều khiển nhanh, công suất thấp, có khả năng thực hiện được đồng thời nhiều nhiệm vụ điều khiển và cần có nhiều giao tiếp phần cứng phụ trợ… Sau khi tìm hiểu các dòng IC có sẵn trên thị trường, cũng như dựa trên khả năng thực hiện và mức độ sẵn sàng, chúng tôi quyết định lựa chọn họ vi điều khiển loại 32 bit LPC2124 thuộc dòng ARM7. Các vi xử lý lõi ARM7 là các vi xử lý thuộc dòng vi xử lý RISC. Vài năm gần đây các vi xử lý dòng này được sử dụng rất phổ biến trong các thiết bị kết hợp với các DSP, ví dụ như trong điện thoại di động. Trong các ứng dụng này, vi xử lý thực hiện các chức năng như xử lý gói tin, giao diện người sử dụng và các nhiệm vụ điều khiển chung khác, còn DSP thực hiện các chức năng xử lý, các chức năng đòi hỏi tính toán. Ưu điểm của lõi ARM nói chung và vi xử lý LPC2124 nói riêng là được sử dụng rất rộng rãi với rất nhiều các biến thể cho rất nhiều ứng dụng khác nhau, hơn nữa lại được hỗ trợ mạnh từ một số lượng lớn các nhà sản xuất thứ ba. Đây là một loại vi điều khiển 32 bit có tốc độ tính toán cao tới 60Mips (khi có sử dụng chức năng nhân tần số) cho phép thực hiện các chức năng DSP như lọc, tính toán FFT,… cũng như được trang bị rất nhiều giao tiếp phần cứng phụ trợ khác. 79 Hình 53 - Sơ đồ khối của vi điều khiển LPC2124 Các đặc tính chính của vi xử lý LPC2124 là: - Tập lệnh 32 bit - Đóng gói dạng LQFP 64 chân - 16kB SRAM trên chip và bộ nhớ flash 256kB trên chip - ISP (in symtem programming) và IAP (in application programming) thông qua phần mềm khởi động trên chip. - Embedded ICE-RT và giao diện vết nhúng cho phép gỡ rối thời gian thực. - Bốn cổng CAN. - Các giao tiếp mở rộng gồm hai UARTs (16C550), bus I2C tốc độ cao(400 kbps) và hai cổng SPI riêng biệt. - Bốn kênh ADC 10bit với thời gian chuyển đổi 2.44us LPC2124 80 - Hai Timer 32bit, bộ điều chế độ rộng xung PWM (sáu đầu ra), có đồng hồ thời gian thực và watchdog. - Vectơ cấu hình được. - Có tới 46 chân điều khiển I/O thông dụng, chịu được điện áp 5V; 9 chân ngắt ngoài - Đồng hồ CPU tối đa là 60MHz có sẵn vòng khóa pha trên chip, có thể lập trình được với thời gian xác lập 100us. - Bộ tạo dao động trên chip với phạm vi hoạt động từ 1MHz đến 30MHz - Có các chế độ tiết kiệm năng lượng: Idle và Power-down - Cho phép hoặc cấm riêng rẽ từng thiết bị ngoại vi để tối ưu năng lượng - 2 nguồn nuôi: o CPU hoạt động với dải điện áp từ 1.65V tới 1.95V(1.8 0.15V V± ). o I/O nuôi từ 3V đến 3.6V (3.3 10%V ± ) dung sai 5V. c) Thiết kế bộ lưu trữ tại chỗ Tại mỗi trạm khí tượng , dữ liệu sau mỗi lần đo cần được lưu trữ để phân tích, đánh giá. Bộ nhớ tại chỗ cần có thời gian ghi nhanh, có khả năng lưu trữ lớn và thực hiện được nhiều chu kì xóa/ghi. SD card có khóa trượt bên cạnh, giống như đĩa mềm (Floppy Disk), để bảo vệ dữ liệu