Báo cáo tổng kết đề tài NCKH cấp Bộ: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các module phục vụ đo lường giám sát trong trạm khí tượng tự động

Chia sẻ: Lê Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:134

Thêm vào BST

Báo xấu

97
lượt xem 15
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn hướng đến mục tiêu 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.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo tổng kết đề tài NCKH cấp Bộ: 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
BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN NC ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA  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 1
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 2
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 3
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 4
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 5
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 6
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". 7
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; 8
- 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; 9
- 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 10
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 11
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 12
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: 13
- 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 14
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. 15
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. 16
a) Sơ đồ bố trí thiết bị của trạm khí tượng tự động AWS 2700 Hình 1- Trạm khí tượng tự động AWS 2700 17
b) Dải đo của các sensor trong trạm khí tượng tự động. 1. Thiết bị đo tốc độ gió 2740 7. Đầu đo độ ẩm không khí 3445 - Dải đo: 0 đến 79m/s - Dải đo: 0 đến 100% - Độ chính xác: ±2% - Độ chính xác: ± 2% RH 2. Đầu đo nhiệt độ không khí 3455 8. Thiết bị đo hướng gió 3590 - Dải đo: -43 đến 48 0C - Dải đo: 0 đến 3600 - Độ chính xác: ± 0.1 0C - Độ chính xác: ±50 - Độ phân giải: 0.1 0C 9. Thiết bị đo mưa 3864 3. Đầu đo áp suất không khí 2810 - Dải đo: 200 mm/interval. - Dải đo: 920 đến 1080 hPa - Độ phân giải: 0.2mm - Độ chính xác: ±0.2 hPa - Độ chính xác: +2% - Độ phân giải : 0.2 hPa 10. Pin mặt trời 2770 4.Đầu đo thời gian nắng 3160 - Dung lượng: 7Ah - Dải đo: 400 đến 1100 nm - Điện áp : 8,4V - Độ phân giải: 1 phút 11. Thân cột 2772 5. Đầu đo bức xạ thực 2811 - Chiều cao : 4m - Dải đo: +2000W/m2 12. Vỏ tủ điện 2720 - Độ chính xác: ±1% toàn dải 6. Đầu đo tầm nhìn MIRA 3544 - Dải đo: 20 đến 3000m - Bước sóng: 880nm 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 18
- 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. 19