Nghiên Cứu Thiết Kế Chế Tạo Các Module Phục Vụ Đo Lường Giám Sát Trong Trạm Khí Tượng Tự Động.docx

Microsoft Word bia Mau doc 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 s[.]

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

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 8 0 30’ đến 23 0 22’ độ vĩ Bắc và từ 102 0 10’ đến 109 0 21’ 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 (HàTĩnh) làm chết 53 người, 111 người bị thương Năm 2004, trận lũ quét xảy ra ở hai 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. 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".

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;

Mục tiêu nghiên cứu

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.

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

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 Giao thông vận tải

Toàn bộ các trạm KTTV( tại 7 đài khu vực: Tây Bắc, Đông Bắc, đồng bằngBắc Bộ, Bắc trung bộ, Trung trung bộ, Nam trung bộ và Nam bộ, và tại 64 tỉnh 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.

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 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.

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 188.8 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:

- 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

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.

Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước

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 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.

Một trạm tiêu chuẩn có thể đo được các yếu tố sau:

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. a) Sơ đồ bố trí thiết bị của trạm khí tượng tự động AWS 2700

Hình 1- Trạm khí tượng tự động AWS 2700 b) Dải đo của các sensor trong trạm khí tượng tự động.

1 Thiết bị đo tốc độ gió 2740

2.Đầu đo nhiệt độ không khí 3455

3.Đầu đo áp suất không khí 2810

4.Đầu đo thời gian nắng 3160

5.Đầu đo bức xạ thực 2811

- Độ chính xác: ±1% toàn dải

6.Đầu đo tầm nhìn MIRA 3544

7 Đầu đo độ ẩm không khí 3445

8 Thiết bị đo hướng gió 359 0

- 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.

- 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

- 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) MastCable.

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

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

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

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:

Dải đo: -40 đến +60 0 C Độ phân dải: 0.1 0 C Độ chính xác: ±0.5 0 C tại -40 0 C; ±0.2 0 C tại 20 0 C; ±0.6 0 C tại 60 0 C + Độ ẩm không khí:

Dải đo: 0,8- 100% Độ phân dải: 1% Độ chính xác: ±1 % tại 20 0 C, ±2% RH(0-90%), ±3% RH(90-100%),

- 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- 360 0 Độ chính xác: ± 4 0

-Thiết bị đo áp suất không khí: CS100

Dải đo: 600 đến 1100 milibar Độ chính xác: ± 0,5 mb (+20 0 C); ± 1 mb (0 đến 40 0 C);

-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

- 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).

- 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.

Kết quả khảo sát thực tế

8.1 Khảo sát trạm khí tượng tự động Sân Bay Nội Bài - MIDAS IV- hãng VAISALA a)T ổ ng 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

- Thời tiết hiện tại. b) M ặ t b ằ ng b ố trí thi ế t b ị c ủ a tr ạ m khí t ượ ng t ự độ ng

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 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) D ả i đ o c ủ a các sensor:

1.Đầu đo áp suất không khí PTB220

- Đầu ra sensor: giao tiếp theo cổng RS-232

2.Đầu đo nhiệt độ và độ ẩm không khí HMP45D

- Độ chớnh xỏc: theo tiờu chuẩn ẳ DIN 43760

- 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

- Tín hiệu đầu ra : dạng tiếp điểm (0,2mm/1xung).

4 Thiết bị đo tốc độ và hướng gió loại siêu âm WAS425

5 Thiết bị đo tầm nhìn đường băng (Runway Visual Range),

Có tích hợp phép đo độ chói nền (Background luminance)

- 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.)

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

- Giữa đầu thu và đầu phát chùm sáng được nối với nhau qua cáp đôi dây xoắn và truyền thông nối tiếp với nhau.

- Truyền tín hiệu về bộ CDU qua modem DMX21

- Đầu ra sensor: giao tiếp theo cổng RS-485.

6 Thiết bị đo chiều cao tầng mây (Ceilometer CT25K)

- 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.

- 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) B ộ 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.

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) 100m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) 100m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-).

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

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

Nối với sensor đo Mưa (đầu vào dạng xung) Nguồn cung cấp

Nối với sensor đo tốc độ gió (đầu vào dạng xung)

Dùng để truyền thông với PC tại chỗ hoặc với các sensor có tín hiệu ra dạng số Đầu ra của Modem board DMX501 sử dụng cho truyền thông dữ liệu

Hình 17 - Giao diện đấu nối sensor của bộ Datalogger QML201 e) Modem truy ề n thông s ử d ụ ng trong tr ạ m khí t ượ ng t ự độ ng sân bay N ộ i 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)

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

Hình 20 - Khe cắm Modem module trên Datalogger QML201

Tổng kết các vấn đề kỹ thuật cần giải quyết và giải pháp

Ngu ồ n c ấ p: 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 th ụ n ă ng l ượ ng: 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 tr ườ ng làm vi ệ c: 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,

Ch ố ng 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 d ữ li ệ u: phải theo chuẩn quốc tế (dùng định dạng bản tin: METR, METAR, SPECI, )

Truy ề n thông đ a d ạ ng: 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).

THIẾT KẾ CHẾ TẠO CÁC MODULE TRONG TRẠM KHÍ TƯỢNG 62 1 Mô hình tổng thể mạng lưới khí tượng

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 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.

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

PS WeatherLink PS-GSM PS-Dialup o e o r u ply

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

WeatherLink_CommBoard Sơ đồ thiết kế các board mạch trong hộp WeatherLink như trên hình 49.

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:

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.

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 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:

 RMS của nhiễu: 40nV @ 4.17Hz, 85nV @ 16.7Hz

 Power-down lớn nhất là 1àA

 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

 Giao tiếp nối tiếp SPI, QSPI, MICROWIRE, và DSP 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.

Hình 53 - Sơ đồ khối của vi điều khiển LPC2124 Các đặc tính chính của vi xử lý LPC2124 là:

- 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.

- 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

- Hai Timer 32bit, bộ điều chế độ rộng xung PWM (sáu đầu ra), có đồng hồ thời gian thực và watchdog.

- 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(1.8V 0.15V ). o I/O nuôi từ 3V đến 3.6V ( 3.3V 10%) 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 khi xóa hoặc ghi ngoài ý muốn của bạn.

SD được mã hóa bản quyền khi ghi thông tin Ở đây chúng tôi sử dụng thẻ nhớ SD card 512MB, có tốc độ đọc nhanh , có thể lên tới 2 Mbit/giây Định dạng dữ liệu sử dụng dạng text có thể đọc được bằng các phần mềm phổ thông trên máy tính như Microsoft office word, notepad.

SD có ba mode truyền: mode SD 1 bit (các kênh dữ liệu và lệnh riêng rẽ và một định dạng truyền ưu tiên), mode SD 4 bit (sử dụng các chân ngoài và một số chân được gán lại) và mode SPI ( sử dụng giao tiếp với vi điều khiển) Với chức năng là bộ lưu trữ tại chỗ của trạm datalogger, chúng tôi sử dụng giao thức SPI.

3.2 Thiết kế khối LCD và bàn phím

Khối LCD – bàn phím và đèn báo được thiết kế với mục đích hiển thị các thông số đo, cài đặt các thông số hệ thống và hiệu chuẩn (calibrate) hệ đo Thiết kế sử dụng LCD graphic 128x64 giao tiếp với vi điều khiển bằng giao thức SPI thông qua IC chuyển đổi tín hiệu vào/ra song song thành tín hiệu ra/vào nối tiếp

Hình 54 - Giao diện màn hình, phím bấm, đèn báo

Người dùng có thể cài đặt các thông số cần thiết dựa vào 8 phím chức năng: Escape, Enter, Up, Down, F1, F2, F3, F4 Ngoài ra, các LED hiển thị trạng thái các Rơle, báo nguồn và cảnh báo cũng giúp cho người dùng dễ dàng giám sát trạng thái hoạt động của trạm đo.

3.3 Thiết kế khối truyền thông a) Thiết kế mạch truyền thông

Xây dựng phần mềm cho Datalogger

- Giao diện với người sử dụng.

- Hiển thị giá trị hướng gió và tốc độ gió.

- Thực hiện thu thập số liệu các thông số hướng gió và tốc độ gió tức thời và trong một khoảng thời gian.

- Cho phép cài đặt giá trị calib để hiệu chỉnh các thông số đo được.

- Thực hiện lưu trữ các thông số đo theo thời gian thực.

- Có khả năng lập lại thời gian theo yêu cầu của người sử dụng

- Phần mềm thực hiện truyền thông dữ liệu qua mạng GSM

- Chức năng cho phép calib lại giá trị hướng gió và tốc độ gió Như đã biết tốc độ gió được tính theo công thức:

U=MX+B, trong đó M là hệ số nhân, X là số xung đếm được trong 1s, và B là giá trị offset Như vậy ta thấy rằng tốc độ gió tỷ lệ tuyến tính với số xung đầu vào.Việc thực hiện calib được tiến hành bằng cách thay đổi hệ số M và hệ số offset B.Trong chương trình phần mềm chúng tôi đã xây dựng chức năng này.

Calibrate hướng gió là đặt điểm gốc 0 cho hướng gió, thường để hướng chính Bắc.

Hình 60 - Sơ đồ chức năng của phần mềm 4.2 Cấu trúc của phần mềm

Phần mềm được xây dựng trên hệ điều hành thời gian thực cho phép việc thực hiện các nhiệm vụ môt cách hiệu quả bao gồm giao tiếp với ngoại vi: truyền thông SPI (với MCP23S17, thẻ nhớ, AD7794); thực hiện các ngắt thời gian timer 0 và timer 1; điều khiển truyền thông RS232 kết nối với modem GSM; cập nhật các đầu vào ra số điều khiển nguồn và ngoại vi khác;… Thực thi các tác vụ, việc phân định thời gian thực hiện cho các tác vụ căn cứ vào yêu cầu về tần suất xuất hiện, mức độ ưu tiên của các tác vụ, căn cứ vào tốc độ đáp ứng của vi điều khiển về thời xử lý lệnh và tốc độ:

- Wind2sTask, tác vụ đọc giá trị hướng gió và tốc độ gió trong thời trong 2s

- GSMtransmitTask, tác vụ điều khiển truyền thông qua GSM

- RTCTask, tác vụ cập nhật đồng hồ thời gian thực

- ControlSurfaceTask, tác vụ thực hiện lựa chọn chế độ hoạt động thông qua việc bấm phím lựa chọn của người sử dụng Trong đó phân ra thành các chế độ họat động: chế độ hiển thị thông thường; chế độ cài đặt tham số ngày, giờ,…; chế độ calib thông số: calib các thông số tốc độ gió và hướng gió

Hình 61 - Cấu trúc của phần mềm Đếm số xung mưa và tần số xung tốc độ gió thông qua ngắt timer 0 ở chế độ CAPTURE đối với CAP0.0 và CAP0.3 Đọc giá trị hướng gió thông qua đầu vào tương tự trên AD7794

Với việc xây dựng phần mềm dựa trên hệ điều hành thời gian thực cho phép việc thêm các tác vụ có thể được tiến hành dễ dàng đồng thời việc quản lý chương trình cũng trở nên sáng sủa hơn Điều này rất có ý nghĩa khi đề tài được mở rộng thêm các kênh đo và giám sát các thông số khí tượng khác của năm sau.

4.3 Xây dựng chức năng truyền thông dữ liệu qua mạng GSM a) Tập lệnh thực hiện truyền thông GSM

Truyền thông GSM được thực hiện thông qua các modem Maestro20 Giao tiếp giữa modem và trạm thiết bị đo Weather link được thực hiện thông qua cổng truyền thông RS232 Tập lệnh thực hiện đối với modem Maestro20 là tập lệnh chuẩn AT (AT commands) bao gồm một số lệnh chính để gửi và nhận tin nhắn như sau:

Lệnh kiểm tra hoạt động của modem: AT

Lệnh chọn địa chỉ lưu tin nhắn: AT+CPMS

Lệnh báo có tin nhắn gửi đến: AT+CNMI

Lệnh đọc tin nhắn: AT+ CMGR

Lệnh gửi tin nhắn: AT+CMGS

Lệnh lưu tín nhắn vào bộ nhớ: AT+CMGW

Lệnh gửi tin nhắn lưu trong bộ nhớ: AT+CMSS

Lênh xóa tin nhắn: AT+CMGD b) Cấu trúc khung dữ liệu truyền thông qua modem GSM

Cấu trúc khung dữ liệu của trạm khí tượng truyền qua modem như sau:

, trong đó:

“”: ký tự kết thúc khung

“FID”: ký tự bắt buộc (Function ID)

“xx”: là số hiệu FID (1,2,3)

“Time Stamp”: thời điểm đo được giá trị thông số

“PAR1”, “PAR2”,…”PARn”: các tham số cho các phiên giao dịch

“,”: là ký tự phân cách giữa các giá trị toàn vẹn

Giả sử trường hợp cần lấy thông tin từ trạm gồm 2 thông số theo thứ tự:

Soạn tin nhắn: FDI1 gửi đến số điện thoại : 01263056384 và giả sử nhận được tin nhắn trả lời như sau:

Thì ý nghĩa của tin nhắn trả lời là như sau:

FID1 : mã hàm yêu cầu gửi 6 thông số

15:01:00: Thời điểm đo ( giờ :phút:giây.)

+55.00: Là hướng gió tức thời.

+10.23: Là tốc độ gió tức thời.

Qua thử nghiệm chương trình truyền thông giữa modem và vi điều khiển để thực hiện truyền thông GSM, chúng tôi lựa chọn tốc độ truyền thông giữa vi điều khiển và modem thông qua cổng RS232 với tốc độ 115200 baud Để việc thực hiện truyền thông được hiệu quả, quá trình nhận dữ liệu từ modem về vi điều khiển được thực hiện thông qua ngắt nhận dữ liệu của cổng RS232 Mỗi khi có tin nhắn yêu cầu từ một thiết bị khác gửi đến yêu cầu modem truyền các số liệu đo, modem sẽ thông báo cho vi điều khiển biết có bản tin mới thông qua lệnh AT+CNMI, vi điều khiển sẽ đọc tin nhắn và và sẽ gửi bản tin tới modem và yêu cầu modem thực truyền dữ liệu đi.

4.4 Xây dựng chức năng lưu trữ dữ liệu

Dữ liệu được thực hiện lưu trữ trên thẻ nhớ SD card: dữ liệu được lưu vào bộ nhớ thành các bản ghi, mỗi bản ghi tương ứng với một khung dữ liệu bao gồm các thông số: ngày/tháng/năm, giờ/phút/giây, hướng gió tức thời, tốc độ gió tức thời. Tổng cộng là 38 byte.

Chu kỳ lưu được cài đặt theo phút, giờ, ngày.

4.5 Các chức năng cài đặt và hiển thị trên màn hình LCD

- Display mode: chế độ hiển thị các thông số

- Setmode: cài đặt các thông số thông qua bàn phím màn hành hiển thị

- Calib mode: thực hiện calib các thông số như tốc độ gió và hướng gió

Việc lựa chọn chế độ và chuyển các thông số được hiện thông qua 8 phím trên bàn phím Riêng đối với chế độ calib và cài đặt các thông số để tránh xảy ra các trường hợp người sử dụng không đúng thẩm quyền thao tác làm thay đổi các giá trị không mong muốn chương trình phần mềm yêu cầu có một mã bảo vệ chỉ khi mã này được nhập đúng thì việc thực hiện cài đặt hay calib mới có hiệu lực.

Hình 62 - Giao diện trên LCD

Display mode Setup mode Calib mode

Date and Time Stored period Comm stype Entry Code

Setup Entry Code Setup Date and Time Setup Stored Period

Select digit Select digit Select digit

Increas, Decreas Increas, Decreas Increas, Decreas

Hình 63 - Giao diện cài đặt ngày giờ hệ thống và khoảng thời gian lưu trữ

Setup Entry Code WindDir_L F3 WindDir_H WindSPE_ L F3 WindSPE_ H

Calib WindSPE_ LCalib WindSPE_ H Calib WindDir_L Calib WindDir_H

Esc Increas, Decreas Select digit Select digit Select digit Select digit Cancel

Increas, Decreas Increas, Decreas Increas, Decreas Increas, Decreas Acept

Hình 64 - Giao diện Calibration giá trị đo tốc độ gió và hướng gió

THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ

Thử nghiệm tại phòng thí nghiệm

Công tác thử nghiệm tại phòng thí nghiệm trong quá trình thiết kế sản phẩm là rất cần thiết, nó gắn liền với chất lượng, độ chính xác và độ tin cậy của sản phẩm. Đối với bộ Datalogger của trạm khí tượng công việc thử nghiệm mạch in cho phép ta kiểm tra được các đặc tính về điện như: biên độ, tần số, nhiễu của từng khâu trong bảng mạch Qua đó ta có thể xác định được nguyên nhân gây ra sai số thuộc về khâu nào của bảng mạch, hoặc có thể xác định được nguyên nhân gây ra sai số là do sensor hay do mạch đo lường. b.Đặc điểm của tín hiệu :

Do bộ phận đo tốc độ gió có cấu tạo dựa trên nguyên tắc của một máy phát điện xoay chiều nên tín hiệu đầu ra của sensor đo tốc độ gió là tín hiệu điện hình sine có biên độ và tần số thay đổi theo tốc độ gió.

Vì vậy yêu cầu của bài toán cần giải quyết là phải có một mạch chuyển đổi tín hiệu để tín hiệu tại đầu ra của sensor đo gió có thể giao tiếp với vi điều khiển Khi tiến hành đo thử nghiệm nhóm thực hiện nhận thấy điện trở đầu ra của sensor đo gió có giá trị rất lớn, dẫn đến dòng điện đầu ra của sensor rất nhỏ, do vậy tín hiệu đầu ra tốc độ gió của sensor rất nhạy cảm với nhiễu bên ngoài, tạo ra các xung có tần số không mong muốn.

Với bài toán đặt ra như vậy nhóm thực hiện đã thiết kế một mạch chuyển đổi tín hiệu của sensor đo gió từ tín hiệu xoay chiều thành tín hiệu dạng xung vuông với điện áp được hạn chế trong khoảng 5V Như vậy qua khâu chuyển đổi này tín hiệu tốc độ gió hoàn toàn có thể giao tiếp được với vi điều khiển. c Quy trình thử nghiệm:

Vi điều khiển tính toán tốc độ gió dựa trên số xung được lấy ra từ mạch chuyển đổi tín hiệu đo gió (gọi tắt là module đo gió) Để phép đo được kết quả đúng thì mạch chuyển đổi phải hoạt động chính xác và tin cậy ở nhiều tần số khác nhau trong dải đo. Để đánh giá độ chính xác của mạch chuyển đổi tín hiệu đo gió nhóm thực hiện sử dụng bộ phát tín hiệu chuẩn MC5 để giả lập tín hiệu của sensor đo gió Với bộ phát tín hiệu chuẩn MC5 ta hoàn toàn có thể đặt được biên độ và tần số của tín hiệu giả theo ý muốn (ở những tốc độ gió cao thấp khác nhau biên độ và tần số của tín hiệu giả cũng thay đổi) Để quan sát được biên độ, tần số của tín sine đầu vào và biên độ, tần số xung đầu ra của bộ chuyển đổi nhóm thực hiện sử dụng bộ dao động ký LeCroy.

Mục đích đạt được của phép thử nghiệm là:

Biên độ điện áp xung sau bộ chuyển đổi phải ổn định trong khoảng 5V khi biên độ tín hiệu đầu vào thay đổi (để có thể giao tiếp được với vi điều khiển).

Tần số xung vuông ở đầu ra của bộ chuyển đổi phải đúng bằng tần số của tín hiệu hình sine đưa vào khi chưa chuyển đổi. d Kết quả đo thử nghiệm

Dưới đây là các thử nghiệm module đo gió với các tín hiệu vào có điện áp và tần số thay đổi được tạo ra bởi bộ phát tín hiệu chuẩn MC5.

Tần số của tín hiệu sine đầu vào được đọc trên bộ phát tín hiệu chuẩn MC5. Tần số của tín hiệu xung vuông đầu ra được đọc ở trên các hình minh hoạ thu được trên bộ dao động ký LeCroy.

Khi ta đặt một tín hiệu hình sine có tần số 40Hz và biên độ 2V-AC vào đầu vào của module đo gió thì tại đầu ra của module đo gió ta thu được tín hiệu xung vuông có tần số là 40Hz và biên độ điện áp là 5V-DC.( Hình 65)

Tín hiệu đầu ra của module đo gió

Tín hiệu đầu vào hình sine

Tín hiệu đầu ra của module đo gió

Hình 65 - Thử nghiệm với tín hiệu đầu vào hình sine có tần số 40Hz và biên độ

Khi ta đặt một tín hiệu hình sine có tần số 100Hz và biên độ 5V-AC vào đầu vào của module đo gió thì tại đầu ra của module đo gió ta thu được tín hiệu xung vuông có tần số là 100Hz và biên độ điện áp là 5V-DC như hình 66

Hình 66 - Thử nghiệm với tín hiệu đầu vào hình sine có tần số 100Hz và biên độ 5V-AC

Tín hiệu đầu ra của module đo gió dạng xung

Hình 67 - Thử nghiệm với tín hiệu đầu vào hình sine có tần số 500Hz và biên độ 7V-AC

Tín hiệu đầu ra của Module Đo gió

Tín hiệu từ sensor đo gió

Các hình ảnh ghi được trên dao động kí cho thấy tín hiệu xoay chiều phát ra từ bộ phát xung chuẩn MC5, sau khi qua module đo gió, tín hiệu này được nắn thành xung vuông có điện áp bằng 5VDC và có tần số đúng bằng tần số của tín hiệu sine ban đầu Như vậy khi tín hiệu xoay chiều đi qua module đo gió sẽ được chuyển đổi thành một dãy xung vuông đảm bảo giao tiếp với vi điều khiển và việc tính toán tốc độ gió từ tần số của xung này là hoàn toàn không bị nhiễu và rất đáng tin cậy.

Hình 69 - Tín hiệu thu được đồng thời ở lối ra của sensor và lối ra của module đo gió.

Nhận xét: Các hình ảnh ghi được trên dao động kí cho thấy tín hiệu từ sensor gió là tín hiệu xoay chiều, chứa nhiều nhiễu, sau khi được qua module đo gió, tín hiệu được nắn thành xung vuông Vp-p= 4.96V tần số đúng bằng tần số của xung sine ở lối ra của sensor Tín hiệu này đảm bảo giao tiếp với vi điều khiển và việc tính toán tốc độ gió từ việc xác đinh tần số của xung này là hoàn toàn đáng tin cậy

Thử nghiệm ngoài hiện trường

KẾT QUẢ ĐO THỬ NGHIỆM NGOÀI HIỆN TRƯỜNG

Thời điểm (Giờ/phút/ đo giây)

Hướng gió tức thời (Độ)

Tốc độ gió tức thời (m/s)

Trong quá trình thử nghiệm số liệu liên tục được đưa về theo đúng chu kỳ trong khoảng thời gian từ 5- 15 phút Số liệu không bị ngắt quãng, thiết bị hoạt động ổn định Thiết bị đã được kiểm định tại Trung Tâm Đo Lường Việt Nam kết quả kiểm định đạt độ chính xác theo như đăng ký.

Định dạng
Số trang	140
Dung lượng	11,85 MB