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

Nó có nhiệm vụ đo mưa, đo mực nước lũ và cảnh báo tại chỗ khi các tiêu chí đo vượt quá ngưỡng an toàn.Để đạt được mục đích đó, đồ án này sẽ trình bày 2 thiết bị độc lập với nhau để đo đư

Đại Học Quốc Gia Hà Nội Trường Đại Học Công NGhệ

Mai Thế Phú Quý

Nghiên cứu và xây dựng hệ đo mưa, đo mức lũ giá rẻ ứng

dụng cho các tỉnh Tây Bắc

Đồ Án Tốt Nghiệp Đại Học Hệ Chính Quy

Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử, Truyền Thông

HÀ NỘI - 2016

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Tóm tắt:

Vào mùa mưa, rất nhiều địa phương ở nước ta bị tác động bởi mưa, lũ Tại các tỉnhvùng cao, mưa có tính chất cục bộ (có khu vực mưa to, có khu vực không mưa dongăn cách bởi các day núi) Vì thế giải pháp đo mưa, lũ giá rẻ để có thể triển khai diệnrộng là cần thiết Một hệ thống đo mưa và mực nước lũ với giá rẻ phục vụ cho các tỉnhTây Bắc Nó có nhiệm vụ đo mưa, đo mực nước lũ và cảnh báo tại chỗ khi các tiêu chí

đo vượt quá ngưỡng an toàn.Để đạt được mục đích đó, đồ án này sẽ trình bày 2 thiết

bị độc lập với nhau để đo được lượng mưa và mực nước lũ trên các hệ thống sông,suối Mục đích cuối cùng là tạo ra các thiết bị có giả rẻ hơn nhiều so với các thiết bịkhác có cùng chức năng trên thị trường, nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác Do đó nóphù hợp để lắp đặt cho các tỉnh Tây Bắc để đảm báo tính mạng và tài sản cho đồngbào đang còn gặp nhiều khó khăn nơi đây

Từ khóa: giá rẻ, Tây Bắc, đo mưa, đo mức lũ.

LỜI CAM ĐOAN

Trong quá trình làm đồ án, tôi đã đọc và tham khảo rất nhiều tài liệu khác nhau từgiáo trình, sách chuyên khảo cho đến rất nhiều các bài báo được đăng tải trong vàngoài nước Tôi xin cam đoan những gì tôi đã viết dưới đây là hoàn toàn chính thống,chân thực, những kết quả đo đạc thực nghiệm đã đạt được trong khóa luận không saochép từ bất kì tài liệu nào dưới mọi hình thức Những kết quả đó là những gì tôi đãnghiên cứu, tích lũy được trong quá trình làm khóa luận này

Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm nếu có dấu hiệu sao chép kết quả từ các tài liệukhác

Hà Nội, ngày tháng năm 2016 TÁC GỈA

MAI THẾ PHÚ QUÝ

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian nghiên cứu và hoàn thiện đồ án em đã nhận được sự giúp đỡ chu đáocủa các Thầy, Cô giáo trong khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại Học Công Nghệ,Đại Học Quốc Gia Hà Nội

Đề tài :”Nghiên cứu và xây dựng hệ đo mưa, đo mức lũ giá rẻ ứng dụng cho các tỉnhTây Bắc” đã được triển khai thực hiện và hoàn thành với một số kết quả thu được cókhả năng ứng dụng trong thời gian tới trong điều kiện thực tiễn hiện nay

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS Trần Đức Tân, người đã trực

tiếp hướng dẫn em trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài với tất cả lòng nhiệttình chu đáo, ân cần cùng với thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc và thẳng thắn

của một nhà khoa học uy tín, mẫu mực Em xin gửi lời cảm ơn đến anh Nguyễn Đình Chinh – cán bộ bộ môn Vi cơ điện tử và vi hệ thống, Khoa Điện tử - Viễn thông, Đại

học Công Nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội đã giúp đỡ đóng góp ý kiến cho em Emxin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, các anh chị và các bạn đã có những góp ý kịpthời và bổ ích, giúp đỡ em trong suốt quá trình em nghiên cứu và hoàn thiện khóa luậnnày này

Mặc dù em đã có nhiều cố gắng hoàn thiện đồ án bằng tất cả sự nhiệt tình và nỗ lựccủa mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhậnđược những ý kiến đóng góp quý báu của quý Thầy Cô và các bạn

Hà Nội , ngày tháng năm 2016 SINH VIÊN

MAI THẾ PHÚ QUÝ

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH vii

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT viii

DANH MỤC CÁC BẢNG: viii

LỜI MỞ ĐẦU ix

Chương 1: Tìm hiểu thực trạng cảnh báo lũ quét và sạt lở đất ở Việt Nam 1

1.1Thực trạng lũ quét và sạt lở đất ở Việt Nam 1

1.2 Thực trạng cảnh báo lũ quét và sạt lở đất ở Việt Nam 3

1.2.1 Khái niệm lũ quét và sạt lở đất 3

1.2.2 Thực trạng cảnh báo lũ quét và sạt lở đất trên thế giới và Việt Nam 4

1.3 Kết luận 4

Chương 2: Thiết kế hệ thống 5

2.1 Thiết kế tổng quan 5

2.2 Thiết kế phần cứng 7

2.2.1 Mạch Arduino 7

2.2.2 Mô – đun nguồn và quản lí sạc / sả điện 8

2.2.3 Còi cảnh báo 9

2.2.4 Pin Lithium 9

2.2.5 Mô-đun sim 900A 9

2.2.6 Pin năng lượng mặt trời 10

2.2.7 Cảm biến 11

a Cảm biến mức 11

b Cảm biến siêu âm 13

2.3 Phần mềm 15

2.3.1 Arduino IDE 15

2.3.2 Thuật toán của hệ đo mưa 16

a Cách xác định ngưỡng cảnh báo 16

b Lưu đồ thuật toán của hệ đo mưa 17

2.3.3 Thuật toán của hệ đo mức lũ 19

a Cách xác định ngưỡng cảnh báo 19

b Lưu đồ thuật toán của hệ đo mức lũ 20

Chương 3 : Thực Hiện 22

3.1 Chế tạo mạch in 22

3.2 Hệ đo mưa 24

3.2.1 Gầu đo mưa 24

3.2.2 Hình ảnh thực tế của hệ đo mưa 24

3.3 Hệ đo mức lũ 25

3.3.1 Ống thủy tĩnh 25

3.3.2 Hình ảnh thực tế của hệ đo lũ 26

Chương 4: Kết quả đạt được 27

4.1 Thử nghiệm với hệ đo mưa 27

4.2 Thử nghiệm với hệ đo mức lũ 29

4.3 Ước tính điện năng tiêu thụ 30

4.4 Ước tính chi phí 31

KẾT LUẬN 33

TÀI LIỆU THAM KHẢO 34

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Số lần lũ quét trên 1 năm xảy ra từ 1958-2004 tại các tỉnh phía Bắc 2

Hình 2.1: Mô hình khái niệm hệ thống 5

Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ đo mưa 6

Hình 2.3: Sơ đồ khối hệ đo lũ 7

Hình 2.4: Mạch Arduino UNO cơ bản 8

Hình 2.5: Mô-đun nguồn LM2596……… 9

Hình 2.6: Mô-đun sạc/TP4056 9

Hình 2.7: Còi cảnh báo 9

Hình 2.8: Mô-đun sim900A 10

Hình 2.9: Bản năng lượng mặt trời 10

Hình 2.10: Nguyên lí của cảm biến mức 11

Hình 2.11: Cảm biến mức 11

Hình 2.12: Vi mạch LM358 12

Hình 2.13: Sơ đồ chức năng của 74HC165 12

Hình 2.14: Hệ đo mưa sử dụmng cảm biến mức 13

Hình 2.15 : Mô-đun cảm biến siêu âm SRF05 14

Hình 2.16: Dòng thời gian cảm biến siêu âm 15

Hình 2.17: Arduino IDE 16

Hình 2.18: Thuật toán thiết bị đo mưa sử dụng cảm biến siêu âm 17

Hình 2.19: Thuật toán thiết bị đo mưa sử dụng cảm biến mức 18

Hình 2.20: Thuận toán thời gian lấy mẫu 20

Hình 2.21: Thuật toán hệ đo mức lũ 21

Hình 3.1: Altium Designer 14 22

Hình 3.2: Mạch in của cảm biến mức 22

Hình 3.3: Mạch mở rộng cảm biến, sạc và hiển thị LED trạng thái 23

Hình 3.4: Mạch mở rộng Arduino thiết bị đo mức lũ 23

Hình 3.5: Thông số kĩ thuật của gầu đo mưa 24

Hình 3.6: Hộp cảm biến và xử lí thiết bị đo mưa 25

Hình 3.7: Ống thủy tĩnh 26

Hình 3.8: Hình ảnh mô hình của hệ đo mức lũ 26

Hình 4.1: Gầu đo mưa……… 28

Hình 4.2: Hộp cảm biến ………28

Hình 4.3: Đầu đo cảm biến mức sau 1 thời gia sử dụng 28

Hình 4.4: Hình ảnh dữ liệu hiển thị trang chủ 30

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT

MCU Micro Controller Unit Vi điều khiển

GSM Global System for Mobile

Communications

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ dữ liệu di động dạng gói

IDE Integrated Development

Environment

Môi trường phát triển tích hợp

IoT Internet of Thing Internet của vạn vật

GPS Global Positioning Systems Hệ thống định vị toàn cầu

DANH MỤC CÁC BẢNG:

Bảng 2.1: Thông số kĩ thuật của Arduino Uno 8

Bảng 2.2: Các chân của cảm biên siêu âm 14

Bảng 4.1: Thử nghiệm hệ đo mưa sử dụng cảm biến mức 27

Bảng 4.2: Thử nghiệm hệ đo mưa sử dụng cảm biến siêu âm 27

Bảng 4.3: Thử nghiệm với thiết bị đo mức lũ 29

Bảng 4.4 : Điện năng tiêu thụ của thiết bị đo mưa 30

Bảng 4.5: Điện năng tiêu thụ của thiết bị đo mức lũ 31

Bảng 4.6: Ước tính chi phí của hệ đo mưa 31

Bảng 4.7: Ước tính chi phí của hệ đo lũ 32

LỜI MỞ ĐẦU

Tây Bắc là khu vực thuộc loại khó khăn nhất của đất nước bởi vì nhiều lí do như địahình chia cắt, hay gặp thiên tai như: lũ lụt, sạt lở đất, rét đậm, rét hại …Do địa hìnhgồm nhiều đồi núi, mỗi năm vào mùa mưa lũ ở đây thường sảy ra lũ quét và sạt lở đấtgây ra nhiều thiệt hại lớn về người và tài sản Việc tạo ra 1 thiết bị giá rẻ có thể dự báosớm lũ và sạt lở đất do mưa gây ra là điều vô cùng ý nghĩa với đồng bào , nơi mà tỷ lệ

hộ nghèo gấp 2,7 lần so với trung bình của cả nước [1].Mặc dù trên thị trường có nhiềuthiết bị khác nhau để đo mưa và cảnh báo lũ Chúng có ưu điểm về độ chính xác caonhưng lại quá đắt đỏ hoặc rất khó khăn để đưa vào thực tế, ví dụ như hệ thống cảnhbáo bằng vệ tinh, hay những vũ lượng kế tự động Ở những vùng núi, thông thườnglượng mưa,và hệ thống sông suối phân bổ không đều ở các khu vực khác nhau[2].Những hệ đo mưa, lũ đắt tiền thường sẽ chỉ được trang bị ở những trạm khí tượng

cơ bản, nó làm giảm đi tính bao quát của các kết quả đo Hệ đo mưa giá rẻ không chỉgóp phần tăng tính đa dạng của các kết quả đo mà nó còn góp phần nâng cao nhậnthức của đồng bào (đa phần là các đân tộc thiểu số) về phòng ngừa thiên tai

Hệ thống đo mưa được đặt ngay tromg khu dân cư nên có tác dụng cảnh báo tứcthời khi có nguy cơ xảy ra lũ hoặc sạt lở đất Hệ thống đo mức lũ sẽ gửi dữ liệu vềtrang chủ và nhà chức trách để có thể đưa ra những quyết định kịp thời

Nội dung của đồ án được tóm tắt như sau:

Chương 1: Tìm hiểu thực trạng cảnh báo lũ và sạt lở đất ở Việt Nam

Chương 2: Thiết kế hệ thống

Chương 3: Thực hiện

Chương 4: Các kết quả đạt được

Tuy nhiên do thời gian nên khóa luận này chưa đề cập được đầy đủ mọi vấn đề liênquan, và chắc chắn là sẽ không tránh khỏi những sai sót Em rất mong nhận đượcnhiều ý kiến đóng góp để em có thêm những kiến thức quý báu cho những công việctrong tương lai

Em xin chân thành cảm ơn!

Chương 1: Tìm hiểu thực trạng cảnh báo lũ quét và sạt lở đất ở Việt Nam

1.1 Thực trạng lũ quét và sạt lở đất ở Việt Nam

Lũ quét và sạt lở đất là một trong số những loại hình thiên tai phổ biến nhất trên thếgiới và cả ở Việt Nam Ba phần tư lãnh thổ Việt Nam là địa hình đồi núi, nơi này thìdân cư sinh sống phân tán và bao gồm nhiều dân tộc thiểu số Các hoạt động kinh tế -

xã hội chưa được quy hoạch hợp lý nên hằng năm lũ quét và sạt lở đất để lại hậu quảrất nghiêm trọng, đôi khi kéo tụt lại nhiều năm phát triển của địa phương Những nămgần đây do ảnh hưởng của biến đồi khí hậu, các loại hình thiên tai xảy ra với tần suất

và cường độ ngày càng gia tăng gây thiệt hại nghiêm trọng về người và tài sản Theothống kê từ năm 2000 đến năm 2014 cả nước đã xảy ra 250 vụ lũ quét và sạt lở đất lớnnhỏ ảnh hưởng đến các khu dân cư, làm chết và mất tích 616 người, bị thương 351người, hơn 9700 căn nhà bị đổ trôi, hơn 100,000 căn nhà bị ngập, hư hại nặng; nhiềucông trình giao thông, thủy lợi trọng yếu bị hư hại năng nề, tổng thiệt hại ước tính trên3,300 tỷ đồng Các tỉnh thường xảy ra lũ quét và sạt lở đất bao gồm: Lào Cai, HàGiang, Lai Châu, Sơn La, Cao Bằng, Bắc Cạn, Yên Bái, Nghệ An, Quảng Nam, KonTum, Gia Lai, Đắc Lắc, Bình Thuận.[3]

Một số trận lũ quét và sạt lở đất điển hình diễn gia trong những năm qua như:

- Trận lũ ngày 15/7/2000 tại huyện Sa Pa, tỉnh Lào Cai làm 20 người chết, 25

- Sạt lở đất núi tại tỉnh Lào Cai năm 2004 đã làm 22 người chết và mất tích và

16 người bị thương, trong đó có hộ cả gia đình thiệt mạng

- Trận lũ quét ngày 28/9/2005 tại huyện Văn Chấn, tỉnh Yên Bái đã làm 50người chết và mất tích

- Lũ, lũ quét, sạt lở đất sau bão số 4 và số 6, tại Lào Cai, Yên Bái năm 2008 làm

120 người chết và mất tích

- Sạt lở đất tại xã Pắc Nậm, Bắc Kạn năm 2009 làm 13 người chết và mất tích, 5người bị thương

- Trận lũ ống, lũ quét tháng 9 năm 2011 tại các tỉnh Thanh Hóa, Nghệ An làm 6người chết

- Trận lũ quét ngày 05/9/2013 tại xã Bản Khoang, huyện Sa Pa tỉnh Lào Cailàm 11 người chết và mất tích, 16 người bị thương

- Lũ quét và sạt lở đất năm 2014: Từ đầu năm đến 6/2014 do ảnh hưởng của

hoàn lưu bão số 2 và mưa lớn đã xảy ra các trận lũ quét và sạt lở đất trên địa bàn cáctỉnh miền núi (Hà Giang, Lai Châu, Cao Bằng, Sơn La…) làm chết và mất tích 24người, trong đó có 2 gia đình ở thị trấn Tam Đường và huyện Hoàng Su Phì bị thiệtmạng tới 5 người trong nhà

Hình 1 là thống kê số lần xảy ra lũ quét và sạt lở đất ở Tây Bắc trong giai đoạn1958-2004 [4]:

Hình 1.1: Số lần lũ quét trên 1 năm xảy ra từ 1958-2004 tại các tỉnh phía Bắc

Thiệt hại do lũ quét, trượt lở đất chủ yếu do các nguyên nhân khách quan như mưacường độ lớn, tập trung trong một thời gian ngắn tại những khu vực có độ dốc lớn, tốc

độ dòng chảy mạnh có sức tàn phá lớn, nhưng trong rất nhiều trường hợp những thiệthại xảy ra là do tác động của hoạt động phát triển kinh tế của con người

Nguyên nhân chính và quan trọng nhất dẫn đến lũ quét và sạt lở đất là do lượng mưavới cường độ lớn, tập trung trong thời gian ngắn Như vậy để dự báo được lũ quét và sạt

lở đất, việc tính toán được lượng mưa và lượng nước tập trung trên các con sông, suối làđiều vô cùng quan trọng Trên thế giới và Việt Nam có nhiều hệ thống có thể xác địnhđược lượng mưa và lượng nước tập trung bất thường Nhưng đặc điểm chung của chúng

là hạn chế về mặt giá thành, nhất khi triển khai đại trà đến nhiều địa điểm khu dân cưkhác nhau Hệ đo mưa, đo mực nước lũ giá rẻ sẽ giải quyết được vấn đề đó mà vẫn đảmbảo sự chính xác của hệ thống

1.2 Thực trạng cảnh báo lũ quét và sạt lở đất ở Việt Nam

1.2.1 Khái niệm lũ quét và sạt lở đất

Lũ quét và sạt lở đất là lũ xảy ra bất ngờ trên các lưu vực sông suối nhỏ miền núi,dòng chảy xiết, thường kèm theo bùn đá, lũ lên nhanh, xuống nhanh, có sức tàn phálớn Đặc điểm chính của lũ quét và sạt lở đất

- Chứa lượng vật rắn rất lớn: Lũ quét thường có tỷ lệ vật chất rắn rất lớn, thường

chiếm 3-10%, thậm chí trên 10% và trở thành dạng lũ bùn đá, rất hay xảy ra ở nước ta

- Lũ quét có sức tàn phá rất lớn, gây thiệt hại lớn về người và tài sản Vì vậy, độnglực của nó rất lớn, sức tàn phá lớn xuất hiện trên lưu vực có sườn dốc cao, độ dốc lớn

và hình dạng thích hợp cho mạng sông suối tập trung nước nhanh Lũ xảy ra trong thờigian ngắn (thường vào đêm và sáng), có tốc độ lớn, quét mọi thứ trên đường đi

- Lũ quét nghẽn dòng: do vỡ các đập tạm thời do cây cối, rác, bùn cát và các vật thể

khác làm nghẽn dòng sông, suối do mưa lớn gây ra

Lũ quét nghẽn dòng là loại hình lũ miền núi thường phát sinh từ các khu vực cónhiều trượt lở ven sông, suối Đó là các khu vực đang có biến dạng mạnh, sông suốiđào xẻ lòng dữ dội, mặt cắt hẹp, sườn núi rất dốc Do mưa lớn kéo dài, dòng suối độtnhiên bị tắc nghẽn, nước sông suối dâng cao ngập một vùng rộng lớn thường là cácvùng lòng chảo, những thung lũng Khi dòng lũ tích tụ đến mức đập chắn bị mất ổnđịnh và vỡ, lượng nước tích lại trong vùng lòng chảo khi bị nghẽn dòng được giảiphóng đột ngột tạo thành sóng lũ lớn cho phía hạ lưu

- Lũ bùn đá là dòng lũ đậm đặc bùn đá, cuộn chảy với động năng lớn Lượng bùn đá

trong dòng lũ chủ yếu do sạt lở núi cung cấp Một phần bùn đá được lấy từ vật liệu cósẵn trong lòng suối Đây là loại lũ quét đặc biệt nguy hiểm, thường gây nhiều thươngvong lớn

- Lũ quét vỡ đập, đê, hồ chứa: là lũ do vỡ hồ, đập, đê hoặc công trình thuỷ điện,

thuỷ lới gây ra Lũ quét dạng này có sức tàn phá rất lớn trong khu vực rộng

- Lũ quét hỗn hợp là tổ hợp bất lợi giữa nhiều dạng thiên tai như sạt lở đất, lũ quét

sườn dốc, lũ bùn đá Đây là dạng lũ thường xảy ra nhiều ở vùng núi nước ta và chúng

có sức tàn phá mạnh, trong khu vực rộng

1.2.2 Thực trạng cảnh báo lũ quét và sạt lở đất trên thế giới và Việt Nam

Trên thế giới mỗi năm xảy ra rất nhiều các vụ lũ quét và sạt lở đấy lớn nhỏ làm thiệthại nghiêm trọng về người và tài sản Đặc biệt là ở các nước thuộc Châu Á như Ấn

Độ, Trung Quốc, Nhật Bản, Pakistan, Nelpan, Bangladesh, một số nước ở khu vực châ

Âu như Pháp, Ý, Tây Ban Nha, hay các khu vực Đông Nam Á khác như Việt Nam,Indonesia, Philippin Chính vì những thiệt hại lớn về người và tài sản như vậy, ngay từnhững năm 80 của thế kỷ XX, nhiều nước trên thế giới đã chú ý đến nghiên cứu tìm racác biện pháp, công cụ để sớm cảnh báo tai biến do lũ quét và sạt lở đất nhằm giảmthiểu thiệt hại do chúng gây ra.Việc cảnh báo dài hạn là phương pháp sử dụng dữ liệuảnh viễn thám, kết hợp với thông tin địa lí toàn cầu GPS( Global Positioning System)

và các mô hình toán học để xây dựng bản đồ về các khu vực có nguy cơ xảy ra lũ quét

và sạt lở đất cao Việc cảnh báo tức thời là sử dụng cảm biến để nhận dạng các dấuhiệu ngay trước khi thảm họa có thể xảy ra Ví dụ như các hệ đo mưa thương mại phổbiến như model 52202-10-L/52203-L Tipping Bucket [5], máy đo mưa có dây với hai

bộ đếm RAINEW-211 803-1002 [6] Chúng có đặc điểm chung là giá thành tương đốiđắt đỏ, khó có thể đưa vào đại trà Hiện tại ở Việt Nam chưa có hệ thống nào có thểxác định được lũ quét và sạt lở đất dựa vào lượng mưa

1.3 Kết luận

Lũ quét và sạt lở đất là loại hình thiên tai phổ biến nhất trên thế giới và Việt Namnơi mà ba phần tư lãnh thổ có địa hình đồi núi, hoạt động kinh tế - xã hội chưa đượcquy hoạch một các hợp lí nên thường xảy ra lũ quét và sạt lở đất Những năm gần đây,

do tác động của biến đổi khí hậu, các loại hình thiên tai này diễn ra với tần suất vàcường độ ngày càng gia tăng gây thiệt hại lớn về người và tài sản

Mưa và lượng nước dồn nhanh với cường độ lớn là nguyên nhân trực tiếp gây ra lũquét và sạt lở đất Đo được lượng mưa và lượng nước trên các sông suối theo thời gian

là 1 phương pháp tốt có thể cảnh báo sớm lũ và sạt lở đất Trên thế giới có nhiều hệ đomưa, đo mực nước lũ khác nhau như việc sử dụng công nghệ viễn thám, hay các thiết

bị như model 52202-10-L/52203-L Tipping Bucket , RAINEW-211 803-1002 Đặcđiểm chung của chúng là tương đối đắt đỏ và không thể triển khai với quy mô đại trà ởđiều kiện Việt Nam Hệ đo mưa, đo mức lũ giá rẻ là một giải pháp phù hợp mà vẫnđảm bảo được độ chính xác của các kết quả đo Hệ đo mưa đã được triển khai ở điềukiện thực tế tại tỉnh Hà Giang và cho kết quả tốt Đây chính là điều kiện để có thể triểnkhai đại trà trong tương lai

Chương 2: Thiết kế hệ thống

Hệ đo mưa và đo mức lũ bao gồm 2 thiết bị hoàn toàn độc lập với nhau, nhưng nhìnchung chúng vẫn phải đảm bảo đầy đủ các yêu cầu về mặt thiết kế sau:

- Tổng chi phí phải ít hơn 2 triệu đồng

- Hệ thống phải hoạt động được trong 1 thời gian khi không có nguồn điện

- Cảm biến phải xác định được các mực nước khác nhau trong gầu đo mưa

- Phải đưa ra được cảnh báo tức thời tới người sử dụng khi các thông số đovượt quá ngưỡng an toàn

- Các đèn trạng thái phải thể hiện được mức nước theo thời gian thực

2.1 Thiết kế tổng quan

Hình 2.1 miêu tả thiết kế về mặt khái niệm của hệ Nó bao gồm 2 thiết bị độc lập.Đầu tiên là thiết bị đo mức lũ, nó sử dụng năng lượng mặt trời, cảm biến sẽ đo mựcnước trên các dòng sông, suối sau đó sẽ truyền dữ liệu về trang chủ, đồng thời sẽ pháttín hiệu cảnh báo đến nhà chức trách thông quan công nghệ GSM khi nó vượt quángưỡng an toàn Thiết bị thứ 2 có nhiệm vụ đo lượng nước mưa theo thời gian thực, nó

sẽ cảnh tức thời khi lượng nước vượt quá ngưỡng an toàn bằng còi cảnh báo ngay tại

vị trí mà thiết bị được đặt thường là trong khu dân cư

Hình 2.1: Mô hình khái niệm hệ thống

Ở thiết bị đo mưa, nó bao gồm các thành phần như cảm biến, khối nguồn và pin, viđiều khiển, còi cảnh báo…Hình 2.2 sẽ mô tả sơ đồ khối của hệ

Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ đo mưa

Thiết bị đo mưa sẽ có 2 chế độ làm việc khác nhau Chế độ 1 khi có nguồn điện, thiết

bị sẽ sử dụng trực tiếp năng lượng từ nguồn điện, và lúc này pin Litium 6000 mAhđược sạc Ngược lại ở chế độ 2 khi mất điện điều rất hay sảy ra trong điều kiện mưa lũ,thiết bị sẽ sử dụng điện năng được tích lũy trong pin Lithium Cảm biến sẽ cung cấp

dữ liệu cho về lượng nước hiện có trong gầu đo mưa Sau đó vi điều khiển họ AVR cónhiệm vụ tính toán lượng nước theo thời gian và quyết định xem có đưa ra cảnh báohay không

Thiết bị đo lũ bao gồm 1 mô-đun năng lượng mặt trời, pin có khả năng sạc được, cảmbiến đo lượng nước, mô-đun truyền dữ liệu GSM, vi điều khiển… Dữ liệu từ cảm biếnsau khi được xử lí sẽ được truyền về trang chủ và gửi đến nhà chức trách thông quamô-đun GSM sim900A Vì hệ được đặt ở trên các dòng sông, suối nên thiết bị phải cókhả năng sử dụng năng lượng mặt trời để có thế chủ động nguồn điện Hình 2.3 sẽ mô

tả các khối của thiết bị:

là một mạch vi điều kiển dựa trên chip ATmega328P Nó có 14 chân vào ra kỹ thuật

số, sử dụng thạch anh 16 Mhz, kết nối USB Nó chứa tất cả các hỗ trợ cần thiết cho viđiều khiển; kết nối một cách đơn giản với máy tính thông qua giao tiếp USB Nănglượng cung cấp cho vi mạch này có thể là thông qua cổng kết nối USB, bộ chuyển đổiđiện áp AC-DC hoặc từ nguồn pin [4] Ưu điển của vi mạch này là có một nền tảngphần cứng và phần mềm ổn định, có IDE thân thiện và dễ dàng thao tác cho người sửdụng Khác với các vi mạch vi điều khiển khác là không cần thêm mạch nạp, việc nạpchương trình thông qua trình biên dịch IDE và kết nối USB sẵn có Giá thành rẻ giúpgiảm giá thành sản phẩm và tăng quy mô sản xuất

Tất cả các vi điều khiển Arduino hoạt động ở điện áp 5V và 3,3V Hình 2.4 sẽ mô tả

cơ bản các đặc điểm cơ bản về bo mạch Arduino Uno [7], và bảng 2.1 là các thông số

kĩ thuật của Arduino Uno R3

Hình 2.4: Mạch Arduino UNO cơ bản

Bảng 2.1: Thông số kĩ thuật của Arduino UnoChi tiết về Arduino Uno

Vi điều khiển ATmega 328P

Điện áp hoạt động 3.3 – 5 VĐiện áp lối vào 6 – 20 V

16MHz

2.2.2 Mô – đun nguồn và quản lí sạc / sả điện

Mô-đun LM2596 (hình 2.5) là mô-đun chỉnh lưu dòng điện 9-12 V sang 5 V để cung cấp điện áp cho hệ thống trong trường hợp không mất điện và cung cấp dòng điện đầu vào cho mô-đun sạc/ sả pin lithium

Để dự trữ điện năng vào 2 pin Lithium cho những ngày mất điện, ta cần cần 1modul có khả năng sạc điện cho Pin Lithium Mô-đun TP4056 (hình 2.6) là mô-đunđiều tiết điện cho pin Nó có nhiệm vụ sạc/ sả một cách hợp lí, ngắt khi pin đầy và sạctrở lại khi hết pin.

áp 3.7V đến 12V

Hình 2.7: Còi cảnh báo 2.2.4 Pin Lithium

Pin Lithium gồm 2 pin Lithium 3.7V – 3000mAh được nối song song với nhau để

có nguồn 3.7V – 6000mAh Một trong những lý do quan trọng của việc sử dụng nguồn

dự phòng là cung cấp điện áp cho toàn hệ thống trong trường hợp mất điện Tại khuvực đồi núi thường mất điện mỗi khi có mưa lớn Tuy nhiên, hệ thông cần luôn hoạtđộng để kịp thời cảnh báo khi có hiện tượng trượt lở đất xảy ra Vì thế nguồn dựphòng là giải pháp rất cần thiết cho hệ thống này

2.2.5 Mô-đun sim 900A

Ở hệ đo mức lũ, ta cần 1 thiết bị có thể kết nối với thể giới bên ngoài để truyềnthông tin, Mô-đun sim900 được lựa chọn vì sự phổ biến, tương đối dễ sử dụng và đápứng được đầy đủ yêu cầu về mặt thiết kế

Mô-đun sim900 hoạt động ở băng tần 900/1900 Hz trên công nghệ GSM Nó sửdụng nguồn điện áp 9 V Sim900 hộ trợ nhiều chuẩn kết nối như RS232, giao tiếp với

vi điều khiển, có Mic thoại và Audio Hình 2.8 là phiên bản thực tế của Mô-đunsim900A do công ty Minh Hà sản xuất

Hình 2.8: Mô-đun sim900A 2.2.6 Pin năng lượng mặt trời

Một đặc điểm quan trọng của hệ đo mức lũ là nó được đặt ở trên bờ các dòng sông,suối Như vậy thì nguồn điện cung cấp cho thiết bị là 1 bài toán phải được đặt ra Pinnăng lượng mặt trời là 1 giải pháp thay thế tương đối rẻ và hiệu quả Việc tính toánnhững ngày có nắng, khả năng sạc đầy pin là điều vô cùng quan trọng để đánh giáđược khả năng hoạt động của hệ thống

Hình 2.9 là 1 bảng thu năng lượng mặt trời với công suất trung bình, giá rẻ, phù hợpvới hệ thống

2.2.7 Cảm biến

Đối với bất kì một hệ đo lường điện tử nào cảm biến luôn là một trong số những thành phần quan trọng nhất Các kết quả đo có chính xác hay không đều phụ thuộc vàocảm biến Về mặt kĩ thuật báo cáo này sẽ trình bày 2 phương pháp khác nhau để đo được mực nước, đó là sử dụng cảm biến mức và cảm biến siêu âm Đây là 2 phương pháp đã được thử nghiệm thực tế trong quá trình thực hiện báo cáo Dựa vào kết quả thực tế, cuối cùng sẽ đưa ra được ưu và nhược điểm của từng phương pháp

a Cảm biến mức

Cảm biến mức được chế tạo dựa trên nguyên lí cơ bản đó là sự dẫn điện của nước.Hầu hết các loại nước đều chứa các loại ion có khả năng vận chuyển điện tử Hình2.10 sẽ miêu tả cơ chế hoạt động của cảm biến mức Cảm biến sẽ bao gồm rất nhiềuđiện cực khác nhau, mỗi điện cực tương ứng với một mực nước trong gầu đo mưa Khiđiện cực ngập trong nước sẽ tạo thành mạch thông, tín hiệu được khuếch đại và truyền

về vi xử lí

Hình 2.10: Nguyên lí của cảm biến mức

- Bởi vì tín hiệu điện áp khi mạch thông là tương đối nhỏ Ta cần khuếch đại nó lêntrước khi đưa và vi điều khiển để xử lí Vi mạch LM358 có tác dụng như vậy.

Hình 2.12: Vi mạch LM358

-Cảm biến mức có rất nhiều các điện cực khác nhau, đôi khi số lượng lên đến vài chụcmức Tuy nhiên số lượng chân của vi điều khiển là có hạn Vi mạch 74HC165 sẽ cónhiệm vụ chuyển các bits song song của cảm biến mức trở thành 1 chuỗi các bits nốitiếp để xử lí Nó giúp tiết kiệm số đường dây nối với vi điều khiển, đồng thời khả năng

xử lí được cải thiện hơn Hình 2.13 là hình ảnh sơ đồ các pin của 74HC165 [8]

Hình 2.13: Sơ đồ chức năng của 74HC165

Như vậy để tổng kết lại cảm biến mức là 1 thiết bị có thể đo được nhiều mức nướckhác nhau Tín hiệu từ các điện cực sẽ được đưa qua 1 bộ so sánh và khuếch đại điện

áp Nếu điện cực thông, vi điều khiển sẽ quyết định là mức 1 hoặc ngược lại Cuốicùng chúng được đưa qua bộ chuyển đổi song song sang nối tiếp Việc này sẽ tiết kiệmđáng kể số lượng chân vi điều khiển cần phải sử dụng Hình 2.14 miêu tả lại quá trìnhhoạt động của cảm biến mức ứng với trường hợp của hệ đo mưa