Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo và giám sát các thông số môi trường trong lĩnh vực khí tượng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập -Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ
THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP
Họ và tên: NGUYỄN TẬP TOÀN
Khoá: 2012B

Ngành: Điều khiển và Tự động hóa

Tên đề tài:
Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo và giám sát các thông số môi trường ứng dụng
trong lĩnh vực khí tượng.
1. Các số liệu ban đầu:
2. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
-

Tìm hiểu tổng thể cấu trúc và hoạt động của hệ thống trạm khí tượng trên ở trên
thế giới và Việt nam.

-

Tìm hiểu các thông số và chức năng hoạt động, khoảng đo và sai số yêu cầu của
ngành khí tượng của các đầu đo sử dụng trên thế giới.

-


5. Ngày giao nhiệm vụ thiết kế: 30/12/2013
6. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 27/03/2015
Ngày

tháng

năm

Chủ nhiệm bộ môn

Cán bộ hướng dẫn

(Ký, ghi rõ họ tên)

(Ký, ghi rõ họ tên)

TS. Lê Minh Hoàng
Học viên đã hoàn thành
Ngày

tháng

năm 2015

(Ký, ghi rõ họ tên)

Nguyễn Tập Toàn

Luận văn thạc sĩ

3.5 Tốc độ gió .....................................................................................................31
3.6 Lượng mưa ....................................................................................................34

4.

Kết luận .............................................................................................................. 35

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN THIẾT BỊ VÀ ÁP DỤNG VÀO XÂY DỰNG TRẠM KHÍ
TƯỢNG .......................................................................................................................... 37
1.

Cảm biến đa năng WXT510 ............................................................................... 38

2.

Các nguyên lý đo của cảm biến.......................................................................... 42

Luận văn thạc sĩ

3

Nguyễn Tập Toàn


Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo và giám sát các thông số môi trường trong lĩnh vực khí tượng

2.1 Cảm biến đo gió WINDCAP ........................................................................43
2.2 Cảm biến đo lượng mưa RAINCAP .............................................................44
2.3 Module PTU..................................................................................................45
3.

Xây dựng cơ sở dữ liệu trên MySQL ................................................................. 69
2.1 Tổng quan về các cơ sở dữ liệu: ...................................................................69
2.2 Giới thiệu MySQL........................................................................................70

3.

Giao diện phần mềm Trạm khí tượng: ............................................................... 73
3.1 Đặt cấu hình: ................................................................................................74

Luận văn thạc sĩ

4

Nguyễn Tập Toàn


Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo và giám sát các thông số môi trường trong lĩnh vực khí tượng

3.2 Lựa chọn chế độ đo: .....................................................................................75
3.3 Giám sát số liệu: ...........................................................................................76
3.4 Tra cứu thống kê: ..........................................................................................78
4

Phần mềm “Cảm biến ảo” .................................................................................. 79

5

Ghép nối và chạy thử nghiệm ............................................................................ 80
5.1 Ghép nối: ......................................................................................................81
5.2 Chạy thử nghiệm ..........................................................................................82

5

Nguyễn Tập Toàn


Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo và giám sát các thông số môi trường trong lĩnh vực khí tượng

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 Hệ thống mạng thông tin thời tiết di động ......................................................... 17
Hình 2 Mạng truyền thông của hệ thống thông tin thời tiết di động.............................. 18
Hình 3 Trạm khí tượng tự động quy mô nhỏ ................................................................. 20
Hình 4 Trạm khí tượng tự động quy mô lớn .................................................................. 21
Hình 5 Trao đổi nhiệt của cảm biến ............................................................................... 25
Hình 6 Các loại áp suất .................................................................................................. 26
Hình 7 Lượng nước trong không khí ở độ ẩm tương đối 100% theo nhiệt độ .............. 28
Hình 8 Phong kế chén bán cầu ....................................................................................... 34
Hình 9 Cảm biến đa năng WXT510............................................................................... 38
Hình 10 Các kích thước của cảm biến WXT510 ........................................................... 39
Hình 11 Cảm biến WXT510 nhìn theo mặt cắt ............................................................. 42
Hình 12 Cảm biến áp suất BAROCAP .......................................................................... 46
Hình 13 Cấu tạo của cảm biến nhiệt độ THERMOCAP................................................ 47
Hình 14 Sai số đo lường tại độ ẩm tương đối 100% khi sự chênh lệch nhiệt độ giữa môi
trường và cảm biến là 1°C.............................................................................................. 49
Hình 15 Mô hình trạm khí tượng ................................................................................... 60
Hình 16 Giao diện của chương trình .............................................................................. 73
Hình 17 Giao diện chức năng “ Đặt cấu hình”............................................................... 75
Hình 18 Giao diện chức năng “ Lựa chọn chế độ đo” ................................................... 76
Hình 19 Lưu đồ thuật toán ............................................................................................. 77
Hình 20 Giao diện chức năng “ Giám sát số liệu” ......................................................... 78

Bảng 1 Các giá trị tương ứng của một số nhiệt độ quan trọng ...................................... 24
Bảng 2 Các giao thức truyền thông của WXT510 ......................................................... 49

Luận văn thạc sĩ

8

Nguyễn Tập Toàn


Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo và giám sát các thông số môi trường trong lĩnh vực khí tượng

LỜI NÓI ĐẦU
Con người luôn mơ ước chinh phục thiên nhiên. Ngay từ khi có nhận thức về
thiên nhiên-xã hội, con người đã biết tận dụng các điều kiện thuận lợi, tìm mọi cách
tránh những điều kiện bất lợi để bảo tồn và nâng cao mức sống của mình, trong đó các
điều kiện khí tượng luôn là yếu tố được đòi hỏi trước và yêu cầu ngày càng cao. Trong
hoàn cảnh khoa học và công nghệ phát triển mạnh như hiện na y, thông tin thời tiết
được bổ sung không ngừng và có độ tin cậy ngày càng cao, đòi hỏi các nhà khí tượng
phải có những nghiên cứu ứng dụng nhằm đáp ứng kịp thời các đòi hỏi khắt khe của
phát triển kinh tế - xã hội. Do nhiều nơi, nhiều lúc không kiểm soát được nên môi
trường bị huỷ hoại nghiêm trọng. Mức độ khốc liệt của các hiện tượng khí tượng cũng
mạnh mẽ hơn, nhiều vùng đất rộng lớn mất rừng, trở thành hoang mạc, khí hậu toàn
cầu và ở nhiều địa phương đã có nhiều biến đổi trái quy luật và xảy ra thường xuyên
hơn. Tất cả các quá trình trên là những thách thức to lớn đối với công tác dự báo khí
tượng trên toàn cầu, đặc biệt đối với công tác dự báo khí tượng thủy văn (KTTV) ở
nước ta. Nắm được các thông tin khí tượng thủy văn và biết sử dụng chúng một cách
phù hợp sẽ hạn chế được những hậu quả của các hiện tượng thiên tai, tận dụng được
những thuận lợi của các điều kiện thời tiết khí hậu, nâng cao hiệu quả của các hoạt
động kinh tế xã hội và quốc phòng.


Lựa chọn sử dụng và tìm hiểu nguyên lý hoạt động của đầu đo WXT510 của
hãng Vaissala dùng để đo thông số khí tượng.

-

Thiết kế và xây dựng hệ thống đo và giám sát các thông số môi trường ứng dụng
trong lĩnh vực khí tượng bao gồm:
o Giao diện trạm khí tượng trên máy tính cho phép điều khiển, kết nối, thu
thập dữ liệu từ đầu đo WXT510. Các dữ liệu thu thập được hiển thị và vẽ
đồ thị dữ liệu thu thập trên giao diện đồng thời được lưu trữ vào cơ sở dữ
liệu phục vụ tra cứu lịch sử dữ liệu.
o Cảm biến ảo có các chức năng giống như cảm biến WXT510 thực

-

Hệ thống trạm khí tượng được ghép nối và chạy thử nghiệm để đánh giá thực tế
và đưa ra những hướng phát triển của hệ thống
Sau thời gian ba tháng làm đồ án tốt nghiệp, được sự hướng dẫn tận tình của TS.

Lê Minh Hoàng, tôi đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp đúng thời hạn. Tuy nhiên, trong
quá trình làm luận văn không tránh khỏi thiếu sót, do vậy tôi rất mong nhận được sự
góp ý của các thầy cô giáo trong và ngoài bộ môn.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS. Lê Minh Hoàng, các thầy cô giáo bộ
môn Kỹ thuật Đo & Tin học Công nghiệp, các cán bộ Viện Nghiên cứu quốc tế MICA,

Luận văn thạc sĩ

10


giảm nhẹ thiên tai. Đầu tư cho ngành Khí tượng Thủy văn cần đi trước một bước để
cung cấp kịp thời, chính xác thông tin và luận cứ khoa học về khí tượng thủy văn cho
sự phát triển bền vững của đất nước trong bối cảnh thiên tai ngày càng khắc nghiệt và
gia tăng do biến đổi khí hậu.
1.1 Thực trạng công tác dự báo và nghiên cứu dự báo khí tượng ở Việt Nam
Phát triển ngành Khí tượng Thủy văn đồng bộ theo hướng hiện đại hoá, lấy việc
đầu tư cho khoa học, công nghệ và đào tạo nguồn nhân lực làm giải pháp chủ yếu để
phát triển trên cơ sở kế thừa và ph át huy tối đa nguồn lực hiện có , khai thác triệt để
thành tựu khoa học, công nghệ trong nước, đồng thời ứng dụng chọn lọc những thành
tựu khoa học công nghệ tiên tiến trên thế giới.
Đổi mới phương thức phục vụ của ngành Khí tượng Thủy văn theo hướng Nhà
nước chịu trách nhiệm cung cấp thông tin, dữ liệu khí tượng thủy văn đáp ứng các yêu
cầu phục vụ công cộng, phòng tránh thiên tai, bảo vệ cuộc sống, tài sản cho toàn xã
hội; đồng thời, khuyến khích xã hội hoá, thương mại hoá các hoạt động khí tượng thủy
văn và tăng cường sử dụng thông tin khí tượng thủy văn trong sản xuất, kinh doanh,
dịch vụ nhằm mang lại hiệu quả kinh tế xã hội thiết thực.
Mục tiêu tổng quát đến năm 2020, ngành Khí tượng Thủy văn Việt Nam đạt
trình độ khoa học công nghệ tiên tiến của khu vực châu Á, có đủ năng lực điều tra cơ
bản, dự báo khí tượng thủy văn, phục vụ yêu cầu phòng tránh và giảm nhẹ thiệt hại do
thiên tai, phát triển kinh tế - xã hội, bảo đảm quốc phòng, an ninh, khai thác, sử dụng

Luận văn thạc sĩ

12

Nguyễn Tập Toàn


Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo và giám sát các thông số môi trường trong lĩnh vực khí tượng


Nguyễn Tập Toàn


Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo và giám sát các thông số môi trường trong lĩnh vực khí tượng

(Khánh Hoà) và Nhà Bè (Tp. Hồ Chí Minh), 02 ra đa thời tiết MRL-5 do Liên Xô (cũ)
chế tạo, đặt tại Phủ Liễn (Hải Phòng) và Vinh (Nghệ An).
Quan trắc thủy văn
Hiện có 231 trạm thủy văn, gồm: 59 trạm hạng I, 21 trạm hạng II và 151 trạm
hạng III. Trong số 231 trạm thủy văn có 88 trạm tự ghi, tự báo mực nước; 100 trạm
vùng ảnh hưởng triều.
Quan trắc khí tượng thủy văn biển
Hiện có 17 trạm khí tượng thủy văn biển quan trắc các yếu tố khí tượng và các
yếu tố hải dương: sóng, mực nước biển, thủy triều v.v...Ngoài ra, còn có 1 tàu nghiên
cứu biển phục vụ điều tra khảo sát biển.
Quan trắc vệ tinh
Đã lắp đặt tại Hà Nội 01 trạm thu số liệu vệ tinh địa tĩnh GMS và vệ tinh quỹ
đạo cực NOOA với độ phân giải cao.
Quan trắc môi trường không khí và nước
Hiện có 154 trạm, điểm đo, gồm:
• 6 trạm quan trắc tự động môi trường không khí, trong đó có 1 trạm nền vùng khí
quyển (gồm 01 trạm quan trắc môi trường không khí tự động và 01 trạm quan
trắc khí tượng bề mặt).
• 18 trạm quan trắc bụi và thành phần hoá học nước mưa.
• 48 trạm quan trắc môi trường nước sông.
• 8 trạm quan trắc môi trường nước vùng hồ.
• 6 trạm quan trắc môi trường nước biển ven bờ. Lấy mẫu và phân tích thành phần
hoá học 1 lần/tháng.

Luận văn thạc sĩ

từ đó.
Phương tiện kỹ thuật trong đo đạc, thu thập số liệu ngày càng hiện đại và phát
triển đến mức người ta có thể nhận được bất cứ yếu tố khí tượng nào ở bất cứ nơi nào
Luận văn thạc sĩ

15

Nguyễn Tập Toàn


Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo và giám sát các thông số môi trường trong lĩnh vực khí tượng

cần, từ vùng núi cao tuyết phủ đến các vùng biển ít tàu thuyền qua lại, ở mặt đất hay
trên các độ cao bất kỳ. Mật độ các trạm khí tượng tự động ở các nước tiên tiến đủ thoả
mãn nhu cầu thông tin đối với các mô hình dự báo số trị. Các máy đo gió tự động c ó
thể thiết lập Profile gió cũng như các yếu tố khí tượng, môi trường ở mọi nơi, với đầy
đủ các thông số cần thiết trong mỗi khối khí. Hệ thống ra-đa hiện đại dày đặc có thể
phát hiện những biến đổi nhỏ nhất của các điều kiện khí tượng địa phương. Các phần
mềm phân tích số liệu ra-đa, ảnh mây vệ tinh ngày càng tiến bộ giúp các nhà khí tượng
nâng cao độ chính xác trong dự báo các hiện tượng thời tiết như tính chất mưa, lượng
mưa, thời gian mưa ở các khu vực đồng thời cũng bổ sung lượng thông tin quan trọng
trong việc giải các bài toán dự báo. Với hàng trăm vệ tinh theo dõi thời tiết, các nhà khí
tượng không chỉ nhìn thấy hình ảnh, diễn biến của các đám mây, vùng bão, mà còn có
khả năng phát hiện những biển đổi từ quy mô nhỏ nhất của các diễn biến thời tiết, khí
hậu trên mọi vùng của trái đất, đến việc phát hiện những hiện tượng quy mô lớn hơn
như lỗ thủng tầng ôzon, sự mỏng đi của lớp băng vùng cực, hay diễn biến của hiện
tượng ENSO (El Nino-Southern Oscillation- sự dao động El Nino ở phía Nam). Vệ
tinh khí tượng đã giúp tăng cường khả năng liên lạc với dung lượng, tốc độ rất lớn. Các
máy tính thế hệ mới phát huy tính năng siêu việt, có thể giúp giải các bài toán khí
tượng nhanh chóng mà chỉ vài chục năm trước đây không thể thực hiện được. Những

chúng. Mạng thông tin có thể truyền cho nhau như sau:

Luận văn thạc sĩ

17

Nguyễn Tập Toàn


Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo và giám sát các thông số môi trường trong lĩnh vực khí tượng

Hình 2 Mạng truyền thông của hệ thống thông tin thời tiết di động
Với thiết kế này thì chỉ với một chiếc máy tính xách tay và một ăngten thì cả
đến một người dân bình thường cũng có thể biết được tình hình thời tiết chi tiết. Đặc
biệt hơn nữa là hệ thống này cảnh báo hữu hiệu các thiên tai và với phần mềm bản đồ
số thì còn có thể biết được chính xác vị trí của thiên tai đó cách người sử dụng bao
nhiêu. Hệ thống này được gọi là Weather Information Network Enabled Mobile
System- hệ thống mạng thông tin thời tiết di động được. Với trình độ công nghệ thông
tin như nước ta hiện nay thì việc xây dựng một hệ thống như vậy là có khả năng và rất
cần thiết để nghiên cứu dự báo và đặc biệt là trong việc cảnh báo thiên tai. Trung tâm
MICA hiện nay đang tham gia một dự án thiết lập một hệ thống thời tiết như vậy mang
tên ISLAND. Dự án này tập hợp các nhà khoa học của nhiều nước nhằm xây dựng một
hệ thống thống kê và tra cứu về các thông số khí tượng thông qua mạng Internet và
công nghệ Wireless, góp phần dự báo thời tiết cho các vùng nhanh chóng, kịp thời,
chính xác.
2. Cấu trúc của một trạm khí tượng tự động
Một trạm khí tượng tự động thực hiện được các chức năng sau:
• Quan sát tổng thể
• Quan sát khí hậu
Luận văn thạc sĩ

và các điện thoại di động, moderm viễn thông và các vệ tinh. Với thiết kế như vậy trạm
có thể truy cập được Internet dễ dàng.
Một trạm khí tượng tự động có thể có quy mô khác nhau:

Luận văn thạc sĩ

19

Nguyễn Tập Toàn


Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo và giám sát các thông số môi trường trong lĩnh vực khí tượng

Hình 3 Trạm khí tượng tự động quy mô nhỏ
Trạm quy mô nhỏ chủ yếu thực hiện chức năng đo đạc. Toàn bộ số liệu của trạm
sẽ được gửi lên máy tính thu thập dữ liệu tại các trung tâm khí tượng thuỷ văn. Module
ghi số liệu: dùng để ghi lại dữ liệu để gửi đi. Ngoài ra có thể có thêm module mở rộng
như moderm, các màn hình hiển thị.

Luận văn thạc sĩ

20

Nguyễn Tập Toàn


Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo và giám sát các thông số môi trường trong lĩnh vực khí tượng

Hình 4 Trạm khí tượng tự động quy mô lớn
Trạm quy mô lớn không chỉ thực hiện chức năng đo đạc mà còn thu thập phân


Nguồn dự phòng dung để cấp điện trong trường hợp mất điện cho nguồn chính.

•

Màn hình hiển thị số liệu: hiển t hị đầy đủ các thông số được đo bằng các cảm
biến

•

Màn hình hiển thị tại nơi công cộng: đặt tại địa điểm công cộng nhưng không
nằm xa trạm quá để tiện cho việc truyền thông.

•

Ngoài ra còn có một số cảm biến thông minh hoạt động độc lập như một trạm đo
riêng để đo các thông số đặc biệt như phóng xạ, tầm nhìn xa.

•

Hệ thống bus RS 485 dùng để truyền thông giữa tất cả các thiết bị trong trạm.

3. Các thông số của trạm
3.1 Nhiệt độ
Nhiệt độ là một trong số những đại lượng có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất vật
chất. Bởi vậy trong nghiên cứu khoa học, trong công nghiệp cũng như trong đời sống
hàng ngày việc đo nhiệt độ là rất cần thiết. Tuy nhiên việc xác định chính xác một nhiệt
độ là một vấn đề không đơn giản. Đa số các đại lượng vật lý đều có thể xác định trực
tiếp nhờ so sánh chúng với một đại lượng cùng bản chất. Nhiệt độ là đại lượng chỉ có
thể đo gián tiếp dựa vào sự phụ thuộc của tính chất vật liệu vào nhiệt độ.


Trong đó T1 và T2 là nhiệt độ động học tuyệt đối của hai nguồn.
Đối với chất khí lý tưởng, nội năng U chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của chất khí và
phương trình đặc trưng liên hệ giữa áp suất p, thể tích v và nhiệt độ có dạng:
p.v = G (θ )

(1.3)

Có thể chứng minh được rằng:
G (θ ) = RT

(1.4)

Trong đó R là hằng số khí lý tưởng, T là nhiệt độ động học tuyệt đối.
Để có thể gán một giá trị số cho T, cần phải xác định đơn vị cho nhiệt độ. Muốn
vậy chỉ cần gán giá trị cho nhiệt độ tương ứng với một hiện tượng nào đó với điều kiện
hiện tượng này hoàn toàn xác định và có tính lặp lại.
Thang Kelvin (Thomson Kelvin - 1852): Thang nhiệt độ động học tuyệt đối,
đơn vị nhiệt độ là K. Trong thang đo này người ta gán cho nhiệt độ của điểm cân bằng
ba trạng thái nước - nước đá - hơi một giá trị số bằng 273,15 K.
Thang Celsius (Andreas Celsius - 1742): Thang nhiệt độ bách phân, đơn vị nhiệt
độ là oC và một độ Celsius bằng một độ Kelvin.
Nhiệt độ Celsius xác định qua nhiệt độ Kelvin theo biểu thức:
T (°C =
) T(K) − 273,15

(1.5)

Thang Fahrenheit (Fahrenheit - 1706): Đơn vị nhiệt độ là oF. Trong thang đo
này, nhiệt độ của điểm nước đá tan là 32 oF và điểm nước sôi là 212oF.

0

-273,15

-459,67

Hỗn hợp nước - nước đá

273,15

0

32

Cân bằngnước - nước đá - hơi

273,16

0,01

32,018

Nước sôi

373,15

100

212


với:
o α - hệ số dẫn nhiệt
o A - diện tích bề mặt trao đổi nhiệt.
o T - thời gian trao đổi nhiệt.
Lượng nhiệt cảm biến hấp thụ: dQ = mCdTe , với:
o m - khối lượng cảm biến.
o C - nhiệt dung của cảm biến.
Nếu bỏ qua tổn thất nhiệt của cảm biến ra môi trường ngoài và giá đỡ, ta có:
α A(Tx − Tc )dt =
mCdTc

Đặt

(1.8)

dTc
dt
mC
= τ là hằng số thời gian nhiệt, ta có:
=
Tx − Tc
αA
τ

Nghiệm của phương trình có dạng:
T=
Tx − ke
c

−