Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo cảm biến đo mực nước, bộ lưu trữ dữ liệu và hệ thống thu thập dữ liệu tự động qua mạng 3G/GPRS cho trạm quan trắc thủy văn
Với mục tiêu thiết kế và chế tạo phần cứng điện tử Trạm quan trắc thủy văn bao gồm cảm biến đo mực nước và bộ lưu trữ dữ liệu tự động giám sát mực nước sử dụng công nghệ tiết kiệm năng lượng cho phép trạm có thể hoạt động liên tục lên đến 2 ngày (ít nhất 6 giờ) khi có sự cố mất nguồn cấp điện.
Đồng thời, nghiên cứu và chế tạo hoàn chỉnh phần cứng mạng thu thập dữ liệu tự động qua GPRS/3G với cấu hình mạng linh động, nhằm truyền thông tin thủy văn liên tục về trung tâm giám sát. Đồng thời, thiết kế hệ thống thu thập dữ liệu tự động nhằm thu thập dữ liệu từ trạm quan trắc thủy văn, quản lý trạm quan trắc và hiển thị các thông tin quan trắc thủy văn một cách trực quan hơn, PGS.TS Nguyễn Tuấn Đức, Đại học Quốc tế, Đại học quốc gia thành phố Hồ Chí Minh cùng các cộng sự đã đề xuất và thực hiện đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo cảm biến đo mực nước, bộ lưu trữ dữ liệu và hệ thống thu thập dữ liệu tự động qua mạng 3G/GPRS cho Trạm quan trắc thủy văn Tân Uyên, Bình Dương”. Dưới đây là tóm tắt sơ lược về thực trạng, quá trình triển khai và kết quả đạt được của đề tài:
Thực trạng
Qua khảo sát, nhóm nghiên cứu nhận thấy hiện trạng Trạm quan trắc thủy văn Tân Uyên bị hư bộ dữ liệu, nhưng do Trạm được sản xuất bởi công ty nước ngoài nên rất khó khăn trong việc sửa chữa bộ lưu dữ liệu này. Do vậy vấn đề ghi, lưu trữ dữ liệu thủy văn hiện đang thực hiện bằng phương pháp thủ công mất nhiều thời gian và không giám sát được thông số thủy văn một cách tự động theo thời gian thực.
Trạm thủy văn Tân Uyên cách thị xã Tân Uyên 2km về phía Đông, bên cạnh nhánh sông Đồng Nai. Hiện tại, Trạm có trang bị máy ghi thủy văn tự động truyền thống (đồ thị mực nước được vẽ trên giấy và mực nước được ghi nhận thủ công theo 24 giờ/ngày). Máy đo mực nước bán tự động theo công nghệ phao nổi trong giếng thủy văn. Máy được đặt trên bàn gỗ phía trên giếng thủy văn. Giếng thủy văn có đường kính khoảng 0,8m được thiết kế dạng bình thông nhau với nhánh sông Đồng Nai bên ngoài Trạm, thiết kế dạng bình thông nhau đảm bảo mực nước trong giếng thủy văn ngang bằng với mực nước bên ngoài sông và hạn chế được giao động do sóng của nước sông.
Tuy nhiên, Trạm quan trắc môi trường thủy văn tại Tân Uyên, Bình Dương chưa được trang bị chức năng truyền dữ liệu tự động về trung tâm (qua mạng điện thoại hoặc Internet), đây là một tính năng quan trọng và cần thiết để phục vụ cho việc theo dõi, giám sát dữ liệu từ xa, bên cạnh đó, công việc thống kê dữ liệu và backup dữ liệu trong thời gian dài cũng phải đòi hỏi tính năng này. Đề tài được triển khai để giải quyết những thực trạng trên và những thực trạng này cũng đang tồn tại ở khá nhiều Trạm quan trắc trên cả nước.
Quá trình triển khai và kết quả đạt được
Để đạt được mục tiêu đề ra, nhóm nghiên cứu tiến hành khảo sát thực trạng Trạm quan trắc thủy văn Tân Uyên và đánh giá khả năng thiết lập trạm thủy văn tự động, Trạm này do Trung tâm quan trắc quản lý và vận hành. Thông qua đó, nhóm nghiên cứu tiến hành đánh giá mức tín hiệu mạng di động và khả năng thiết lập mạng 3G/GPRS từ Trạm về Trung tâm; tích hợp cảm biến thủy văn: mực nước, nhiệt độ nước và không khí, thiết kế bộ giao tiếp cảm biến với máy ghi dữ liệu. Dựa trên kết quả khảo sát, để đảm bảo về tính ổn định lâu dài của Trạm giám sát mực nước, nhóm nghiên đã chọn công nghệ áp suất và cảm biến áp suất mực nước WL400 của hãng Global để thiết kế trạm giám sát mực nước sông, kênh rạch.
Đồng thời, nghiên cứu kỹ thuật và tiêu chuẩn giao tiếp của cảm biến đo mực nước (nghiên cứu thuật toán tính toán từ giá trị dòng điện (hoặc điện áp) thu được từ cảm biến sang giá trị mực nước; kiểm tra và hiệu chỉnh giá trị đo của cảm biến mực nước); nghiên cứu, thiết kế, kiểm tra và đo kiểm độ chính xác thiết bị cảm biến đo nhiệt độ không khí. Nhóm nghiên cứu thực hiện việc đo đạc và hiệu chỉnh giá trị dòng điện đầu ra của cảm biến theo thông số nhiệt độ môi trường. Dựa theo kết quả có được, nhóm đã tiến hành việc lập trình hiển thị thông tin giá trị nhiệt độ trên màn hình hiển thị của Data Logger…
Data logger là một mạch điện tử được lập trình sẵn để ghi lại các thông số môi trường được thu nhận từ các cảm biến. Nó được thiết kế để có thể chứa được dữ liệu trong nhiều tháng liên tiếp để dự phòng trong tình huống dữ liệu môi trường không thể truyền về trung tâm điều khiển. Bên cạnh đó, Data logger còn được trang bị bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số (ADC) 10bit và nhiều ngõ vào (input), ngõ ra (output) phong phú để giao tiếp với các cảm biến (cảm biến đo mực nước).
Trong khuôn khổ đề tài, nhóm đã nghiên cứu thiết kế bộ Data logger này và bộ quản lý nguồn điện cho trạm quan trắc thủy văn Tân Uyên; nghiên cứu tích hợp thiết bị không dây 3G/GPRS và lập trình mạng 3G/GPRS cho Trạm; xây dựng hệ thống cơ sở dữ liệu và chương trình phần mềm quản lý để thu thập lưu trữ dữ liệu từ các trạm quan trắc theo thời gian thực…
Với mục tiêu đề ra, đề tài đã trang bị cho Trạm 01 cảm biến đo mực nước, 01 cảm biến đo nhiệt độ nước, 01 cảm biến đo nhiệt độ không khí, 01 thiết bị giao tiếp với cảm biến, 01 thiết bị thu thập dữ liệu Data Logger tích hợp bộ truyền dữ liệu qua mạng GPRS; 01 phần mềm trung tâm giám sát từ xa được xây dựng trên máy chủ (thu thập dữ liệu của Trạm qua mạng GPRS, lưu dữ liệu và hiển thị dữ liệu mực nước, nhiệt độ môi trường, nhiệt độ nước thu thập được, các thông tin hiển thị ví trí và thông tin trạm); tính năng của Trạm quan trắc và phần mềm trung tâm giám sát đảm bảo theo yêu cầu đặt ra. Trạm quan trắc và hệ thống thu thập dữ liệu tự động hoạt động ổn định trong thời gian dài (phòng thí nghiệm va hiệu chỉnh tại Trạm Nhà Bè) và trong thời gian nghiệm thu chính thức hơn một tháng tại trạm thủy văn Tân Uyên, Bình Dương.
Ý nghĩa thực tiễn
Để có thể đưa ra giải pháp toàn diện và ứng phó hiệu quả với tình trạng bất thường của môi trường thủy văn, thực tế đòi hỏi chúng ta phải triển khai nhiều Trạm giám sát môi trường thủy văn tại nhiều vị trí trên sông rộng khắp tỉnh, bao phủ các khu vực trọng điểm, với khả năng theo dõi liên tục thông số thủy văn quan trọng (mực nước, tốc độ nước trên sông, độ xâm nhập mặn do nước biển dâng hay thủy triều). Yêu cầu này đòi hỏi một mức kinh phí rất cao. Ngoài ra, trong công tác quản lý và điều hành, các cấp quản lý cần có được những thông tin từ mạng lưới giám sát một cách đầy đủ, nhanh chóng và dễ dàng. Do vậy, nhóm nghiên cứu cũng đã đề xuất việc nghiên cứu và xây dựng trung tâm dữ liệu cho phép thu thập thông tin từ mạng cảm biến và chia sẻ dữ liệu dễ dàng qua môi trường mạng cho mọi đối tượng sử dụng.
Việc xây dựng một mạng không dây kết nối - giám sát các trạm quan trắc thủy văn và trung tâm dữ liệu về tình trạng thủy văn tại khu vực tỉnh Bình Dương là một yêu cầu có tính cấp thiết, nhằm ứng phó hiệu quả và giảm tác hại của tỉnh trạng thiên tai hay bất thường về môi trường thủy văn cho tỉnh, có nghĩa kinh tế và xã hội cao. Ngoài ra, kết quả đề tài cũng đem lại những đóng góp thực tiễn cho việc xây dựng và phát triển hệ thống quan trắc và thu thập dữ liệu về môi trường thủy văn nhằm phục vụ cho việc nghiên cứu và thích nghi với sự biến đổi khí hậu, giảm thiểu thiệt hại do biến đổi khí hậu… mà nước ta đang phải đối mặt trong tương lai.
H. Ái