Nghiên cứu phát triển thiết bị đo mưa giá rẻ

7/15/2019 1:26 AM

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ ĐO MƯA GIÁ RẺ

Tóm tắt: Báo cáo này tập trung vào xây dựng một hệ cảnh báo giá rẻ dựa trên việc xác định lưu lượng mưa. Hệ đo mưa được xây dựng dựa trên việc sử dụng cảm biến đo khoảng cách và bộ vi điều khiển phù hợp. Ngưỡng cảnh báo được xây  dựng dựa trên phương pháp thống kê lưu lượng mưa (theo khu vực lắp đặt)  trong nhiều năm để đưa ra cảnh báo kịp thời.

 

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Tài liệu kỹ thuật [1] đã trình bày về một hệ báo động thông qua thiết bị đo mưa đơn giản. Tuy nhiên, hệ thống này chỉ có 4 mức đo giá trị lượng mưa và độ phân giải của thiết bị rất thấp. Các hệ thương mại đo mưa điện tử trên thị trường hiện nay
 như model đo mưa 52202-10-L/52203-L Tipping Bucket [2], máy đo mưa có dây với hai bộ đếm RAINEW-211 803-1002 [3] thì có giá thành rất cao, nhưng lại hạn chế vì chưa có tính năng cảnh báo.  Trong báo cáo này, chúng tôi đề xuất một hệ thống cảnh báo đo mưa có thể chia mức đo giá trị lượng mưa rất lớn và có thể sản xuất hàng loạt. Hệ thống gồm: vi mạch xử lý tín hiệu thời gian thực tích hợp với cảm biến siêu âm để xác định mức nước, gầu chứa nước, nguồn điện dự trữ và còi báo công suất lớn. Hệ thống đã được thực nghiệm tại tỉnh Hà Giang cho kết quả tốt, hoàn toàn phù hợp với điều kiện kinh tế Việt Nam và có thể áp dụng rộng rãi. 

2. NỘI DUNG VÀ ĐỀ XUẤT
2.1 Thiết kế phần cứng
Hệ thống phần cứng gồm: phần điện tử giúp thu nhận, xử lý thông tin, và đưa ra cảnh báo; một gầu chứa nước mưa thu được; và một phễu để hứng nước mưa.

    1. Cấu hình về hệ thống điện tử

      Hệ thống phần cứng của thiết bị gồm: Cảm biến để xác định mức độ nước trong gầu chứa nước; khối xử lý tín hiệu thu được từ cảm biến; và còi báo động khi giá trị đo được vượt ngưỡng báo động. Hình 1 trình bày sơ đồ nguyên lý của hệ thống:

       

      Cảm biến khoảng cách SRF05:

      Cảm biến siêu âm SRF05 được sử dụng rất phổ biến để xác định khoảng cách vì giá thành phù hợp và có độ chính xác cao. Cảm biến xử dụng sóng siêu âm có thể đo khoảng cách từ 2 cm đến 4 m với độ phân giải 2 mm.

      Để đo được khoảng cách SRF05 sẽ phát ra 1 xung rất ngắn (5 µs) từ chân Trig. Sau đó cảm biến sẽ tạo ra 1 xung HIGH ở chân Echo cho đến tận khi nhận được sóng phản xạ từ chân này. Chiều rộng của xung là khoảng thời gian sóng siêu âm từ cảm biến gặp vật và quay lại [6]. Hình 2 miêu tả hoạt động của cảm biến siêu âm.

       

      Kit Arduino Uno R3:

      Arduino Uno là một mạch vi điều kiển dựa trên chip ATmega328P. Nó chứa tất cả các hỗ trợ cần thiết cho vi điều khiển; kết nối một cách đơn giản với máy tính thông qua giao tiếp USB. Ưu điểm của vi mạch này là có một nền tảng phần cứng và phần mềm ổn định, có IDE thân thiện và dễ dàng thao tác cho người sử dụng. Khác với các vi mạch vi điều khiển khác là không cần thêm mạch nạp, việc nạp chương trình thông qua trình biên dịch IDE và kết nối USB sẵn có. . Hình 3 là hình ảnh về vi mạch Arduino Uno R3.

       

      Còi báo động:

      Còi báo động giúp cảnh báo khi hệ thống tính toán và phát hiện ra nguy cơ xảy ra trượt lở đất. Nó hoạt động ở tần số cao, với công suất lớn gây khó chịu cho người sử dụng và sẽ gây chú ý của người dân. Vì thế, còi này rất thích hợp để cảnh báo trong khu dân cư. Còi hoạt động ở điện áp 3.7V đến 12V.

      Pin Lithium:  

      Pin Lithium với thông số 3.7V – 6000mAh cung cấp một nguồn với công suất 22.200mWh. 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. Nguyên nhân do khu vực đồi núi thường mất điện mỗi khi có mưa lớn mà thiết bị cần luôn hoạt động để kịp thời cảnh báo khi có hiện tượng trượt lở đất xảy ra. Vì thế, nguồn dự phòng là giải pháp rất cần thiết cho hệ thống này.

      Module nguồn LM2596 và TP4056:

      Module LM2596 là module cung cấp điện áp 5V cho hệ thống và cung cấp dòng điện đầu vào cho module TP4056 để sạc điện cho pin dự phòng.

      Module TP4056 là module điều tiết điện năng giúp sạc điện cho pin, có nhiệm vụ sạc/ sả điện một cách hợp lí.

       

    2. Gầu chứa nước và phễu hứng nước.

      Một nguyên tắc quan trọng khi thiết kế hệ đo mưa là hệ thống gầu chứa nước phải có tiết diện bề mặt bằng với tiết diện bề mặt của phễu hứng nước. Gầu chứa nước có tác dụng chứa nước mưa được hứng từ phễu. Lượng nước trong gầu chứa sẽ cho biết lượng mưa tại khu vực.    

  1. KẾT QUẢ
  1. Nguyên lý và thuật toán

    2.2.1 Nguyên lý đo mưa

    Cảm biến khoảng cách sẽ được lắp tại vị trí cố định phía trên nắp gầu, do đó khoảng cách từ cảm biến xuống đáy bình là cố định và có giá trị là α. Khi có mưa, mực nước trong gầu sẽ tăng, cảm biến đo khoảng cách  đến mặt nước thay đổi trong bình, giá trị này được xác định là β. Hình 8 là mô hình thể hiện cách thức đo mực nước trong gầu. Lưu lượng mưa sẽ được xác định theo phương trình (1).  

     

     

    µ: lưu lượng mưa

    t: là chu kỳ lấy mẫu (30 phút, tương đương tốc độ lấy mẫu là FS = 2 lần/giờ).

     

    1. Thuật toán tiết kiệm năng lượng

      Khi trời mưa bão (là thời điểm có nguy cơ trượt đất), điện lưới sẽ bị ngắt. Vì vậy, trong bài báo này, chúng tôi đề xuất giải thuật giúp tiết kiệm năng lượng cho hệ thống, từ đó giúp nâng cao thời gian hoạt động và giảm lượng điện năng tiêu thụ đáng kể. Hình 9 là lưu đồ thuật toán của hệ thống. Trong lưu đồ này, hệ thống sau khi được thiết lập xong bắt đầu đọc dữ liệu từ cảm biến. Nếu sau một khoảng thời gian quy định mực nước mưa trong gầu không thay đổi, hệ xác định trạng thái không có mưa và lập tức giảm tốc độ lấy mẫu để giảm việc tiêu thụ năng lượng. Ngược lại, nếu mực nước trong bình thay đổi sau thời gian đó, hệ thống xác định có mưa và tăng tốc độ lấy mẫu để đáp ứng sự thay đổi nhanh chóng mực nước trong gầu chứa nước, nhằm đưa ra cảnh báo kịp thời.

       

    2. Thuật toán xác định ngưỡng cảnh báo

      Mỗi khu vực khác nhau thì có địa hình và lượng mưa khác nhau. Vì vậy mỗi địa phương lại có một ngưỡng cảnh báo khác nhau. Báo cáo này dựa trên việc quan trắc, thống kê lượng mưa và khả năng xảy ra lũ nhiều năm ở các tỉnh Tây Bắc. Thuật toán cảnh báo được thực hiện theo các bước sau:

      Bước 1: Xác định thời điểm mực nước mưa thấp nhất trong gầu đo mưa là , mực nước thực tế trong bình là  .

      Bước 2: Thời điểm mực nước dâng lên sau khoảng thời gian ∆t tiếp theo là , và mực nước trong bình là .

      Bước 3: Tính mực nước tăng thêm giữa hai lần đo liên tiếp:

          

       Bước 4: Tính cường độ mưa tính theo giờ:

       Bước 5: Nếu thỏa mãn (4), đưa ra cảnh báo, nếu không thì tiếp tục quan trắc.

       Trong báo cáo này, chúng tôi để khoảng thời gian giữa hai lần tn và tn+1 là 30 phút để phù hợp với bất phương trình (4). Bất phương trình này được dựa trên các số liệu thống kê mưa và trượt đất tại Hà giang.

Hệ thống được xây dựng thành công với những đặc tính kỹ thuật sau:

  • Đường kính miệng thu mưa là 20 cm đáp ứng thông số kỹ thuật của dịch vụ thời tiết quốc gia (NWS) thống kê chính xác.
  • Chiều cao gầu chứa nước mưa là 300mm, độ phân giải là 2 mm giúp hệ thống có thể nhận diện được 150 mức nước mưa trong gầu.

So sánh thông số độ phân giải 2 mm của hệ thống với thông số độ phân giải 0.1mm hệ thống đo mưa theo tiêu chuẩn của Tổ chức khí tượng thế giới (WMO), độ phân giải của hệ thống thấp hơn. Tuy nhiên, với tiêu chí xây dựng hệ thống giám sát mưa giá thành thấp và đáp ứng về bài toán ngưỡng cảnh báo thì thông số này vẫn đáp ứng rất tốt so với hệ thống cảnh báo trong tài liệu kỹ thuật [1] chỉ có 4 mức.

Hệ thống điện tử sau khi hoàn thiện gồm: Kit Arduino, pin dự phòng, các mạch nguồn, còi báo công suất lớn và một jack kết nối với cảm biến khoảng cách ở bên ngoài. Khoảng cách dây kết nối từ 5 – 10 m, đủ để kết nối gầu chứa nước ở ngoài trời với bộ phận xử lý sẽ được đặt ở trong nhà. Hình 10.a.b là hình ảnh thử nghiệm thực tế của hệ thống đo mưa.

           

 Bảng 1 mô tả dữ liệu thử nghiệm tại phòng thí nghiệm để kiểm tra độ chính xác của phép đo và khả năng cảnh báo của hệ thống. Dữ liệu thực nghiệm sau 10 lần đo, khoảng thời gian giữa hai lần lấy mẫu liên tiếp là 30 phút. Cách tiến hành là đưa nước vào dần trong 10 lần, cột 2 mô tả mực nước trong bình, cột 3 là độ tăng mực nước giữa hai lần đo liên tiếp, cột 4 là ước lượng về cường độ mưa, cột 5 là giá trị của hàm cần quan trắc (vế phải của phương trình 4), và cuối cùng là cột 6 sẽ đưa ra thông tin cần cảnh báo nếu có. Nhận thấy rằng tại thời điểm thứ 8 và 10 là cần cảnh báo và thực tế thử nghiệm là còi đã kêu báo động (phù hợp với thiết kế và giá trị thu được thực tế).

Bảng 1. Dữ liệu đo đạc thử nghiệm

Lần đo

Mực nước (mm)

Mực nước tăng giữa

2 lần đo x (mm)

Cường độ mưa (mm/h) y

Giá trị hàm quan trắc

Trạng thái

1

0

-

-

-

-

2

2

2

4

127.63

 

3

13

11

22

113.54

 

4

16

3

6

125.98

 

5

34

18

36

103.66

 

6

51

33

66

85.30

 

7

81

30

60

88.69

 

8

131

40

80

77.88

Cảnh báo,còi

9

141

9

18

116.53

 

10

191

51

102

67.50

Cảnh báo,còi

 

Tài liệu tham khảo

[1] Hidetomi Oi, “Development of a Simple Rain Gauge Fitted with an Alarm Device”, International Sabo Association, http://www.sabo-int.org.

[2] The Model 52202-10-L/52203-L Tipping Bucket Rain Gaugehttp://www.ambientweather.com/rry52202.html

[3]
RAINEW-211 803-1002 Wired Rain Gauge with Dual Counter, http://www.ambientweather.com/rarawiragawi1.html