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

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

Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Trần Đức Tân

HÀ NỘI - 2016

Tóm tắt:

Vào mùa mưa, rất nhiều địa phương ở nước ta bị tác động bởi mưa, lũ. Tại các tỉnh vùng cao, mưa có tính chất cục bộ (có khu vực mưa to, có khu vực không mưa do ngăn cách bởi các day núi). Vì thế giải pháp đo mưa, lũ giá rẻ để có thể triển khai diện rộng là cần thiết. Một hệ thống đo mưa và mực nước lũ với giá rẻ phục vụ 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 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 bị khác có cùng chức năng trên thị trường, nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác. Do đó nó phù hợp để lắp đặt cho các tỉnh Tây Bắc để đảm báo tính mạng và tài sản cho đồng bào đang còn gặp nhiều khó khăn nơi đây.

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

ii

LỜI CAM ĐOAN

Trong quá trình làm đồ án, tôi đã đọc và tham khảo rất nhiều tài liệu khác nhau từ

giáo trình, sách chuyên khảo cho đến rất nhiều các bài báo được đăng tải trong và

ngoài 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 sao

chép từ bất kì tài liệu nào dưới mọi hình thức. Những kết quả đó là những gì tôi đã

nghiên 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 liệu

khác.

Hà Nội, ngày tháng năm 2016

TÁC GỈA

MAI THẾ PHÚ QUÝ

iii

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian nghiên cứu và hoàn thiện đồ án em đã nhận được sự giúp đỡ chu đáo của 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 tỉnh Tây Bắc” đã được triển khai thực hiện và hoàn thành với một số kết quả thu được có khả 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 nhiệt tình 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. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, các anh chị và các bạn đã có những góp ý kịp thời và bổ ích, giúp đỡ em trong suốt quá trình em nghiên cứu và hoàn thiện khóa luận này này. Mặc dù em đã có nhiều cố gắng hoàn thiện đồ án bằng tất cả sự nhiệt tình và nỗ lực của 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

iv

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

1.1 Thực 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

v

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

vi

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Số lần lũ quét trên 1 năm xảy ra từ 1958-2004 tại các tỉnh phía Bắc.............2Hình 2.1: Mô hình khái niệm hệ thống...........................................................................5Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ đo mưa.....................................................................................6Hình 2.3: Sơ đồ khối hệ đo lũ.........................................................................................7Hình 2.4: Mạch Arduino UNO cơ bản............................................................................8Hình 2.5: Mô-đun nguồn LM2596……………………………………………………..9 Hình 2.6: Mô-đun sạc/TP4056........................................................................................9Hình 2.7: Còi cảnh báo....................................................................................................9Hình 2.8: Mô-đun sim900A..........................................................................................10Hình 2.9: Bản năng lượng mặt trời...............................................................................10Hình 2.10: Nguyên lí của cảm biến mức.......................................................................11Hình 2.11: Cảm biến mức.............................................................................................11Hình 2.12: Vi mạch LM358..........................................................................................12Hình 2.13: Sơ đồ chức năng của 74HC165...................................................................12Hình 2.14: Hệ đo mưa sử dụmng cảm biến mức...........................................................13Hình 2.15 : Mô-đun cảm biến siêu âm SRF05..............................................................14Hình 2.16: Dòng thời gian cảm biến siêu âm................................................................15Hình 2.17: Arduino IDE................................................................................................16Hình 2.18: Thuật toán thiết bị đo mưa sử dụng cảm biến siêu âm................................17Hình 2.19: Thuật toán thiết bị đo mưa sử dụng cảm biến mức...................................18Hình 2.20: Thuận toán thời gian lấy mẫu.....................................................................20Hình 2.21: Thuật toán hệ đo mức lũ..............................................................................21Hình 3.1: Altium Designer 14.......................................................................................22Hình 3.2: Mạch in của cảm biến mức...........................................................................22Hình 3.3: Mạch mở rộng cảm biến, sạc và hiển thị LED trạng thái..............................23Hình 3.4: Mạch mở rộng Arduino thiết bị đo mức lũ...................................................23Hình 3.5: Thông số kĩ thuật của gầu đo mưa................................................................24Hình 3.6: Hộp cảm biến và xử lí thiết bị đo mưa..........................................................25Hình 3.7: Ống thủy tĩnh................................................................................................26Hình 3.8: Hình ảnh mô hình của hệ đo mức lũ............................................................26Hình 4.1: Gầu đo mưa………………………………………………………………...28 Hình 4.2: Hộp cảm biến ………………………………………………………………28Hình 4.3: Đầu đo cảm biến mức sau 1 thời gia sử dụng...............................................28Hình 4.4: Hình ảnh dữ liệu hiển thị trang chủ...............................................................30

vii

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT

Kí Hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt

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

PCB Printed circuit board Mạch in

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...............................................................8Bảng 2.2: Các chân của cảm biên siêu âm....................................................................14Bảng 4.1: Thử nghiệm hệ đo mưa sử dụng cảm biến mức...........................................27Bảng 4.2: Thử nghiệm hệ đo mưa sử dụng cảm biến siêu âm......................................27Bảng 4.3: Thử nghiệm với thiết bị đo mức lũ...............................................................29Bảng 4.4 : Điện năng tiêu thụ của thiết bị đo mưa........................................................30Bảng 4.5: Điện năng tiêu thụ của thiết bị đo mức lũ.....................................................31Bảng 4.6: Ước tính chi phí của hệ đo mưa....................................................................31Bảng 4.7: Ước tính chi phí của hệ đo lũ........................................................................32

viii

LỜI MỞ ĐẦU

Tây Bắc là khu vực thuộc loại khó khăn nhất của đất nước bởi vì nhiều lí do như địa hình chia cắt, hay gặp thiên tai như: lũ lụt, sạt lở đất, rét đậm, rét hại …Do địa hình gồm nhiều đồi núi, mỗi năm vào mùa mưa lũ ở đây thường sảy ra lũ quét và sạt lở đất gây ra nhiều thiệt hại lớn về người và tài sản. Việc tạo ra 1 thiết bị giá rẻ có thể dự báo sớm 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 nhiều thiết bị khác nhau để đo mưa và cảnh báo lũ .Chúng có ưu điểm về độ chính xác cao nhưng lại quá đắt đỏ hoặc rất khó khăn để đưa vào thực tế, ví dụ như hệ thống cảnh báo bằng vệ tinh, hay những vũ lượng kế tự động. Ở những vùng núi, thông thường lượng 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 chỉ góp phần tăng tính đa dạng của các kết quả đo mà nó còn góp phần nâng cao nhận thức 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 tức thời khi có nguy cơ xảy ra lũ hoặc sạt lở đất. Hệ thống đo mức lũ sẽ gửi dữ liệu về trang 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 liên quan, và chắc chắn là sẽ không tránh khỏi những sai sót. Em rất mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp để em có thêm những kiến thức quý báu cho những công việc trong tương lai.

Em xin chân thành cảm ơn!

ix

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 thế giới và cả ở Việt Nam. Ba phần tư lãnh thổ Việt Nam là địa hình đồi núi, nơi này thì dân 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 quả rất nghiêm trọng, đôi khi kéo tụt lại nhiều năm phát triển của địa phương. Những năm gần 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. Theo thống kê từ năm 2000 đến năm 2014 cả nước đã xảy ra 250 vụ lũ quét và sạt lở đất lớn nhỏ ảnh hưởng đến các khu dân cư, làm chết và mất tích 616 người, bị thương 351 người, hơn 9700 căn nhà bị đổ trôi, hơn 100,000 căn nhà bị ngập, hư hại nặng; nhiều công trình giao thông, thủy lợi trọng yếu bị hư hại năng nề, tổng thiệt hại ước tính trên 3,300 tỷ đồng. Các tỉnh thường xảy ra lũ quét và sạt lở đất bao gồm: Lào Cai, Hà Giang, Lai Châu, Sơn La, Cao Bằng, Bắc Cạn, Yên Bái, Nghệ An, Quảng Nam, Kon Tum, 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 người bị thương;

- Trận lũ quét ngày 3/10/2000 tại bản Nậm Coóng xã Nậm Cuổi huyện Sìn Hồ tỉnh Lai Châu làm 39 người chết, 18 người bị thương.

- Trận lũ quét ngày 16/8/2002 tại huyện Bắc Quang và Xín Mần tỉnh Hà Giang làm 25 người chết, 17 người bị thương;

- Trận lũ quét ngày 20/9/2002 xảy ra ở các huyện Hương Sơn, Hương Khê và Vụ Quang tỉnh Hà Tĩnh làm 53 người chết và mất tích, 111 người bị thương;

- Trận lũ lịch sử ở 2 xã Du Tiến, Du Già huyện Yên Minh tỉnh Hà Giang năm 2004 làm 45 người chết;

- 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 50 người 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, 5 người bị thương.

1

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

- Trận lũ quét ngày 05/9/2013 tại xã Bản Khoang, huyện Sa Pa tỉnh Lào Cai làm 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 các tỉnh miền núi (Hà Giang, Lai Châu, Cao Bằng, Sơn La…) làm chết và mất tích 24 người, trong đó có 2 gia đình ở thị trấn Tam Đường và huyện Hoàng Su Phì bị thiệt mạng 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 đoạn 1958-2004 [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 mưa cường 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 thiệt hại xảy ra là do tác động của hoạt động phát triển kinh tế của con người.

2

Nguyên nhân chính và quan trọng nhất dẫn đến lũ quét và sạt lở đất là do lượng mưa với 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 là điều vô cùng quan trọng. Trên thế giới và Việt Nam có nhiều hệ thống có thể xác định được 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 cư khác nhau. Hệ đo mưa, đo mực nước lũ giá rẻ sẽ giải quyết được vấn đề đó mà vẫn đảm bảo sự chính xác của hệ thống.

1.2 Thực trạng cảnh báo lũ quét và sạt lở đất ở Việt Nam1.2.1 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 phá lớn. 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, động lực 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 thời gian 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 có nhiều trượt lở ven sông, suối. Đó là các khu vực đang có biến dạng mạnh, sông suối đào xẻ lòng dữ dội, mặt cắt hẹp, sườn núi rất dốc. Do mưa lớn kéo dài, dòng suối đột nhiên bị tắc nghẽn, nước sông suối dâng cao ngập một vùng rộng lớn thường là các vùng lòng chảo, những thung lũng. Khi dòng lũ tích tụ đến mức đập chắn bị mất ổn định và vỡ, lượng nước tích lại trong vùng lòng chảo khi bị nghẽn dòng được giải phóng 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 có sẵn trong lòng suối. Đây là loại lũ quét đặc biệt nguy hiểm, thường gây nhiều thương vong 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.

3

-     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 thiệt hại 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 từ những năm 80 của thế kỷ XX, nhiều nước trên thế giới đã chú ý đến nghiên cứu tìm ra các biện pháp, công cụ để sớm cảnh báo tai biến do lũ quét và sạt lở đất nhằm giảm thiểu thiệt hại do chúng gây ra.Việc cảnh báo dài hạn là phương pháp sử dụng dữ liệu ảnh 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 dấu hiệu ngay trước khi thảm họa có thể xảy ra. Ví dụ như các hệ đo mưa thương mại phổ biến 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 đối đắt đỏ, khó có thể đưa vào đại trà. Hiện tại ở Việt Nam chưa có hệ thống nào có thể xác 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 Nam nơi mà ba phần tư lãnh thổ có địa hình đồi núi, hoạt động kinh tế - xã hội chưa được quy 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 và cường 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 lũ quét 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 đo mưa, 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. Đặc điểm chung của chúng là tương đối đắt đỏ và không thể triển khai với quy mô đại trà ở điều kiện Việt Nam. Hệ đo mưa, đo mức lũ giá rẻ là một giải pháp phù hợp mà vẫn đảm bảo được độ chính xác của các kết quả đo. Hệ đo mưa đã được triển khai ở điều kiện thực tế tại tỉnh Hà Giang và cho kết quả tốt. Đây chính là điều kiện để có thể triển khai đại trà trong tương lai.

4

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 nhìn chung 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 đo vượt 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 mực nước trên các dòng sông, suối sau đó sẽ truyền dữ liệu về trang chủ, đồng thời sẽ phát tín hiệu cảnh báo đến nhà chức trách thông quan công nghệ GSM khi nó vượt quá ngưỡng 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, vi điều khiển, còi cảnh báo…Hình 2.2 sẽ mô tả sơ đồ khối của hệ.

5

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 mAh được 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 có nhiệm vụ tính toán lượng nước theo thời gian và quyết định xem có đưa ra cảnh báo hay không.

Thiết bị đo lũ bao gồm 1 mô-đun năng lượng mặt trời, pin có khả năng sạc được, cảm biến đo lượng nước, mô-đun truyền dữ liệu GSM, vi điều khiển… Dữ liệu từ cảm biến sau khi được xử lí sẽ được truyền về trang chủ và gửi đến nhà chức trách thông qua mô-đun GSM sim900A. Vì hệ được đặt ở trên các dòng sông, suối nên thiết bị phải có khả 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:

6

Hình 2.3: Sơ đồ khối hệ đo lũ2.2 Thiết kế phần cứng

Ở phần này sẽ trình bày các cấu kiện con của cả 2 thiết bị.

2.2.1 Mạch ArduinoVi điều khiển là bộ não của thiết bị.Vi điều khiển là một chip máy tính thu nhỏ,

cho phép các hệ thống điện tử thực hiện tính toán các phép logic thức tạp. Có rất nhiều các loại vi điều khiển tích hợp số khác nhau như họ AVR, PIC, 8051… Arduino Uno 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 vi điều khiển; kết nối một cách đơn giản với máy tính thông qua giao tiếp USB. Năng lượng cung cấp cho vi mạch này có thể là thông qua cổng kết nối USB, bộ chuyển đổi điện áp AC-DC hoặc từ nguồn pin [4]. Ưu điển 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. Giá thành rẻ giúp giảm 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.

7

Hình 2.4: Mạch Arduino UNO cơ bảnBảng 2.1: Thông số kĩ thuật của Arduino UnoChi tiết về Arduino Uno

Vi điều khiển ATmega 328P

Kích cỡ 6.85x 5.84 cm

Điện áp hoạt động 3.3 – 5 V

Điện áp lối vào 6 – 20 V

Số chân Analog 6

Số chân I/O Digital 14

Cường độ dòng điện 1 chiều

40mA

Xung nhịp hoạt động

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.

8

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

Hình 2.5: Mô-đun nguồn LM2596 Hình 2.6: Mô-đun sạc/TP4056 2.2.3 Còi cảnh báo Còi báo động giúp cảnh báo khi hệ thống tính toán và phát hiện ra nguy cơ xảy ra lũ hoặc trượt lở đất. Hình 2.7 là hình ảnh thực tế của còi cảnh báo. 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.

Hình 2.7: Còi cảnh báo2.2.4 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 khu vực đồi núi thường mất điện mỗi khi có mưa lớn. Tuy nhiên, hệ thông 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.

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 truyền thông tin, Mô-đun sim900 được lựa chọn vì sự phổ biến, tương đối dễ sử dụng và đáp ứng được đầy đủ yêu cầu về mặt thiết kế.

9

Mô-đun sim900 hoạt động ở băng tần 900/1900 Hz trên công nghệ GSM. Nó sử dụng 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-đun sim900A do công ty Minh Hà sản xuất.

Hình 2.8: Mô-đun sim900A2.2.6 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. Pin năng lượng mặt trời là 1 giải pháp thay thế tương đối rẻ và hiệu quả. Việc tính toán những ngày có nắng, khả năng sạc đầy pin là điều vô cùng quan trọng để đánh giá được 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 hợp với hệ thống.

Hình 2.9: Bản năng lượng mặt trời10

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 vào cảm 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. Hình 2.10 sẽ miêu tả cơ chế hoạt động của cảm biến mức. Cảm biến sẽ bao gồm rất nhiều điện cực khác nhau, mỗi điện cực tương ứng với một mực nước trong gầu đo mưa. Khi điện 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

Hình 2.11: Cảm biến mức11

- Bởi vì tín hiệu điện áp khi mạch thông là tương đối nhỏ. Ta cần khuếch đại nó lên trước 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 chục mức. Tuy nhiên số lượng chân của vi điều khiển là có hạn. Vi mạch 74HC165 sẽ có nhiệm vụ chuyển các bits song song của cảm biến mức trở thành 1 chuỗi các bits nối tiếp 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 nước khác 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. Cuối cùng chúng được đưa qua bộ chuyển đổi song song sang nối tiếp. Việc này sẽ tiết kiệm đáng kể số lượng chân vi điều khiển cần phải sử dụng. Hình 2.14 miêu tả lại quá trình hoạt động của cảm biến mức ứng với trường hợp của hệ đo mưa.

12

Hình 2.14: Hệ đo mưa sử dụmng cảm biến mức b. Cảm biến siêu âm Sóng siêu âm là một loại sóng cao tần mà con người không thể nghe thấy được. Tuy nhiên, ta có thể thấy được sự hiện diện của sóng siêu âm ở khắp mọi nơi trong tự nhiên. Các loại động vật như dơi, cá heo …dùng sóng siêu âm để liên hệ với nhau, để săn mồi hay định vị không gian [9].

Dựa vào quan sát từ tự nhiên, việc sử dụng sóng siêu âm để định vị hoặc tìm ra vị trí của vật thể hồm 3 bước đơn giản:

- Vật chủ phát ra sóng siêu âm- Sóng này va chạm với môi trường xung quanh và bị phản xạ lại.- Dựa vào thời gian phát thu , khoảng cách giữa vật chủ và môi trường xung

quanh được tính ra

Cảm biên siêu âm SRF05 cũng dựa trên nguyên tắc trên, thiết bị gồm 2 loa – thu và phát – cùng với 5 chân để kết nối chân với cảm biến với Arduino. Theo tài liệu từ nhà sản xuất tầm hoạt động của cảm biến siêu âm là từ 2cm – 5m.

Cảm biến siêu âm SRF05:

Cảm biến siêu âm SRF05 được sử dụng rất phổ biến để xác định khoảng cánh vì giá rẻ và độ chính xác cao. Cảm biến xử dụng sóng siêu âm có thể đo khoảng các từ 2 cm đến 5m với độ chính xác gần như chỉ phụ thuộc vào cách lập trình. Bảng 2.2 là miêu tả về chức năng của các chân cảm biến siêu âm SRF05.

13

Bảng 2.2: Các chân của cảm biên siêu âmChân Chức năng

Vcc Nguồn 5 V

Trig Chân lối ra Digital

Echo Chân lối vào Digital

Out Cài đặt

GND Đất

Hình 2.15 là hình ảnh trên thực tể của mô-đun cảm biến siêu âm SRF05. Nó có 2 bộ phận phát (Trig) và thu (Echo) tín hiệu. Hình ảnh trực quan trông giống như 2 cái mắt của mô-đun.

Hình 2.15 : Mô-đun cảm biến siêu âm SRF05

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 sẽ là khoảng thời gian sóng siêu âm từ cảm biến gặp vật và quay lại [10]. Hình 2.16 miêu tả dòng thời gian của cảm biến siêu âm SRF05.

14

Hình 2.16: Dòng thời gian cảm biến siêu âm

Công thức tính khoảng cách:

Trong không gian sóng siêu âm di chuyển với tốc độ là 340 m/s, tương đương với 29.412 µs/cm.

Gọi T là thời gian tín hiệu phát đến lúc chân Echo nhận được. D là khoảng cách giũa vật cản và cảm biến siêu âm. Phương trình 1 tính ra được khoảng cách:

D = T X 29.4122 (cm) (1)

2.3 Phần mềm 2.3.1 Arduino IDE Thiết bị sẽ được lập trình trên môi trường Arduino IDE do nhà sản xuất vi điều khiển cung cấp. Dựa trên ngôn ngữ lập trình C, Arduino IDE đưa đến cho người sử dụng 1 môi trường thân thiện, rất dễ dùng. Nó hỗ trợ nhiều thư viện khác nhau như về Robot, Ethernet, Wifi, GSM…[11]

Arduino được hỗ trợ bở 1 cộng đổng đông đảo với rất nhiều các dự án khác nhau. Nó 1 nguồn tài liệu tham khảo vô cùng phong phú và hữu ích đối với những người sử dụng. Việc tối ưu hóa các hàm thực thi vừa là điểm mạnh và điểm yếu của Arduino IDE. Các hàm được tích hợp sắn sẽ đương đối dễ sự dụng, nhưng đôi khi người sử dụng sẽ không hiểu được bản chất của vấn đề dẫn đến sử dụng chúng không đúng ý nghĩa vốn có. Hình 2.17 là 1 cửa sổ hiển thị của Arduino IDE.

15

Hình 2.17: Arduino IDE2.3.2 Thuật toán của hệ đo mưaa. Cách xác định ngưỡng cảnh báo Mỗi một khu vực khác nhau lại có địa hình và lượng mưa khác nhau. Tùy thuộc vào độ dốc của địa hình và thống kê lượng mưa trung bình trong năm, ta có thể đưa ra được một điều kiện cảnh báo lũ quét và sạt lở đất cho từng địa phương nhất định. Đồ án này dưa trên việc quan trắc, thống kê lượng mưa và khả năng xảy ra lũ trong nhiều năm ở Hà Giang, địa phương được lựa để đặt hệ thử nghiệm.

Lượng mưa sẽ được tính toán theo thời gian theo quy tắc:

-Thời điểm mực nước mưa thấp nhất trong gầu đo mưa là t 0, mực nước thực tế trong bình là h0 .

-Thời điểm mực nước dâng đến vạch đo tiếp theo là t 1, và mực nước trong bình là h1

-Mực nước tích lũy: x = h1 - h0 (mm)

-Cường độ mưa tính theo giờ: y = h1−h0

t 1−t 0 (mm/h)

-Hàm đưa ra cảnh báo y = 131e−0.013 x [12]

-Nếu y1> 131e−0.013 x đưa ra cảnh báo, nếu không thì tiếp tục quan trắc.

16

b. Lưu đồ thuật toán của hệ đo mưa Như đã giới thiệu ở phần đầu, báo cáo này sẽ trình bày 2 phương pháp khác nhau về mặt kĩ thuật để có thể đo được lượng nước, đó là sử dụng cảm biến mức và cảm biến siêu âm. Hình 2.18 là lưu đồ thuật toán của cảm biến siêu âm, hình 2.19 là lưu đồ thuật toán sử dụng cảm biến mức.

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

2.3.3 Thuật toán của hệ đo mức lũa. Cách xác định ngưỡng cảnh báo Để đo được lượng nước lũ dâng ta phải sử dụng phương pháp ống thủy tĩnh. Ống này là 1 bình thông với bên ngoài theo nguyên tắc bình thông nhau. Mực nước trong ống sẽ dâng 1 cách từ từ, dễ dàng cho việc quan sát. Tùy vào điều kiện thực nghiệm mà ống này có các kích thước khắc nhau. Báo cáo này sẽ sử dụng 1 mô hình ống có chiều dài 1,5m và đường kính là 20 cm.

Hệ đo mực nước lũ sẽ có 3 ngưỡng, tương ứng mỗi lượng nước dâng lên trong ống thủy tĩnh.

- Ngưỡng 1 - Cảnh báo. Có nước dâng lên trong ống thủy tĩnh. Lượng nước này từ 5 – 40cm.

- Ngưỡng 2 - Nguy hiểm. Ở trạng thái này nước trong ống thủy tĩnh là từ 41cm-đến 90 cm.

- Ngưỡng 3 – Báo động. Ở trạng thái này mực nước trong ống thủy tĩnh lớn hơn 91cm.

Đặc điểm của lũ quét là sảy ra vô cùng nhanh. Tuy nhiên nếu đo liên tục thì sẽ không đảm bảo năng lượng để duy trì hệ thống. Ta cần 1 cơ chế để có thể đo 1 cách linh hoạt vẫn đảm bảo duy trì năng lượng hệ thống. Ở điều kiện bình thường khi mực nước chưa có trong ống thủy tĩnh thì cứ sau 1 tiếng hệ thống sẽ cập nhật 1 lần.Tuy nhiên nếu nó vượt quá ngưỡng 1 thời gian đo sẽ giảm xuống còn 15 phút/ 1 lần và 5 và 2 phút cho các ngưỡng 2 và 3. Thuật toán này sẽ được trình bày chi tiết ở hình 2.20.

19

Hình 2.20: Thuận toán thời gian lấy mẫu

b. Lưu đồ thuật toán của hệ đo mức lũ Ở hệ đo lũ, sau mỗi lần đo dữ liệu sẽ được chuyển về trang chủ bằng công nghệ GPRS, đồng thời nếu mực nước vượt quá ngưỡng nguy hiểm sẽ có tin nhắn để cảnh báo cho nhà chức trách, và ở ngưỡng báo động sẽ có cả nhắn tin và gọi điện. Hình 2.21 miêu tả lưu đồ thuật toán của thiết bị đo mức lũ:

20

Hình 2.21: Thuật toán hệ đo mức lũ

21

Chương 3 : Thực Hiện

3.1 Chế tạo mạch in Sau khi lựa chọn các linh kiện phù hợp, bước tiếp theo là vẽ mạch in (PCB) và sau đó là chế tạo mạch thực tế. Để chế tạo mạch in phần mềm Altium Designer được lựa chọn cho việc thiết kế mạch nguyên lí và vẽ mạch in. Đây là phần mềm tương đối dễ sử dụng và phổ biến, được sự hỗ trợ đến từ nhiều hãng sản xuất linh kiện điện tử khác nhau, và ta cũng có thể tự mình thiết kế các linh kiện khác. Hình 3.1 là hình ảnh của phần mềm Altium Designer:

Hình 3.1: Altium Designer 14 Hình 3.2 là hình ảnh mạch in của cảm biến mức. Nó bao gồm rất nhiều các điện cực khắc nhau. Trên hình ta có tất cả 16 điện cực khắc nhau. Với việc mỗi điện cực cách nhau là 15mm. Cảm biến mức có thể đo được mực nước tối đa là 210mm. Đây là mực nước hoàn toàn phù hợp khi đối chiếu với kích thước của gầu đo mưa.

Hình 3.2: Mạch in của cảm biến mức Hình 3.3 là dạng 3D của mạch mở rộng Arduino và cảm biến. Nó bao gồm nhất nhiều IC 74HC136, các biến trở, hàng các đèn LED trạng thái. Mạch này có tác dụng giao tiếp giữa Arduino và cảm biến mức, đồng thời thể hiện lượng nước có trong gầu đo mưa thông qua các đèn LED

22

Hình 3.3: Mạch mở rộng cảm biến, sạc và hiển thị LED trạng thái.Hình 3.4 là 1 mạch mở rông Arduino của của hệ đo mức lũ. Nó bao gồm các chân giao tiếp với cảm biến siêu âm và mô-đun SIM900A , các đèn trạng thái hiện thị kết quả.

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

23

3.2 Hệ đo mưa3.2.1 Gầu đo mưa Gầu đo mưa là vật thu và chứa nước mưa để cảm biến tiến hành đo đạt. Cấu tạo của nó gồm 2 bộ phận. Một ống hình trụ được làm từ nhựa có chiều cao 35 cm và đường kính 20 cm mục đích chứa nước mưa. Một gầu hứng nước được làm từ inoc hình nón có chiều cao 10 cm và đường kính đáy 20 cm nhằm thu mưa và ngăn cản vật bẩn chui vào gầu đo mưa.

Gầu đo mưa phải được đặt ở nơi thông thoáng, không bị che chắn bởi các vật thể khác.Vị trí đặt thích hợp là sân hoặc mái nhà. Gầu đo mưa có ống thông, tính từ đáy có chiều cao 20cm. Mục đích của nó để đảm bảo an toàn cho các linh kiện điện tử bên trong cảm biến không bị ngập trong nước. Tất cả các thông số này đều đảm bảo theo quy chuẩn của hiệp hội đo mưa thế giới.

Hình 3.5: Thông số kĩ thuật của gầu đo mưa3.2.2 Hình ảnh thực tế của hệ đo mưa Về mặt kĩ thuật hệ đo mưa được chia làm 2 phiên bản khắc nhau, sử dụng cảm biến mức và cảm biến siêu âm. Nhìn chung về mặt phần cứng thì thiết bị sử dụng cảm biến mức tương đối phức tạp hơn so với cảm biến siêu âm. Nếu như cảm biến siêu âm là một mô-đun được bán sẵn trên thị trường, rất đơn giản để sử dụng thì cảm biến mức gồm rất nhiều các linh kiện khắc nhau, cấu hình phức tạp, hệ thống tương đối cồng kềnh. Hình 3.6 là hình ảnh thực tế hộp cảm biến và xử lí thiết bị đo mưa

24

Hình 3.6: Hộp cảm biến và xử lí thiết bị đo mưa3.3 Hệ đo mức lũ3.3.1 Ống thủy tĩnh Đặc điểm của lũ quét đó là dòng rất nước rất nhanh và giữ dội. Nếu đo thông thường kết quả thường không chính xác vì sự thay đổi đột ngột của dòng nước. Ống thủy tĩnh là thiết bị mà ở đó nước sẽ dâng lên 1 cách từ từ và ổn định. Như vậy sẽ đảm bảo được kết quả đo là chính xác nhất. Tùy vào đặc điểm địa hình nơi đặt thiết bị mà ống thủy tĩnh có kích thước khắc nhau. Ở báo cáo này sẽ trình bày về 1 mô hình ống thủy tĩnh có chiều dài 1,5 m và đườn kính 20 cm. Hình 3.7 là hình ảnh về mô hình của ống thủy tĩnh [13] :

25

Hình 3.7: Ống thủy tĩnh3.3.2 Hình ảnh thực tế của hệ đo lũ Hệ đo lũ được đặt ở trên bờ sông, suối nên không thể cũng cấp được nguồn điện 1 cách trực tiếp. Năng lượng mặt trời sẽ là giải pháp thay thế nguồn điện 1 cách hợp lí. Hình 3.8 là hình ảnh tiêu bản của hệ đo mức lũ sử dụng cảm biến siêu âm. Nó bao gồm các thành phần chính là mạch Arduino, cảm biến siêu âm SRF05, mô-đun Sim900A.

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

26

Chương 4: Kết quả đạt được

4.1 Thử nghiệm với hệ đo mưa Thử nghiệm với cảm biến mức, ta thử nghiệm bằng việc đổ các lượng nước khác nhau vào gầu đo mưa. Mỗi lần thử nghiệm cách nhau 30 phút và kết quả được hiển thị ở bảng 4.1.

Bảng 4.1: Thử nghiệm hệ đo mưa sử dụng cảm biến mứcMức nước(mm) Số đèn trạng thái Ghi chú

1 15 1

2 30 2

3 60 4

4 105 7 Cảnh báo,còi

Thử nghiệm với cảm biến siêu âm sẽ được mô tả chi tiết trong bảng 4.2

Bảng 4.2: Thử nghiệm hệ đo mưa sử dụng cảm biến siêu âmLần đo Mực

nước(mm)Chênh lệch 2 lần đo(mm)

x

Cường độ mưa(mm/h)

y

Giá trị hàm cảnh báo

Ghi chú

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

27

Các kết quả đo sử dụng cảm biến siêu âm cho độ phân giải tốt hơn. Cảm biến siêu âm có thể đo đến mức chi tiết tối đa là 2 mm trong khi 2 mức của cảm biến mức cách nhau là 15mm.

Hình 4.1 và 4.2 là hình ảnh thử nghiệm thực tế của hệ thống đo mưa. Khi thử nghiệm ở điều kiện thực tế ở Hà Giang trong vòng 6 tháng. Cảm biến mức cho kết quả tương đối tốt. Tuy nhiên trong qúa trình thử nghiệm, do nước mưa có nhiều thành phần hóa học nên dẫn đến các điện cực của nó bị ăn mòn. Như vậy sau một thời gian sử dụng nhất định, cảm biến mức có thể bị hư hại (như hình 4.3), dẫn đến sai sót trong các kết quả đo.

Hình 4.1: Gầu đo mưa Hình 4.2: Hộp cảm biến

Hình 4.3: Đầu đo cảm biến mức sau 1 thời gia sử dụng Để giải quyết vấn đề trên, sau khoảng thời gian nhất định ta có thể thay đầu đo để vẫn đảm bảo sự chính xác của cảm biến mà vấn có tính hợp lí về chi phí (đầu đo mới có giá thành tương đối rẻ).

28

4.2 Thử nghiệm với hệ đo mức lũ

Bảng 4.3 là một số các kết quả đo với thiết bị đo mức lũ:

Bảng 4.3: Thử nghiệm với thiết bị đo mức lũLần Mực nước (cm) Đèn trạng thái Ghi chú

1 12 Green LED bật

RX LED bật

2 27,5 Green LED bật

RX LED bật

3 63 Yellow LED bật

RX LED bật

Nhắn tin cảnh báo

4 113 RED LED bật Nhắn tin cảnh báo

Gọi điện

5 80,5 Yellow RED bật

RX LED bật

Nhắn tin cảnh báo

Dweet.io là 1 trang web miễn phí phục vụ cho các nền tảng Internet của vạn vật (IoT).Việc sử dụng nền tảng này gió ta có thể dễ dàng hiển thị dữ liệu 1 cách trực quan bằng các dạng biểu đồ khắc nhau. Hình 4.4 cho thấy giao diện của trang web và dữ liệu sau khi được gửi đi dưới dạng biểu đồ đường. Những dữ liệu này sẽ được lưu trữ vào 1 cơ sở giữ liệu để tiến hành phân tích và cung cấp cho người sử dụng.

29

Hình 4.4: Hình ảnh dữ liệu hiển thị trang chủ

4.3 Ước tính điện năng tiêu thụ

Trong điều kiện mưa lớn thường dễ dẫn đến hiện tượng mất điện đối với hệ đo mưa. Hệ thống phải tiếp tục hoạt động trong 1 khoảng thời gian nhất định sau đó để có thể đưa ra cảnh báo kịp thời.Việc tính toán thời gian sống của hệ thống khi không có nguồn điện là vô cùng quan trọng.

Năng lượng được xác định bởi công thức P = V x I với P là năng lượng, V là điện áp và I là dòng điện tiêu thụ. Công thức tính số ngày sử dụng của pin:

Số ngày hoạt động = Dunglượng pin(mA )

Tổng dòng điện x24 GiờNgày

(2)

Cả 2 thiết bị đều sử dụng 2 cục pin với tổng dung lượng là 6000mAh, điện áp đầu ra là 5V, công suất của pin được tính toán: P = 6000 x 5 = 30000 mWh. Bảng 4.4 miêu tả tổng công suất tiêu thụ của hệ đo mưa., bảng 4.5 là tổng công suất tiêu thụ của hệ đo lũ:

Bảng 4.4 : Điện năng tiêu thụ của thiết bị đo mưaThiết bị Số lượng Điện áp Dòng tiêu thụ Công suấtArduino Uno 1 5 V 135 mA 675 mASRF05 1 5V 5 mA 240 mAArduino Sleep mode

1 5V 19 mA 95mA

30

Tổng công suất tiêu thụ của hệ đo mưa ở chế độ làm việc là :P = 675 + 240 = 915 mA

Cứ sau 30 phút thì hệ thống lại hoạt động trong vòng 10s . Như vậy tổng công suất tiêu thụ của cả thiết bị là:

P = 915 x (10/3600) x 2 + 95 = 100,08 mW Thời gia sống của hệ đo mưa là:

30000 / 100,08 = 299,76 h ( gần 12,5 ngày).

Bảng 4.5: Điện năng tiêu thụ của thiết bị đo mức lũThiết bị Số lượng Điện áp (V) Dòng tiêu

thụ(mA )Công suất(mW)

Arduimo Uno 1 5 135 675SRF05 1 5 5 240Arduino Uno sleep mode

1 5 19 95

Sim900A 1 5 40 200(mW)

Tổng công suất tiêu thụ của hệ đo mưa ở chế độ làm việc là:P = 675 + 240 + 200 = 1105(mW)

Ở chế độ làm việc bình thường thì sau 1 tiếng hệ thống sẽ làm việc trong 10s. Như vậy tổng công suất của thiết bị là:

P = 1105 x (10/3600) + 95 = 98,07 (mW) Thời gian sống của thiết bị là:

30000/98,07 = 325 h (13,57 ngày).

4.4 Ước tính chi phí

Một trong những đặc điểm thiết kế quan trọng nhất của hệ thống đó là giá rẻ. Lúc đó nó mới có thể cạnh tranh được với các thiết bị khác hiện có trên thị trường và do đó có thể áp dụng đại trà ở nhiều địa phương khác nhau. Vì vậy việc ước tính giá thành của hệ thống là 1 nhiệm vụ rất quan trọng. Về mặt tương quan nhìn chung 2 thiết bị có đặc điểm về phần cứng tương đối giống nhau. Điểm khác biệt lớn nhất đó là hệ đo mức lũ sử dụng thêm 1 mô-đun Sim900A để có thể cảnh báo cho nhà chức trách một cách kịp thời khi có lũ và đồng thời gửi dữ liệu về trang chủ. Bảng 4.6 và 4.7 là ước tính chi phí của hệ đo mưa và đo mức lũ.

Bảng 4.6: Ước tính chi phí của hệ đo mưaTên linh kiện Giá thành Số lượng Chi phí(nghìn đồng)Arduino Uno 180,000 1 180,000

Còi 40,000 1 40,000Pin Lithium 40,000 2 80,000

TP4056 20,000 1 20,000LM2596 20,000 1 20,000Mạch in 250,000 1 150,000

Gầu đo mưa 250,000 1 250,000

31

Chi phí khác 100,000 1 100,000Tổng chi phí 840,000

Bảng 4.7: Ước tính chi phí của hệ đo lũTên linh kiện Giá thành Số lượng Chi phí (nghìn đồng)Arduino Uno 180,000 1 180,000Pin Lithium 40,000 2 80,000

TP4056 20,000 1 20,000Mạch in 120,000 1 120,000

Ống thủy tĩnh 180,000 1 180,000Sim900A 450,000 1 450,000

Tổng chi phí 1030

Như vậy để trang bị 1 hệ gồm 2 thiết bị đo mưa và đo mức lũ, giá thành cần bỏ ra là dưới hai triệu đồng. Đây là 1 giá thành hoàn toàn có thể chấp nhận được nhất là khi so sánh với một thiết bị khác là Model đo mưa 52202-10-L/52203-L Tipping Bucket Rain Gauge. Nó có giá $638 tương đương với hơn 12 triệu Việt Nam đồng một chi phí quá lớn để có thể triển khai đại trà đến nhiều địa điểm khác nhau. Quá trình thử nghiệm trực tiếp với thiết bị đo mưa sử dụng cảm biến siêu mức được đăng tải tại địa chỉ :

https :// www.youtube.com/watch?v=tML28TmD-PE

32

KẾT LUẬN

Với mục tiêu xây dựng hệ đo mưa, đo mưc lũ với chi phí thấp để thuận lợi cho triển

khai lắp đặt trên diện rộng. Qua quá trình tìm hiểu, phân tích thiết kế hệ thống đã được

hoàn thiện và có thể rút ra các kết luận sau:

- Vấn đề nghiên cứu và thiết kế một hệ thống đo mưa, đo mưc lũ với giá rẻ rất

cấp thiết trong việc giảm thiểu thiệt hại về người và tài sản ở Tây Bắc cũng

như rất nhiều các địa phương khác ở Việt Nam.

- Mặc dù có nhiều hệ thống đo mưa, đo mức lũ trên thị trường nhưng giá của

chúng là tương đối đắt, khó để áp dụng đại trà ở Tây Bắc. Nghiên cứu này

giúp phổ biến hệ đo mưa,đo mức lũ đến nhiều hơn những khu vực dân cứ

khác nhau. Không chỉ đưa ra cảnh về báo lũ quét và sạt lở đất mà còn giúp

nâng cao nhận thức của đồng bào dân tộc thiểu số về phòng tránh thiên tai.

- Cảm biến mức mặc dù cho kết quả chính xác nhưng có nhược điểm là cảm

biến dễ bị ăn mòn do điều kiện thời tiết và các thành phần hóa học có trong

nước. Cảm biến siêu âm là 1 giải pháp thay thế phù hợp mà vẫn đảm bảo độ

chính xác của hệ thống.

Hướng phát triển tiếp theo: Nghiên cứu và nâng cấp hệ thống theo hướng có thể kết

nối các nút thiết bị với nhau tạo thành 1 hệ hoàn chỉnh, có khả năng kết nối với các hệ

thống dự báo thời tiết và cảnh báo thiên tai khác như hệ thống Live:wire của đài

truyền hình Việt Nam (hệ thống kết nối từ trạm đo tới trung tâm thời tiết của VTV).

33

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt:

[1] Ban chỉ đạo tổng điều tra dân số và nhà ở trung ương. Tổng điều tra dân số và nhà

ở Việt Nam năm 2014. Hà Nội. 2015

[3] Ban chỉ đạo phòng chống lụt bão TW, Tổng quan tình hình thiệt hại do lũ, lũ quét, sạt lở đất và công tác chỉ đạo phòng tránh những năm vừa qua. Tài liệu phục vụ Hội nghị trực tuyến. Trang 2-4. Ngày 20-4-2014.

[4] Trung tâm Tư liệu Khí tượng Thủy văn, Thống kê số lần lũ quét trên địa bàn cả nước. Năm 2004

[12] Đỗ Minh Đức, Khảo sát đo mưa tại Hà Giang, Báo cáo kỹ thuật, ĐH Khoa Học Tự Nhiên – ĐH Quốc Gia Hà Nội, 2015.

Tiếng Anh:

[2] Alan D Ziegler, Thomas W Giambelluca, Liem T Tran, Thomas T Vana, Michael

A Nullet, Jefferson Fox, s, Jitti Pinthong, J.F Maxwell, Steve Eveet. Hydrological

consequences of landscape fragmentation in mountainous northern Vietnam: evidence

of accelerated overland flow generation. February 2004. Pages 124–146

[5] The Model 52202-10-L/52203-L Tipping Bucket Rain Gauge [Online].Available: http://www.ambientweather.com/rry52202.html

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

[7] Micheal Margolis. Arduino Cookbook. Published by O’Reilly Media. Second Edition.December 2011.

[8] Microchip. (2006). “MCP73833/4 Stand-Alone Linear Li-Ion/Li-Polymer Charge Management Controller Datasheet.” Microchip. [Online].Available:http://ww1.microchip.com .

[9] Veelaert, P Bogaerts, Walter. Ultrasonic potential field sesor for obstacle avoidance. IEEE-INST electrical electronics engineers INC. Aug 1999. Pages 861-866

34

[10] Picaxe Microchip. SRF005 Ultrasonic Range Sensor datasheet. [Online].Available: http://www.picaxe.com/docs/srf005.pdf.

[11] S. Monk, Programming Arduino Next Steps: Going Further with Sketches. New York: McGrawHill, 2013.Pages 85-91.

[13]Ralph Roland T, Jephraim C, George Herbert F, Dominic Byron M. Design of flood detection system with automatic branch circuit cut-off capabilities and SMS-based waring transmitter. A thesis of Mapúa Institute of Technology. September 2013.

35