HỆ THỐNG IoT QUAN TRẮC KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SỐ TRONG QUẢN LÝ VẬN HÀNH HỆ THỐNG CÔNG TRÌNH THỦY LỢI
I. LỜI MỞ ĐẦU
Thế giới trong thời đại 4.0 với sự thay đổi, phát triển không ngừng của Công nghệ Thông tin, Công nghệ Tự động hóa… đã và đang trở thành công cụ hữu hiệu tăng cường hiệu quả của các hoạt động sản xuất, kết nối, lưu trữ, truyền nhận dữ liệu, quản lý, y tế, giáo dục, nông nghiệp… Đó là một trong các động lực quan trọng nhất của sự phát triển, cùng với một số ngành công nghệ cao khác đang làm biến đổi sâu sắc đời sống kinh tế, văn hóa, xã hội của thế giới hiện đại.
Ngành Nông nghiệp nói chung và lĩnh vực quan trắc thủy văn nói riêng cũng không nằm ngoài sự phát triển đó. Để xây dựng được CSDL dùng chung ngành nông nghiệp và CSDL chuyên ngành khí tượng thủy văn thì cần thiết phải có “Hệ thống IoT quan trắc khí tượng thủy văn và Ứng dụng công nghệ số trong quản lý vận hành hệ thống công trình thủy lợi”.
II. GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG:
1. Đặc điểm của hệ thống:
“Hệ thống IoT quan trắc khí tượng thủy văn và Ứng dụng công nghệ số trong quản lý vận hành hệ thống công trình thủy lợi” được thiết kế để thu thập, xử lý, lưu trữ và truyền dữ liệu từ các trạm đo về hệ thống máy chủ của các ban ngành quản lý. Hệ thống có đặc điểm cơ bản sau:
– Dễ dàng lắp đặt, bảo dưỡng và vận hành
– Phương pháp đo từ xa vô tuyến, di động hoặc vệ tinh để liên lạc với máy tính chủ.
– Hầu hết các thiết bị đều được trang bị 2 nguồn điện: kết nối với lưới điện thương mại hoặc kết nối với pin năng lượng mặt trời.
– Hình thức giám sát: Tự động, liên tục, kết nối và truyền trực tiếp trên hệ thống giám sát theo thời gian thực
– Hệ thống giám sát: Thống nhất, đảm bảo kết nối dữ liệu từ cơ sở đến các cơ quan quản lý
– Thiết bị đo đạc, kết nối, truyền số liệu: Hoạt động liên tục, kết nối, truyền thông tin, số liệu tới thiết bị thu nhận, lưu trữ của cơ sở dữ liệu giám sát.
– Thiết bị được kiểm định, hiệu chuẩn, thử nghiệm theo quy định
Việc sử dụng “Hệ thống IoT quan trắc khí tượng thủy văn và Ứng dụng công nghệ số trong quản lý vận hành hệ thống công trình thủy lợi” phát huy những ưu điểm vượt trội so với phương pháp quản lý vận hành hệ thống công trình thủy lợi thủ công, truyền thống trước đây: Độ chính xác cao, loại bỏ sai số khách quan, dữ liệu tự động lưu trữ nên thuận tiện khi xem xét lịch sử lượng mưa, mực nước, lưu lượng…dữ liệu giám sát gần như realtime (tần suất truyền dữ liệu 1 phút, 2 phút, 5 phút…) và hiển thị trên hệ thống phần mềm, từ Trạm giám sát trung tâm tại nhà quản lý tại các hồ và phòng điều hành Văn phòng Sở Nông nghiệp &PTNT tỉnh, cán bộ theo dõi các thông số về lượng mưa, mực nước, lưu lượng… mà không cần trực tiếp lên vị trí trên các hồ để đọc, ghi chép số liệu.
2. Sơ đồ hệ thống:
3. Nguyên lý hoạt động của hệ thống
Hệ thống “Hệ thống IoT quan trắc khí tượng thủy văn và Ứng dụng công nghệ số trong quản lý vận hành hệ thống công trình thủy lợi” bao gồm các bộ Data Logger (ECA-GPIs4.2THs) lắp tại các trạm đo tại hồ phục vụ thu thập dữ liệu đo từ các cảm biến (sensor), sau đó sẽ truyền dữ liệu về Trạm giám sát trung tâm (ECA-GPIs6.6CE-SERVER) lắp đặt tại nhà quản lý hồ chứa, sau đó dữ liệu sẽ được truyền về máy chủ đặt tại phòng điều hành Văn phòng Sở Nông nghiệp &PTNT tỉnh.
4.Thành phần cơ bản của Hệ thống tại mỗi hồ chứa thủy lợi:
4.1. Phần cứng: Bao gồm:
4.1.1. Trạm giám sát trung tâm tại nhà quản lý: Thành phần chính là Bộ giám sát trung tâm ECA-GPIs6.6CE-SERVER
4.1.2. Các trạm thu nhận dữ liệu đo đạc từ các cảm biến, sau đó truyền về Trạm giám sát trung tâm tại nhà quản lý bao gồm:
+ Trạm đo mưa lưu vực
+ Trạm đo mực nước hồ kết hợp đo mưa đầu mối
+ Trạm đo độ mở cửa tràn
+ Trạm đo mực nước kênh sau cống
+ Trạm đo mưa + mực nước hạ du
Thành phần chính của các trạm này là: Bộ Data Logger ECA-GPIs4.2THs, các thiết bị cảm biến, các module mở rộng…
4.2. Phần mềm: Phần mềm được cài đặt trên các thiết bị, trên máy tính hoặc điện thoại thông minh.
4.3. Trạm giám sát trung tâm ECA-GPIs6.6CE-SERVER:
Trạm giám sát trung tâm là một máy tính công nghiệp Linux với tốc độ CPU 1.5Ghz x 4 cores, 2GB RAM, 32GB SD. Có cổng kết nối mạng 1 cổng Ethernet 100Mbps, 1 cổng RS485 và 4 cổng USB2.0, chạy phần mềm server thu nhận dữ liệu của 10 bộ Data Logger ECA-GPIs4.2THs và hiển thị tập trung trên màn hình TV.
– Phần mềm giao diện Web Base, truy cập vào Web Base thông qua trình duyệt web, đăng nhập bằng user và password.
– Lưu trữ, hiển thị dữ liệu đo liên tục. Các dữ liệu đo bao gồm: dữ liệu đo tức thời, phân tích dữ liệu min/max/ trung bình. Dữ liệu theo giờ/ngày/tháng/năm.
– Hiển thị số liệu dạng bảng, dạng biểu đồ, xuất file báo cáo Excel.
Thiết bị bao gồm:
– 01 Trạm giám sát trung tâm gồm 1 máy tính mini vỏ nhôm, có cổng HDMI kết nối với màn hình TV, kèm theo bàn phím chuột.
Trạm giám sát trung tâm thu thập, tính toán và xử lý dữ liệu từ các bộ Data Logger trạm (ECA-GPIs4.2THs) và thực hiện việc truyền các dữ liệu về máy chủ đặt tại phòng điều hành Văn phòng Sở Nông nghiệp &PTNT tỉnh.
4.4. Bộ Data Logger ECA-GPIs4.2THs trạm:
– Bộ Data Logger ECA-GPIs4.2THs tại các trạm có vai trò giám sát thu thập dữ liệu từ các cảm biến và thực hiện việc truyền các dữ liệu về Bộ điều khiển trung tâm tại nhà quản lý ECA-GPIs6.6CE-SERVER.
Các thông số về Data Logger ECA-GPIs4.2THs:
– Kích thước: 90x60x30mm
– Khối lượng: 200g
– Nguồn cấp: 12-24VDC
– Chip xử lý: SOC 600MHz
– RAM: 512MB; Bộ nhớ: 16GB
– Hệ điều hành: Linux
– Đầu vào số: 4; Đầu ra số: 2
– Cổng kết nối: 1x USB2.0; 1x RJ45 tốc độ 100Mbps; 1x RS485;
– Giao thức mạng: WEB, HTTP, SMTP, Modbus TCP, Modbus RTU , MQTT, FTP.
– Kết nối được tới 8 giá trị đo khác nhau
– Có kết nối dữ liệu qua 3G/4G
– Có dữ liệu đám mây và App Android
– Thu thập, xử lý, ghi, lưu trữ, truyền nhận dữ liệu trong các hệ thống một cách liên tục và tự động.
4.5. Hệ thống cảm biến tại các trạm đo gồm có:
– Cảm biến đo lượng mưa
– Cảm biến đo mức nước bằng siêu âm
– Cảm biến đo độ mở cửa tràn
– Cảm biến đo độ mở cửa cống
5. Phần mềm quản lý tập trung ECA-GPIS20:
– Quản lý giám sát điều khiển từ xa cho các Datalogger trạm theo giao thức mạng FTP đáp ứng thông tư 10/2021/TT-BTNMT hoặc thông tư 17/2021/TT-BTNMT
– Phần mềm được cài đặt trên máy tính chủ chạy Ubuntu 20.04
5.1. Các chức năng chính:
– Hiển thị thông tin các trạm Data Logger quan trắc
– Hiển thị thông tin cảm biến, giá trị đo, trạng thái đo
– Hiển thị thông tin cảnh báo, giá trị cao, thấp quá
– Hiển thị thông tin kết nối trạm và cảm biến
– Hiển thị và điều khiển các đầu ra tín hiệu số
– Hiển thị hình ảnh khi có cảnh báo.
– Hiển thị dạng bản đồ số GIS
– Hiển thị dạng biểu đồ thời gian.
– Xem lại dữ liệu đo theo thời gian dạng bảng, xuất file EXCEL, PDF, JPG…
– Chức năng phần quyền quản lý
– Hiển thị các dữ liệu, thông tin theo thời gian thực
6. App quản lý, theo dõi trên các thiết bị smartphone Adroid
6.1. Các chức năng chính:
– Hiển thị thông tin các trạm Data Logger quan trắc
– Hiển thị thông tin cảm biến, giá trị đo, trạng thái đo
– Hiển thị thông tin cảnh báo, giá trị cao, thấp quá
– Hiển thị thông tin kết nối trạm và cảm biến
– Hiển thị và điều khiển các đầu ra tín hiệu số
– Hiển thị dạng bản đồ số GIS
– Hiển thị dạng biểu đồ thời gian.
– Xem lại dữ liệu đo theo thời gian dạng bảng, xuất file EXCEL
– Hiển thị các dữ liệu, thông tin theo thời gian thực