MỞ ĐẦU Các số liệu khí tượng và hải dương học của môi trường biển có thể được quan trắc, giám sát thông qua các hệ thống phao biển. Với việc tích hợp các cảm biến và công nghệ truyền thông hiện đại, hiện nay các hệ thống phao cho phép quan trắc, đo đạc các thông số môi trường biển theo thời gian thực. Tùy theo bài toán và yêu cầu thực tiễn của khu vực biển cần quan trắc mà các cảm biến (nhiệt độ, độ pH, độ mặn, các tham số về ô nhiễm .) cũng như công nghệ truyền tín hiệu (dùng sóng di động GSM/GPS, sóng ngắn UHF/VHF hoặc vệ tinh) được sử dụng phù hợp. Tùy theo đặc điểm địa hình khu vực biển mà phao được triển khai như: độ sâu, sức gió, tốc độ dòng chảy.
mà chọn lựa phương án thiết kế kỹ thuật neo giằng phao. Từ các hệ thống phao, các số liệu quan trắc được đóng gói, xử lý và truyền về các trung tâm thu thập dữ liệu trên đất liền. Số liệu được quản lý, lưu trữ bảo mật trên máy chủ, hiển thị thống kê theo thời gian thực thông qua các phần mềm và các kỹ thuật xử lý chuyên dụng. Tình trạng và vị trí của phao được theo dõi giám sát liên tục thông qua định vị toàn cầu GPS giúp giảm thiểu các rủi ro do các sự cố, phá hoại, lấy cắp … Từ những phân tích nêu trên, đề tài “Nghiên cứu, xây dựng hệ thống giám sát vị trí và cảnh báo rung lắc của phao, phục vụ quan trắc môi trường biển” được lựa chọn để thực hiện trong luận văn này.
Đây là đề tài có tính khoa học, công nghệ và thực tiễn cao. Nội dung của luận văn gồm 5 phần chính như sau: Chƣơng I: Tổng quan: Tìm hiểu tổng quan về các hệ thống quan trắc, giám sát môi trường biển và nghiên cứu định vị GPS cảnh báo giám sát vị trí của phao. Chƣơng II: Hệ thống đề xuất 1 z Trình bày tổng thệ về hệ thống phao thông minh để quan trắc môi trường biển và nội dung lựa chọn thực hiện trong phạm vi luận văn. Chƣơng III: Kết quả Trình bày các kết quả thu được từ mô hình thực tế thí nghiệm.
Kết luận: Đưa ra kết luận và kết quả của hệ thống, chỉ ra ưu nhược điểm của hệ thống. Hƣớng phát triển: Nêu các giải pháp đề khắc phục một số nhược điểm của hệ thống hiện tại đồng thời đưa ra hướng phát triển cho hệ thống. 2 z CHƢƠNG I: TỔNG QUAN I. Vấn đề quan trắc, giám sát môi trƣờng biển ở Việt Nam [1] Việt Nam là đất nước có bờ biển dài trải dọc từ Bắc vào Nam.
Chính vì thế vấn đề quan trắc môi trường biển có vai trò hết sức quan trọng nhằm đưa ra các cảnh báo sớm về ô nhiễm môi trường để đưa ra các giải pháp ứng phó cho phù hợp. Đặc biệt, nước ta có rất nhiều các nhà máy, xí nghiệp, khu công nghiệp đang được xây dựng và hoạt động dọc ven biển nên vấn đề môi trường biển càng phải được quan tâm, đặc biệt là khu vực miền Trung nơi có nhiều nhà máy xả thải ra biển. Sau sự cố Fomorsa về môi trường biển tại khu vực miền Trung, theo báo cáo các tỉnh Quảng Bình, Quảng Trị, Thừa Thiên - Huế và Hà Tĩnh đã tiến hành quan trắc chất lượng nước biển ven bờ tại 24 bãi tắm. Ngoài ra các địa phương còn thực hiện quan trắc tại 19 bãi tắm với tần suất từ 1- 4 lần/ngày và gửi báo cáo kết quả quan trắc về Tổng cục Môi trường.
Các kết quả đã được công bố hàng ngày trên Cổng thông tin điện tử Bộ TN&MT (www. Cũng trong thời gian đó Trung tâm Quan trắc Môi trường thuộc Tổng cục Môi trường đã phối hợp với các Trung tâm Quan trắc Môi trường của các Sở địa phương thực hiện quan trắc tại 50 điểm ven bờ dọc vùng biển 8 tỉnh/thành phố miền Trung với tần suất khá dày đặc như minh họa trong Hình 1. Để đánh giá chính xác về môi trường biển, các địa phương còn thực hiện quan trắc môi trường gần bờ trong phạm vi 15 km do 3 đơn vị thuộc Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam (Viện TN&MT Biển; Viện Cơ học; Viện Hải dương học Nha Trang) thực hiện với 27 điểm quan trắc, tần suất 2 lần/tuần. Các chương trình quan trắc xa bờ do Trung tâm Điều tra Tài nguyên Môi trường Biển; Trung tâm Hải văn (Tổng cục Biển và Hải đảo Việt Nam); 3 z Trung tâm Quan trắc và Phân tích Môi trường biển (Bộ Tư lệnh Hải quân, Bộ Quốc phòng); Trung tâm Quan trắc Môi trường Biển (Viện Nghiên cứu Hải sản, Bộ NN&PTNT) thực hiện với tần suất 2 lần/tuần (nguồn tapchimoitruong.
Nhìn vào thực tế về việc quan trắc môi trường biển tại Việt Nam, chúng ta thấy rằng việc lấy các thông số quan trắc vẫn còn khá rời rạc và phụ thuộc vào nhiều vào sức lực con người. Hình 1: Bản đồ các điểm quan trắc môi trường biển (nguồn tapchimoitruong.vn) Để đánh giá chính xác chất lượng môi trường biển cần phải thực hiện việc lấy mẫu thường xuyên và liên tục. Tuy nhiên, việc lấy mẫu tại một khu vực biển là việc làm hết sức phức tạp và tốn kém. Hoạt động quan trắc liên tục dài ngày trên biển hết sức tốn kém về chi phí cho các phương tiện di chuyển và hao tổn về nguồn lực con người và đặc biệt nguy hiểm trong điều kiện thời tiết không thuận lợi.
4 z Giám sát môi trường biển liên tục và từ xa là mục tiêu của nhiều quốc gia nhằm dự báo chính xác về tình trạng ô nhiễm, phát hiện sớm các mối rủi ro, nguy hại môi trường, cũng như đánh giá lâu dài về các quá trình liên quan đến biến đổi khí hậu. Những phương pháp lấy mẫu định kỳ hay sử dụng các trạm khí tượng sẵn có là không đủ thông tin liên tục và không bao phủ hết được các khu vực biển. Gần đây, ứng dụng những phát triển về khoa học công nghệ cho phép chế tạo những thiết bị thu thập dữ liệu tích hợp trên các phao biển cho phép thu thập dữ liệu một cách liên tục theo thời gian thực thông qua việc truyền nhận dữ liệu với các trạm điều khiển trung tâm trên đất liền hoặc các tàu tuần tra trên biển sử dụng các kỹ thuật truyền thông hiện đại như sóng di động GSM, sóng ngắn UHF/VHF hoặc sóng vệ tinh. Mục tiêu của luận văn.
Bài toán xây dựng hệ thống phao biển tích hợp các cảm biến để quan trắc môi trường liên tục theo thời gian thực nhằm tiết kiệm chi phí, giảm thiểu công sức của con người là bài toán lớn trong tổng thể của đề tài cấp Bộ Quốc phòng. Trong phạm vi thực hiện của luận văn này, tác giả tập trung vào khía cạnh đảm bảo hoạt động an toàn, tin cậy của hệ thống phao kết hợp sử dụng cảm biến gia tốc và định vị GPS. Dữ liệu thu thập từ 2 cảm biến này sẽ được dùng để đánh giá vị trí hoạt động của phao neo, đưa ra cảnh báo trong trường hợp phao neo bị đứt, trôi hoặc bị lai dắt một cách cố ý. Thực nghiệm về sự thay đổi vị trí khi sử dụng kết hợp cả thông tin vị trí từ GPS và cảm biến gia tốc được tiến hành cả về phần cứng và phần mềm.
Tìm hiểu tổng quan về hệ thống địnhvị toàn cầu GPS I. Giới thiệu tổng quan về GPS[3][26] Hệ thống định vị toàn cầu GPS là hệ thống xác định vị trí của một vật thể trên trái đất dựa trên vị trí tương đối của nó so với các vệ tinh nhân tạo của Mỹ. 5 z Vệ tinh GPS đầu tiên được phóng vào năm 1978. Hệ thống hoàn chỉnh đầy đủ 24 vệ tinh được hoàn thành vào năm 1994.
Thời gian hoạt động của mỗi vệ tinh tối đa là 10 năm. Khối lượng mỗi vệ tinh khoảng 1500 kg và dài khoảng 5m với các tấm năng lượng Mặt Trời mở rộng có diện tích khoảng 7 m². Công suất phát bằng hoặc dưới 50 W. Các thành phần hệ thống GPS [5][25] I.1 Mảng không gian Mảng không gian của hệ thống GPS là các vệ tinh GPS.
Các chức năng chính của các vệ tinh bao gồm: Thu nhận và lưu trữ dữ liệu được truyền từ mảng điều khiển. Cung cấp thời gian chính xác bằng các chuẩn tần số nguyên tử đặt trên vệ tinh. Truyền thông tin và tín hiệu đến người sử dụng. Hình 2: Vệ tinh GPS (nguồn www.
Mảng điều khiển Để hệ thống GPS có thể hoạt động cần các trạm điều khiển trên mặt đất. Hiện tại có 5 trạm điều khiển trên mặt đất được đặt tại: Hawaii, Colorado Springs, Ascension Is., Diego Garcia và Kwajalein. Chức năng của chúng như sau: Tất cả 5 đều là trạm giám sát, theo dõi vệ tinh và truyền dữ liệu đến trạm điều khiển chính. Trạm đặt tại Colorado Springs là trạm điều khiển chính (MSC).
Tại đó dữ liệu theo dõi được xử lý nhằm tính toạ độ và số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh. Ba trạm tại Ascension, Diego Garcia và Kwajalein là các trạm nạp dữ liệu lên vệ tinh. Dữ liệu bao gồm các bản lịch và thông tin số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh trong thông báo hàng hải.edu) Hình 3: Các trạm điều khiển GPS trên thế giới (nguồn www. Mảng người sử dụng Mảng người sử dụng bao gồm các thiết bị máy thu gồm: - Phần cứng (theo dõi tín hiệu và trị đo khoảng cách).
- Các quá trình điều hành. Nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS [25][26] Các vệ tinh GPS bay vòng quanh Trái Đất theo một quỹ đạo chính xác đã được định trước và phát tín hiệu xuống Trái Đất. Các máy thu GPS nhận thông tin này và bằng các thuật toán, phép tính lượng giác … để định vị vị trí của người dùng. Để tính khoảng cách giữa máy thu và vệ tinh GPS, máy thu so sánh thời gian tín hiệu được phát đi từ vệ tinh với thời gian nhận được chúng.
Máy thu tính toán dựa vào khoảng thời gian tính từ khi vệ tinh phát tín hiệu đến lúc nó nhận được, sai lệch về khoảng thời gian cho biết khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh. Khi máy thu nhận được tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh thì hoàn toàn có thể xác định được vị trí của máy thu là giao điểm của 3 khối cầu có tâm là các vệ tinh và bán kính là khoảng cách từ máy thu tới các vệ tinh đó như mô tả trong Hình 4.