Hệ thống thủy lợi Việt Nam tính đến nay có khoảng 904 hệ thống thủy lợi lớn và vừa và hơn 6.000 hồ chứa đang phục vụ đắc lực cho sản xuất nông nghiệp, phòng tránh và giảm nhẹ thiên tai. Với sự đầu tư không nhỏ của nhà nước đã từng bước hoàn thiện và hiện đại hóa các hệ thống thủy lợi. Tuy nhiên, thiên tai khí hậu lại thường xuyên xảy ở các công trình thủy lợi vừa và nhỏ, đang gây ảnh hưởng không nhỏ đến sản xuất và đời sống của các hộ dân nghèo. Việc hiện đại hóa quản lý và vận hành đặc biệt là phải bắt đầu từ quan trắc và dự báo khí tượng, thủy văn cho các công trình này sẽ gặp rất nhiều khó khăn do thiếu vốn, thiếu năng lực trong hiện tại và tương lai…

Hiện tại, các trạm khí tượng chuyên dùng hiện nay phục vụ cho công tác đo mưa và các yếu tố khí hậu khác như nhiệt độ, độ ẩm, số giờ nắng… nhằm theo dõi tình hình thời tiết và đưa ra các cảnh báo cho người vận hành cũng như các hoạt động sản xuất nông nghiệp. Các trạm này đa số vẫn là thủ công thường chỉ mang tính theo dõi giám sát, cảnh báo, cập nhật số liệu. Với các nỗ lực hiện đại hóa, các trạm tự động đã từng bước được và được kết nối thời gian thực với nhà điều hành thông qua các giao thức của Internet, SMS… đã thể hiện được tính ưu việt trong các công tác điều hành phục vụ sản xuất. Tuy nhiên, vẫn còn những hạn chế nhất định. Vì thế, nhóm nghiên cứu của TS. Nguyễn Xuân Lâm tại Viện Nước, Tưới tiêu và Môi trường đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu phát triển giải pháp trạm khí tượng thủy lợi thông minh phục vụ hiện đại hóa quản lý và vận hành các hệ thống công trình thủy lợi vừa và nhỏ trong điều kiện biến đổi khí hậu” từ năm 2020 đến năm 2021.

Mục tiêu của đề tài là ứng dụng và phát triển được giải pháp mô hình trạm khí tượng thủy lợi thông minh phục vụ hiện đại hóa quản lý và vận hành các hệ thống công trình thủy lợi vừa và nhỏ trong điều kiện biến đổi khí hậu.

Dưới đây là các kết quả nghiên cứu của đề tài:

Thứ nhất, đề tài chỉ ra các hướng cải tiến cần thần thiết cho các trạm quan trắc hiện nay. Trong đó nhấn mạnh vào cải tiến năng lượng, cải thiện hiệu suất, bổ sung các mạch bảo vệ; tăng cường khả năng kết nối cục bộ với LORA; tăng cường khả năng tính toán biên; và phát triển mô hình kết nối vạn vật (IOT) với một lớp trung gian ở giữa thiết bị và ứng dụng còn gọi là IOT platform để tạo thuận lợi cho nhân rộng hệ thống

Thứ hai, đề tài đã phát triển thành công mẫu trạm khí tượng thủy lợi thông minh với các đặc điểm chính như sau: (i) Thiết kế xoay quanh vi điều khiển ESP32 mạnh mẽ với cầu hình Xtensa 32 bit Dual-Core @ 160 / 240Mh, kèm ULP, RAM 520 K, Flash 4-16MB; (ii) Sử dụng đầu vào cảm biến RS485Modbus, SDI-12, đếm xung, cho phép kết nối hàng trăm cảm biến, ứng dụng đo đạc cho nhiều lĩnh vực như trồng trọt, chăn nuôi, thủy sản, thủy lợi và phòng chống thiên tai; (iii) Bao gồm đẩy đủ các truyền thông qua Wifi, Bluetooth, LORA(mô hình trạm Gateway) và kết nối mạng điện thoại cập nhật 4G-LTE theo lộ trình cắt sóng 2G của bộ thông tin truyền thông; (iv) Ngoài ra, hệ thống bao gồm đầy đủ các tiện ích của thẻ nhớ SD 8GB, đồng hồ RTC, với năng lượng sử dụng 4 pin Lion với mạch quản lý sạc thông minh từ tầm pin năng lượng mặt trời 6,5V-18W; (v) Hệ thống đã được thiết kế tối ưu với công suất tiêu thu trung binh là 32mW (phiên bản tiêu chuẩn) áp dụng cho tần suất đo và truyền tin 5 phút, có thể giúp tuổi thọ của hệ thống có thể lên đến 10 năm;

Thứ ba là đã tích hợp được mô đun máy tính nhúng RasPi tạo ra khả năng xử lý số liệu mạnh mẽ ngay tại trạm còn gọi là “tính toán biên”, thử nghiệm các thuật toán về tính toán bốc thoát hơi Eo, ETo; tính toán thủy lực tràn, cống; tính toán dung tích; tính toán dòng chảy đến; dự báo khí tượng châu Âu ECMWF và dự báo dòng chảy theo đó. Khả năng tính toán biên trên một trạm chạy năng lượng mặt trời đã được minh chứng, ngoài ra, với khe cắm CSI có thể sử dụng camera, sử dụng AI xử lý hình ảnh, hay tạo ra khả năng thông minh cho trạm.

Thứ tư là đã triển khai IOT platform Greenconnection do GreecoTech phát triển từ các hệ mã nguồn mở. Đây là ứng dụng chuyên nghiệp phục vụ cho quản trị thiết bị và CSDL hệ thống. Phân mềm này cung cấp hệ thống API cho phép kết nối dễ dang với các cổng thông tin cũng như xây dựng các ứng dụng web/mobile app. Mô hình triển khai này cho phép tách rời thiết bị và ứng dụng tạo điều kiện cho nhân rộng, duy tu bảo dưỡng mà không làm ảnh hưởng và gián đoạn hệ thống.

Thứ năm, mẫu trạm thử nghiệm đã được triển khai thành công tại hồ chứa Hố Cao, xã Hương Sơn, huyện Lạng Giang, tỉnh Bắc Giang. Trạm đã cung cấp các thông tin hữu ích và kịp thời về tình hình nguồn nước, rất tiện lợi cho người sử dụng với chi phí vận hành tối thiểu.

Thứ sáu, giá thành một hệ thống quan trắc các yêu tố cơ bản như mực nước, gió, mưa, nhiệt độ, độ ẩm, áp suất không khí, bức xạ, độ ẩm, nhiệt độ và độ dẫn điện với đất với độ chính xác cao chỉ còn bằng 1/3 thiết bị ngoại nhập, rất phù hợp cho áp dụng rộng rãi cho các đơn vị nhà nước, doanh nghiệp và nông dân.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 20436//2021) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

N.P.D (NASATI)