Ứng dụng internet vạn vật trong hệ thống điều khiển mạng cảm biến không dây

Bộ điều khiển không dây dựa trên thuật toán tổng hợp dữ liệu và công nghệ IoT (Internet of Things) được thiết kế và áp dụng cho bộ cách ly QZS (Quasi Zero Stiffness) đang hoạt động. IoT tạo ra các hệ thống thông minh mang lại sự tiện lợi cho cuộc sống của con người. Để các hệ thống này có thể hoạt động hiệu quả thì cần sử dụng các bộ cảm biến có độ chính xác cao, thích nghi được với các điều kiện gây nhiễu bên ngoài như độ rung, nhiệt độ,...

KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUI SỐ 56/2021 ỨNG DỤNG INTERNET VẠN VẬT TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY APPLICATION OF INTERNET OF THINGS IN WIRELESS SENSOR NETWORK CONTROL SYSTEM Lê Thị Phương Khoa Công nghệ thông tin, Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh Email: lephuongcntt.qn@gmail.com Mobile: 0912948768 Tóm tắt Từ khóa: Bộ cách ly QZS; Bộ điều khiển; Bộ lọc Kalman; Cảm biến không dây Bộ điều khiển khơng dây dựa thuật tốn tổng hợp liệu công nghệ IoT (Internet of Things) thiết kế áp dụng cho cách ly QZS (Quasi Zero Stiffness) hoạt động IoT tạo hệ thống thông minh mang lại tiện lợi cho sống người Để hệ thống hoạt động hiệu cần sử dụng cảm biến có độ xác cao, thích nghi với điều kiện gây nhiễu bên ngồi độ rung, nhiệt độ, … Mơ hình điều khiển tích cực cách ly QZS sử dụng làm tăng hiệu phản hồi hệ thống hoạt động với cách ly rung động miền thời gian miền tần số, giúp cho hệ thống hoạt động xác với việc thu thập liệu giám sát hệ thống Abstract Keywords: QZS isolator; Control Panel; Kalman filter; Wireless sensor sensor Wireless controller based on data aggregation algorithm and IoT (Internet of Things) technology is designed and applied to active QZS (Quasi Zero Stiffness) isolator IoT creates intelligent systems that bring convenience to people's lives In order for these systems to work effectively, it is necessary to use high-precision sensors that are adapted to external confounding conditions such as vibration, temperature, The active control model of the QZS isolator used increases the response efficiency of the operating system with vibration isolation in both the time and frequency domains, making the system more precise with data collection and system monitoring GIỚI THIỆU Các hệ thống thông minh như: lưới điện thông minh, nhà thông minh, mạng lưới nước thông minh, giao thông thông minh… sản phẩm IoT Thơng qua việc sử dụng cảm biến, tồn sở hạ tầng vật lý kết hợp chặt chẽ với công nghệ thông tin truyền thông; nơi đạt giám sát quản lý thông minh thông qua việc sử dụng thiết bị kết nối mạng Mạng cảm biến không dây (WSN-Wireless Sensor Network) mạng hình thành số lượng lớn nút cảm biến nút trang bị cảm biến để phát hiện tượng vật lý ánh sáng, nhiệt, áp suất, tốc độ, v.v Hệ thống điều khiển sử dụng kết hợp cảm biến khơng dây tìm thấy nhiều lợi ích khơng giảm chi phí tiền tệ thời gian liên quan đến việc lắp đặt hệ thống dựa dây mà đảm bảo cho số cảm biến bị thiếu Ứng dụng IoT điều khiển mạng cảm biến không dây (CBKD) thiết kế áp dụng cho cách ly QZS hoạt động cho số mục đích: loại bỏ nhiễu khơng thể đốn trước gây cách kết KH&CN QUI nối dây cảm biến có dây cho hệ thống cách ly với độ cứng gần không dễ bị ảnh hưởng tiếng ồn nhạy cảm; bảo vệ hệ thống điều khiển khỏi cảm biến bị tắt đột ngột hệ thống chạy; tính tốn quy tắc điều khiển nhằm tạo lực điều chỉnh cách ly Đầu tiên, hệ thống cảm biến IoT sử dụng kết nối khơng dây thay kết nối có dây đề xuất Các cảm biến không dây gia tốc, vận tốc khoảng cách sử dụng cách ly QZS hoạt động để loại bỏ nhiễu khơng thể đốn trước dây cảm biến gây Thứ hai, thuật toán tổng hợp liệu nhúng hệ thống cảm biến không dây mô tả để cách kết hợp liệu gia tốc, vận tốc khoảng cách thành loại thông tin Bộ nhiệt áp với kỹ thuật nhiệt hạch tiên tiến bảo vệ hệ thống điều khiển khỏi cảm biến bị vơ hiệu hóa đột ngột Cuối cùng, điều khiển hệ thống sử dụng kết hợp liệu để tính tốn tín hiệu điều khiển để tạo lực điều chỉnh cách ly Kết thử nghiệm cho thấy điều khiển đề xuất loại bỏ rung động tốt 60% CƠ SỞ LÝ THUYẾT SỐ 56/2021 2.1 Cấu hình phần cứng hệ thống CBKD Mơ hình cảm biến khơng dây bao gồm hai phần: Giao diện cảm biến giao diện điều khiển hình - Giao diện cảm biến chuyển đổi ADS834 cung cấp độ phân giải chuyển đổi 16 bit kênh cảm biến có khả số hóa tín hiệu tương tự dải 0- 5V tốc độ cao tới 100 kHz - Giao diện điều khiển thiết kế với chuyển đổi tín hiệu số sang tương tự 16 bit (Analog Devices AD5542) nhận số nhị phân từ vi điều khiển chuyển đổi chúng thành tín hiệu điện áp tương tự Cả hai giao diện sử dụng vi điều khiển AVR- ATmega 128 cho lõi tính tốn, nơi phần mềm nhúng lưu trữ để thực thu thập chuyển đổi liệu Hai định tuyến WiFi/DSL, điều khiển Ethernet ENC28J60 chọn cho kênh truyền thông không dây hai giao diện KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUI Một kỹ thuật hợp nghiên cứu nhúng vào giao diện điều khiển hệ thống cảm biến khơng dây Cụ thể, tín hiệu đo độ dịch chuyển vận tốc sử dụng để ước tính tín hiệu gia tốc, vận tốc độ dịch chuyển dựa thuật toán lọc Kalman Đầu lọc Kalman nguồn liệu cho kết hợp liệu tính tốn hợp cung cấp cho điều khiển hệ thống Mơ hình giản đồ phản ứng tổng hợp cảm biến thể hình thuật tốn hợp phác thảo hình Hình Mơ hình hợp cảm biến Hình Thuật tốn tổng hợp liệu Hình Kiến trúc giao diện cảm biến khơng dây MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN TÍCH CỰC CỦA BỘ CÁCH LY QZS 3.1 Bộ cách ly QZS sử dụng uốn 2.2 Hợp đa cảm biến dựa lọc Kalman Quy trình kiểm sốt theo thời gian rời rạc, lọc Kalman điều chỉnh phương trình sai lệch ngẫu nhiên tuyến tính (1) (2) mô tả chu kỳ liên tục thể hình 2: Trong đó: A, B C ma trận hệ số; k số thời gian; x trạng thái hệ thống; u tín hiệu điều khiển; z trạng thái đo được; w v đại diện cho trình tiếng ồn đo lường Hình Chu kỳ liên tục lọc Kalman 10 Hình Bộ cách ly QZS sử dụng uốn Cơ chế cách ly QZS sử dụng độ uốn trình bày hình Cơ chế bao gồm ba phần chính: lị xo cuộn ngang, lị xo cuộn dọc vết uốn Trong lò xo cuộn thẳng đứng tạo độ cứng dương, độ uốn có khía lực nén lị xo nằm ngang bị biến dạng ban đầu tạo độ cứng âm cho phép đạt đặc tính độ cứng KH&CN QUI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUI SỐ 56/2021 gần khơng (QZS) 3.2 Phƣơng trình chuyển động mơ hình cách ly Dựa phân tích động mơ hình cách ly, phương trình chuyển động mơ hình động suy là: Với y chuyển vị thẳng đứng; hệ phi tuyến bậc hệ phi tuyến bậc 2; m khối lượng; c hệ thống giảm chấn; kl kn độ cứng tuyến tính phi tuyến; fc lực điều khiển; w(t) trình đo lường theo thời gian t; A ma trận hệ số 3.3 Quy tắc kiểm soát hoạt động Khi nghiên cứu trường hợp truyền động ngang, lực truyền động suy dựa phương trình động lực học (3) Luật điều khiển suy chuyển đổi thành lực tác động ngang thể phương trình (4) Trong đó: a1, a2, a3 lợi ích điều chỉnh điều khiển Lyapunov; a3 sử dụng cho phản hồi phi tuyến để loại bỏ đặc tính phi tuyến hệ thống; y0 truyền động ngang Lực truyền động gần điểm cân (y = 0) coi tránh bão hịa THIẾT LẬP CẤU HÌNH THỬ NGHIỆM Cấu hình thí nghiệm bao gồm cách ly QZS thụ động, điều khiển kỹ thuật số, cảm biến, thiết bị truyền động hệ thống giao diện cảm biến khơng dây hình Đặc điểm kỹ thuật cách ly thụ động dọc tóm tắt bảng Hình Thiết lập thử nghiệm KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM Thử nghiệm cách ly QSZ hoạt động sử dụng hệ thống hợp cảm biến không dây thực để khảo sát hiệu suất hệ thống hợp cảm biến khơng dây phản ứng điều khiển Tín hiệu tổng hợp khơng dây xác nhận tín hiệu cảm biến có dây kiểm tra cảm biến bị vơ hiệu hóa đột ngột hình hình Hình Xác minh tín hiệu Bảng Thông số kỹ thuật cách ly Thông số Giá trị Chú thích m 25 - 40(Kg) Khối lượng (M) khs 3.626 x 10 (N/m) Công (mômen lực) c 2.87(Ns/m) Trở kháng học Stroke  0.005(m) Độ dài vạch kvs 1.02 x 10 (N/m) Công (mômen lực) fn (Hz) Tần số đáp ứng Một số cảm biến tương tự sử dụng để cảm nhận liệu trạng thái hệ thống cảm biến vận tốc, cảm biến gia tốc cảm biến dịch chuyển Bộ điều khiển dSPACE tính tốn tạo tín hiệu điều khiển từ liệu cung cấp hệ thống cảm biến khơng dây Tín hiệu điều khiển điều chỉnh cấu chấp hành thông qua khuếch ngừng dao động khối lượng KH&CN QUI Hình Tín hiệu kết hợp cảm biến bị thiếu Hiệu suất điều khiển đạt với hai tiêu chuẩn thử nghiệm cách ly rung động: loại bỏ nhiễu xung khả truyền rung Kết loại bỏ nhiễu xung thể hình kết khả truyền rung thể hình 10 11 SỐ 56/2021 Hình Kết loại bỏ nhiễu xung Hình 10 Kết khả truyền rung Cả hai kết cho thấy cách ly QSZ tích cực sử dụng liệu tổng hợp cảm biến 12 KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ QUI khơng dây có hiệu suất tốt việc cách ly rung Trong miền thời gian, thời gian giải giảm 75% hệ thống điều khiển chủ động so với cách ly thụ động Trong miền tần số, cường độ cộng hưởng bị suy giảm khoảng 60% KẾT LUẬN Bộ cách ly QZS hoạt động dựa kết hợp cảm biến sử dụng công nghệ IoT đề xuất nghiên cứu thông qua thử nghiệm Hệ thống cảm biến không dây đề xuất hoạt động tốt với việc thu thập liệu giám sát hệ thống Kết thử nghiệm phản hồi hệ thống hoạt động cho thấy hiệu suất tốt cách ly rung động miền thời gian miền tần số cách ly QZS tích cực cách sử dụng liệu hợp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Việt Bình, Vũ Chiến Thắng, Ngơ Thị Vinh, Phạm Quốc Thịnh (2012), ”Mạng cảm biến không dây kiến trúc IP” Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [2] Nguyễn Tấn Huynh (2020), “Internet of things - vấn đề nay” Nhà xuất Hà Nội [3] Lê văn Doanh, Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Văn Hòa, Đào Văn Tân (2001), “Các cảm biến kỹ thuật đo lường điều khiển” NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội [4] Dương Minh Trí (2001), “Cảm biến ứng dụng” NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội [5] http://www.cs.unc.edu/~welch/kalman/ KH&CN QUI ... sử dụng hệ thống hợp cảm biến không dây thực để khảo sát hiệu suất hệ thống hợp cảm biến không dây phản ứng điều khiển Tín hiệu tổng hợp khơng dây xác nhận tín hiệu cảm biến có dây kiểm tra cảm. .. số đáp ứng Một số cảm biến tương tự sử dụng để cảm nhận liệu trạng thái hệ thống cảm biến vận tốc, cảm biến gia tốc cảm biến dịch chuyển Bộ điều khiển dSPACE tính tốn tạo tín hiệu điều khiển từ... WiFi/DSL, điều khiển Ethernet ENC28J60 chọn cho kênh truyền thông không dây hai giao diện KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUI Một kỹ thuật hợp nghiên cứu nhúng vào giao diện điều khiển hệ thống cảm biến không dây