Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển trạm thu phát sóng di động (BTS) theo mô hình IoT

Bài viết trình bày kết quả xây dựng và thực thi hệ thống giám sát – điều khiển hệ thống máy lạnh tại trạm BTS theo thời gian thực. Hệ thống được xây dựng theo mô hình IoT, mỗi node trong hệ thống được thiết kế sử dụng STM32 để tính toán và đo thông số về dòng điện (sai số ± 0.002A), điện thế (sai số ±15V khi có điện 220V chạy qua cảm biến, sai số +0.15V khi không có điện chạy qua cảm biến) và trạng thái hoạt động của máy lạnh, nhiệt độ môi trường (sai số ±0.0625o C) tại trạm BTS.

Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) Thiết Kế Hệ Thống Giám Sát Và Điều Khiển Trạm Thu Phát Sóng Di Động (BTS) Theo Mơ Hình IoT Hồ Như Tuấn1, Nguyễn Tiến Đạt2, Phan Vũ Huỳnh Tuấn2, Thái Hồng Hải2, Lê Đức Hùng2* (1) (2) Viễn thông Tiền Giang (VNPT Tiền Giang) Khoa Điện tử - Viễn Thông, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQG TP.HCM (*) Email: ldhung@hcmus.edu.vn cơng việc tính tốn thơng số từ cảm biến dòng điện, điện thế, nhiệt độ phát trạng thái hoạt động máy phát điện Mô-đun thu phát Wifi ESP32 thực công việc giao tiếp với máy chủ quản lý hệ thống, truyền liệu tính tốn từ vi điều khiển STM32 đến máy chủ, nhận lệnh điều khiển từ máy chủ đến Node Abstract—Bài báo trình bày kết xây dựng thực thi hệ thống giám sát – điều khiển hệ thống máy lạnh trạm BTS theo thời gian thực Hệ thống xây dựng theo mơ hình IoT, node hệ thống thiết kế sử dụng STM32 để tính tốn đo thơng số dịng điện (sai số ± 0.002A), điện (sai số ±15V có điện 220V chạy qua cảm biến, sai số +0.15V khơng có điện chạy qua cảm biến) trạng thái hoạt động máy lạnh, nhiệt độ môi trường (sai số ±0.0625oC) trạm BTS Dựa vào thơng số đó, thiết bị giám sát tình trạng hoạt động máy lạnh thông qua điều kiện thông số đo Bên cạnh đó, thiết bị sử dụng mã hóa AES-128 triển khai mô-đun thu phát Wifi ESP32 để mã hóa liệu lưu trữ Flash Memory vi điều khiển bao gồm thông tin mạng Wifi, trạng thái kết nối thiết bị Ngoài ra, thiết bị kết hợp với Blynk API (mã nguồn mở) để giao tiếp truyền/nhận liệu dòng điện, điện thế, trạng thái hoạt động, nhiệt độ, điều khiển thiết bị, cảnh báo đến máy chủ Các thông số người giám sát trạm BTS theo dõi thông qua ứng dụng điện thoại di động Keywords- TEE, Base Transceiver Station (BTS), Advanced Encryption Standard – 128 (AES-128), Blynk IoT Platform, Internet of Things I GIỚI THIỆU Trong năm gần đây, mô hình Internet of Things trở nên phổ biến nhiều lĩnh vực khác Việt Nam Hệ thống xây dựng nhằm mục đích giải vấn đề việc giám sát vận hành tồn đọng thời gian dài cho hệ thống làm mát trạm BTS Bởi vì, quy trình giám sát vận hành hệ thống máy lạnh thực thủ công nhân viên giám sát định thời cơ, khoảng cách vị trí trạm BTS xa nhau, để di chuyển trạm tốn nhiều thời gian công sức Tuy nhiên, để nhiệt độ phịng máy đạt chuẩn, đơi nhân viên giám sát 02 máy lạnh hoạt động lúc gây lãng phí lớn chi phí tiền điện Do đó, xây dựng hệ thống ứng dụng IoT để giám sát vận hành hệ thống máy lạnh giải vấn đề lãng phí tài ngun nêu trên, góp phần tăng tuổi thọ thiết bị đảm bảo chất lượng dịch vụ viễn thơng Ngồi ra, việc ứng dụng mơ hình IoT giúp việc quản lý giám sát trở nên hiệu sẵn sàng ứng phó phát cố xảy với hệ thống làm mát Mơ hình hệ thống giám sát trạm BTS mơ hình IoT trình bày Hình Hệ thống triển khai máy chủ quản lý tập trung node IoT, node thiết kế riêng biệt để ứng dụng cho mơ hình Node dùng hai vi điều khiển STM32F103C8T6 ESP32 Vi điều khiển STM32 thực ISBN 978-604-80-5958-3 Hình Mơ hình hệ thống giám sát trạm BTS dựa IoT Sau máy chủ quản lý tập trung nhận liệu hệ thống làm mát, dựa vào DeviceID Node, máy chủ cung cấp Restful API tương ứng với Node, giám sát viên truy cập vào liệu thiết bị mong muốn Hệ thống cung cấp giao diện ứng dụng Blynk hiển thị thông số quan trọng, chức điều khiển, thông tin mạng WIFI kết nối Giám sát viên truy cập vào để giám sát máy lạnh trạm BTS Sơ đồ hệ thống đề xuất trình bày Hình Hình Mơ hình hoạt động hệ thống đề xuất II QUÁ TRÌNH XỬ LÝ TẠI VI ĐIỀU KHIỂN STM32 II Đo nhiệt độ môi trường Node dùng cảm biến DS18B20 dạng chân cắm để đo nhiệt độ môi trường nhằm giảm độ lớn sai số so với cảm biến LM35 (sai số LM35 ±0.25, sai số DS18B20 ±0.0625) Ngoài ra, cảm biến DS18B20 cho liệu nhiệt độ đầu liệu số 392 Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) (giao tiếp với vi điều khiển thông qua chuẩn One-wire) độ nhạy cao, điều phù hợp với mơi trường có ẩm ướt có khơng khí lạnh giá trị Rtổng) với mục đích chia điện xuống điện nhỏ Hai ngõ vào vi sai mắc qua điện trở Rs (R45) = 220 Với dòng qua Rs tính sau: 220√2 = ổ Sau đó, ta tính điện áp vi sai ngõ vào Ur = Is × Rs phần điện áp vi sai khuếch đại phần trước đọc ADC Khi có giá trị ADC, ta suy ngược giá trị điện qua tải (được cấp ngõ vào header J4 ban đầu) III QUÁ TRÌNH XỬ LÝ TẠI MÔ-ĐUN ESP32 III Truyền/nhận liệu Các liệu hệ thống làm mát tính tốn STM32 lưu trữ mảng liệu bao gồm 21 bytes Chuẩn giao tiếp dùng hai vi điều khiển SPI, ESP32 đóng vai trị Master, STM32 Slave Mỗi giây, Master gửi mã yêu cầu nhận liệu từ slave (0x04), sau nhận mã yêu cầu slave gửi 21 bytes liệu (mảng gpSpiTxBuffer[]) cho Master Quá trình truyền nhận liệu STM32 ESP32 trình bày Hình Hình Thiết kế cảm biến Node - Nguồn cấp: 3.3V - Độ phân giải: 12 bits - Thời gian chuyển đổi nhiệt độ tối đa: 750ms - Sai số: ±0.0625℃ II Đo độ lớn dòng điện Hình Quá trình truyền/nhận liệu qua SPI Hình Mạch đo dòng điện Định dạng 21 Bytes liệu: - gpSpiTxBuffer[0 7]: Dữ liệu điện máy lạnh - gpSpiTxBuffer[8 15]: Dữ liệu điện áp máy lạnh - gpSpiTxBuffer[16 19]: Dữ liệu nhiệt độ trạm BTS - gpSpiTxBuffer[20]: Trạng thái hoạt động máy phát điện Các liệu chuẩn hóa gửi đến Blynk Server thơng qua Blynk API Q trình gửi chia theo tác vụ khác lặp lại theo chu kì thời gian Hình Mạch đo dịng điện thiết kế theo cấu trúc mạch khuếch đại vi sai thơng thường (Hình 4) Với ngõ vào dòng điện (được mắc qua cảm biến dòng với tỷ lệ vịng 1:1000), thơng qua điện trở shunt Rs kèm với cảm biến dòng để biến đổi thành điện cấp vào header J5, thông qua mạch khuếch đại vi sai sử dụng Op-Amp MCP601T dùng STM32 giao tiếp thông qua ADC để đọc giá trị điện áp tính tốn ngược lại để suy dòng điện Giả sử dòng điện qua tải hệ thống 100A, sau qua cảm biến dòng trở thành 0.1A (100mA) Giữa hai chân cảm biến dịng có mắc điện trở Rs = 10 , từ điện ta thu để cấp vào mạch khuếch đại vi sai 0.1 × 10 = Điện áp vi sai khuếch đại tùy thuộc vào tỷ số R32/R42 = 10 hình Khi đó, điện áp ngõ Vcur = 10V đọc vào STM32 sử dụng ADC Từ ta rút cơng thức tổng qt để tính dịng điện qua tải: × 1000 = × × II Đo độ lớn điện Hình Phân chia tác vụ theo thời gian Theo hình bên trên, tác vụ thực theo chu kỳ sau: - Nhận lệnh điều khiển từ Blynk Server: giây: - Nhận liệu từ STM32: giây - Gửi liệu đến Blynk Server: giây - Kiểm tra tín hiệu kết nối với máy chủ: giây - Kiểm tra cảnh báo người dùng có liệu bất thường: giây Hình Mạch đo điện Tương tự, ta có mạch đo điện Hình với ngun lý mạch khuếch đại vi sai đơn Trong trường hợp này, ngõ vào đưa qua mạng lưới gồm nhiều điện trở 22 (mang ISBN 978-604-80-5958-3 393 Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thơng Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2021) Q trình kiểm tra liệu theo điều kiện phát cố Bảng sau: Để tăng tính bảo mật cho thông tin WiFi, trước lưu vào Flash Memory thơng tin mã hóa thơng qua kỹ thuật mã hóa khóa đối xứng AES-128 Bảng Bảng điều kiện phát cố Ngưỡng Thời Quyết định cảnh báo gian đếm Cảnh báo 25℃ giám sát 30 giây lạnh) giám sát 30 giây bật máy giám sát lạnh) Hình Q trình mã hóa/giải mã thông tin WiFi III Giao tiếp với Server Vi điều khiển sử dụng Blynk API cung cấp từ Blynk để truyền/nhận liệu Client (các Node) Server Quá trình nhận lệnh từ Blynk Server đến Client diễn Hình 10 bên dưới: Để dễ dàng sử dụng tăng tính linh hoạt cho chương trình, nhóm tác giả lập trình cho tác vụ tính đăng ký Khi người quản trị hệ thống yêu cầu thêm chức năng, chức mô-đun Wifi ESP32 cần thực thêm tác vụ để đáp ứng chức mong muốn Nhóm cần lập trình hàm thực chức năng, sau đăng ký hàm vào “Lịch trình” hoạt động chương trình Để đăng ký cần hai thơng tin bắt buộc, là: địa hàm thực chức yêu vầu chu kỳ thời gian thực Các bước sử dụng “Lịch trình” trình bày theo lưu đồ Hình sau Hình 10 Quá trình nhận lệnh điều khiển từ Blynk Server Tại Client sau tạo kết nối với Blynk Server thông qua mã “Authentication Token” xác thực riêng, địa IP máy chủ thực thi Blynk Server Blynk port (cổng 8080) thành công, Client Server tiến hành đồng liệu đối chiếu thông qua Virtual Pin cấu hình thơng qua ứng dụng Blynk Bảng danh sách Virtual Pin trình bày Bảng sau Bảng Bảng danh sách Virtual Pin Tên RELAY_VIRTUAL_PIN Hình Quá trình đăng ký hàm chức vào “Lịch trình” VOL_VIRTUAL_PIN Trong đó: - *functionTask: Là địa hàm thực chức muốn thêm vào “Lịch trình” - Timeout: thời gian chu kỳ tác vụ (chu kỳ nhỏ 0.1 giây) Các tác vụ đăng ký có chu kỳ trùng thực dựa vào thứ tự đăng ký tác vụ CUR_VIRTUAL_PIN TEMP_VIRTUAL_PIN DYNAMO_VIRTUAL_PIN III Mã hóa thơng tin WIFI Theo sơ đồ Hình 9, Flash Memory mơ-đun thu phát Wifi ESP32, thông tin WiFi tên WiFi (SSID) mật (Password) mã hóa lưu theo vùng nhớ thiết kế nhớ Trong nhớ lưu trữ ba thông tin WiFi mà vi điều khiển truy cập Mỗi thông tin WiFi cấp 128 ô nhớ để lưu trữ (mỗi ô nhớ byte), nhớ chia thành ba vùng địa bao gồm 0x0001 – 0x0080, 0x0081 – 0x0100, 0x0101 – 0x0180 ISBN 978-604-80-5958-3 RELAY_WARNING_ VIRTUAL_PIN Chức Năng Điều khiển bật/tắt máy lạnh Cập nhật thông số điện Cập nhật thông số điện áp Cập nhật thông số nhiệt độ môi trường Cập nhật trạng thái hoạt động máy phát điện Cảnh báo có cố xảy máy lạnh Virtual Pin V1, V4 V2, V5 V3, V6 V7 V11 V13, V14 Tại Node, thông tin nhận lệnh điều khiển máy lạnh trạng thái kết nối Node mạng WiFi hệ thống Bên cạnh đó, Client truyền liệu đến Server theo trình Hình 11 bên 394 Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) Dựa thông số từ việc kiểm tra, nhóm thực thêm điều kiện hoạt động gây cố để kiểm tra tính cảnh báo cố đến người giám sát thông qua ứng dụng Blynk Các cố cảnh báo thông qua ứng dụng Blynk thể Hình 13(b) Hình 11 Quá trình truyền liệu Các thông số điện áp, điện thế, nhiệt độ, cảnh báo, trạng thái hoạt động máy phát điện đối tượng mà Node truyền đến Server để lưu trữ sở liệu Quá trình truyền thực theo tác vụ phân chia Mục III.1 Khi kết thúc trình truyền, Node nhận phản hồi từ Server để xác nhận nhận đầy đủ thông số liệu IV KẾT QUẢ Hệ thống ghi nhận giá trị thông số hệ thống làm mát bao gồm hai máy lạnh trạm BTS, thông số ghi nhận lại điện áp, điện thế, nhiệt độ môi trường trạm BTS, trạng thái hoạt động máy nổ Trong trình thực hiện, nhóm thực có tiến hành kiểm tra chức qua việc điều khiển với thiết bị bao gồm đèn huỳnh quang, quạt gió, sạc laptop Q trình kiểm tra thực phịng thí nghiệm Bảng Kết đo từ thiết bị Quạt gió Trạm Nhiệt Thiết bị Đèn hàn độ huỳnh phòng quang 27.5 Nhiệt độ 28℃ 218–235V 219–235V 218 – Điện 235V Kết hệ thống IoT bao gồm bo mạch phần cứng trình bày Hình 12 giá trị đo nhiệt độ, điện áp điện ứng dụng Blynk thể Hình 13(a) (a) (b) Hình 13 Kết hoạt động hệ thống (a) cảnh báo cố với máy lạnh cho người giám sát (b) ứng dụng Blynk Khi có cố xảy ra, ứng dụng Blynk cảnh báo với trường hợp Bảng sau: Bảng Các trường hợp nội dung cảnh báo Trường hợp Vị trí Cảnh báo Máy lạnh hoạt RELAY Sáng đèn màu đỏ WARNING - “ON” động không công suất VOLTAGE Phát điện VOLTAGE DEV bất thường WARNING Overheat Nhiệt độ môi TEMPERATURE trường vượt Warning ngưỡng cho phép Trạm điện ACTIVE DYNAMO STATUS CONNECTING Kết nối thất bại UPDATE WIFI gặp cố Ngồi ra, kỹ thuật mã hóa khóa đối xứng AES-128 phù hợp với việc triển khai mơ-đun Wifi ESP32, q trình mã hóa giải mã diễn thời gian ngắn không ảnh hưởng đến tốc độ thực thi tác vụ chương trình Các thơng tin mã hóa kết hiển thị Bảng Các thông tin bên mã hóa khóa: key[16] = {0x44, 0x45, 0x53, 0x4c, 0x41, 0x42, 0x4b, 0x48, 0x54, 0x4e, 0x2d, 0x56, 0x4e, 0x50, 0x54, 0x31} Bảng Bảng kết thơng tin mã hóa dùng AES-128 Plaintext (text) Key (Hex) Cipher text (Hex) 44 45 53 4c VNPT-TG.AP.P.TCLD 4b 50 9f c9 41 42 4b 48 a4 00 f9 0b 54 4E 2d 56 ec b3 39 d3 4e 50 54 31 a1 69 1f d4 Hình 12 Bo mạch hệ thống IoT cho trạm BTS ISBN 978-604-80-5958-3 395 Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) KHCN1AAAAAAAAAAA Hoomi smart home 1234567890000000 deslab2610000000 nhathongminh0000 44 45 53 4c 41 42 4b 48 54 4E 2d 56 4e 50 54 31 44 45 53 4c 41 42 4b 48 54 4E 2d 56 4e 50 54 31 44 45 53 4c 41 42 4b 48 54 4E 2d 56 4e 50 54 31 44 45 53 4c 41 42 4b 48 54 4E 2d 56 4e 50 54 31 44 45 53 4c 41 42 4b 48 54 4E 2d 56 4e 50 54 31 56 f4 4b 08 5c fb e0 2f 91 91 67 5c 4a 14 ba f1 bf 44 71 bf 67 40 e2 2f 0f 7d 24 6b 28 86 22 33 83 4c 11 58 58 45 67 7b 46 c9 14 81 e1 77 32 02 98 1a 04 e9 74 90 c2 6d 19 19 ab 28 ed 34 1e 17 5e bc 8b 68 d1 3c 44 86 af 28 27 ea 9a f0 da d2 V KẾT LUẬN Nghiên cứu hoàn thành việc xây dựng Node chức Server để vận hành hệ thống IoT, sở liệu giao diện người dùng ứng dụng Blynk, sau tiến hành chạy demo hệ thống môi trường khác nhau, thiết bị điều khiển khác Tuy nhiên, hệ thống chưa đạt tính bảo mật thơng tin cao q trình truyền nhận liệu, thiết kế mạch đo thơng số cịn sai số tương đối q trình chạy thực tế Mục tiêu nghiên cứu hoàn thiện thiết kế mạch đo, ứng dụng kỹ thuật OTA (Over-the-Air) cho mô-đun thu phát Wifi ESP32 để cập nhật chương trình từ xa với tinh thần Node hệ thống IoT Ngồi ra, nhóm tiếp tục phát triển sở liệu, máy chủ giao diện trình duyệt Web cho người giám sát theo dõi nhiều Node cửa sổ trình duyệt nhằm tăng tính chất quản lý tập trung hệ thống TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] “Annoucing the ADVANCED ENCRYPTION STANDARD (AES)”, page 1-38, Nov 26, 2021 [2] Nabilah Binti Mazalan, Jabatan Kejuruteraan Elektrik, Politeknik Merlimau, “Application of Wireless Internet in Networking using NODEMCU and Blynk App”, page 1-7, 2019 [3] A Jothivelu and S P Simon, "A Smart BTS/Node B Network Monitoring and Control using IoT," 2019 Fifteenth International Conference on Information Processing (ICINPRO), pp 1-5, 2019 [4] P A M Hambali, Syamsuddin, M R Effendi and E A Z Hamidi, "Prototype Design of Monitoring System Base Tranceiver Station (BTS) Base on Internet of Things," 2020 6th International Conference on Wireless and Telematics (ICWT), pp 1-6, 2020 ISBN 978-604-80-5958-3 396 ... 218 – Điện 235V Kết hệ thống IoT bao gồm bo mạch phần cứng trình bày Hình 12 giá trị đo nhiệt độ, điện áp điện ứng dụng Blynk thể Hình 13(a) (a) (b) Hình 13 Kết hoạt động hệ thống (a) cảnh báo... hoàn thiện thiết kế mạch đo, ứng dụng kỹ thu? ??t OTA (Over-the-Air) cho mô- đun thu phát Wifi ESP32 để cập nhật chương trình từ xa với tinh thần Node hệ thống IoT Ngồi ra, nhóm tiếp tục phát triển... V KẾT LUẬN Nghiên cứu hoàn thành việc xây dựng Node chức Server để vận hành hệ thống IoT, sở liệu giao di? ??n người dùng ứng dụng Blynk, sau tiến hành chạy demo hệ thống môi trường khác nhau, thiết