Nghiên cứu thiết kế hệ thống IoT dựa trên mạng cảm biến không dây phục vụ quan trắc môi trường vùng khai thác than tại mỏ hầm lò và lộ thiên

Bài viết Nghiên cứu thiết kế hệ thống IoT dựa trên mạng cảm biến không dây phục vụ quan trắc môi trường vùng khai thác than tại mỏ hầm lò và lộ thiên trình bày nguyên lý thiết kế một hệ thống IoT ứng dụng mạng cảm biến không dây Zigbee áp dụng để quan trắc một số thông số môi trường tại khu vực mỏ lộ thiên và hầm lò.

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG IOT DỰA TRÊN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY PHỤC VỤ QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG VÙNG KHAI THÁC THAN TẠI MỎ HẦM LÒ VÀ LỘ THIÊN Nguyễn Anh Tuấn1, 2, Lê Trung Thành1, Nguyễn Văn Hách3 Nguyễn Thị Hồng Loan3, Bùi Thị Thùy3, Nguyễn Văn Thịnh4 Đại học Quốc Gia Hà Nội Học viện Khoa học Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Trường Đại học Tài nguyên Môi trường Hà Nội Trường Đại học Cơng nghiệp Việt Trì Tóm tắt Ngày nay, việc giám sát thông số môi trường trở nên thuận tiện phát triển mạnh mẽ mạng cảm biến không dây (WSN) Internet vạn vật kết nối (IoT) Một hệ thống quan trắc tự động thơng số khí vùng khai thác than mỏ hầm lò lộ thiên theo thời gian thực mang tới hội tốt để tối ưu nguồn lực tăng hiệu công tác quản lý Nghiên cứu trình bày nguyên lý thiết kế hệ thống IoT ứng dụng mạng cảm biến không dây Zigbee áp dụng để quan trắc số thông số môi trường khu vực mỏ lộ thiên hầm lị Từ khố: Mạng cảm biến khơng dây; Mạng Internet kết nối vạn vật; Giám sát thơng số khí mỏ; Công nghệ Zigbee Abstract Study and design of an IoTs system based on Wireless Sensor Networks for above and underground mine gas monitoring Nowaday, the monitoring of environmental parameters has become very convenient under the strong development of wireless sensor networks (WSNs) and Internet of Things (IoTs) An automatic monitoring system for above and underground mine gas parameters in real time will provide a good opportunity to optimize resources and increase efficiency in management This article will present the architecture of such an IoT system based on the Zigbee wireless sensor network Keywords: Wireless sensor network; Internet of things; Remote monitoring of hydro meteorological and environmental parametegrs; Zigbee Giới thiệu 1.1 Mạng cảm biến không dây hạ tầng IoT Theo nghiên cứu gần nhà khoa học, môi trường tự nhiên chịu tác động biến đổi khí hậu hoạt động người gây tượng tai biến thiên nhiên cố môi trường Do việc theo dõi, giám sát thơng số khí mơi trường trở nên quan trọng Hiện việc ứng dụng khoa học kỹ thuật tiên tiến vào lĩnh vực bảo vệ tài nguyên môi trường trọng phát triển [6] Trong đặc biệt hệ thống giám sát, điều khiển từ xa Do việc nghiên cứu thiết kế kiến trúc tổng thể tích hợp hệ thống quan trắc khí vùng khai thác than hầm lò lộ thiên dựa mạng cảm biến không dây Internet vạn vật (IoTs) xu hướng tất yếu cần thiết [3, 5] Trong bối cảnh nay, mạng cảm biến không dây trở thành tảng công nghệ quan trọng việc thu nhận, thao tác xử lý thông tin Đây xem giải pháp có chi phí hợp lý để tiến hành giám sát tượng bề mặt Trái đất để thu thập 162 Giải pháp kết nối chia sẻ hệ thống sở liệu phục vụ công tác đào tạo, quản lý lĩnh vực tài nguyên môi trường nhiều liệu cho lĩnh vực khác nông nghiệp, môi trường, y học, giao thông vận tải,…[3] Mạng cảm biến không dây đóng vai trị quan trọng hệ thống IoTs Thông thường kiến trúc hệ thống IoTs bao gồm bốn tầng: tầng ứng dụng, tầng dịch vụ, tầng mạng tầng thiết bị [7] Tầng ứng dụng tầng bao gồm hệ thống thực tế, tầng dịch vụ định nghĩa điện toán đám mây Tầng mạng bao gồm hệ thống có dây không dây, kết nối tất với thiết bị Internet với tầng thiết bị tầng sở hệ thống IoTs Hình Hình 1: Kiến trúc hệ thống IoTs Kiến trúc hệ thống thống IoTs sử dụng để thiết kế ứng dụng nhiều lĩnh vực khác hầu hết số ứng dụng quan trắc thông số môi trường [2] Hệ thống quan trắc giúp cho nhà quản lý giám sát thông số môi trường từ xa, đặc biệt nơi có địa hình phức tạp, phương tiện giao thơng khó tiếp cận 1.2 Cấu hình mạng cảm biến khơng dây Một thiết bị cảm biến không dây bao gồm nút cảm biến nút điều phối kết nối với thành mạng cảm biến không dây Zigbee xây dựng khung bảo mật xác định IEEE 802.15.4, kiểu mạng hình Hình Mạng cảm biến không dây Zigbee IEEE 802.15.4 (tần số 2.4 Ghz, tốc độ liệu 256 kbps) cung cấp khoảng cách kết nối điểm tới điểm lên đến km Bên cạnh đó, lớp mạng Zigbee hỗ trợ mạng mạng lưới chung Mỗi mạng phải có thiết bị điều phối Trong mạng sao, điều phối viên phải nút trung tâm Cả mạng mắt lưới cho phép sử dụng định tuyến Zigbee để mở rộng giao tiếp cấp độ mạng Một tính xác định khác Zigbee phương tiện để thực liên lạc an toàn, bảo vệ việc thiết lập vận chuyển khóa mật mã, khung mã hóa thiết bị điều khiển Giải pháp kết nối chia sẻ hệ thống sở liệu phục vụ công tác đào tạo, quản lý lĩnh vực tài ngun mơi trường 163 Hình 2: Cấu hình mạng cảm biến khơng dây Cấu hình mạng Zigbee gồm ba thành phần: - Điều phối viên Zigbee (ZC): Thiết bị có khả nhất, điều phối viên tạo thành gốc mạng kết nối với mạng khác Trong mạng có xác điều phối viên Zigbee thiết bị khởi động mạng ban đầu (thông số kỹ thuật Zigbee LightLink cho phép hoạt động mà khơng cần điều phối viên Zigbee) Nó lưu trữ thơng tin mạng, bao gồm đóng vai trị trung tâm tin cậy kho lưu trữ cho khóa bảo mật - Bộ định tuyến Zigbee (ZR): Cũng chạy chức ứng dụng, định tuyến hoạt động định tuyến trung gian, truyền liệu từ thiết bị khác - Thiết bị kết thúc Zigbee (ZED): Thiết bị chứa đủ chức để giao tiếp với nút cha (Điều phối viên định tuyến); khơng thể chuyển tiếp liệu từ thiết bị khác Mối quan hệ cho phép nút ngủ khoảng thời gian đáng kể thời lượng pin kéo dài Một ZED địi hỏi nhớ đó, sản xuất tốn so với ZR ZC Trong mạng Zigbee này, nút cảm biến cấu hình thành định tuyến thiết bị đầu cuối nút điều phối cấu hình thành Coordinator để giao tiếp với mạng khác Mạng Zigbee thiết kế dựa Module Zigbee DRF1605 CC2530, sử dụng chip hãng Microchip mang lại khả hoạt động ổn định bền bỉ Mạng Zigbee giúp nút cảm biến gửi liệu nút điều phối nhằm phục vụ cho mục đích lưu trữ tạm thời truyền lên sở liệu trực tuyến Internet Cấu hình mạng 3G/GPRS/GSM: - Cấu hình mạng thiết lập nút điều phối giúp gửi liệu lên sở liệu Internet để lưu trữ tra cứu, phục vụ cho mục đích giám sát Đồng thời, liệu gửi đến điện thoại người quản lý - Đối với người sử dụng cần đăng ký gói cước viễn thơng thơng qua nhà mạng cung cấp để trì dịch vụ Phương pháp thiết kế thành phần hệ thống IoTs 2.1 Khái quát hệ thống IoTs Mạng lưới cảm biến kết nối tới giao thức mạng thiết bị IoTs sử dụng giải pháp không dây thu thập truyền tải tín hiệu analog/tín hiệu digital, dựa theo chuẩn IEEE 802.15.4 giao thức ZigBee Hình Các remote I/O kết nối với cảm biến qua tín 164 Giải pháp kết nối chia sẻ hệ thống sở liệu phục vụ công tác đào tạo, quản lý lĩnh vực tài nguyên môi trường hiệu quan trắc thu thập từ xa thơng số khí CO, CO2, CH4, NO2,… Mạng cảm biến khơng dây có nhiều nút mạng, nút mạng kết nối với hay nhiều cảm biến Topo mạng gồm ba thành phần chính: - Bộ điều phối: Là trung tâm thu thập, chuyển giao truyền tải liệu không dây đến thiết bị khác; - Router: Là thiết bị tăng cường tín hiệu khơng dây định tuyến không dây sử dụng để chọn đường tối ưu cho truyền thông không dây điều phối nút cuối; - Thiết bị cuối: Thiết bị cuối (End Node) remote I/O không dây thu thập liệu Thông tin lấy từ cảm biến sau truyền tải qua nút mạng trực tiếp gián tiếp thơng qua router Hình 3: Sơ đồ mô tả hoạt động hệ thống IoT 2.2 Thiết kế nút điều phối Nút điều phối thiết kế dựa bo mạch chủ Arduino Mega module truyền thơng Bo mạch chủ Arduino Mega có vai trò xử lý điều phối dòng liệu Dữ liệu nhận từ nút cảm biến thông qua mạng cảm biến khơng dây Zigbee sau xử lý truyền lên sở liệu mạng Internet, thông qua mạng viễn thông 3G/GPRS/GSM, đồng thời tin nhắn chứa thông tin quan trắc gửi tới thuê bao nhà quản lý Bên cạnh đó, GPS sử dụng để lấy vị trí thiết bị Bluetooth BLE sử dụng để gửi liệu trực tiếp từ nút điều phối qua thiết bị di dộng Dữ liệu hiển thị hình LCD giúp nhà quản lý dễ dàng quan sát Nút điều phối cung cấp lượng lượng mặt trời, phần lượng dư thừa lưu trữ pin Lithium 5200 mAh cho hoạt động nút vào ban đêm Hình 4: Cấu trúc nút điều phối Giải pháp kết nối chia sẻ hệ thống sở liệu phục vụ công tác đào tạo, quản lý lĩnh vực tài nguyên mơi trường 165 2.2.1 Arduino Mega Arduino Mega dịng vi điều khiển sử dụng phổ biến với giá thành vừa phải đáp ứng khả tính tốn hệ thống Vi điều khiển Arduino Mega cung cấp đầy đủ kết nút phần cứng với thiết bị ngoại vi với chuẩn kết nối khác như: UART, SPI, I2C, ADC, I/O, giúp cho việc kết nối vi điều khiển cảm biến module truyền thông cách dễ dàng [4] 2.2.2 Mơ đun GPS Hình Vi điều khiển Arduino Mega LEA - 6H mô đun thu GPS GALILEO độc lập hiệu suất cao thiết kế phép di chuyển dễ dàng, đơn giản từ phiên trước LEA - Nó có tính cơng nghệ thu tín hiệu yếu KickStart u - blox, tùy chọn kết nối linh hoạt LEA - 6H kèm với nhớ Flash tích hợp cho phép cập nhật chương trình sở lưu trữ cài đặt cấu hình cụ thể RAM khơng bay Trình giám sát ăng ten tích hợp hỗ trợ ăng ten bên ngồi hoạt động, chẳng hạn ăng ten GPS hiệu suất cao AN - blox ‘ANN Thông số kỹ thuật: - Cơng suất mơ đun: 5,00 V - Kích thước mơ đun: 43 mm × 32 mm - Phạm vi đo: - 14PH - Phạm vi nhiệt độ cần đo: - 60 ℃ - Độ xác: ± 0,1pH (25 oC) - Thời gian đáp ứng: