Microsoft Word bia Mau doc Bé c«ng th−¬ng viÖn ®iÖn tö – tin häc b¸o c¸o tæng kÕt ®Ò tµi kh&cn cÊp bé nghiªn cøu chÕ t¹o hÖ thèng gi¸m s¸t ng−êi lao ®éng trong hÇm lß M sè 191 08RD/H§ KHCN chñ nhiÖm ®[.]
Những vấn đề chung ………………………………………………………………… … … …………2 1.1 Thông tin về đề tài …………………………………………………………………………… …………2 1.2 Tính cấp thiết của đề tài
Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới
1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước
Theo chúng tôi khảo sát, hiện tại ở Việt Nam chưa có tổ chức hay cá nhân nào nghiên cứu chế tạo một hệ thống tương tự như sản phẩm dự kiến của ủề tài này Cỏc hệ thống quản lý nhõn sự bằng thẻ, ỏp dụng tại cỏc cửa ra vào ủược cỏc cụng ty thương mại cung cấp phổ biến là sản phẩm của cỏc hóng nước ngoài Tại Viện nghiờn cứu ðiện tử, Tin học, Tự ủộng húa ủó nghiờn cứu và triển khai thành cụng hệ thống quản lý ủối tượng ra/vào bằng thẻ RFID, tại một số hội chợ công nghiệp và triển lãm Viễn thông cũng có các doanh nghiệp chào bán các hệ thống quản lý nhân sự bằng thẻ, tuy nhiên, qua tìm hiểu chúng tôi thấy các hệ thống này hiện cũng chưa ủược ỏp dụng rộng rói tại Việt Nam vỡ yờu cầu về mặt quản lý nhõn sự tại cỏc cơ quan chưa ủặt ra cấp bỏch Trong tương lai, cỏc nhà mỏy sản xuất lớn, cỏc tổ chức, ủơn vị cú nhu cầu giỏm sỏt quản lý nhõn sự chặt chẽ trong cỏc tũa nhà là những khỏch hàng tiềm năng ủối với dũng sản phẩm này.
Tại cỏc cụng ty than hầm lũ tại Việt Nam, hiện chỉ cú cụng ty than Mạo Khờ cú lắp ủặt hệ thống quản lý tập trung cụng nhõn ra/vào hầm lũ bằng thẻ Tuy vậy, hệ thống này ủang ở giai ủoạn ỏp dụng thử nghiệm ban ủầu, chưa ủỏp ứng ủược yờu cầu quản lý vỡ chưa quản lý ủược cụng nhõn vào/ra tại tất cả cỏc cửa hầm lũ, chưa xỏc ủịnh ủược vị trớ hiện thời của người cụng nhõn ủang làm việc hay hoạt ủộng ở ủõu Cỏc hóng chào bỏn thiết bị quản lý người trong hầm lò cho khách hàng là các công ty khai thác than khoáng sản chủ yếu chào bán các hệ thống quản lý bằng thẻ từ, thẻ thu/phát vô tuyến tần số thấp, phạm vi hẹp, thích hợp lắp ủặt tại cỏc cửa ra/vào Chưa thấy cú sản phẩm chào bỏn nào là một hệ thống mạng vụ tuyến quản lý ủối tượng tập trung, cú khả năng xỏc ủịnh vị trớ của người lao ủộng trong hầm lũ và hỗ trợ cỏc cảnh bỏo cần thiết ủối với nghiệp vụ quản lý người lao ủộng tại hiện trường khai thác.
1.3.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới ðối với các nước có ngành công nghiệp khai khoáng phát triển như Mỹ, Nhật, Canada, Trung Quốc, Nga, Australia, … thì các công nghệ phụ trợ cho ngành khai khoáng cũng rất phỏt triển, trong ủú cú cỏc cụng nghệ phục vụ cho an toàn lao ủộng trong khai thỏc than hầm lũ như cỏc Thiết bị bảo hộ, Thiết bị thụng giú, Thiết bị ủo và cảnh bỏo khớ ủộc, khớ chỏy nổ, Hệ thống giỏm sỏt vị trớ ủối tượng (người lao ủộng, mỏy múc thiết bị) trong hầm lũ cũng ủược nghiờn cứu phỏt triển tại cỏc nước trờn và hiện ủó cú sản phẩm thương mại.
Cỏc hệ thống này cho phộp xỏc ủịnh ủược ủối tượng mang theo thẻ trong khoảng cỏch hàng chục một mà khụng yờu cầu phải quẹt thẻ qua cỏc bộ ủọc thẻ Cụng nghệ nũng cốt thường ủược sử dụng trong cỏc hệ thống này là cụng nghệ thu phỏt khụng dõy tần số cao từ hàng trăm MHz trở lên.
Chỳng tụi giới thiệu hai hệ thống giỏm sỏt vị trớ ủối tượng ủiển hỡnh sử dụng cụng nghệ thu phát không dây tần số cao, thông tin chi tiết về sản phẩm có thể tham khảo tại Website của nhà cung cấp.
A Hệ thống EZ – Tracer, Hãng chế tạo: Hellicom - Mỹ, Website: www.hellicom.com
H.1 Minh họa nguyên lý hệ thống EZ-Tracer
EZ - Tracer là hệ thống xỏc ủịnh vị trớ ủối tượng theo thời gian thực, dựa trờn nền cụng nghệ mạng không dây Zigbee, hệ thống này gồm có:
-Thiết bị trung tâm: Thiết bị này kết nối với máy tính qua giao diện USB, kết nối với các
Thiết bị ủọc thẻ qua kờnh vụ tuyến 2.4GHz Thiết bị trung tõm cú chức năng thu thập thụng tin về vị trớ của cỏc thẻ di ủộng từ cỏc Thiết bị ủọc thẻ trong toàn mạng và gửi số liệu ủú cho PC.
-Thiết bị ủọc thẻ: Là cỏc thiết bị nhận diện mó số của thẻ di ủộng trong vựng phủ súng của mỡnh qua kờnh vụ tuyến, băng tần làm việc 2.4 GHz Mỗi thiết bị ủọc thẻ gắn với một khu vực xỏc ủịnh, thiết bị này cũn cú vai trũ ủịnh tuyến cỏc gúi dữ liệu trong mạng Thụng tin về vị trớ của Thẻ di ủộng ủược gửi về Thiết bị trung tõm qua một hoặc nhiều chặng vụ tuyến trong mạng Một Thiết bị ủọc thẻ cú khả năng nhận biết ủồng thời 14 Thẻ di ủộng trong phạm vi phủ sóng của mình.
-Thẻ di ủộng: Phỏt mó phõn biệt thẻ tới cỏc Thiết bị ủọc thẻ qua kờnh vụ tuyến 2.4 GHz theo chuẩn Zigbee (IEEE 802.15.4).
-Phần mềm mụ phỏng: Cho phộp quản lý tối ủa 100 Thiết bị ủọc thẻ và 2000 Thẻ di ủộng.Thực tế, tựy vào nhu cầu cụ thể của từng ứng dụng mà người sử dụng lựa chọn và ủặt hàng với số lượng cỏc thiết bị cụ thể với nhà cung cấp.
Cấu hình và giá tham khảo:
Thành phần EZ-Tracer EZ-Tracer mở rộng
Mã nguồn Tùy chọn Tùy chọn
[Theo báo giá của Hellicom Taiwan, tháng 5 năm 2008]
EZ - Tracer sử dụng cỏc thiết bị thu phỏt vụ tuyến hoạt ủộng tại băng tần 2.4 GHz theo chuẩn Zigbee IEEE 802.15.4 ủể trao ủổi thụng tin nhận diện Một mạng lưới cỏc Thiết bị ủọc thẻ sẽ bỏo cỏo cỏc thụng tin về vị trớ của một Thẻ di ủộng ủang hoạt ủộng trong phạm vi của mạng về trung tâm quản lý Các thành phần của hệ thống EZ - Tracer gồm:
H.2 Thành phần hệ thống xác định vị trí đối tượng theo thời gian thực EZ-Tracer.
Hãng chế tạo: Mine Site Technologies, Australia; Website: www.minesite.com.au
Tracker Tagging là hệ thống ủược chế tạo theo cỏc tiờu chuẩn thiết bị hầm lũ Hệ thống này cũng sử dụng cỏc Thẻ di ủộng phỏt mó phõn biệt ủối tượng qua băng vụ tuyến tới cỏc Thiết bị ủọc thẻ rồi truyền về Thiết bị trung tõm qua ủường truyền cỏp Ethernet hoặc RS-485 tốc ủộ cao Cỏc thiết bị thành phần trong hệ thống gồm cú: Thẻ di ủộng, Thiết bị ủọc thẻ, Thiết bị trung tâm và Phần mềm quản lý thẻ.
-Thiết bị trung tõm: Là thiết bị ủặt tại trung tõm ủiều hành, thiết bị này kết nối với cỏc Bộ ủọc thẻ qua cỏp Ethernet hoặc RS-485 ủể thu thập thụng tin về cỏc Thẻ di ủộng từ cỏc khu vực khác nhau.
-Bộ ủọc thẻ: ðược bố trớ phõn tỏn theo từng khu vực cần giỏm sỏt, thiết bị này kết nối với cỏc Thẻ di ủộng qua kờnh vụ tuyến UHF 433 MHz hoặc 2.4 GHz ủể nhận diện mó Thẻ. Thụng tin truyền về trung tõm qua mạng cỏp RS-485 hoặc Ethernet tốc ủộ cao.
-Thẻ di ủộng: Mỗi thẻ gắn với một mó nhận diện duy nhất sử dụng ủể trả lời khi ủược
Bộ ủọc thẻ yờu cầu Thẻ di ủộng liờn lạc với Bộ ủọc thẻ trờn băng tần UHF 433 MHz hoặc 2.4 GHz.
-Phần mềm quản lý: Cài ủặt trờn mỏy tớnh, phần mềm cú tớnh năng cập nhật vị trớ của cỏc
Thẻ di ủộng theo sơ ủồ ủường lũ mụ phỏng Thụng tin về cỏc ủối tượng ủược quản lý là một cơ sở dữ liệu gồm cỏc trường: Mó thẻ, Số hiệu ủối tượng, Tờn gọi, Vị trớ vừa cập nhật, Thời ủiểm cập nhật gần nhất, Chức trỏch.
Dưới ủõy là hỡnh ảnh về cỏc thành phần trong hệ thống Tracker Tagging:
H.3 Hệ thống Tracker Tagging Cỏc hệ thống ủược giới thiệu trờn ủõy ủều là cỏc sản phẩm thương mại, tuy nhiờn chưa cú hệ thống nào ủược lắp ủặt tại cỏc mỏ than trong nước Cỏc cụng ty khai thỏc than hầm lò hiện rất quan tõm ủến hệ thống thiết bị quản lý người lao ủộng trong hầm lũ Tuy nhiờn, do việc sử dụng các hệ thống nhập từ nước ngoài còn gặp nhiều khó khăn trong quá trình triển khai lắp ủặt và sử dụng, ủặc biệt là việc bảo hành bảo trỡ hoặc hỗ trợ kỹ thuật trong quỏ trỡnh vận hành khai thỏc do ủội ngũ làm thương mại trong nước khụng làm chủ ủược cụng nghệ thiết kế chế tạo, cũng bởi giá thành của các hệ thống ngoại nhập còn khá cao vì thế ủến nay vẫn chưa cú cụng ty nào lựa chọn lắp ủặt hệ thống giỏm sỏt quản lý người lao ủộng trong hầm lũ của nước ngoài như ủó trỡnh bày.
Trong ủiều kiện khai thỏc than ngày càng mở rộng và xuống sõu dưới lũng ủất với ủịa hỡnh hầm lò phức tạp thì càng cần thiết ứng dụng các hệ thống kỹ thuật trợ giúp công tác giám sỏt, quản lý lao ủộng ủể ủảm bảo an toàn, cũng như tỡm kiếm cứu nạn khi cú rủi ro, tai nạn xảy ra ủối với người lao ủộng dưới hầm lũ ðiều này ủặt ra vấn ủề nghiờn cứu trong nước ủể tự chủ về cụng nghệ, tự chủ khả năng ủiều chỉnh và phỏt triển cụng nghệ cho phự hợp với ủiều kiện thực tế hầm lũ khai thỏc than tại Việt Nam, một mặt hạ giỏ thành sản phẩm so với sản phẩm tương ủương của nước ngoài, mặt khỏc ủội ngũ kỹ thuật trong nước cú thể ủỏp ứng nhanh cỏc yờu cầu của người sử dụng do hoàn toàn làm chủ cụng nghệ thiết kế, chế tạo hệ thống sản phẩm của mình.
Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống giám sát người lao động trong hầm lò (Tên gọi: V-Link)
Công nghệ nhận biết đối tượng qua sóng vô tuyến (RFID) ……………………….……13 1 Khái quát về công nghệ RFID
Kết nối vụ tuyến giữa Thẻ RFID và Bộ ủọc thẻ cũng chịu ảnh hưởng bởi tần số ủược sử dụng, tần số làm việc xỏc ủịnh tốc ủộ truyền/nhận dữ liệu cũng như khoảng cỏch liờn lạc vô tuyến giữa hai thiết bị Tần số cao hơn thường cho phép truyền/nhận với khoảng cách xa hơn Cỏc Thẻ hoạt ủộng ở tần số thấp (LF), là cỏc tần số dưới 135 KHz, thớch hợp với những ứng dụng trong khoảng cách ngắn như các hệ thống nhận biết vật nuôi, hệ thống chống mất cắp, tích hợp vào chìa khóa ô tô,…
Cỏc hệ thống hoạt ủộng tại băng tần 13.56 MHz ủược xếp vào băng súng cao tần (HF), cả thẻ tần số thấp hay thẻ cao tần ủều cú thể là thẻ bị ủộng, Bộ ủọc thẻ cú thể ủọc ủồng thời nhiều thẻ cao tần với tốc ủộ ủọc nhanh hơn ủối với cỏc thẻ tần số thấp.
Băng tần thứ ba ủược sử dụng trong ứng dụng RFID là băng siờu cao tần (UHF), cỏc Thẻ siờu cao tần thường ủược gắn vào cỏc kiện hàng ủể vận chuyển từ nhà cung cấp tới cỏc cửa hàng hoặc ủại lý Cỏc thẻ này thường hoạt ủộng ở băng tần 450 MHz, 900 MHz hoặc cao hơn nờn cú thể ủược ủọc từ khoảng cỏch xa hơn so với cỏc loại thẻ tần số thấp, thụng thường khoảng cỏch ủọc thẻ trong thực tế vào khoảng vài một, tuy nhiờn, thẻ UHF rất nhạy cảm với cỏc yếu tố mụi trường như nước (ủộ ẩm, mưa,…), cỏc yếu tố này làm hao tổn năng lượng Pin của thẻ và cú thể làm mất liờn lạc giữa thẻ và Bộ ủọc.
2.2.2 Tìm hiểu một số công nghệ thu/phát vô tuyến
Hoạt ủộng liờn lạc và trao ủổi thụng tin trờn thế giới ngày nay hết sức tiện lợi nhờ thành quả của sự phỏt triển khụng ngừng cỏc ngành khoa học cụng nghệ, ủặc biệt là cụng nghệ ðiện tử viễn thụng và thụng tin liờn lạc Ngoài cỏc cụng nghệ vụ tuyến ủó trở nờn quen thuộc như GSM, CDMA, GPS,… ủó ủược ứng dụng phổ biến trong cỏc mạng ủiện thoại di ủộng, mạng vệ tinh ủịnh vị toàn cầu, hiện nay cũng ủang xuất hiện một số cụng nghệ mới hứa hẹn giải quyết ủược nhiều vấn ủề khỏc nhau trong cỏc ứng dụng cỏ nhõn và cỏc mạng diện rộng Theo ủịnh hướng của ủề tài này là nghiờn cứu chế tạo hệ thống giỏm sỏt người lao ủộng trong hầm lũ, ủõy là một hệ thống giỏm sỏt cỏc ủối tượng chuyển ủộng trong một khu vực xỏc ủịnh nờn chỳng ta khụng bàn tới cỏc cụng nghệ khụng dõy như mạng GSM hay GPS, ở ủõy chỳng tụi xin lựa chọn giới thiệu một số cụng nghệ khụng dõy gần giống nhau trong cựng bộ tiờu chuẩn IEEE 802 về cụng nghệ khụng dõy, ủú là cỏc cụng nghệ mới trở nờn phổ biến trong một vài năm gần ủõy như WiFi, WiMax, Bluetooth, Zigbee.
Biểu ủồ sau ủõy trỡnh bày tương quan giữa một số cụng nghệ khụng dõy thuộc nhúm tiờu chuẩn IEEE 802, biểu ủồ này so sỏnh tốc ủộ truyền dữ liệu và ứng dụng phự hợp ủối với mỗi cụng nghệ khỏc nhau.
H.7 Biểu đồ so sánh một số công nghệ vô tuyến trong IEEE
WiFi viết tắt từ Wireless Fidelity, là tiêu chuẩn vô tuyến IEEE 802.11/a/b/g/n thông dụng hiện nay, ủược sử dụng nhiều tại cỏc sõn bay, khỏch sạn, nhà ga, quỏn Cafộ WiFi cho phộp nhiều thiết bị cựng truy nhập Internet băng thụng rộng với tốc ủộ dữ liệu lờn tới 54 Mbps thậm chí có thể cao hơn với những chuẩn sau này.
Cỏc thiết bị WiFi hoạt ủộng ở băng tần miễn ủăng ký 2.4 GHz hoặc 5 GHz Băng tần 2.4 GHz cho phộp mở rộng phạm vi hoạt ủộng hơn so với băng tần 5 GHz tuy nhiờn tốc ủộ truyền dữ liệu ở băng tần 5 GHz tốt hơn so với băng 2.4 GHz Wifi ủược tớch hợp trong
Mỏy tớnh xỏch tay, ðiện thoại di ủộng và nhiều thiết bị ủiện tử khỏc, vựng hoạt ủộng của một mạng WiFi thường cú bỏn kớnh dưới 100m tựy vào ủiều kiện mụi trường xung quanh và cú thể mở rộng nếu sử dụng cỏc thiết bị lặp hoặc lắp ủặt Anten ủẳng hướng Mức tiờu thụ năng lượng của Wifi lớn nờn ủõy là một vấn ủề ủỏng quan tõm ủối với cỏc thiết bị di ủộng.
WiMax là từ viết tắt của cụm từ Worldwide Interoperability Microwave Access WiMax là công nghệ truyền dữ liệu không dây với nhiều phương thức khác nhau, từ truyền/nhận ủường trục cấu hỡnh ủiểm – ủiểm ủến cỏc thiết bị di ủộng truy nhập Internet Cụng nghệ này cho phộp tốc ủộ truyền dữ liệu qua kờnh vụ tuyến lờn tới 75 Mbps WiMax ủược trỡnh bày tại tiờu chuẩn IEEE 802.16, băng thụng của WiMax và phạm vi hoạt ủộng của nú thớch hợp với những ứng dụng sau:
- Kết nối cỏc ủiểm truy nhập Wifi (Wi-Fi hotspots) với mạng Internet.
- Thay thế cỏc ủường truyền dẫn băng rộng hữu tuyến trong trường hợp bất khả khỏng, vớ dụ: WiMax cú thể ủược sử dụng ủể ứng cứu ủường trục thụng tin liờn lạc cấp tỉnh trong trường hợp một tỉnh bị cụ lập bởi thiờn tai làm ủứt cỏc tuyến cỏp ủường trục thụng tin liờn lạc với tỉnh ủú ra bờn ngoài.
- Cung cấp các dịch vụ viễn thông và truyền dẫn dữ liệu.
- Cung cấp dịch vụ Internet vô tuyến băng rộng trong phạm vi thành phố.
- Kết nối cỏc thiết bị di ủộng.
WiMax và WiFi thường có thể bị nhầm lẫn với nhau vì ký hiệu gần giống nhau và cùng thuộc họ tiờu chuẩn IEEE 802, tuy nhiờn, hai cụng nghệ này hướng ủến hai hướng ứng dụng khỏc nhau Trong khi WiFi sử dụng băng tần miễn phớ và hướng ủến cỏc ứng dụng cỏ nhõn với phạm vi hẹp thỡ WiMax hoạt ủộng tại băng tần trả phớ ủể phục vụ kết nối cỏc thiết bị ủường trục trong khoảng cỏch lớn Hiện nay phạm vi hoạt ủộng của cỏc cụng nghệ này khụng ngừng ủược cải thiện nhờ cỏc cụng nghệ ủiều chế, cụng nghệ phõn tập Anten và cỏc cụng nghệ phụ trợ khỏc Cỏc thiết bị WiMax yờu cầu sử dụng cỏc Anten lớn ủể cải thiện ủộ lợi trong thu/phỏt tớn hiệu ủồng thời tiờu thụ nhiều năng lượng, vỡ vậy WiMax thớch hợp hơn với cỏc thiết bị cố ủịnh.
Bluetooth (IEEE 802.15.1) là giao thức truyền dữ liệu trong khoảng cách ngắn giữa các thiết bị di ủộng hoặc cố ủịnh tạo nờn cỏc mạng dữ liệu cỏ nhõn (PANs), giao thức này nhằm thay thế ủường cỏp dữ liệu RS-232 và cho phộp kết nối ủồng bộ vài thiết bị với nhau như mỏy tớnh, mỏy in, mỏy Fax, mỏy Photocopy, mỏy ủiện thoại di ủộng, cỏc thiết bị ủiều khiển tương tác và các vật dụng cá nhân,… nên công nghệ này rất thích hợp với những ứng dụng cá nhân và ứng dụng văn phòng Bluetooth sử dụng công nghệ trải phổ nhảy tần (FHSS – Frequency Hopping Spread Spectrum), dữ liệu cần gửi ủược chẻ ra thành nhiều gúi nhỏ và truyền ủi trờn 79 tần số khỏc nhau Ở chế ủộ thụng thường, Bluetooth sử dụng phương thức ủiều chế khúa dịch tần Gauss (GFSK) và cho phộp truyền dữ liệu với tốc ủộ tới 1 Mbps trên băng tần miễn phí 2.4 GHz Giao thức này thích hợp với các ứng dụng yêu cầu tiêu thụ ớt năng lượng trong khoảng cỏch gần, phạm vi hoạt ủộng của thiết bị Bluetooth từ 1m ủến 100m phụ thuộc vào công suất tiêu thụ của Chíp thu/phát, cụ thể như sau:
Phõn chia Cụng suất cực ủại cho phép mW (dB)
Khoảng cách kết nối ( xấp xỉ tương ủối )
So sỏnh với Wi-Fi, Bluetooth và Wi-Fi tương ủối giống nhau vỡ sử dụng cựng băng tần vụ tuyến, tuy nhiờn hai cụng nghệ này sử dụng hai phương thức ủiều chế khỏc nhau Bluetooth phự hợp với cỏc ứng dụng cỏ nhõn trong phạm vi hẹp trong khi Wi-Fi hướng ủến cỏc mạng truy cập dữ liệu nội bộ và cổng kết nối Internet không dây Chi phí cho các thiết bị Wi-Fi cao hơn ủối với thiết bị Bluetooth, tuy nhiờn mạng Wi-Fi lại cú mức ủộ bảo mật cao hơn.
Zigbee là cụng nghệ mạng khụng dõy hướng ủến cỏc ứng dụng tốc ủộ dữ liệu thấp, tiờu thụ năng lượng nhỏ, chi phớ thấp, cỏc ứng dụng trong lĩnh vực tự ủộng húa, ủiều khiển từ xa. Ngay sau ủú tiờu chuẩn IEEE 802.15.4 quy ủịnh về truyền dữ liệu khụng dõy tốc ủộ thấp cũng ủược tổ chức IEEE xõy dựng, vỡ thế hiệp hội Zigbee và tổ chức IEEE ủó hợp nhất tiờu chuẩn này và lấy Zigbee là tên thương mại của công nghệ này.
Cụng nghệ Zigbee ủược nghiờn cứu phỏt triển nhằm thiết lập cỏc kết nối khụng dõy tốc ủộ thấp, tiêu thụ ít năng lượng, thích hợp với các thiết bị chạy Pin liên tục trong vòng vài tháng ủến vài năm nhưng khụng yờu cầu truyền nhận dữ liệu nhanh như kết nối Bluetooth Tuy vậy, Zigbee linh hoạt trong việc thiết lập cỏc cấu hỡnh mạng cũng như cú giao thức ủồng bộ dữ liệu tin cậy hơn so với Bluetooth Các thiết bị thu phát không dây theo tiêu chuẩn này có thể thu phỏt dữ liệu trong cự ly từ 10 ủến 100 một tựy thuộc vào ủiều kiện mụi trường truyền dẫn và mức cụng suất bức xạ ủầu ra theo yờu cầu của mỗi ứng dụng cụ thể, và hoạt ủộng với cỏc băng tần ủược miễn ủăng ký trờn toàn thế giới (2.4 GHz toàn cầu, 915 MHz tại chõu Mỹ hoặc 868 MHz tại chõu Âu) Tốc ủộ dữ liệu ủạt 250 kbps tại băng tần 2.4 GHz,
80 kbps tại băng tần 915 MHz và 20 kbps tại băng tần 868 MHz.
Thiết kế chế tạo Trạm trung tâm (V-Link Master) …………………………… … …….32 1 Sơ đồ khối nguyên lý………………………………………………………… .… ……32 2 Lưu đồ thuật toán
2.4.1 Sơ ủồ khối nguyờn lý
H.13 Sơ đồ khối nguyên lý Trạm trung tâm
- Khối nguồn: Trạm trung tõm hoạt ủộng bằng nguồn ủiện lưới trong phũng ủiều hành trung tõm, ủiện ỏp lưới 220V/50Hz, sử dụng bộ chuyển ủổi AC/DC và ổn ỏp mức Vcc cấp nguồn một chiều ổn ủịnh cho hoạt ủộng của cỏc khối chức năng khỏc.
- Khối vi ủiều khiển: Là trung tõm ủiều hành cỏc hoạt ủộng của thiết bị ủảm bảo cỏc chức năng kết nối trao ủổi dữ liệu với cỏc Trạm khu vực và Mỏy tớnh.
- Khối truyền thụng RS-232: Là ủường truyền vật lý giữa Trạm trung tõm với Mỏy tớnh.
- Khối truyền thông RS-485: Kênh truyền thông công nghiệp kết nối Trạm trung tâm với cácTrạm khu vực về phương diện vật lý.
- Khối ISOLATOR: Cỏch ly về ủiện giữa cỏp truyền với mạch ủiện ủể bảo vệ mạch ủiện khụng bị hư hỏng bởi cỏc xung ủiện ỏp cao cảm ứng trờn ủường truyền do mụi trường hầm lũ thường xuyờn bị ảnh hưởng bởi sột cảm ứng lan truyền trờn ủường cỏp tớn hiệu.
- RAM, ROM, RTC: Là bộ nhớ và ủồng hồ thời gian thực phục vụ tớnh năng lưu số liệu và tham chiếu thời gian khi cần.
Sơ ủồ nguyờn lý (xem phụ lục)
Thụng số kỹ thuật của mạch ủiện Trạm trung tõm như sau:
ðiện ỏp làm việc: 90 ữ 240 Vac, nguồn ủiện lưới.
Dũng ủiện tiờu thụ: o Bình thường: 10 mA Max o Truyền/nhận RS-485, RS-232: 100 mA Max
Tốc ủộ truyền dữ liệu qua ủường RS-232: 19.2 kb/s
Tốc ủộ truyền dữ liệu qua ủường RS-485: 19.2 kb/s
Mô tả các linh kiện chính:
Phần tử linh kiện chớnh ủỏng quan tõm trong sơ ủồ mạch ủiện của Trạm trung tõm là vi mạch ủiều khiển MicroChip PIC18F8520 với ủặc tớnh kỹ thuật như sau:
- Là vi xử lý RISC hiệu suất cao, cấu trúc tập lệnh tối ưu.
- 32 Kbytes bộ nhớ chương trình Flash.
- 2048 Bytes bộ nhớ dữ liệu SRAM.
- 1024 Bytes bộ nhớ dữ liệu EEPROM.
- DC – 40 MHz dao ủộng thạch anh.
- Khả năng mở rộng bộ nhớ ngoài lên tới 2 Mbytes, giao diện 16-bit.
- Dòng tải tại các chân I/O: 25mA.
- 5 chế ủộ ủồng hồ/bộ ủếm 8-bit và 16-bit.
- Hỗ trợ các giao diện: SPI, I 2 C.
- Hai cổng truyền thông USART, hỗ trợ chuẩn RS-485, RS-232.
- 16 kờnh ADC ủộ phõn giải 10-bit, hoạt ủộng cả trong chế ủộ ngủ.
- Hỗ trợ chế ủộ nghỉ chờ tiết kiệm năng lượng.
- Khụng cần thỏo Chip ra khỏi mạch ủiện khi nạp chương trỡnh.
- Dải ủiện ỏp làm việc rộng, từ 2.0V ủến 5.5V.
- Làm việc trong dải nhiệt ủộ mụi trường cụng nghiệp hoặc cao hơn.
Với cỏc ủặc tớnh kỹ thuật tối ưu của dũng Vi ủiều khiển PIC và sự hoạt ủộng ổn ủịnh tin cậy cũng như tiết kiệm năng lượng, lựa chọn Chip PIC18F8520 ủể thiết kế mạch ủiện Trạm ủiều khiển trung tõm cũng ủỏp ứng ủược yờu cầu về bộ nhớ chương trỡnh và dữ liệu ủủ ủể quản lý ủược 100 Trạm khu vực và 800 Mỏy di ủộng theo mục tiờu ủó ủề ra Một lý do nữa ủể lựa chọn Chip này cho Trạm trung tõm là cú thể sử dụng cả hai cổng truyền thụng USART ủược hỗ trợ cỏc giao diện RS-485 và RS-232 ủể kết nối với Mỏy tớnh và các Trạm khu vực một cách rất thuận tiện trong việc thiết kế phần cứng và lập trình cho Chip.
PC - Mỏy tớnh cài ủặt phần mềm quản lý giỏm sỏt.
H.14 Lưu đồ hoạt động của Trạm trung tâm
Mụ tả lưu ủồ hoạt ủộng của Trạm trung tõm:
Cỏc thụng số cấu hỡnh của thiết bị và cỏc module truyền thụng sẽ ủược thiết lập trong quỏ trỡnh khởi ủộng gồm khởi tạo cỏc thanh ghi ủiều khiển, lựa chọn chế ủộ truyền thụng, tốc ủộ baud cho cỏc ủường truyền RS232, RS485,… sau khi khởi ủộng Trạm trung tõm sẽ vào vũng chương trỡnh chớnh bắt ủầu bằng thủ tục chờ lệnh từ PC, lệnh từ PC cú thể là lệnh yêu cầu dữ liệu từ một Trạm khu vực cụ thể hoặc là lệnh yêu cầu tìm kiếm một Máy di ủộng nào ủú trong mạng Nếu nhận ủược lệnh yờu cầu dữ liệu từ một Trạm khu vực, Trạm trung tõm sẽ gửi lệnh ủú ủến Trạm khu vực cú ủịa chỉ theo yờu cầu của PC sau ủú chờ tớn hiệu trả lời Nếu trong một khoảng thời gian Timeout nhất ủịnh mà khụng cú tớn hiệu trả lời từ Trạm khu vực vừa ủược yờu cầu thỡ Trạm trung tõm sẽ xỏc nhận cú lỗi truyền thụng với Trạm khu vực ủú và gửi bỏo lỗi ủến PC, ngược lại, nếu khung dữ liệu ủược nhận thành cụng thỡ Trạm trung tõm sẽ lưu khung dữ liệu vào bộ ủệm trong vựng nhớ SRAM sau ủú gửi về PC ủể cập nhật thụng tin về cỏc Mỏy di ủộng cú trong phạm vi phủ súng của Trạm khu vực theo yờu cầu ban ủầu của PC, kết thỳc chu trỡnh này sẽ bắt ủầu chu trỡnh mới tương tự bằng thủ tục chờ lệnh truyền từ PC.
Cấu trỳc lệnh Trạm trung tõm nhận từ PC là ủịa chỉ của Trạm khu vực hoặc ủịa chỉ của Mỏy di ủộng:
H.15 Byte lệnh của Máy tính, Trạm trung tâm
2.4.3 Thiết kế, chế tạo mạch in và vỏ hộp
Mạch in và vỏ hộp của Trạm trung tõm ủược thiết kế theo TCVN7079 về thiết bị an toàn làm việc trong mụi trường hầm lũ cú khớ và bụi nổ Tất cả cỏc linh kiện ủều khụng làm việc quỏ 2/3 mức cụng suất danh ủịnh, cỏc mối ghộp tại vỏ hộp ủều ủảm bảo ủược làm kớn bằng ủệm cao su dày 1,5mm, vỏ thiết bị chế tạo từ vật liệu Inox ủộ dày 1,2mm với cỏc kết cấu mối ghép theo TCVN7079 như sau:
Inox d = 1,2mm Đệm cao su d = 1,5mm
H.16 Kết cấu đệm làm kín theo TCVN7079 Trạm trung tâm Cỏc chi tiết cơ khớ trờn vỏ hộp Trạm trung tõm gồm cú: Led bỏo hiệu hoạt ủộng, cổng truyền thụng RS-485, cổng truyền thụng RS-232, dõy cấp nguồn ủiện và nhón mỏc thiết bị, cỏc chi tiết này phải ủảm bảo chắc chắn và ủược làm kớn ủể ngăn bụi và hơi nước từ mụi trường của mỏ than khụng ảnh hưởng ủến hoạt ủộng của mạch ủiện.
Bản vẽ chế tạo mạch in và vỏ hộp ủược trỡnh bày chi tiết tại phần Phụ lục trong bỏo cỏo này.
Thiết kế chế tạo Trạm khu vực (V-Link Slave) ………………………………… …….… 37 1 Sơ đồ khối nguyên lý………………………………………………………………………….……37 2 Lưu đồ thuật toán
2.5.1 Sơ ủồ khối nguyờn lý
H.17 Sơ đồ nguyên lý Trạm khu vực Hoạt ủộng của Trạm khu vực ủược duy trỡ bằng nguồn ủiện +12Vdc lấy từ bộ nguồn phũng nổ ủó ủạt ủược chứng chỉ kiểm ủịnh theo TCVN7079-11 ExdiaI do Viện NC ðiện tử, Tin học, Tự ủộng húa nghiờn cứu chế tạo, song song với nguồn ủiện lấy từ lưới ủiện trong hầm lò còn có nguồn Pin dự phòng.
Trạm khu vực sử dụng Chip vi ủiều khiển RISC 18F4620 làm bộ xử lý trung tõm, mạch truyền thụng RS-485 cú khối cỏch ly bảo vệ mạch ủiện khỏi cỏc xung ủiện ỏp cảm ứng lan truyền trờn ủường cỏp tớn hiệu Khối RF giao tiếp với Vi ủiều khiển qua giao diện SPI cú nhiệm vụ bức xạ tín hiệu ra môi trường không khí trên băng tần vô tuyến miễn phí 2.4 GHz,mạch RF sử dụng Chip MRF24J40 của hóng MicroChip kết hợp với Anten bức xạ ủược bố trớ bờn ngoài vỏ hộp ủể cải thiện ủộ lợi của Trạm khu vực nhằm gia tăng phạm vi phủ súng của Trạm.
Sơ ủồ nguyờn lý (xem tại phụ lục)
Thụng số hoạt ủộng của Trạm khu vực ủược thiết kế như sau:
ðiện áp làm việc: +12 Vdc từ bộ nguồn phòng nổ.
Dũng ủiện tiờu thụ: o Bình thường: 10 mA Max o Thu/phát RF: 35 mA Max o Truyền/nhận RS-485: 100 mA Max
Tần số bức xạ: 2.4 GHz, kênh 11
Tốc ủộ dữ liệu qua kờnh RF: 250 kb/s Max
Tốc ủộ dữ liệu qua ủường RS-485: 19.2 kb/s
Phạm vi bức xạ: 300m Max, tầm nhìn thẳng
Cú thể nhận biết ủược ủồng thời 800 Mỏy di ủộng ủi qua vựng phủ súng với vận tốc tối ủa 40km/h trờn mặt bằng, nếu giả sử che chắn do ủỏm ủụng khụng gõy suy hao tớn hiệu ủỏng kể.
Mô tả các linh kiện chính a Chip vi ủiều khiển PIC 18F4620
Là vi ủiều khiển dũng trung của hóng MicroChip cú hiệu suất làm việc cao và tiờu thụ ớt năng lượng, cỏc tớnh năng ủiển hỡnh cú:
- Cỏc ủặc tớnh quản lý mức cụng suất tiờu thụ: o Dũng tiờu thụ tại chế ủộ hoạt ủộng bỡnh thường: 11 A. o Dũng tiờu thụ tại chế ủộ chờ (Idle): 2,5 A. o Dũng tiờu thụ tại chế ủộ ngủ (Sleep): 100 nA.
- 4 chế ủộ cấp xung dao ủộng OSC, lớn nhất 40 MHz.
- Thời gian khụi phục hoạt ủộng từ chế ủộ chờ hoặc chế ủộ ngủ dưới 1s.
- Dòng tải của các chân I/O: 25 mA.
- Hỗ trợ 7 ngắt ngoài, 4 ngắt ủồng hồ thời gian nội (Timer) 8 bit, 16bit.
- Hỗ trợ các giao diện I2C, SPI, PWM.
- 1 Module truyền thông RS-232/RS-485.
- 13 kờnh ADC ủộ phõn giải 10 – bit, hoạt ủộng ngay cả trong chế ủộ nghỉ.
- Hỗ trợ nạp chương trình Onboard không cần tháo Chip.
- Dải ủiện ỏp làm việc rộng, từ 2V ữ 5.5V.
- 64 Kbytes bộ nhớ chương trình Flash.
- 3968 Bytes bộ nhớ dữ liệu SRAM.
- 1024 Bytes bộ nhớ dữ liệu EEPROM.
Hiện nay Trạm khu vực ủược thiết kế với khả năng quản lý ủược tối ủa 800 Mỏy di ủộng nờn bộ nhớ ủệm SRAM cần thiết phải ủủ lớn ủể lưu hết danh sỏch Mó nhận diện của cỏc Mỏy di ủộng cú thể cú mặt trong vựng phủ súng (theo một chu trỡnh quột), nếu mỗi Mỏy di ủộng cần 2 Bytes SRAM ủể lưu ủịa chỉ phõn biệt của Mỏy, thỡ trong trường hợp ớt xảy ra nhất là cú mặt ủủ cả 800 Mỏy di ủộng tại phạm vi phủ súng của một Trạm khu vực sẽ cần tới một vựng nhớ ủệm cú ủộ dài là 1600 Bytes Tuy nhiờn, cần lưu ý rằng ủõy là trường hợp hầu như khụng xảy ra trong thực tế mặc dự mỗi Trạm khu vực ủều dành ủủ tài nguyờn bộ nhớ ủủ ủể phục vụ hết cả 800 Mỏy di ủộng trong trường hợp ủạt lưu lượng lớn nhất. b Chip thu phát vô tuyến MRF24J40
Là Chip thu phát vô tuyến theo tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 của hãng MicroChip, các thông số kỹ chính thuật theo tài liệu của nhà cung cấp như sau:
- Hoàn toàn tương thích với chuẩn IEEE
- Hỗ trợ các giao thức MiWi, Zigbee và các giao thức vô tuyến khác.
- Cú chế ủộ tiết kiệm năng lượng.
- Mức tiêu thụ năng lượng thấp, 18 mA ở chế ủộ RX, 22 mA ở chế ủộ TX.
- Dũng ủiện tiờu thụ trong chế ủộ ngủ: 2 A.
- Hoạt ủộng tại băng tần ISM 2.405 ữ 2.48 GHz.
- ðộ nhạy thu: -91 dBm, BER = 10 -6
- Mức tớn hiệu ủầu vào phớa thu lớn nhất +5 dBm.
- Cụng suất phỏt danh ủịnh: 0 dBm.
- Dải ủiều chỉnh cụng suất phỏt: 38.75 dB.
- Tích hợp các mạch lọc và xử lý tín hiệu.
- Tích hợp mạch lấy mẫu chất lượng tín hiệu.
H.18 Chip thu phtuy802.15.4ến theo chuát vẩn IEEEô o Hỗ trợ bằng phần cứng cơ chế ủiều khiển ủa truy nhập trỏnh xung ủột CSMA-CA, cảm nhận năng lượng sóng mang trước khi truyền Cơ chế tự ủộng phỳc ủỏp (ACK) và kiểm soỏt lỗi (FCS). o Tự ủộng ủồng bộ và bỏo hiệu. o Hỗ trợ công cụ bảo mật AES-128. o Hỗ trợ cỏc chế ủộ CCA và RSS/LQI.
Sơ ủồ khối cấu trỳc của Chip MRF24J40:
H.19 Cấu trúc của Chip MRF24J40 Giao tiếp ủiều khiển Chip MRF24J40 thụng qua giao diện SPI gồm cỏc chõn SPI, SDO, SCK và /CS Vi xử lý truy nhập ghi/ủọc cỏc thanh ghi ủiều khiển cũng như cỏc thanh ghi dữ liệu của Chip RF thông qua giao tiếp SPI này Khi nhận thành công một khung dữ liệu,
H.20 Tổ chức bộ nhớ SRAM Chip MRF24J40
Chip RF sẽ thông báo cho Vi xử lý bằng cơ chế ngắt ngoài thông qua chân INT có thể lập trình phương thức báo ngắt.
Luồng dữ liệu phỏt và thu ủược bố trớ ở hai vựng bộ nhớ ủệm riờng rẽ cú ủộ dài tối ủa là
127 Bytes, cỏc thanh ghi ủiều khiển cũng ủược chia thành hai vựng gồm vựng thanh nghi ủịa chỉ ngắn và vựng thanh ghi ủịa chỉ dài Cú thể sử dụng bộ mó húa bảo mật dữ liệu ủể chống truy nhập trái phép hoặc không.
Bộ nhớ của Chip MRF24J40 sử dụng các thanh ghi SRAM, có 5 vùng thanh ghi khác nhau:
- Vựng thanh ghi ủiều khiển ủịa chỉ ngắn: 00h ữ 3Fh
- Vựng thanh ghi ủiều khiển ủịa chỉ dài: 200h ữ 27Fh.
- Bộ ủệm bảo mật: 280h ữ 2BEh.
Dữ liệu truyền qua kờnh vụ tuyến trong Hệ thống giỏm sỏt người lao ủộng trong hầm lũ khụng yờu cầu phải bảo mật vỡ chỉ ủơn giản là Mó nhận diện của cỏc Mỏy di ủộng, nờn khụng cần sử dụng cụng cụ bảo mật Việc lập trỡnh ủiều khiển hoạt ủộng của Chip cần chỳ ý tới cỏc thanh ghi ủiều khiển, bộ ủệm phỏt, bộ ủệm thu.
Khụng gian thanh ghi ủiều khiển ủịa chỉ ngắn
H.21 Không gian thanh ghi điều khiển địa chỉ ngắn
Chức năng một số thanh ghi quan trọng:
RXMCR: Thanh ghi ủiều khiển cấu hỡnh phớa thu.
PANIDL: Byte thấp ủịa chỉ của nỳt mạng.
PANIDH: Byte cao ủịa chỉ của nỳt mạng.
SADRL: Byte thấp ủịa chỉ nguồn phỏt.
SADRH: Byte cao ủịa chỉ nguồn phỏt.
EADR0 ữ EADR7: 8 Bytes ủịa chỉ MAC, sử dụng trong trường hợp lựa chọn chế ủộ ủịa chỉ dài.
RXFLUSH: Xúa bộ ủệm thu ủể sẵn sàng nhận khung dữ liệu mới.
TXNTRIG: Thanh ghi ủiều khiển cấu hỡnh phớa phỏt.
Khụng gian thanh ghi ủiều khiển ủịa chỉ dài
H.22 Không gian thanh ghi điều khiển địa chỉ dài RFCTRL0: Lựa chọn 16 kờnh vụ tuyến, từ kờnh 11 ủến kờnh 26.
RFCTRL3: Thanh ghi ủiều khiển cụng suất phỏt, từ -38,75 dBm ủến 0 dBm.
Giản ủồ thời gian thực hiện ủọc cỏc thanh ghi ủịa chỉ ngắn
Chương trỡnh con thực hiện thao tỏc ủọc cỏc thanh ghi ủịa chỉ ngắn
Giản ủồ thời gian thực hiện thao tỏc ghi thanh ghi ủịa chỉ ngắn
Chương trỡnh con thực hiện thao tỏc ghi vào thanh ghi ủịa chỉ ngắn void SetShortRAMAddress(BYTE address, BYTE value){
Giản ủồ thời gian thực hiện thao tỏc ủọc thanh ghi ủịa chỉ dài
Chương trỡnh con thực hiện thao tỏc ủọc cỏc thanh ghi ủịa chỉ dài
Giản ủồ thời gian thực hiện thao tỏc ghi thanh ghi ủịa chỉ dài
Chương trỡnh con thực hiện thao tỏc ghi cỏc thanh ghi ủịa chỉ dài void SetLongRAMAddress(WORD address, BYTE value){
Chương trình khởi tạo Chip thu phát RMF24J40: void MRF24J40Init(void){
/* place the device in hardware reset */
/* remove the device from hardware reset */
/* remove the RF module from reset */
/* Program the short MAC Address, 0xffff */
/* Program Long MAC Address*/ for(i=0;i