Thiết kế trung tâm điều hành phòng cháy chữa cháy thời gian thực qua mạng viễn thông

VŨ TRUNG DŨNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VŨ TRUNG DŨNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ TRUNG TÂM ĐIỀU HÀNH PHÒNG CHÁY CHỮA CHÁY THỜI GIAN THỰC QUA MẠNG VIỄN THÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ KHÓA 2013B HÀ NỘI - 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VŨ TRUNG DŨNG THIẾT KẾ TRUNG TÂM ĐIỀU HÀNH PHÒNG CHÁY CHỮA CHÁY THỜI GIAN THỰC QUA MẠNG VIỄN THÔNG Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS ĐỖ TRỌNG TUẤN Hà Nội - 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết nghiên cứu luận văn hoàn toàn trung thực, tôi, không vi phạm điều luật sở hữu trí tuệ pháp luật Việt Nam Nếu sai, hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật TÁC GIẢ LUẬN VĂN Vũ Trung Dũng MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC ĐỒ THỊ, HÌNH VẼ MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Lịch sử nghiên cứu Mục đích nghiên cứu luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 10 Tóm tắt đóng góp tác giả 10 Phương pháp nghiên cứu 10 CHƯƠNG Khái quát mô hình trung tâm điều hành phòng cháy chữa cháy 11 1.1 Khái quát công tác PCCC thành phố Hà Nội 11 1.2 Mô hình tổng quan trung tâm điều hành PCCC 11 1.2.1 Mô hình kỹ thuật trung tâm điều hành PCCC 11 1.2.2 Mô hình quản lý trung tâm điều hành PCCC 12 1.3 Một số mô hình trung tâm điều hành PCCC CHCN 13 1.3.1 Phòng cảnh sát PCCC CNCH Công an tỉnh Phú Thọ 13 1.3.2 Trung tâm cảnh báo T&T 16 1.3.3 Trung tâm huy - Ủy ban Quốc gia tìm kiếm cứu nạn 20 1.4 Trung tâm điều hành PCCC thời gian thực qua mạng viễn thông 23 CHƯƠNG Chức mạng viễn thông giám sát điều hành công tác PCCC 26 2.1 Thiết bị thu phát UHF Satellar 26 2.2 Thiết lập mạng VPN ảo 28 2.3 Gửi liệu qua mạng 3G Module SIM5320 30 CHƯƠNG Thiết kế trung tâm điều hành PCCC thời gian thực qua mạng viễn thông 32 3.1 Thiết kế thiết bị cảnh báo trung tâm điều hành PCCC 33 3.1.1 Thiết kế phần cứng thiết bị trung tâm điều hành PCCC 34 3.1.2 Thiết kế, cài đặt phần mềm thiết bị trung tâm điều hành PCCC 40 3.2 Thiết kế thiết bị phối ghép với trung tâm có 53 3.2.1 Khối nguồn 54 3.2.2 Tín hiệu báo cháy từ trung tâm báo cháy có 55 3.2.3 Khối điều khiển 56 3.2.4 Khối Module SIM 5320 56 3.2.5 Hoàn thiện thiết bị phối ghép 58 CHƯƠNG Thực nghiệm đánh giá 60 4.1 Thực nghiệm 60 4.1.1 Thực nghiệm lần 61 4.1.2 Thực nghiệm lần 66 4.1.3 Thực nghiệm lần 74 4.2 Đánh giá 77 KẾT LUẬN 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 PHỤ LỤC 82 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh ASIS American Tiếng Việt Society for Hiệp hội nhà sản xuất Industrial Security cung cấp dịch vụ bảo vệ Mỹ LAN Local Area Network Mạng nội NFPA National Fire Protection Hiệp hội an toàn phòng chống Association UART Universal cháy nổ quốc gia Mỹ asynchronous Bộ truyền/ nhận liệu không receiver/transmitter đồng UHF Ultra high frequency Tần số siêu cao VPN Virtual Private Network Mạng riêng ảo DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 So sánh hình thức truyền tín hiệu trung tâm cảnh báo 18 Bảng 2.1 Bảng tần số hỗ trợ dòng SIM5320 31 Bảng 4.1 Kết cảnh báo qua đường truyền UHF lần 64 Bảng 4.2 Kết cảnh báo qua đường truyền internet lần 65 Bảng 4.3 Kết cảnh báo qua thiết bị phối ghép lần 65 Bảng 4.4 Kết cảnh báo qua đường truyền UHF lần 72 Bảng 4.5 Kết cảnh báo qua đường truyền internet lần 72 Bảng 4.6 Kết cảnh báo qua thiết bị phối ghép lần 73 DANH MỤC ĐỒ THỊ, HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ mặt trung tâm điều hành phòng cảnh sát PCCC 14 Hình 1.2 Mô hình hoạt động trung tâm cảnh báo 17 Hình 1.3 Các hình thức truyền tín hiệu trung tâm cảnh báo 18 Hình 1.4 Giao diện phần mềm cảnh báo có báo động 19 Hình 1.5 Trung tâm huy - UBQG tìm kiếm cứu nạn 21 Hình 1.6 Mặt trung tâm huy - UBQG tìm kiếm cứu nạn 22 Hình 1.7 Các thiết bị đề xuất trung tâm điều hành PCCC 24 Hình 2.1 Truyền tin hai thiết bị Satellar 27 Hình 2.2 Truyền nhận qua trạm trung gian 28 Hình 2.3 Mô hình kết nối VPN 30 Hình 2.4 Module sim 5320 31 Hình 3.1 Sơ đồ kết nối trung tâm điều hành PCCC 32 Hình 3.2 Sơ đồ chức thiết bị cảnh báo trung tâm điều hành 33 Hình 3.3 Khối nguồn thiết bị cảnh báo trung tâm điều hành 35 Hình 3.4 Model drayek vigor2910 NE 36 Hình 3.5 Thiết bị Satelar lắp đặt thiết bị cảnh báo trung tâm điều hành 37 Hình 3.6 Khối xử lý khối hiển thị 38 Hình 3.7 Mạch rơ le điều khiển khối báo động đèn còi 39 Hình 3.8 Bố trí khối phần cứng bên thiết bị cảnh báo trung tâm 39 Hình 3.9 Thiết bị cảnh báo trung tâm điều hành hoàn thiện phần cứng 40 Hình 3.10 Menu "Cấu hình" 41 Hình 3.11 Menu "Thao tác" 42 Hình 3.12 Kết thao tác hiển thị lên trạng thái 42 Hình 3.13 Giao diện phần mềm có cảnh báo 43 Hình 3.14 Khối hiển thị thông tin tổng quát khối giao diện đếm cảnh báo 44 Hình 3.15 Khối hiển thị danh sách tòa nhà xảy cố 45 Hình 3.16 Giao diện hiển thị chi tiết quận 45 Hình 3.17 Thuật toán kết nối socket 47 Hình 3.18 Thuật toán tách liệu 48 Hình 3.19 Cảnh báo hình 49 Hình 3.20 CSDL quận CSDL tòa nhà 50 Hình 3.21 Liên kết CSDL quận tòa nhà 51 Hình 3.22 Thuật toán kết nối cổng COM 52 Hình 3.23 Giao diện phần mềm hoàn 53 Hình 3.24 Giao diện quận có cảnh báo 53 Hình 3.25 Sơ đồ khối thiết bị phối ghép tủ trung tâm 54 Hình 3.26 Sơ đồ khối nguồn 55 Hình 3.27 Sơ đồ nguyên lý phân áp 55 Hình 3.28 Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển 56 Hình 3.29 Sơ đồ khối mô đun SIM5320 57 Hình 3.30 Sơ đồ nguyên lý mô đun SIM5320 58 Hình 3.31 Mô đun SIM 5320 58 Hình 3.32 Bố trí khối phần cứng thiết bị phối ghép 59 Hình 3.33 Thiết bị phối ghép với trung tâm có 59 Hình 4.1 Sơ đồ khối hệ thống thực nghiệm lần 61 Hình 4.2 Hội trường phòng CS PCCC thị xã Sơn Tây 62 Hình 4.3 Lắp đặt thiết bị cảnh báo trung tâm điều hành phòng cảnh sát PCCC thị xã Sơn Tây 63 Hình 4.4 Lắp đặt tủ phân tán phòng CS PCCC Sơn Tây 63 Hình 4.5 Thiết bị cảnh báo trung tâm điều hành báo động có tín hiệu cảnh báo buổi thực nghiệm lần thứ 64 Hình 4.6 Lãnh đạo phòng CS PCC Sơn Tây chụp ảnh nhóm nghiên cứu 66 Hình 4.7 Mô hình thực nghiệm lần 66 Hình 4.8 Trung tâm điều hành PCCC thời gian thực giả lập 68 Hình 4.9 Lắp đặt tủ phân tán thiết bị phối ghép trung tâm điều hành PCCC 68 Hình 4.10 Lắp đặt thiết bị cảnh báo trung tâm điều hành anten định hướng 70 Hình 4.11 Màn hình mở rộng kết nối với thiết bị cảnh báo trung tâm 70 Hình 4.12 Hình ảnh truyền từ trạm mặt đất 71 Hình 4.13 Màn hình hiển thị nhiều vị trí cảnh báo đồng thời 71 Hình 4.14 Kết nối không ổn định hình ảnh thu chất lượng thấp 73 Hình 4.15 Hệ thống giới thiệu hội nghị PCCC 74 Hình 4.16 Mô hình thực nghiệm lần 75 Hình 4.17 Màn hình hiển thị quận có cảnh báo đồng thời 76 Hình 4.18 Hình ảnh thu trung tâm điều hành bắt đầu có cháy 76 Hình 4.19 Hình ảnh thu trung tâm điều hành chữa cháy xong 77 Hình 4.10 Lắp đặt thiết bị cảnh báo trung tâm điều hành anten định hướng (lúc trời mưa to) Hình 4.11 Màn hình mở rộng kết nối với thiết bị cảnh báo trung tâm Trong lắp đặt test thử hệ thống trước vào kịch bản, thiết bị cảnh báo trung tâm điều hành có kết nối thử với trạm mặt đất thu hình ảnh tốt 70 Hình 4.12 Hình ảnh truyền từ trạm mặt đất Sau gây tác nhân đầu cuối cảm biến, tủ phân tán nhận gửi trung tâm điều hành Ta thực với đầu cuối, Ta thực với đầu cuối, với đầu báo khác nhau, đầu báo thử nhiều lần khác Trong số trường hợp, học viện ngân hàng có cảnh báo mà đại học Bách Khoa gửi cảnh báo, thiết bị cảnh báo trung tâm điều hành thị hai nơi có cảnh báo Hình 4.13 Màn hình hiển thị nhiều vị trí cảnh báo đồng thời a) Truyền qua UHF 71 Bảng 4.4 Kết cảnh báo qua đường truyền UHF lần Đối chiếu Đường truyền UHF TCVN 5738:2001 Số lần gửi (lần) 25 Số lần nhận thành công (lần) 25 Số lần không nhận (lần) Độ trễ nhỏ (giây) 0,3 Đạt Độ trễ lớn (giây) Đạt Độ trễ trung bình (giây) 1,6 Đạt Tỷ lệ thành công 100% Tỷ lệ không thành công 0% b) Đường truyền internet Bảng 4.5 Kết cảnh báo qua đường truyền internet lần Đối chiếu Đường truyền UHF TCVN 5738:2001 Số lần gửi (lần) 20 Số lần nhận thành công (lần) 20 Số lần không nhận (lần) Độ trễ nhỏ (giây) Đạt Độ trễ lớn (giây) Đạt Độ trễ trung bình (giây) 3,8 Đạt Tỷ lệ thành công 100% Tỷ lệ không thành công 0% 72 c) Độ trễ đường truyền thiết bị phối ghép Bảng 4.6 Kết cảnh báo qua thiết bị phối ghép lần Đối chiếu Đường truyền UHF TCVN 5738:2001 Số lần gửi (lần) 15 Số lần nhận thành công (lần) 15 Số lần không nhận (lần) Độ trễ nhỏ (giây) 18 Đạt Độ trễ lớn (giây) 40 Đạt Độ trễ trung bình (giây) 32 Đạt Tỷ lệ thành công 100% Tỷ lệ không thành công 0% d) Hình ảnh thu từ trạm mặt đất Tốc độ 3G học viện ngân hàng Sơn Tây: cực thấp 100kb/s Chất lượng đường truyền không đảm bảo, thường xuyên kết nối Khi có kết nối, chất lượng ảnh thu không tốt, từ đến giây thu ảnh Hình 4.14 Kết nối không ổn định hình ảnh thu chất lượng thấp Sau kết thúc buổi thực nghiệm lần 2, nhận thấy thiết bị cảnh báo trung tâm điều hành hoạt động ổn định phù hợp với thực tế Nhóm nghiên cứu đề nghị để lại thiết bị để hoạt động liên tục phòng cảnh sát PCCC thị xã Sơn Tây Việc 73 ban lãnh đạo phòng chấp nhận Thiết bị hoạt động ổn định từ đến nay, báo động có tin cảnh báo gửi tới 4.1.3 Thực nghiệm lần Lần thực nghiệm diễn khoảng thời gian ngắn, thực lần cảnh báo hai lần kết nối trạm mặt đất để đưa hình ảnh trung tâm huy Nhưng có ý nghĩa vô quan trọng giới thiệu buổi diễn tập hội nghị tổng kết năm thực Chỉ thị số:06-CT/TU ngày 10/11/2008 Ban Thường vụ Thành ủy việc "Tăng cường lãnh đạo, đạo, tổ chức thực công tác phòng cháy, chữa cháy địa bàn thành phố Hà Nội tình hình mới" ban thường vụ thị ủy Sơn Tây Hội nghị tập chung nhiều lãnh đạo sở cảnh sát PCCC Hà Nội, lực lượng đội, phòng ban thị xã Sơn Tây, tổ chức liên quan Hệ thống giới thiệu hội nghị nhận quan tâm đông đảo thành viên tới dự hội nghị Điều cho thấy thành nghiên cứu sáng tạo tập thể phòng nghiên cứu thành công, sản phẩm chế tạo có tính thực tiễn thu hút giới chuyên môn Hình 4.15 Hệ thống giới thiệu hội nghị PCCC 74 Hình 4.16 Mô hình thực nghiệm lần Trong đó, thiết bị cảnh báo trung tâm điều hành (trong hình gọi tắt trung tâm điều hành) đặt phòng cảnh sát PCCC thị xã Sơn Tây Tủ phân tán 01 trạm mặt đất đặt Ủy ban nhân dân thị xã Sơn Tây Tủ phân tán 02 đặt phòng cảnh sát PCCC thị xã Sơn Tây Tủ phân tán 02 đặt nhà C9, đại học Bách Khoa Hà Nội Thiết bị phối ghép đặt trường đại học cảnh sát PCCC, Thanh Xuân, Hà Nội Tủ phân tán 01 kết nối với Satellar để truyền tín hiệu trung tâm điều hành PCCC thời gian thực qua mạng viễn thông đặt phòng cảnh sát PCCC thị xã Sơn Tây Khoảng cách từ UBND thị xã Sơn Tây đến phòng cảnh sát PCCC Sơn Tây 3,2km theo đường thẳng, có vướng nhiều nhà cao đồi Kịch thực sau: Tủ phân tán báo cháy gửi tin cảnh báo trung tâm điều hành Khi thiết bị bay xuất phát, thu hình ảnh từ thiết bị bay trung tâm điều hành qua trạm mặt đất Đồng thời lúc tủ phân tán thiết bị phối ghép 01 gửi tin cảnh báo trung tâm điều hành Cuối buổi diễn tập, thiết bị bay bay lên kiểm tra, thiết bị trung tâm điều hành lại nhận hình ảnh trực tiếp Khi thiết bị bay hạ cánh kết thúc buổi thực nghiệm 75 Về kết quả, toàn tin cảnh báo gửi trung tâm điều hành nhận hiển thị đồng thời Và độ trễ nằm phạm vi cho phép TCVN 5738:2001 Màn hình hiển thị đồng thời có cảnh báo hình 4.17 Hình 4.17 Màn hình hiển thị quận có cảnh báo đồng thời Trong trời có mây, không mưa, chất lượng hình ảnh thu trung tâm có tốc độ hình/giây Hình ảnh độ phân giải 720x480 pixel Chất lượng hình ảnh cao khả ghi hình thiết bị Ngoài ra, thiết bị cảnh báo trung tâm điều hành thời gian thực có khả ghi lại hình ảnh trực tiếp Đây ưu điểm cần thiết có cố với thiết bị, giúp cho công tác điều tra sau Hình 4.18 Hình ảnh thu trung tâm điều hành bắt đầu có cháy 76 Hình 4.19 Hình ảnh thu trung tâm điều hành chữa cháy xong 4.2 Đánh giá Từ nghiên cứu, thử nghiệm phòng thí nghiệm đến đợt thực nghiệm quý giá cho kết khả quan Đặc biệt thiết bị thử nghiệm phòng cảnh sát PCCC Sơn Tây thời gian dài, chứng tỏ dộ tin cậy, tính ổn định hệ thống Tất lần thực nghiệm cho kết tối ưu, cảnh báo nhầm, cảnh báo giả Tỷ lệ nhận cảnh báo 100%, tất cảnh báo có thời gian trễ nhỏ nhiều so với TCVN 5738:2001 Từ kết khảng định thiết bị hoàn toàn đáp ứng yêu cầu ban đầu đặt ra, đảm bảo tiêu TCVN 5738:2001 Thiết bị cảnh báo trung tâm điều hành PCCC thời gian thực qua mạng viễn thông có khả giám sát cảnh báo 24/24 Có phạm vi kết nối với tủ phân tán qua mạng internet lên tới 40km có khả xa có điều kiện thử nghiệm Tạo mạng lết nối riêng qua UHF để tránh xảy cố đường truyền internet gây ảnh hưởng tới hoạt động thiết bị Thiết bị có khả hiển thị trạng thái cảnh báo đồng thời nhiều vị trí giám sát cảnh báo cháy Thiết bị có cảnh báo cháy theo cấp độ khác nhau: cấp độ đèn xoay, cấp độ gồm đèn xoay còi hú Thiết bị sản xuất sử dụng điện áp 220VAC phổ biến Việt Nam Ngoài ra, thiết bị có UPS dự phòng điện 15 phút Nếu muốn tăng thời gian dự phòng ta sử dụng nguồn để tăng dung lượng ắc quy Đặc biệt, thiết bị cảnh báo trung tâm điều hành PCCC thời gian thực qua mạng viễn 77 thông có khả nhận ảnh trực tiếp từ thiết bị bay thông qua trạm mặt đất có khả lưu hình ảnh lại 78 KẾT LUẬN Trong tình hình nay, với phát triển kinh tế xã hội, số lượng nhà cao tầng trung tâm thương mại ngày nhiều Trong đó, công tác PCCC nhiều hạn chế gây nên thiệt hại lớn làm suy yếu kinh tế, ảnh hưởng đến tính mạng, sống nhân dân Đa phần vụ hỏa hoạn lớn không phát sớm, phát đám cháy to, khả dập tắt mà hạn chế thiệt hại Một nguyên nhân khác, người dân báo tin, quan cần thời gian xác minh làm chậm tiến độ chữa cháy, CNCH phòng cảnh sát PCCC CNCH Nên phòng trực ban phòng cảnh sát PCCC cần có hệ thống tự động báo động phát dấu hiệu đám cháy Trước nhu cầu thực tế đó, việc thiết kế trung tâm điều hành PCCC thời gian thực qua mạng viễn thông cần thiết Trung tâm hỗ trợ tích cực cán chiến sỹ cảnh sát PCCC CNCH công bảo vệ sống người dân trước nguy hỏa hoạn Trung tâm tự động phát dấu hiệu đám cháy cách nhanh chóng, từ dập tắt đám cháy không ngăn chặn thiệt hại Trên sở vận dụng phương pháp nghiên cứu áp dụng vấn đề thực tiện, luận văn đạt kết sau Thứ nhất, luận văn đề xuất mô hình trung tâm điều hành PCCC thời gian thực qua mạng viễn thông Trung tâm điều hành hỗ trợ tích cực công tác PCCC cho lực lượng cảnh sát PCCC CNCH việc phát sớm dập tắt đám cháy cách nhanh chóng Thứ hai, luận văn tạo hai thiết bị có tính thực tiễn cao, hoạt động ổn định, tin cậy thiết bị cảnh báo trung tâm điều hành PCCC thiết bị phối ghép với tủ trung tâm có Một thiết bị báo động nhận cảnh báo, cho biết xác vị trí cháy thông tin cần thiết phục vụ cho công tác chữa cháy Một thiết bị để tích hợp hệ thống báo cháy cũ vào trung tâm điều hành PCCC Điều 79 làm cho trung tâm báo cháy cũ giám sát trung tâm điều hành PCCC thời gian thực qua mạng viễn thông Thứ ba, luận văn đưa cấu trúc truyền tin qua mạng UHF tự xây dựng Đây điều cần thiết để hệ thống hoạt động ổn định, liên tục trường hợp đường kết nối internet, đảm bảo cho trung tâm báo cháy giám sát 24/24 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Website Cục Cảnh sát Phòng cháy chữa cháy Cứu nạn cứu hộ http://pccc.canhsat.vn [2] Quy định nhiệm vụ phòng PC23 - Công an tỉnh Phú Thọ [3] Quyết định số: 76/2009/QĐ-TTg Thủ tướng phủ, ngày 11 tháng 05 năm 2009 [4] Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5738:2001 hệ thống báo cháy tự động - yêu cầu kỹ thuật - Bộ Khoa học Công nghệ Môi trường ban hành năm 2001 [5] SATELLAR® Digital System http://www.satel.com/product/satellar-2ds [6] SIM3520 Hardware Design V1.02 - SIM Com - 2011 [7] SIM3520 AT Command Manual V1.05 - SIM Com - 2011 81 PHỤ LỤC A Code thiết bị phối ghép với trung tâm có #include "registers.h" // EasyBee3 connections sbit CS at RC2_bit; //CS pin sbit RST at RC0_bit; //RST pin sbit INT at RA5_bit; //INT pin sbit WAKE at RC1_bit; //WAKE pin sbit CS_Direction at TRISC2_bit; //CS pin direction sbit RST_Direction at TRISC0_bit; //RST pin direction sbit INT_Direction at TRISA5_bit; //INT pin direction sbit WAKE_Direction at TRISC1_bit; //WAKE pin direction sbit LED1 at RB0_bit; sbit LED2 at RB4_bit; sbit LED3 at RB7_bit; sbit LED4 at RB5_bit; sbit TEMP at RA0_bit; sbit FIRE at RA1_bit; sbit SPEAKER at RA4_bit; while(1){ // Infinite loop if (TEMP | FIRE ) { // gui tin hieu bao chay qua TCP/IP // Lenh AT mo socket : AT+NETOPEN = "TCP",80 e++; if(e