Thông tin tài liệu
Tuyển tập đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên Khoa Điện – Điện tử giai đoạn 2011-‐2015 -‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐ HỆ THỐNG GIÁM SÁT CÔNG NHÂN HẦM MỎ BẰNG CƠNG NGHỆ VLC Võ Thành Nghĩa, Nguyễn Cơng Tín, Phan Cao Khiêm Lớp K18EVT, Khoa Điện – Điện Tử, Trường Đại Học Duy Tân Đà Nẵng, Việt Nam Email: vothanhnghia15@outlook.com, congtin@outlook.com, khiempck@gmail.com GVHD: TS Hà Đắc Bình Khoa Điện – Điện Tử, Trường Đại Học Duy Tân Tóm tắt – Hiện nay, nước ta giai đoạn phát triển nhờ vào việc khác thác tài nguyên thiên nhiên, đặc biệt khống sản lòng đất Việc khai thác tiềm ẩn nhiều nguy an tồn sập hầm Mặc dù, có nhiều cơng nghệ ứng dụng việc định vị công nhân giúp cho việc cứu hộ, cứu nạn nhanh chóng Tuy nhiên, cơng nghệ có ưu điểm nhược điểm riêng Công nghệ truyền thông ánh sáng khả kiến (Visible Light Communications - VLC) với ưu điểm tận dụng sở hạ tầng có sẵn, thực việc truyền tin giúp định vị người công nhân hầm lò Bài báo trình bày phương án xây dựng hệ thống định vị công nhân hầm lò ánh sáng khả kiến Thực nghiệm cho thấy hệ thống chúng tơi hồn tồn khả thi, sử dụng phương án hỗ trợ cho định vị cơng nhân hầm lò Từ khố – VLC, ánh sáng khả kiến, định vị, truyền thông I GIỚI THIỆU Hiện nay, mạng truyền thông không dây sử dụng sóng vơ tuyến làm phương tiện truyền dẫn Tuy tốc độ truyền liệu liên tục nghiên cứu cải thiện hạn chế sóng vơ tuyến băng thơng hạn chế dần cạn kiệt, thiếu an toàn sử dụng môi trường đặc biệt máy bay, bệnh viện, mục đích quân sự… Sự phát triển điện thoại thơng minh máy tính bảng làm số lượng thiết bị phụ thuộc vào phổ tần số vô tuyến ngày tăng Hơn nữa, bối cảnh mà xu hướng “Internet of Things” phát triển mạnh mẽ, đến năm 2020, người ta dự đoán có hàng trăm, chí hàng ngàn thiết bị khơng dây gắn với người [1] Yêu cầu đặt phải tìm kỹ thuật truyền thơng khơng dây để kết nối lại chúng lại với mà đảm bảo băng thông, tốc độ, độ tin cậy ổn định cao Trong đó, phổ vơ tuyến lại tảng dịch vụ thông tin liên lạc không dây nguồn tài nguyên quan trọng có hạn Nhu cầu phổ vô tuyến ngày tăng tương lai, lý cần phải suy nghĩ cách để tránh khủng hoảng cận kề trước mắt Công nghệ truyền thông sử dụng ánh sáng nhìn thấy (Visible Light Communication – VLC) xem lời giải cho toán băng thông, hiệu lượng với ưu điểm ưu việt khác mà công nghệ truyền thông sóng vơ tuyến khơng có Với VLC băng thơng sử dụng gần không giới hạn, không gây xuyên nhiễu nên sử dụng mơi trường bệnh viện, sân bay… Nhờ phát triển mạnh mẽ Diode phát quang (Light Emitting Diode – LED) xây dựng hạ tầng vừa dùng để chiếu sáng vừa dùng để truyền thông sử dụng nguồn phát ánh sáng bóng đèn LED Với nhiều ưu điểm hiệu chiếu sáng, tiết kiệm điện năng, tuổi thọ cao… LED giúp thực hóa ý tưởng sử dụng ánh sáng nhìn thấy để truyền dẫn thông tin VLC công nghệ mới, tiềm cơng nghệ lớn người ta chưa khai thác hết, bối cảnh thiết bị “Internet of Things” phát triển mạnh để "thông minh hóa" nhà, văn phòng, xí nghiệp tất thứ xung quanh người Ðã có nhiều trường đại học, công ty nhà nghiên cứu xây dựng hệ thống hay giao thức truyền tin kiểu mạng Tuy nhiên, công nghệ chưa đưa thị trường cách thưong mại cần phải chờ đợi phát triển sở vật chất cần thiết Tuyển tập đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên Khoa Điện – Điện tử giai đoạn 2011-‐2015 -‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐ Thông tin quang phương thức dùng ánh sáng để truyền dẫn thông tin Hệ thống thông tin quang bao gồm đầu phát dùng để mã hóa thơng tin thành tín hiệu ánh sáng, kênh truyền dùng để truyền tín hiệu đến đích, đầu thu dùng để tái tạo lại thơng tin từ tín hiệu nhận Visible Light Communication - VLC công nghệ truyền thông không dây cách sử dụng ánh sáng dải nhìn thấy có tần số từ 400THz đến 800THz Việc sử dụng ánh sáng dải nhìn thấy (ánh sáng trắng – white light) cho làm giảm nguy hiểm ứng dụng lượng cao, người cảm nhận có hành động để bảo vệ đôi mắt khỏi hư hại VLC sử dụng đi-ốt phát xạ ánh sáng (LEDs), để phục vụ mục đích chiếu sáng trao đổi liệu thiết bị đầu cuối Các thiết bị sử dụng cơng nghệ VLC có chứa photodiode để nhận diện thay đổi tín hiệu từ nguồn sáng Bên cạnh có xu hướng sử dụng cảm biến hình ảnh thiết bị điện thoại di động máy ảnh kỹ thuật số để thay cho photodiode đơn lẻ (Image Sensor Communication - ISC) Các cảm biến hình ảnh không giúp cho việc thu nhận liệu mà cho phép xác định xác vị trí nguồn tín hiệu Thậm chí trường hợp tất nguồn sáng phát liệu, với công nghệ ISC cho phép nhận giải mã liệu với nguồn sáng mà không bị can nhiễu lẫn Nhận thấy tiềm lợi ích cơng nghệ VLC mang lại, nhiều trường đại học, công ty tổ chức giới đầu tư nghiên cứu để sớm đưa công nghệ vào đời sống hàng ngày Thay điều chế sóng điện từ để phát đi, người ta cần điều chế tín hiệu theo tần số, mã hóa đưa vào đèn LED để phát sáng Khi đó, ta tận dụng ánh sáng để truyền liệu giải pháp công nghệ xanh Với VLC, máy tính kết nối vào Internet cách khu vực chiếu sáng chum sáng phát từ bóng đèn LED, chí người tham gia giao thơng dùng đèn xe để truyền nhận liệu với xe khác Từ nằm 2014, giới truyền thông bắt đầu dùng tên gọi gây ấn tượng mạnh smart light Đã có nhiều trường đại học, công ty nhà nghiên cứu xây dựng hệ thống hay giao thức truyền tin kiểu mạng Tuy nhiên, công nghệ chưa đưa thị trường cách thương mại cần phải chờ đợi phát triển sở vật chất cần thiết Trường đại học Edinburgh (Scotland) cho hệ thống giao tiếp ánh sáng khả kiến hệ thứ 5, sử dụng đèn LED phương tiện để mang lại đường liên lạc có tính mạng lưới, khả di động tốc độ cao theo cách tương tự Wifi Nhờ tính hội tụ cao, đèn LED tạo kênh upload download riêng biệt cách dễ dàng Kết nhiều năm nghiên cứu cho đời sản phẩm thương mại vào năm 2013, cơng ty PureLifi bán cho nhà cung cấp dịch vụ y tế Mỹ Bóng đèn cơng nghệ có mặt thị trường thơng qua số đối tác PureLifi, có đối tác đến từ ngành cơng nghiệp bảo mật Đây điểm mạnh Lifi so với Wifi, bên thứ ba khó can thiệp vào hệ thống mạng Đầu năm 2014, Công ty PureLifi Haas sáng lập giới thiệu sản phẩm hoàn chỉnh mang tên Li-1st để thực ý tưởng mạng Lifi Thiết bị Li-1st gồm hai phần, phần gắn vào đèn, nối với cáp Ethernet, phần nối với máy tính ua cổng USB Thiết bị Li-1st chưa nhỏ gọn Haas tin bóng đèn máy tính tích hợp chức Lifi tương lai Với ưu điểm bất, VLC dự báo ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực • Giảm tải cho mạng WIFI: Tại khu vực mà mạng WIFI bị giới hạn băng thông, ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ, cơng nghệ VLC biện pháp thay hữu hiệu • Nhà thơng minh: Với việc tích hợp cơng nghệ VLC vào thiết bị chiếu sáng, không tạo nên mạng chiếu sáng thơng minh mà tạo thành điểm truy cập không dây, giúp người sử dụng dễ dàng sử dụng dịch vụ giải trí truy cập internet • Bệnh viện chăm sóc sức khoẻ: Cung cấp kênh thơng tin liên lạc bệnh viện, nơi thiết bị radio không phép sử dụng nhiễu điện từ trường làm ảnh hưởng đến sức khoẻ bệnh nhân Bên cạnh cơng nghệ xây dựng ứng dụng xác định vị trí (Location-based Service - LBS) để quản lý bệnh nhân nhà Khơng có cơng nghệ đóng vai trò quan trọng lĩnh vực Quân Sự Quốc phòng cho phép truyền thông không dây tốc độ cao xe quân máy bay chiến đấu Tuyển tập đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên Khoa Điện – Điện tử giai đoạn 2011-‐2015 -‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐ • Doanh nghiệp Tổ chức An ninh: Corporate and Organisational Security: cho phép sử dụng mạng liệu không dây khu vực tồn nguy bảo mật • Hàng không: cho phép sử dụng dịch vụ liệu không dây, thơng tin liên liên lạc giải trí mà khơng gây an tồn chuyến bay • Sử dụng ứng dụng thực ảo (augmented reality): cách sử dụng thiết bị di động có gắn camera, người dùng lấy thơng tin vị trí nhà hàng… • Mơi trường độc hại: cho phép truyền liệu môi trường mà tín hiệu radio khơng thể thực được, dầu khí, hố dầu khai thác mỏ • Truyền thơng nước: Như ta biết sóng radio khơng thể truyền xa mơi trường nước Phòng thí nghiệm Nakagawa năm 2010 thực thành công việc liên lạc thợ lặn tàu từ khoảng cách 30m, cách sử dụng đèn pin ứng dụng công nghệ VLC Thực tế truyền tin ánh sáng khả kiến cung cấp nhiều phương pháp truyền không dây không tốn tiền không bị quản lý Xung quanh có nhiều nguồn sáng hạ tầng hỗ trợ Thật lãng phí khơng tái sử dụng tài ngun này, ánh sáng phần tổ hợp nguồn tài nguyên dùng truyền thông không dây tương lai Có nhiều ứng dụng VLC nhiều nhà nghiên cứu nước triển khai, việc thiết kế hệ thống truyền thông hầm mỏ nhằm tạo môi trường giao tiếp trung tâm mặt đất với người công nhân hầm quan tâm Có mỏ hầm lò nước ta có phương tiện kĩ thuật cho phép xác định vị trí hành trình lại lò thợ lò Trong nhiều mỏ hầm lò Việt Nam, ngồi giếng chính, giếng phụ có nhiều cửa lò thơng gió, lò xun vỉa vận tải, thợ lò vào cửa này, cửa khác Vì vậy, việc định vị định tính thợ lò khu vực nguy hiểm nhanh chóng xác định quy mô, biện pháp tổ chức cứu nạn, giải cố vấn đề khó khăn Để giải vấn đề liên lạc hầm mỏ, thiết kế hệ thống truyền thông ánh sáng khả kiến với tính sau: • Cho phép truyền liệu Audio, data với tốc độ > 192Kbps • Khoảng cách truyền > m • Điều kiện chiếu sáng: Ban ngày lẫn đêm • Quản lý theo dõi vị trí cơng nhân hầm mỏ theo thời gian thực • Thơng tin liên lạc trung tâm điều khiển thợ mỏ âm trường hợp khẩn cấp • Thợ mỏ gửi báo động để kiểm soát trung tâm nút báo động mũ bảo hộ thông qua đèn LED Hình Hệ thống VLC hầm mỏ II NGUYÊN LÝ THU PHÁT BẰNG ÁNH SÁNG KHẢ KIẾN 2.1 Khối phát (Transmitter) 2.1.1 Nguồn phát sáng LED Đèn huỳnh quang đèn sợi đốt bình thường có độ sáng tắt chậm nên thay đổi trạng thai với tốc độ nano giây đề tài chúng tơi sử dụng đèn LED LED thay đổi Tuyển tập đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên Khoa Điện – Điện tử giai đoạn 2011-‐2015 -‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐ trạng thái với tốc độ nhanh, tuổi thọ LED cao so với loại đèn phổ thông khác lại có chi phí rẻ nhiều LED – Diode phát quang cấu tạo từ khối bán dẫn loại p ghép với khối bán dẫn loại n Nguyên lý hoạt động tương tự diode, cẩn phân cực thuận cho LED phát sáng Khối bán dẫn loại p chứa nhiều lỗ trống tự mang điện tích dương nên ghép với khối bán dẫn n chứa điện tích âm tự lỗ tróng có xu hướng chuyển động khuếch tán sang khối n, lúc lớp p lại nhận them điện tích âm từ lớp n chuyển sang Kết lớp p tích điện âm lớp n tích điện dương Ở biên giới hai bên mặt tiếp xúc, số điện tử bị lỗ trống hút chúng tiền lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với tạo thành ngun tử trung hòa Q trình giải phóng lượng dạng ánh sáng Hình Cấu tạo LED Với tính chất riêng quy định đặc thù công nghệ đèn LED tạo nên ưu điểm vượt trội khiến đèn LED đánh bại công nghệ chiếu sáng tồn - Hiệu quả: Đèn LED có hiệu suất phát sáng cao bóng sợi đốt đèn huỳnh quang Tiêu thụ điện thấp so với bóng đèn thơng thường Nhiệt độ làm việc bóng đèn LED cao nhiệt độ mơi trường khoảng 5-80oC - Kích thước: Kích thước bóng LED nhỏ, bó trí dễ dàng mạch in, sản phẩm sử dụng cơng nghệ LED thường có ưu điểm thiết kế mỏng trọng lượng nhẹ - Thời gian bật tắt nhanh: LED có thời gian bật tắt cực nhanh kể từ lúc tác động điện (nano giây) Điều quan trọng việc truyền thông ánh sáng khả kiến lĩnh vực yêu cầu có thời gian đáp ứng nhanh - Tuổi thọ đèn cao: Đây ưu điểm lớn đèn LED, tuổi thọ đèn LED vào khoảng 35.000 đến 50.000 (khoảng năm thắp sáng liên tục 24h/ngày), lớn nhiều lần so với bóng huỳnh quang sợi đốt - Độ bền cao: LED làm từ vật liệu bán dẫn nên khó bị phá hủy va đập, rơi rớt … - An tồn: LED khơng gây độc hại, thân thiện với mơi trường, khơng tia cực tím, khơng xạ tia hồng ngoại, phát nhiệt ánh sáng thấp, không chứa thủy ngân chất có hại Trong truyền thông ánh sáng khả kiến sử dụng đèn LED, ánh sáng đèn truyền tải liệu theo chế điều chế biên, cường độ cùa đèn thay đổi liên tục để mã hóa liệu Bóng đèn LED thường mắc chung với transistor hoạt động chế độ công tắc điện tử để đảm bảo công suất hoạt động cho LED điều khiển sáng tắt đèn Do LED nhạy, cường độ đèn thay đổi tần số đủ cao khiến mắt người không cảm nhận mắt người, ánh sáng mang liệu đèn LED phát ổn định ánh sáng đèn bình thường 2.1.2 Kỹ thuật xử lý tín hiệu Khối phát có chức nhận liệu cần truyền để đưa qua khối điều chế sau cho đưa qua LED chiếu sáng để truyền Tuyển tập đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên Khoa Điện – Điện tử giai đoạn 2011-‐2015 -‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐ Hình Khối điều chế tín hiệu truyền qua LED - Data: Đây liệu đầu vào cần truyền đi, tùy vào nhu cầu khả đáp ứng hệ thống liệu âm thanh, hình ảnh, tín hiệu báo hiệu, thơng tin … Thậm chí hệ thống có khả xử lý cao liệu tín hiệu truy cập Internet - Modulator: Khối điều chế, khối có chức điều chế tín hiệu số tín hiệu tương tự tùy theo ngõ vào Data Nếu liệu Dat tương tự cần phải có them khối chuyển đổi tương tự sang số Khi truyền liệu tốc độ cao với VLC hạn chế truyền tín hiệu tương dễ bị nhiễu truyền xa Trong điều chế tín hiệu, tín hiệu ghép với nguồn tín hiệu khác để tang tốc độ hệ thống Kỹ thuật điều chế sử dụng VLC điều biên OOK, PAM, PPM, PWM… Phương pháp điều chế OOK đơn giản phương pháp phù hợp với VLC - Buffer: Có chức đệm tín hiệu, tạo đưa dòng áp ổn định Bộ đệm có chức khuếch đại dòng khối điều chế nhỏ - LED driver: Có chức điều khiển cơng suất tín hiệu LED Để vừa sử dụng LED với mục đích chiếu sáng vừa nguồn thơng tin liên lạc phải có khối điều khiển cơng suất để chuyển luồng tín hiệu tốc độ cao LED tín hiệu số 2.2 Khối thu 2.2.1 Cảm biến photodiode Photodiode cảm biến ánh sáng có độ nhạy cao, cảm nhận thay đổi ánh sáng mức micro nano giây, sau chuyển tín hiệu thành tín hiệu mở mức thấp/cao Với công nghệ cảm biến phát triển tốc độ độ nhạy cảm biến tang Nguyên lý hoạt động Photodiode dựa tượng quang dẫn (điện – lượng từ), electron khỏi nguyên tử hay vật chất sau hấp thụ lượng từ photon ánh sáng làm nguyên tử chuyển sang trạng thái kích thích làm bắn electron Khi bề mặt kim loại chiếu xạ điện từ có tần số lớn tần số ngưỡng điện tích hấp thụ lượng từ photon sinh dòng điện điện tử bị bật khỏi bề mặt kim loại tượng quang điện Trong Photodiode, phần tử cảm biến ánh sáng chuyển tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện Từ tín hiệu điện giải mã chuyển thành thông tin Lường liệu truyền có tần số cao u cầu đặt Photodiode phải có tốc độ đáp ứng độ phù hợp để thu tín hiệu tốt Hơn nữa, cảm biến thu phải có lọc nhiễu quang học để loại bỏ bớt phần ánh sáng nhiễu khơng mong muốn Hình Nguyên lý hoạt động Photodiode 2.2.2 Xử lý tín hiệu Khối thu có chức nhận liệu số khối phát dạng sóng ánh sáng, dựa vào tần số ánh sáng truyền Khối thu nhận ánh sáng cảm biến photodiode, chuyển tín hiệu xung Tuyển tập đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên Khoa Điện – Điện tử giai đoạn 2011-‐2015 -‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐ ánh sáng thành tín hiệu điện dạng số sau khối chức lại khối thu làm nhiệm vụ khuếch đại, giải điều chế, giãi mã … để thu liệu ban đầu Hình Khối điều chế tín hiệu thu từ Photodiode - Lọc khuếch đại: Ánh sáng sau truyền quãng đường để đến phía thu khơng có chum sáng trực tiếp mà có ánh sáng bị phản xạ, tán xạ Tín hiệu đến phía thu nhỏ có khả nhiễu khơng thể đáp ứng u cầu để giải điều chế phải có khối lọc nhiễu khuếch đại tín hiệu lên mức cần thiết trước thực giải điều chế giả mã tín hiệu - Demodulator: Giải điều chế tín hiệu vừa khuếch đại lọc nhiễu đưa tín hiệu, liệu ban đầu Các khối giải điều chế sử dụng chủ yếu xử lý sóng mang – sóng điện từ, cần phải chuyển tín hiệu sóng mang với thành phần tần số, biên độ, pha Với khối thu hệ thống VLC dễ dàng giải điều chế xử lý tín hiệu tín hiệu số 2.3 Cự ly Khi truyền từ mội trường qua mơi trường khác ánh sáng bị tán sắc, phản xạ, khúc xạ, nhiên tần số khơng thay đổi Đó lợi việc sử dụng sóng ánh sáng truyền thơng mơi trường suốt khơng bị ảnh hưởng lớn, môi trường nước Hạn chế VLC truyền thông tin khoảng cách xa, nơi có nhiều khúc xạ bị che tầm nhìn Điều bắt buộc thơng tin truyền ánh sáng khả kiến khối phát khối thu phải nhìn thấy nhau, trực tiếp qua vật phản xạ mạnh Hình Các hướng phát sáng Khoảng cách từ khối phát đến khối thu phụ thuộc vạo cường dộ bóng đèn cơng suất cung cấp cho bóng đèn Tuy nhiên, cần phải quan tâm đến tiết kiệm lượng an toàn cho mắt người Các thiết bị cảm biến tần số ánh sáng có độ nhạy cao, nhận biết tia sáng nhỏ Giải pháp cho việc truyền thông tin cho nhiều người thiết lập hệ thống đèn bao gồm nhiều đèn phát định hướng, đèn LED có tính định hướng cao III XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG Thực tế truyền tin ánh sáng khả kiến cung cấp nhiều phương pháp truyền không dây không tốn tiền không bị quản lý Xung quanh có nhiều nguồn sáng hạ tầng hỗ trợ Thật lãng phí khơng tái sử dụng tài nguyên này, ánh sáng phần tổ hợp nguồn tài nguyên dùng truyền thơng khơng dây tương lai Có nhiều ứng dụng VLC nhiều nhà nghiên cứu ngồi nước triển khai, việc thiết kế hệ thống truyền thông hầm mỏ nhằm tạo môi trường giao tiếp trung tâm mặt đất với người công nhân hầm quan tâm 3.1 Thiết kế phần cứng 3.1.1 Tổng quan hệ thống phần cứng Tuyển tập đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên Khoa Điện – Điện tử giai đoạn 2011-‐2015 -‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐ Node Hệ thống Used Hệ thống trung tâm Giao diện Hình Sơ đồ khối hệ thống truyền thông ánh sáng hầm mỏ 3.1.2 Hệ thống trung tâm Phần lõi hệ thống trung tâm CPU Nó có nhiệm vụ nhận tín hiệu ID công nhân từ cảm biến ánh sáng để hiển thị lên giao diện máy tính nhằm xác định vị trí người cơng nhân đó, thực cơng việc xử lý theo giải thuật lập trình, có nhiệm vụ chuyển tải liệu từ trung tâm mặt đất xuống thợ mỏ thơng qua bóng đèn(LED) lắp đặt hầm Ngồi nhiệm vụ chia khe thời gian cho node hầm để tín hiệu truyền từ node đến trung tâm không bị trùng lặp Tín hiệu truyền từ trung tâm đến node ngược lại truyền trực tiếp nguồn điện 220V thông qua module Powerline Communication Power Line Communication (PLC) công nghệ truyền thông cho phép gửi liệu qua cáp điện có Điều có nghĩa rằng, với dây cáp điện chạy vào thiết bị điện tử (ví dụ) kiểm sốt thời gian truyền liệu lên lấy liệu từ cách half-duplex - Hình Modulde PLC Module lượng: 6.5 20VDC Module Output Power: 5VDC 100mA Tốc độ truyền: 1200,2400,4800,9600 (mặc định 9600) chẵn, khơng có tùy chọn chẵn lẻ Loại giao diện: giao diện nối tiếp TTL mức RXD, TXD Môi trường làm việc: 220V 50 / 60Hz điện áp thấp DC Truyền thông cách: 1500m (khoảng cách truyền thông cụ thể tùy thuộc vào môi trường ứng dụng) - Mỗi chiều dài khung: không giới hạn - Power Line Carrier Frequency: 110kHz - Hệ thống Modem: FSK - Truyền chế độ: chế độ truyền tải bình thường chế độ / zero-truyền - Nhiệt độ làm việc: -20 ° C ~ + 70 ° C - Kích thước: 4.8 x 1.3cm x2.8cm (L x W x H) 3.1.3 Node Tuyển tập đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên Khoa Điện – Điện tử giai đoạn 2011-‐2015 -‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐ Mỗi node hầm lắp đặt cảm biến ánh sáng để thu tín hiệu phát từ đèn Led mũ bảo hộ người công nhân chuyển đến hệ thống trung tâm (ID, báo hiệu nút nhấn mũ bảo hộ) bóng đèn để truyền tín hiệu từ trung tâm đến cơng nhân 3.1.3.1 Node thu Trong node thu có cảm biến ánh sáng modulde Power line communication Photodiode thiết bị bán dẫn chuyển đổi ánh sáng thành dòng Dòng điện tạo photon hấp thụ photodiode Photodiodes chứa lọc quang học, tích hợp ống kính, có diện tích bề mặt lớn nhỏ Việc phổ biến, di động truyền thống lượng mặt trời sử dụng để tạo lượng mặt trời điện photodiode khu vực rộng lớn Hình Ảnh node thu ID Signal out Hinh 10 Sơ đồ mạch thu ID Hình 11 Photodiode Tuyển tập đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên Khoa Điện – Điện tử giai đoạn 2011-‐2015 -‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐ Mạch thu ánh sáng sử dụng photodiode để nhận tín hiệu truyền qua ánh sáng Tín hiệu thu qua mạch khuếch đại làm tăng biên độ đưa vào module Powerline Communication để truyền tín hiệu lên đường dây tải điện 220v truyền trung tâm 3.1.3.2 Node phát Node phát bóng đèn vừa dùng để chiếu sáng hầm mỏ vừa để truyền tín hiệu trung tâm gửi xuống Các tín hiệu gửi xuống từ trung tâm báo động thông báo thông tin 3.1.4 User (công nhân) Hệ thống lắp đặt mũ bảo hộ người công nhân mỏ Mỗi đèn Led mũ đặt ID với chu kỳ nháy định không trùng lặp (ID dựa mã số công nhân họ) Mục đích việc làm tránh nhiễu tín hiệu cảm biến ánh sáng thu lúc nhiều ID nhiều người thợ mỏ Nút nhấn mũ bảo hộ có nhiệm vụ phát tín hiệu SOS đến cảm biến ánh sáng xung quanh hầm để thông báo cho trung tâm biết người cơng nhân cần trợ giúp Ngoài ra, mũ bảo hộ thiết kế cảm biến ánh sáng để thu tín hiệu từ trung tâm chuyển đến Tín hiệu phát led mũ người công nhân Mạch phát ID sử dụng vi điều khiển MSP430G2553 phát ID công nhân giao tiếp UART tạo xung PWM điều khiển việc sáng tắt đèn led để truyền tín hiệu MSP430G255 UART DRIVER LED Hình 12 Sơ đồ mạch phát ID mũ công nhân 3.2 Thiết kế phần mềm 3.2.1 Phần mềm giao diện máy tính Hình 13 Giao diện máy tính Để định vị vị trí cơng nhân cách xác trực quan, chúng tơi xây dụng nên phần mềm máy tính Phần mềm gồm đồ xác hầm mỏ hiển thị vị trí cơng nhân dạng chấm đỏ 3.2.2 Lưu đồ thuật toàn hệ thống Tuyển tập đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên Khoa Điện – Điện tử giai đoạn 2011-‐2015 -‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐ Hình 14 Lưu đồ thuật tồn khối phát ID Hình 15 Lưu đồ thuật toàn khối thu V KẾT LUẬN Sau khoảng gần tháng nghiên cứu thực đề tài, dạt đựợc kết sau: - Hiểu đựợc tổng quan kỹ thuật truyền thông sử dụng ánh sáng khả kiến - Phân tích rõ so sánh VLC chuẩn truyền thông không dây khác - Ðưa tiềm ứng dụng VLC vào thực tế - Hiểu rõ kỹ thuật co đựợc sử dụng VLC: Khối phát, thu, vấn đề cảm biến, tần số, nhiễu, bảo mật… - Mơ hình "truyền thong ánh sang khả kiến hầm mỏ" đạt yêu cầu thiết kế ban đầu vài tồn chưa xử lý Tuy nhiên, mơ hình số hạn chế chưa đựợc khắc phục: - Vẫn xảy tựợng nhiễu gây sai lệch tín hiệu - Thông tin chưa thể truyền xa với nguồn ánh sáng phân tán - Chưa xử lý nhiễu tín hiệu truyền đường dây tải điện 220V/50Hz Chúng nhận thấy đề tài hay, bổ ích, có tính thực tế cao có tầm nhìn rộng cung cấp cho chúng tơi nhiều kinh nghiệm hiểu biết phục vụ cho học tập, nghiên cứu triển khai dự án vào thực tế sau Chúng tiếp tục phát triển mơ hình để khắc phục nhược điểm tồn tăng độ nhạy cảm biến thu, tăng khoảng cách truyền tin, sử dụng kỹ thuật điều chế tối ưu hơn, tìm 10 Tuyển tập đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên Khoa Điện – Điện tử giai đoạn 2011-‐2015 -‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐ cách khắc phục nhiễu tín hiệu đường dây tải điện, phát triển thêm tính để ứng dụng vào thực tế TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] https://www.tinhte.vn/threads/mot-vai-thong-tin-ve-li-fL-mang-khong-day-su-dung-anh-sang-khakien-va-cac-bong-den-led.2348983/ [2] Thái Anh Tài, Visible Light Communication for Audio Streaming, 2015 [3] Toshihiko Komine, “Visible Light Wireless Communications and Its Fundamental Study”, 2005 [4] João Paulo Barraca, Luis Nero Alves, Mónica Figueiredo, Electronic Shelf Labeling Employing Visible Light Communication Concepts, 2014 [5] Lennart Pieter Klaver, Design of a network stack for directional visible_Master Thesis, 2014 [6] L Grobe, A Paraskevopoulos, J Hilt, D Schulz, F Lassak, F Hartlieb, C Kottke, V Jungnickel, K Langer, “High-Speed Visible Light Communication Systems”, IEEE Communications Magazine, vol 51, no 12, pp 60 - 66, Dec, 2013 [7] Chung Ghiu Lee - Chosun University, Visible light data transmision, 2014 [8] http://www.vcci.com.vn/cong-nghe/20140910084740816/anh-sang-thong-minh.htm 11 ... Node Hệ thống Used Hệ thống trung tâm Giao diện Hình Sơ đồ khối hệ thống truyền thông ánh sáng hầm mỏ 3.1.2 Hệ thống trung tâm Phần lõi hệ thống trung tâm CPU Nó có nhiệm vụ nhận tín hiệu ID công. .. ứng dụng VLC nhiều nhà nghiên cứu nước triển khai, việc thiết kế hệ thống truyền thông hầm mỏ nhằm tạo môi trường giao tiếp trung tâm mặt đất với người công nhân hầm quan tâm Có mỏ hầm lò nước... sáng hầm mỏ vừa để truyền tín hiệu trung tâm gửi xuống Các tín hiệu gửi xuống từ trung tâm báo động thông báo thông tin 3.1.4 User (công nhân) Hệ thống lắp đặt mũ bảo hộ người công nhân mỏ Mỗi
Ngày đăng: 12/11/2017, 11:33
Xem thêm: HỆ THỐNG GIÁM SÁT CÔNG NHÂN HẦM MỎ BẰNG CÔNG NGHỆ VLC, HỆ THỐNG GIÁM SÁT CÔNG NHÂN HẦM MỎ BẰNG CÔNG NGHỆ VLC
