Bài viết này sẽ trình bày chi tiết nội dung và giải pháp kỹ thuật để xây dựng hệ thống giám sát, điều khiển thông minh các trạm viễn thông từ xa.
Trang 1Thiết kế hệ thống giám sát điều khiển thông minh các trạm viễn thông từ xa trên nền công nghệ NET và GIS
Designing the system of monitoring and controling intelligently remote
telecommunications stations on the basic of NET and GIS
ThS Trần Minh Nhật, Trường Đại học Sài Gòn ThS Nguyễn Huy Hùng, Trường Đại học Sài Gòn M.Sc Tran Minh Nhat, Sai Gon University M.Sc Nguyen Huy Hung, Sai Gon University
Tóm tắt
Hệ thống giám sát điều khiển các trạm viễn thông từ xa, cho phép người quản trị có thể giám sát, điều khiển các hoạt động thiết bị tại trạm thu phát gốc di động BTS 1 , thông qua mạng điện thoại, internet để nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị, tiết kiệm điện năng, giảm chi phí nhân công và nâng cao tính bảo mật Bài báo này sẽ trình bày chi tiết nội dung và giải pháp kỹ thuật để xây dựng hệ thống giám sát, điều khiển thông minh các trạm viễn thông từ xa
Từ khóa: cảm biến, giám sát, trạm BTS…
Abstract
The monitoring system control remote telecommunication stations, allowing the administrator can monitor and control the activities of telecommunications equipment at stations, via telephone, internet to improve equipment efficiency, energy saving, reducing labor costs and improving security This article details the content and technical solutions for building system which monitor and intelligently control remote telecommunications stations
Keywords: sensor, monitoring, BTS station…
Thông tin di động có tốc độ phát triển
rất nhanh, số người dùng tăng cao, mạng
lưới mở rộng toàn cầu, các dịch vụ phát
triển theo hướng tích hợp, băng thông rộng,
tín hiệu thoại, hình, số liệu được hội tụ cao
trên nền dịch vụ internet Việc tăng dung
lượng và mở rộng vùng phủ sóng dẫn đến
việc cần phải xây dựng thêm rất nhiều trạm thu phát gốc di động BTS, với phạm vi ngày càng mở rộng, do đó, việc quản lý, vận hành cũng ngày càng khó khăn, tốn kém nhiều tài nguyên và nguồn nhân lực Công nghệ ngôi nhà thông minh đã được nghiên cứu triển khai tại các nước công nghiệp phát triển trên thế giới, tuy
Trang 2nhiên công nghệ này thích hợp cho các cơ
sở công nghiệp có quy mô lớn, được thiết
kế xây dựng từ đầu, chi phí đầu tư cao, các
tập đoàn Intel, Motorola, Siemen, Sony,
Samsung, … là những người tiên phong
trên lĩnh vực thiết kế chế tạo thiết bị cho
ngôi nhà thông minh
Thực tế, tại Việt Nam, các tập đoàn
viễn thông Viettel, VNPT, Gtel, FPT, phát
triển mạng lưới theo xu hướng tăng dần,
chưa có một kế hoạch tổng thể từ ban đầu,
do đó sẽ có nhiều trạm viễn thông mới hình
thành, việc kiểm soát an ninh, sự linh hoạt
trong quá trình khai thác, giám sát, quản lý
tập trung, là bài toán rất quan trọng
Trong các trạm viễn thông, các hệ
thống nguồn điện cấp cho thiết bị, chiếu
sáng và máy lạnh, tình trạng hoạt động của
các thiết bị cần được duy trì theo đúng chỉ
tiêu kỹ thuật, đồng thời các yêu cầu về giám sát an ninh cần được cập nhật và quản
lý chính xác, thông thường các thông tin này cần có người kỹ thuật viên kiểm tra, đo đạt, cập nhật và báo cáo về trung tâm theo quy định Độ trung thực và tính cấp thời của thông tin tùy thuộc vào đạo đức của người trực Do đó, chúng tôi đã nghiên cứu
chế tạo hoàn chỉnh “Hệ thống giám sát và
điều khiển thông minh các trạm viễn
các trạm viễn thông và có thể mở rộng ứng dụng trong các nhà xưởng, nhà dân sinh, để nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị, giảm bớt chi phí nhân công, tiết kiệm năng lượng, xử lý và ứng phó nhanh các trường hợp sự cố, tăng tính chính xác và độ tin cậy, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất kinh doanh của doanh nghiệp
Trang 3Hình 2 Hình ảnh thiết bị hệ thống giám sát và điều khiển thông minh
đưa vào thử nghiệm
Mô hình hoạt động hệ thống giám sát
và điều khiển thông minh trình bày như
hình 1, và hình dạng thiết bị được chế tạo
hoàn chỉnh đã đưa vào thử nghiệm như
hình 2, hệ thống được thiết kế theo 3 khối:
Khối quản lý nhà trạm từ xa (RAU), Khối
quản lý hệ thống tại trung tâm MC
(Module Center) và Khối giao diện với
người sử dụng (Inter face) Các module
RAU của trạm viễn thông bố trí khắp nơi
ký hiệu là trạm (ID_1), (ID_2), đến (ID_N)
được gắn đến module trung tâm MC thông
qua mạng viễn thông, các kết nối di động
hoặc đường kết nối internet cho phép trao
đổi thông tin liên tục giữa module trung tâm
với các module RAU tại các trạm Theo
định kỳ khối quản lý nhà trạm RAU gởi các
thông tin của nhà trạm về cho khối xử lý
trung tâm MC hoặc có thể nhận các yêu cầu
từ khối trung tâm để thực hiện yêu cầu điều
khiển thiết bị nhà trạm hay trả về các thông
tin mà khối xử lý trung tâm yêu cầu
Khối xử lý trung tâm sẽ tập hợp tất cả
các thông tin của tất cả các nhà trạm để xử
lý, khối trung tâm có thể gởi thông tin về
cho chương trình giám sát trên máy tính
của người dùng hoặc tiếp nhận thông tin
của người dùng rồi gởi nó xuống khối quản
lý nhà trạm để lấy thông tin hoặc điều
khiển nhà trạm
Khối giao diện người dùng cho phép người dùng định nghĩa thông số các nhà trạm, cho phép lấy thông tin và điều khiển các nhà trạm thông qua khối xử lý trung tâm trên giao diện web
Toàn bộ dữ liệu đo đạt điều kiểm được cập nhật liên tục và lưu trữ trong máy tính
để có thể phục vụ cho công tác thống kê và báo cáo thông tin cũng như việc tính toán hiệu suất sử dụng thiết bị về sau
2.2 Cấu trúc phần cứng của hệ thống
Phần cứng của hệ thống giám sát và điều khiển thông minh được thiết kế trên 3 module mạch chính là: module mạch điều khiển stm32f4-Discovery, module cảm biến nhiệt độ DS18B20, module giao tiếp mạng ethernet DP83848 và Module thiết bị báo cháy
thiết kế trên nền chip vi điều khiển ARM, STM32F4-DISCOVERY gồm tập các chân nối giao tiếp, một số chân sẽ nối giao tiếp với các thiết bị cảm biến, các chân này dùng để giám sát cùng lúc nhiều cảm biến đặt trên thiết bị cũng như điều khiển các thiết bị đang hoạt động tại các trạm viễn thông Chip vi điều khiển ARM có nhiều ưu điểm trong việc thiết kế mở rộng phát triển
Trang 4thêm các ứng dụng mới về sau một cách dễ
dàng, tài liệu đầy đủ, giá thành thấp
Module cảm biến nhiệt DS18B20:
được thiết kế thành một nhiệt kế, giá trị dữ
liệu cảm biến nhiệt được chứa trong vùng
nhớ 12-bit Các DS18B20 giao tiếp với
mạch thông qua giao thức 1-Wire, nghĩa là
chỉ cần dùng một đường truyền duy nhất để
giao tiếp với bộ vi xử lý trung tâm Nhiệt
độ hoạt động cho phép của DS18B20 trong
phạm vi -55°C đến +125°C và có sai số là
± 0,5°C Vùng nhiệt độ được chọn để thiết
kế thực tế tại trạm viễn thông là trong
khoảng từ -10°C đến +85°C
Mỗi DS18B20 được nhận dạng qua
một mã ID có độ dài 64 bit, cho phép nhiều
DS18B20 có thể hoạt động trên cùng
1-Wire bus Vì vậy, một bộ vi xử lý có thể
kiểm soát nhiều DS18B20 phân bố trên
một khu vực rộng lớn Các ứng dụng có thể
sử dụng tính năng này bao gồm kiểm soát
môi trường, giám sát nhiệt độ các hệ thống
bên trong các tòa nhà, giám sát, điều khiển
trạng thái hoạt động các thiết bị và máy
móc tại trạm viễn thông Sơ đồ mạch điện
điển hình của cảm biến nhiệt được thiết kế
như hình 3
Module thiết bị báo cháy HORING
phát hiện có khói, các dấu hiệu có cháy xảy
ra để phòng chữa cháy kịp thời Khi có dấu hiệu cháy thiết bị sẽ báo động tại chỗ và truyền tín hiệu về thiết bị báo cháy trung tâm để kích hoạt toàn bộ hệ thống còi báo động Phần cứng HORING AH-0311-4 có
8 chân, trong đó ta chỉ cần sử dụng 5 chân (2,4,5,6,7), chân 2 nối nguồn, chân 4 nối đất, chân 5,6,7 là các chân điều khiển báo cháy, khi tình trạng bình thường thì chân 7 nối với chân 5, khi có khói, chân 7 hở với chân 5 nhưng lại nối với chân 6 Trong trường hợp các tín hiệu cảm biến thấp thì thiết kế thêm mạch khuếch đại tín hiệu bằng Chip LM393, Chip LM393 là bộ vi mạch khuếch đại gồm 2 bộ so sánh độc lập với điện áp bù nhỏ cỡ 2.0mV, hoạt động với cả nguồn cấp đơn hoặc 2 nguồn cấp đối xứng[7] Sơ đồ thiết kế chi tiết mạch điện cảm biến khói như hình 4
Module điều khiển thiết bị: ngoài
các thiết bị cảm biến ra, mạch giám sát còn
có module điều khiển thiết bị, việc điều khiển thiết bị là thực hiện các yêu cầu như tăng giảm công suất hoạt động, tắt mở
Trang 5nguồn, nhưng chung quy lại chỉ là dạng tắt
mở nguồn thiết bị, các module điều khiển
được tích hợp trong cùng sơ đồ điều khiển
các thiết bị tại trạm, một thiết kế ứng dụng
điển hình của mạch điều khiển máy lạnh
trong trạm viễn thông như hình 5
Phần cứng của mạch giám sát là một
bộ thiết bị thống nhất gồm nhiều module
giám sát, mỗi module cho một loại thiết bị
riêng, để hoạt động mỗi module cần phải
tích hợp chương trình phần mềm tương
ứng, các chương trình phần mềm nhúng hỗ
trợ việc giám sát toàn bộ hệ thống
giám sát và điều khiển thông minh
Chương trình phần mềm của hệ thống
giám sát và điều khiển thông minh được
xây dựng trên nền công nghệ NET
Framework, công nghệ GIS Google Maps
và công cụ lập trình nhúng Keil C, chương
trình phần mềm cho phép hỗ trợ toàn bộ
quá trình giám sát, điều khiển toàn bộ hệ
thống hoạt động tại trạm viễn thông
Công nghệ NET: NET Framework
của Microsoft là một nền tảng lập trình tập
hợp các thư viện lập trình có thể được cài
thêm hoặc đã có sẵn trong các hệ điều hành
Windows Nó cung cấp những giải pháp
thiết yếu cho những yêu cầu thông thường
của các chương trình điện toán như lập
trình giao diện người dùng, truy cập dữ
liệu, kết nối cơ sở dữ liệu, ứng dụng web,
các giải thuật số học và giao tiếp mạng
Ngoài ra, NET Framework quản lý việc
thực thi các chương trình được viết dựa
trên NET Framework do đó người dùng
cần phải cài NET Framework để có thể chạy các chương trình được viết trên nền .NET Công nhệ NET này sẽ được sử dụng
để thiết kế chương trình giám sát trung tâm cũng như hỗ trợ thiết kế các trang web người dùng đầu cuối [5]
Cộng nghệ Google Maps: Google
Maps là một dịch vụ ứng dụng và công nghệ bản đồ trực tuyến trên web miễn phí được cung cấp bởi Google, hỗ trợ nhiều dịch vụ khác của Google nổi bật là dẫn đường Nó cho phép xem bản đồ đường sá, đường đi cho xe đạp, cho người đi bộ và xe hơi, và những địa điểm kinh doanh trong khu vực cũng như khắp nơi trên thế giới Google maps sẽ được dùng để thể hiện vị
trí các trạm trên bản đồ thực của google[8]
Bộ công cụ lập trình nhúng Keil C:
Keil C là công cụ phần mềm hỗ trợ khá đầy
đủ để người dùng soạn thảo và biên dịch chương trình dành cho các vi điều khiển thuộc họ ARM và một số họ khác bằng ngôn ngữ C/C++ Giống như tất cả các phần mềm dựa trên μVision IDE Keil, Keil
C cung cấp môi trường lập mạnh mẽ, dễ sử dụng và dễ dàng tiếp cận giúp phát triển các ứng dụng nhúng Chúng bao gồm các thành phần cần thiết để tạo, debug và kết hợp vi điều khiển với các thiết bị ngoại vi liên quan[2]
mạch giám sát
Trang 6Khối chương trình quản lý trạm viễn
thông bao gồm chương trình quản lý các
thiết bị cảm biến của mạch giám sát,
chương trình giao tiếp với khối quản lý
trung tâm và chương trình web, cho phép
người điều hành hệ thống cài đặt, mật mã,
các thông số kỹ thuật cho toàn bộ hệ thống
theo thứ tự từng trạm một Giao diện
chương trình cài đặt như hình 6
4.2 Chương trình quản lý hệ thống
tại trung tâm
Chương trình quản lý hệ thống tại
trung tâm có vai trò trung gian giữa khối
quản lý nhà trạm và khối giao diện người
sử dụng, khối quản lý trung tâm có nhiệm
vụ tập hợp trạng thái của các mạch giám
sát để gởi tới chương trình web của người
dùng, cũng như gởi các lệnh lấy thông tin
hoặc các lệnh điều khiển từ người dùng tới
mạch giám sát tại các trạm viễn thông
Giao điện chương trình quản lý hệ thống
tại trung tâm như hình 7
trung tâm
Chương trình giao tiếp với người dùng
gồm cơ sở dữ liệu lưu trữ trong bộ nhớ và
được tích hợp với cơ sở dữ liệu bản đồ số google maps, cho phép người điều hành quản lý, giám sát thông tin các trạm viễn thông trực tiếp trên bản đồ số google maps Giao diện chương trình người dùng như hình 8
viễn thông trên bản đồ số GIS
Chương trình làm việc theo tiến trình hoạt động, khi mới khởi tạo chương trình, trên bản đồ chỉ thể hiện vị trí các trạm với biểu tượng có hình bong bóng, khi thiết bị của một trạm viễn thông được kết nối vào
hệ thống thì biểu tượng của trạm tương ứng chuyển sang hình đèn xanh, thể hiện điều kiện làm việc bình thường, khi một trạm viễn thông có cảnh báo quá nhiệt độ qui định hay có báo cháy, biểu tượng tương ứng sẽ chuyển sang đèn đỏ
Hệ thống giám sát nhà trạm viễn thông
là hệ thống cho phép người quản trị có thể giám sát, điều khiển các hoạt động của các thiết bị tại trạm viễn thông, thông qua mạng nội bộ, internet Hệ thống này có thể được áp dụng hiệu quả tại các trạm thu phát gốc BTS trong hệ thống mạng điện thoại di động, có thể mở rộng ứng dụng trong các nhà xưởng, hệ thống công nghiệp, phòng thí nghiệm, hệ thống có thể làm việc liên tục 24 giờ trong ngày, giám sát được hầu hết các tình trạng làm việc của các thiết bị, liên tục, mọi lúc, mọi nơi
Trang 7Hệ thống giám sát điều khiển thông
minh trạm viễn thông là giải pháp nâng
cao độ bền thiết bị, tăng cường tính bảo
vệ, an toàn hệ thống, tiết kiệm chi phí điện
năng, giảm chi phí nhân công, tăng hiệu
quả đầu tư
Đóng góp mới của đề tài là thiết kế hệ
thống giám sát điều khiển thông minh trạm
viễn thông theo hệ thống mở, trên nền công
nghệ NET Framework, công nghệ GIS
Google Maps, internet và công cụ lập trình
nhúng Keil C, chương trình phần mềm cho
phép hỗ trợ toàn bộ quá trình giám sát, điều
khiển toàn bộ hệ thống hoạt động tại trạm
viễn thông và hiển thị kết quả giám sát trạm
viễn thông trực tiếp trên bản đồ số GIS
Phần cứng thiết bị được thiết kế hoàn
chỉnh, linh kiện phù hợp, thông dụng, tăng
khả năng ứng dụng và giá thành thấp Kết
quả của đề tài là sản phẩm hoàn chỉnh có
thể ứng dụng vào thực tế để giám sát và
điều khiển các thiết bị tại các trạm viễn
thông nói chung, các trạm BTS rất hiệu quả
Trong thời gian tới, đề tài có thể
nghiên cứu tích hợp nhiều dạng cảm biến
nhằm phát triển thành hệ thống giám sát
trên nhiều lĩnh vực khác nhau, thích ứng
hết các yêu cầu cần thiết của tất cả các thiết
bị trong trạm viễn thông
Chú thích:
(1)
BTS: Base Transceiver Station
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 DevExpress (2015), ASP.NET WebForms
Controls and Libraries, https://www devexpress.com/Products/NET/Controls/ASP
2 Keil (2015), ARM Product Manuals,
http://www.keil.com/support/man_arm.htm
3 Maxim integrated (2015), DS18B20
Programmable Resolution 1-Wire Digital Thermometer, http://dlnmh9ip6v2uc.cloudfront
.net/datasheets/Sensors/Temp/ DS18B20.pdf
4 Microsoft (2013), C# Programming Guide,
https://msdn.microsoft.com/en-us/library/ 67ef8sbd.aspx
5 Microsoft (2015), Sockets, https://msdn
microsoft.com/en-us/library/b6xa24z5(v=vs 110) aspx
6 ST (2015), Discovery kit for STM32F407/417
lines, http://www.st.com/web/catalog /tools
/FM116/SC959/SS1532/PF252419
7 ST (2015), Low power dual voltage
comparators, http://www.st.com/web/catalog/
sense_power/fm123/sc60/ss1089/pf63723
8 W3Schools (2015), Google Maps API,
http://www.w3schools.com/googleAPI/
google_maps_ref.asp
Ngày nhận bài: 15/7/2015 Biên tập xong: 15/9/2015 Duyệt đăng: 20/9/2015
