5. Phương pháp nghiên cứu
1.2.5. Đầu báo khói độ nhạy cao (Aspirating Smoke Detector hoặc Air
Cảm biến khói độ nhạy cao - ASD hay còn gọi là VESDA dùng cho các khu vực quan trọng đòi hỏi báo cháy có độ nhạy rất cao, nơi mà nguồn lửa rất khó phát hiện, yêu cầu chỉ một lượng khói rất mỏng phải được phát hiện ngay.
Một hệ thống ASD bao gồm một thiết bị dò khói trung tâm có khả năng thu hút không khí bằng máy hút khí và một mạng ống nhỏ lắp trong khu vực cần bảo vệ. Các lỗ mẫu (Sampling Point) được khoan vào mỗi ống trong theo khoảng cách phù hợp. Không khí sau đó liên tục bị hút vào hệ thống đường ống thông qua các lỗ, hướng tới thiết bị dò trung tâm để phân tích và kiểm tra (hình 1.19).
Khác với các cảm biến khói thông thường, hệ thống ASD phân tích không khí trong thời gian thực. Thiết kế của ASD cho phép thu thập mẫu không khí / khói thông qua hệ thống đường ống và dẫn về bộ cảm biến trung tâm.
Độ nhạy cao cùng với chủ động thu thập mẫu khói cho phép phát hiện cháy ở giai đoạn rất sớm. Điều này cực kỳ quan trọng trong những trường hợp môi trường có ngóc ngách làm loãng khói và che khuất xung quanh.
ASD phù hợp cho các môi trường yêu cầu phát hiện khói có độ nhạy rất cao và nhanh chóng. Điều này làm cho ASD rất phù hợp khi lắp trong phòng sạch sẽ, khu vực chứa hàng hoá quan trọng, dễ hư hỏng do cháy, phòng điện tử ... Thông thường, cảm biến khói điểm bình thường sẽ phát hiện sự nguy hiểm quá muộn, vì khói thường không đạt đến trần nhà nhanh chóng, đủ cho cảm biến khói phát hiện ra đám cháy kịp thời.
Hệ thống mạng lưới đường ống có thể lắp ẩn nên phù hợp trong môi trường yêu cầu thẩm mỹ như văn phòng, căn hộ và phòng khách sạn. Yếu tố này cũng làm cho nó thích hợp tại các địa điểm nơi mà cảm biến điểm có thể bị phá hoặc bị tháo mất.
Độ nhạy cao không có nghĩa rằng ASD không thể được sử dụng trong môi trường bụi hoặc bẩn miễn là quá trình thiết kế, lắp đặt và bảo trì phù hợp. Hầu hết các sản phẩm ASD có thể thích nghi cho một phạm vi rộng của môi trường và ứng dụng – từ cả không gian hạn chế và không gian mở tới môi trường sạch hay bẩn nhất, bao gồm cả telecom, phòng kiểm soát, xử lý chất thải, khai thác mỏ và nhiều hơn nữa.
Trong hệ thống này ta dùng cảm biến khói quang điện không dây có thể dò những hạt khói nhìn thấy được phát ra từ đám cháy. Có nắp bảo vệ, các tiếp điểm không phân cực, có tín hiệu báo cho biết cảm biến bị tháo ra bất hợp lệ, dòng giám sát thấp.
CHƢƠNG 2
MỘT SỐ PHƢƠNG THỨC TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY 2.1. Tổng quan
Ngày nay, xã hội phát triển mạnh mẽ, kĩ thuật ngày càng hiện đại nên nhu cầu về trao đổi thông tin, giải trí, nhu cầu về điều khiển thiết bị từ xa... ngày càng cao. Những hệ thống dây cáp phức tạp lại không thể đáp ứng tốt nhu cầu này, nhất là ở những khu vực chật hẹp, những nơi xa xôi, trên các phương tiện vận chuyển...Vì thế công nghệ không dây ra đã và đang phát triển mạnh mẽ, tạo rất nhiều thuận lợi cho con người trong đời sống hàng ngày. Kĩ thuật không dây phục vụ rất nhiều nhu cầu khác nhau của con người, từ nhu cầu làm việc, học tập đến các nhu cầu giải trí như chơi game, xem phim, nghe nhạc,… Với các nhu cầu đa dạng và phức tạp đó, kĩ thuật không dây đã đưa ra rất nhiều chuẩn với các đặc điểm kĩ thuật khác nhau để có thể phù hợp với từng nhu cầu, mục đích và khả năng của người sử dụng như ISM, GSM, WLAN với chuẩn 802.11, Zigbee, OpenAir, UWB, Bluetooth,…
Do vậy việc lựa chọn kĩ thuật nào phù hợp nhất cho ứng dụng của mình là thách thức lớn mà chúng ta cần phải giải quyết.
2.2. Lựa chọn phƣơng thức
Như đã nêu ở trên, với sự bùng nổ của công nghệ, các phương thức truyền tín hiệu không dây đã xuất hiện rất phổ biến và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống. Mỗi chuẩn kĩ thuật đều có những ưu, khuyết điểm riêng của nó. Sau đây là các phương thức thường được sử dụng hiện nay:
2.2.1. Băng tần ISM 2.4 GHz
Gần đây, tần số vô tuyến trong băng tần ISM đã được sử dụng cho các mục đích truyền thông, khoa học và y tế (bao gồm hệ thống sưởi tần số vô tuyến quá trình, lò vi sóng, và điện máy y tế). Tại Mỹ, hiệp hội FCC lần đầu tiên tạo ra sự mở rộng phổ giá trị trong bằng tần ISM với các quy ước phù hợp vào 9/5/1985.
Băng tần ISM Năng lượng tối thiểu 902 - 928 MHz Cordless phones Microwave ovens Industrial heaters Military radar 1 W 750 W 100 kW 1000 kW 2.4 - 2.4835 GHz Bluetooth Wi-Fi - 802.11b/g Microwave ovens 100 mW 1 W 900 W 5 GHz 5.725 - 5.825 GHz Wi-Fi - 802.11a/n 4 W U-NII 5 GHz Bands Wi-Fi - 802.11a/n 5.15 - 5.25 GHz 5.25 - 5.35 GHz 5.47 - 5.725 GHz 5.725 - 5.825 GHz 200 mW 1 W 1 W 4 W 60 GHz Band 57 – 64 GHz
Bảng 2.1. Các dải tần số phổ biến của ISM
Các băng tần ISM 900 MHz rất hẹp và điều này làm hạn chế tốc độ dữ liệu tối đa. Thông thường các ứng dụng như SCADA và RFID sử dụng băng tần 900 MHz vì yêu cầu tốc độ dữ liệu thấp hơn so với các ứng dụng được tìm thấy trong các dải tần số GHz 2,4-5. Tuy nhiên, tần số 900 MHz là tốt hơn so với tần số 2,4 GHz khi truyền qua các vật cản như cây, hoa lá (trên các Line of Sight (LOS)). Các băng tần 2,4 GHz sẽ hấp thụ nước trong cây và lá cây gây thiệt hại đường dẫn của
truyền 2,4 GHz. Chính vì thế băng tần 900 MHz thường được sử dụng trong các ứng dụng Non-Line-Of-Sight (NLOS).
Đối với người dùng là gia đình và doanh nghiệp thương mại thì băng tần 2.4 GHz được sử dụng cho Wi-Fi, Bluetooth, điện thoại không dây, máy in, bàn phím, chuột và bộ điều khiển chơi game ứng dụng… Các ứng dụng thoại, video và dữ liệu được sử dụng trong các hệ thống 2.4 GHz yêu cầu tốc độ dữ liệu cao hơn (lên đến 300 Mbps cho các ứng dụng chuẩn 802.11n). Băng tần này được sử dụng bởi tất cả các thiết bị wireless dựa theo chuẩn 802.11, 802.11b và 802.11g, được xem là băng tần được sử dụng khá phổ biến. FCC định nghĩa ra băng tần ISM 2.4 GHz là dãy tần số từ 2.4000 GHz đến 2.5000 GHz (hay 2.4500 GHz ± 50 MHz). Các thiết bị wireless LAN thực sự chỉ sử dụng dãy tần số từ 2.4000 GHz đến 2.4835 GHz. Lý do chính cho sự giới hạn này là do FCC chỉ định nghĩa ra công suất cho phép các thiết bị wireless hoạt động trong dãy trên trong băng tần ISM 2.4 GHz mà thôi.
Tuy nhiên, khi có tình trạng quá tải xảy ra, tín hiệu mạng Wi-Fi có thể yếu hoặc không làm việc. Với trường hợp này, băng tần 5 GHz là lựa chọn tốt nhất liên kết truyền dẫn để kết nối mạng Wi-Fi.
Các băng tần 5 GHz thường được sử dụng trong các ứng dụng Wi-Fi thương mại. Nó có thể được sử dụng như một truyền dẫn kết nối hai hệ thống 2.4 GHz. Băng tần 5 GHz cũng được sử dụng cho tiêu chuẩn 802.11ac mới nổi mà sẽ cung cấp lên đến 1,3 Gbps của dữ liệu không dây thông qua. Ngoài ra 802.11n cũng có thể sử dụng tần số 5 GHz.
2.2.2. Tin nhắn ngắn SMS
Dịch vụ tin nhắn ngắn SMS (Short Message Services) là một giao thức viễn thông cho phép gửi các thông điệp dạng văn bản ngắn (không quá 160 kí tự), SMS là một thành phần dịch vụ tin nhắn của điện thoại, web, hoặc các hệ thống thông tin di động. Nó sử dụng giao thức truyền thông chuẩn để trao đổi tin nhắn văn bản ngắn trên đường dây cố định hoặc các thiết bị điện thoại di động.
Tin nhắn SMS được sử dụng rộng rãi với ước tính khoảng 3,5 tỷ người dùng, chiếm khoảng 80% của các thuê bao điện thoại di động vào cuối năm 2010. Trong
năm 2010, 6.1 nghìn tỷ (6.1 × 1012) tin nhắn SMS được gửi đi, trung bình có 193.000 tin nhắn SMS trong một giây. Tin nhắn SMS đã trở thành một ngành công nghiệp thương mại lớn, có thu nhập 114.6 tỷ US$ trên toàn cầu trong năm 2010, giá trung bình cho một tin nhắn SMS là 0,11 US$.
2.2.3. Wi-Fi
Wi-Fi viết tắt từ Wireless Fidelity hay mạng 802.11 là hệ thống mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến, giống như điện thoại di động, truyền hình và radio.
Tên gọi 802.11 bắt nguồn từ viện IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers). Viện này tạo ra nhiều chuẩn cho nhiều giao thức kỹ thuật khác nhau, và nó sử dụng một hệ thống số nhằm phân loại chúng; 4 chuẩn thông dụng của Wi-Fi hiện nay là 802.11a/b/g/n.
Các sóng vô tuyến sử dụng cho Wi-Fi gần giống với các sóng vô tuyến sử dụng cho thiết bị cầm tay, điện thoại di động và các thiết bị khác. Nó có thể chuyển và nhận sóng vô tuyến, chuyển đổi các mã nhị phân 1 và 0 sang sóng vô tuyến và ngược lại.
Tuy nhiên, sóng Wi-Fi có một số khác biệt so với các sóng vô tuyến khác ở chỗ: - Chúng truyền và phát tín hiệu ở tần số 2.5 GHz hoặc 5 GHz. Tần số này cao hơn so với các tần số sử dụng cho điện thoại di động, các thiết bị cầm tay và truyền hình. Tần số cao hơn cho phép tín hiệu mang theo nhiều dữ liệu hơn.
- Chúng dùng chuẩn 802.11:
oChuẩn 802.11b là phiên bản đầu tiên trên thị trường. Đây là chuẩn chậm nhất và rẻ tiền nhất, và nó trở nên ít phổ biến hơn so với các chuẩn khác. 802.11b phát tín hiệu ở tần số 2.4 GHz, nó có thể xử lý đến 11 Mbps, và nó sử dụng mã CCK (complimentary code keying).
oChuẩn 802.11g cũng phát ở tần số 2.4 GHz, nhưng nhanh hơn so với chuẩn 802.11b, tốc độ xử lý đạt 54 Mbps. Chuẩn 802.11g nhanh hơn vì nó sử dụng mã OFDM (orthogonal frequency-division multiplexing), một công nghệ mã hóa hiệu quả hơn.
dụng mã OFDM. Những chuẩn mới hơn sau này như 802.11n còn nhanh hơn chuẩn 802.11a, nhưng 802.11n vẫn chưa phải là chuẩn cuối cùng.
oChuẩn 802.11n cũng phát ở tần số 2.4 GHz, nhưng nhanh hơn so với chuẩn 802.11a, tốc độ xử lý đạt 300 Mbps.
Wi-Fi có thể hoạt động trên cả ba tần số và có thể nhảy qua lại giữa các tần số khác nhau một cách nhanh chóng. Việc nhảy qua lại giữa các tần số giúp giảm thiểu sự nhiễu sóng và cho phép nhiều thiết bị kết nối không dây cùng một lúc.
Nhiều ứng dụng và các thiết bị hỗ trợ Wi-Fi bao gồm mạng gia đình, PDA, điện thoại di động, hệ điều hành, cần điều khiển trò chơi và các loại thiết bị điện tử tiêu dùng. Wi-Fi cũng được tích hợp trong nhiều ứng dụng công nghiệp. Công nghệ này gần đây đã hiện diện cả trong mạng di động, tại những khu vực mà nhà mạng muốn giảm tải lưu lượng dữ liệu trên đường truyền thoại. Công nghệ Wi-Fi hiện nay đã được tích hợp trong các con chip hoặc các module có sẵn, khoảng cách xa nhất lên đến 100 m trong điều kiện không chắn sóng. Đây là một lựa chọn tuyệt vời cho nhu cầu cần khoảng cách xa và tốc độ cao.
Bất kỳ sản phẩm nào được kiểm tra và phê duyệt là "Wi-Fi Certified" của Wi-Fi Alliance đều tương thích với nhau, ngay cả khi chúng được sản xuất từ các nhà sản xuất khác nhau.
Ưu nhược điểm của phương thức truyền tín hiệu bằng Wi-Fi Ưu điểm:
- Sự tiện lợi: truyền tải không dây Wi-Fi cũng như truyền tải thông thường. Nó cho phép người dùng truy xuất tài nguyên mạng ở bất kỳ nơi đâu trong khu vực được triển khai (nhà hay văn phòng). Cùng với sự gia tăng số người sử dụng máy tính xách tay (laptop), đó là một điều rất thuận lợi;
- Khả năng di động: Với sự phát triển của phương thức truyền tín hiệu không dây công cộng, người dùng có thể truy cập Internet ở bất cứ đâu. Chẳng hạn ở các quán Cafe, người dùng có thể truy cập Internet không dây miễn phí;
- Hiệu quả: Người dùng có thể duy trì kết nối mạng khi họ đi từ nơi này đến nơi khác;
- Thiết kế hệ thống mạng thu thập tín hiệu xác định vị trí vật cho người khiếm thị;
- Triển khai: Việc thiết lập phương thức truyền tín hiệu không dây ban đầu chỉ cần ít nhất 1 access point. Trong khi đó, với phương thức dùng cáp, phải tốn thêm chi phí và có thể gặp khó khăn trong việc triển khai hệ thống cáp ở nhiều nơi trong tòa nhà;
- Khả năng mở rộng: phương thức truyền tín hiệu không dây Wi-Fi có thể đáp ứng tức thì khi gia tăng số lượng người dùng mà không cần phải gắn thêm cáp.
Nhược điểm:
- Bảo mật: Môi trường kết nối không dây là không khí nên khả năng bị tấn công của người dùng là rất cao;
- Phạm vi: Một mạng chuẩn 802.11g với các thiết bị chuẩn chỉ có thể hoạt động tốt trong phạm vi vài chục mét. Nó phù hợp trong 1 căn nhà, nhưng với một tòa nhà lớn thì không đáp ứng được nhu cầu. Để đáp ứng cần phải mua thêm Repeater hay access point, dẫn đến chi phí gia tăng;
- Độ tin cậy: Vì sử dụng sóng vô tuyến để truyền thông nên việc bị nhiễu, tín hiệu bị giảm do tác động của các thiết bị khác (lò vi sóng…) là không tránh khỏi. Làm giảm đáng kể hiệu quả hoạt động của mạng;
- Tốc độ: Tốc độ truyền (1- 125 Mbps) rất chậm so với phương thức sử dụng cáp (100 Mbps đến hàng Gbps).
2.2.4. ZigBee
Zigbee là một giao thức được xây dựng theo chuẩn IEEE 802.15.4. Giao thức này được tạo ra nhằm phục vụ cho những ứng dụng yêu cầu giá thành và công suất thấp nhưng phải có khả năng linh động trong phạm vi rộng. Chuẩn Zigbee được phát triển và xúc tiến bởi hãng Zigbee Alliance, với sự hỗ trợ từ hơn 200 công ty trên thế giới như: SIEMENS, ATMEL, NI, NEC, TEXAS INSTRUMENTS, EPSON...
Về bản chất Zigbee cũng một chuẩn giao tiếp không dây như những chuẩn không dây khác: UWB, Wi-Fi, IrDA, 3G, Bluetooth...nhưng nó mang những đặc tính kỹ thuật và đặc tính vật lý riêng và do đó sẽ chỉ phù hợp với một mảng ứng
dụng nhất định. Chuẩn Zigbee có đặc điểm là phạm vi hoạt động hẹp, tốc độ truyền Zigbee thích hợp cho các sensor không dây và chuyên dùng cho các ứng dụng giám sát, điều khiển.
ZigBee hoạt động dựa trên một nhóm nhiều giao thức được thiết kế để có thể sử dụng được trong nhiều cấu trúc mạng vô tuyến như điểm-điểm, đơn điểm-đa điểm, dạng nhánh hay hình sao. Đặc trưng chính của nó là khả năng tạo ra những mạng lưới cảm biến giám sát quy mô lớn. Và quan trọng là, nó có thể quản lý tới 65000 node mạng.
Những phiên bản ZigBee công suất thấp được sử dụng trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe như hệ thống theo dõi bệnh nhân từ xa hoặc các ứng dụng tương tự. Một profile thuộc lĩnh vực chiếu sáng được dùng cho các hệ thống đèn LED và mạch điều khiển. Ngoài ra còn có một profile của ZigBee sử dụng sóng RF điều khiển từ xa thay thế hồng ngoại cho TV gia dụng và các thiết bị khác. ZigBee cũng được sử dụng trong công nghệ tự động tại nhà máy và có thể được dùng trong M2M (machine-to-machine) và IoT (Internet of Things).
Ưu nhược điểm của phương thức truyền tín hiệu bằng Zigbee Ưu điểm:
- Zigbee có cấu trúc đơn giản, tiết kiệm năng lượng. Một nốt mạng trong mạng Zigbee có khả năng hoạt động từ 6 tháng đến 2 năm chỉ với nguồn là hai