b. Lấy mẫu dữliệu trong không gian nút
3.1.1. Ứng dụng cho hệ thống quan trắc môi trường
Thiết bịđo gắn tại sông hồ ởđịa phương sẽđo thông sốnước liên tục và gửi dữ
liệu về Server trung tâm.
Phần mềm trạm theo dõi tại địa phương yêu cầu Server trung tâm gửi các dữ
liệu mới nhất, vẽđồ thị dữ liệu thời gian thực đểngười quản lý có thể theo dõi.
Phần mềm có khả năng cảnh báo nếu có đột biến về thông số đểngười quản lý có các biện pháp xử lý kịp thời.
Sơ đồ khối của hệ thống được đề xuất như sau:
Hình 3.2. Kiến trúc hệ thống quan trắc môi trường
Kiến trúc này được chia làm ba modul là modul thu thập dữ liệu (tầng thiết bị), modul xử lý lưu trữ (OPC UA Server) và các máy trạm (OPC UA Client):
Tại modul thu thập dữ liệu các tín hiệu từ các cảm biến (Sensor) được gửi lên vi
điều khiển (MCU) thông qua các mạch giao tiếp và được gửi tới trung tâm thông qua SIM548 nhờ giao thức TCP/IP.
71
Tại modul xử lý lưu trữ (OPC UA Server được xây dựng dựa trên bộ công cụ OPC UA Server SDK): bản tin gửi đến Server được lưu vào cơ sở dữ liệu, đồng thời Server cũng cung cấp những dịch vụ cho các máy trạm.
Các máy trạm (OPC UA Client được xây dựng dựa trên bộ công cụ OPC UA Client SDK): được đặt tại các địa phương có nhiệm vụ hiển thị thông tin về các thông số tại
địa phương đó và có thểđưa ra những cảnh báo và biện pháp xử lý phù hợp.
3.1.1.1. Phần cứng của hệ thống EMA
Cảm biến pH (Hana, HI1230) là một trong những loại cảm biến đang được dùng phổ biến hiện nay, cảm biến có chức năng chuyển đổi giá trị pH trong dung dịch thành giá trịđiện áp tương ứng, điện áp đầu ra của cảm biến có dải từ -414mV
đến +414mV (ở 250C).
Cảm biến DO (Hana, HI76409) là điện cực được dùng để đo nồng độ oxy hòa
tan trong nước theo phương pháp Galvanic.
Cảm biến độ dẫn là hai bản cực kim loại (thép không rỉ) đặt đối diện nhau trong một thểtích nước nhất định dùng đểđo khảnăng dẫn điện của nước.
Cảm biến ánh sáng được dùng là IC photodiode (OPT101) dùng đểđo cường độ
sáng tại khu vực kiểm tra với tín hiệu đầu ra là điện áp tỷ lệ với cường độ sáng
thu được.
Độđục không đo trực tiếp nồng độ các hạt lơ lửng trong nước mà là đo sự phân tán ánh sáng gây ra bởi các hạt đó. Cảm biến đo độ đục được chế tạo dựa trên cảm biến ánh sáng.
Cảm biến đo độ sâu sử dụng phương pháp đo gián tiếp thông qua sử dụng cảm biến áp suất do áp suất của một khối nước gây ra tỷ lệ với độ sâu của khối nước
đó. Loại cảm biến áp suất được dùng là MPXV7035 có đầu ra là điện áp trong dải từ0.2 đến 4.7V.
Cảm biến nhiệt độ được sử dụng là LM35, đây là loại cảm biến thông dụng
dùng đểđo nhiệt độ. Có điện áp ra tỷ lệ với nhiệt độ của môi trường.
Vi điều khiển và sim:
Vi điều khiển được chọn là ATmega128 do có những tính năng vượt trội như: 8
kênh ADC với độ phân giải 10bit, 2 khối USART lập trình được, 64 thanh ghi I/O, tần số hoạt động tối đa là 16MHz… đáp ứng đủ những yêu cầu về cấu hình cho hệ thống.
SIM được sử dụng là SIM548C, loại SIM này là một Module GSM/GPRS và GPS, có thể làm việc trên cả 4 băng tần EGSM 900Mhz/DCS 1800Mhz và GSM 850Mhz/PCS 1900Mhz. Ngoài ra SIM còn hỗ trợ công nghệđịnh vị toàn cầu GPS.
3.1.1.2. Ứng dụng bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK vào bài toán 1
Dựa vào bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK đã xây dựng ởchương 2, tác giả
72
dựng Controller – làm nhiệm vụ xây dựng không gian địa chỉ, lưu trữ dữ liệu thông tin của thiết bị. Đây là bước đầu tiên để mô hình hóa các thiết bị của hệ thống cho việc xây dựng không gian địa chỉ. Mỗi thiết bị thật là một Controller bao gồm đầy đủ các thông tin của thiết bị.
Hình 3.3. Cấu hình Controller trong bài toán1
Hình 3.4 bao gồm hai phần: phía trên là OPC UA Server SDK, phần dưới kế thừa bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK đã xây dựng ở chương 2 để phát triển ứng dụng của OPC UA Server trong hệ thống quan trắc môi trường. Trong đó, EMAControllerType lưu trữ thông tin các thiết bị và có chức năng điều khiển thiết bị
(Báo cáo). Ngoài ra, ControllerEventType làm nhiệm vụ cảnh báo khi có sự cố bất
73
Hình 3.4. Cách xây dựng Controller trong ứng dụng bài toán 1
Nhiệm vụ của phần mềm là thu thập số liệu được gửi từ các trạm tại sông, hồ ở các
địa phương khác nhau thông qua GPRS và giao thức TCP/IP, lưu giữ số liệu đó vào cơ
sở dữ liệu tại trung tâm. Mỗi số liệu được đánh mã, kèm theo mã thiết bị gửi, thời gian gửi… Dựa trên cơ sở dữ liệu này, người quản lý sẽ xây dựng được các thống kê về thực trạng môi trường nước sông hồ tại địa phương, từđó đưa ra đánh giá chính xác và có
các biện pháp xử lý kịp thời.
Thiết kế cơ sở dữ liệu:
Hệ thống được xây dựng nhằm mục đích chứng minh tính khả thi của giải pháp. Cơ
sở dữ liệu gồm 3 bảng: bảng thiết bị, bảng vịtrí địa lý, và bảng số liệu đo.
Bảng thông tin thiết bị:
Thông tin của thiết bịđược lưu trong bảng device. Mỗi thiết bịkhi đã đánh mã và
đưa vào sử dụng sẽđược lưu vào bảng này để quản lý. Các trường thông tin bao gồm: o Mã thiết bị
o Tên thiết bị
o Mã vịtrí địa lý
Ý nghĩa các trường:
o Mỗi thiết bị có một mã duy nhất xác định để phân biệt với các thiết bị
khác.
74
o Mỗi thiết bịđược đặt tại một ví trí địa lý xác định, tại sông, hồ của địa
phương. Thông tin này lưu trong mã vịtrí địa lý.
Bảng vị trí địa lý:
Các khu vực, địa phương, các sông hồ, nơi đặt thiết bị quan trắc môi trường nước, sẽđược đánh mã và lưu trong bảng location. Các trường thông tin bao gồm:
o Mã vị trí. o Mã vị trí trực thuộc. o Mô tả. Ý nghĩa các trường: o Mỗi vịtrí địa lý sẽ có một mã duy nhất xác định để phân biệt với các vị trí khác.
o Các vị trí có dạng cây phân cấp, tức là vị trí này có thể nằm trong khu vực của vị trí khác. Ví dụ, quận Cầu Giấy thuộc Hà Nội, sông Tô Lịch
đoạn chảy qua quận Cầu Giấy, Hà Nội. o Thông tin mô tả chi tiết về vịtrí đặt thiết bị.
Bảng thông số môi trường:
Dữ liệu thông số môi trường đo được từ thiết bị sẽ được lưu trong bảng measurement. Các trường thông tin bao gồm:
o Mã thiết bị. o Thời gian tạo. o Thống sốđộ dẫn. o Thông số pH. o Thông số ORP. o Thông số DO. o Thông số nhiệt độ. o Thông sốđộ sâu. o Thông sốđộđục. o Thông sốcường độ sáng. 3.1.2. Kết quả thực nghiệm
Hệ thống EMA (ứng dụng giám sát môi trường) về cơ bản đã hoạt động đầy đủ
chức năng (các thông số bao gồm pH, DO, ORP, nhiệt độ, độ dẫn, độđục, độ sâu và ánh sáng) nhận dữ liệu giám sát từ các cảm biến đưa tới OPC UA Client. Các nhà vận
hành, giám sát và điều khiển hệ thống ở bên phía Client có thể giám sát những dữ liệu
này để vận hành hệ thống được tốt nhất. Thực nghiệm ứng dụng giám sát môi trường và giao diện của OPC UA Client được thể hiện trong hình 3.5 và hình 3.6.
75
Hình 3.5. Thiết bị phần cứng của hệ thống quan trắc
Hình 3.6. Giao diện OPC UA Client của hệ thống quan trắc
Hệ thống EMA cung cấp chức năng cho việc thực hiện đo các thông số bao gồm độ
gồm pH, DO, ORP, nhiệt độ, độ dẫn, độđục, độ sâu và ánh sáng... Những thông tin này
76
3.6). Kết quả thực nghiệm chứng minh khả năng của OPC UA Client-Server SDK đã
được đề xuất cho việc phát triển ứng dụng cụ thể trong việc giám sát và điều khiển. Từ
những kết quả thực nghiệm này, mặc dù là những kết quảđầu tiên cho hệ thống EMA, nhưng thể hiện được tính khả thi cao cho những thí nghiệm sau này, trong việc tiếp tục phát triển và triển khai hệ thống EMA với sự chính xác của các thông sốđo, hiệu năng
cao, của cảnh báo và sự kiện của các nhà vận hành và quản lý.
Tóm lại, bằng cách sử dụng các đề xuất từ bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK, một số lợi ích có thể đạt được như sau: (i) Có một không gian địa chỉ linh hoạt cho các thiết bị xây dựng trong các OPC UA Server, (ii) Cập nhật dữ liệu tối ưu với biểu diễn dữ liệu phức tạp, (iii) Tái sử dụng các thành phần và các dịch vụđã được phát triển, và (iv) Khấu trừ thời gian phát triển và chi phí cho việc giám sát và điều khiển các ứng dụng.
Kết quả của thực nghiệm này - [CT3], tác giả đã công bố ở hội nghị quốc tế
ICCASA 2012. Minh chứng cho việc áp dụng bộ công cụ đề xuất, ghép nối với thiết bị
ngoại vi tự thiết kếđạt kết quả khả quan. Ở hệ thống này, OPC UA Client-Server SDK
được sử dụng để xây dựng ứng dụng server trung tâm và ứng dụng client ở trạm theo dõi. Server sẽ mô hình hóa thông tin của hệ thống vào trong không gian địa chỉ, còn client sẽ tạo những đăng ký theo dõi thay đổi dữ liệu để liên tục cập nhật dữ liệu đo.
3.2. Bài toán 2: Ứng dụng bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK cho hệ thống giám sát và điều khiển hệ thống điều hòa thống giám sát và điều khiển hệ thống điều hòa
3.2.1. Modbus
Giao thức Modbus là một cấu trúc truyền thông điệp được phát triển bởi Modicon
năm 1979 được sử dụng để thiết lập giao tiếp Master-Slave/Client-Server giữa những thiết bị thông minh [36]. Nó là một chuẩn phổ biến, mở và thực sự là giao thức được sử
dụng rộng rãi nhất trong môi trường sản xuất công nghiệp. Giao thức Modbus cung cấp một phương thức chuẩn cho các thiết bị Modbus sử dụng trong việc truyền thông điệp.
Thiết bị Modbus truyền thông với nhau bằng cách sử dụng công nghệ Master- Slave, trong đó chỉ có một thiết bị (Master) có khảnăng thiết lập giao dịch (được gọi là Queries). Các thiết bị khác (Slaves) phản hồi bằng cách cung cấp những dữ liệu yêu cầu
đến master hoặc thực hiện những công việc được yêu cầu trong query. Một slave có thể
là một thiết bị ngoại vi bất kì (máy biến năng I/O, van, ổ cứng mạng, hoặc các thiết bị đo lường khác) có khả năng xử lý thông tin và gửi đến master bằng Modbus. Master có thểđịnh vị mỗi slave, hoặc thiết lập một thông điệp quảng bá đến tất cả các slave. Slave sẽ phản hồi lại tất cả các query được chỉđịnh tới chúng một cách riêng biệt, nhưng sẽ
không phản hồi lại những query quảng bá.
Những thiết bịModbus thường bao gồm một bảng thanh ghi. Những hàm Modbus sẽ điều hành trên bảng thanh ghi để quản lý, cấu hình và điều khiển module I/O. Người dùng nên liên kết thiết bị với bảng thanh ghi để có thể hiểu rõ hoạt động điều hành của nó.
77
Chếđộ truyền tuần tựxác định nội dung bit của những byte thông điệp được truyền trong mạng, và cách thức mà thông tin được đóng gói và giải mã trong mỗi dòng thông
điệp. Một mạng Modbus chuẩn thường sử dụng một trong hai kiểu chế độ truyền tuần tự: chế độ ASCII hoặc chế độ RTU. Chếđộ truyền thường được chọn cùng với những thông số truyền thông giữa các cổng serial (Baud Rate, Parity…) như một phần của cấu hình của thiết bị.
Chế độ truyền ASCII: Trong chế độ truyền ASCII (American Standard Code for Information Interchange), mỗi byte ký tự trong thông điệp được gửi bằng 2 ký tự
ASCII. Chế độ này cho phép khoảng thời gian ngắt quãng lên tới 1 giây giữa 2 ký tự
trong quá trình truyền gửi mà không xảy ra lỗi.
Chế độ truyền RTU: Trong chếđộ truyền RTU (Remote Terminal Unit) mỗi byte
thông điệp dài 8 bit chứa 2 ký tự hexadecimal, mỗi ký tự dài 4 bit và thông điệp được truyền tải trong một luồng liên tục. Mật độ những ký tự cao sẽlàm tăng thông lượng so với chếđộ ASCII ở cùng một baud rate.
Để thuận tiện cho việc triển khai nghiên cứu, thay thế cho thiết bịđiều hòa nhiệt độ
cồng kềnh và bất tiện cho quá trình làm việc. Tác giả sử dụng Module Modbus có sẵn trên thịtrường có chức năng đo nhiệt độ, độẩm bằng các sensor tích hợp sẵn trên thiết bị. Module này có thể thay thế cho bộ phận giám sát của điều hòa nhiệt độ đồng thời
đảm bảo giao thức Modbus. Do đó hệ thống có thể làm việc với chế độ tương thích
hoàn toàn với các thiết bị điều hòa nhiệt độ thực sử dụng giao thức Modbus cho tự động hóa tòa nhà. Thiết bị giả lập được sử dụng là FLEX 1000 Humidity and Temperature Transmitter có dạng như hình 3.7:
Hình 3.7. Thiết bị giả lập FLEX 1000
Các chức năng:
Tích hợp sẵn Sensor SENSIRION của Thụy Sĩ. Nhiệt độ 14 bits và độ ẩm 12 bits.
Tích hợp nhiệt độ, độẩm và điểm sương
Đo nhiệt độ từ -20 đến +85 độC, độẩm từ 0-100%.
Độ chính xác -+2% đối với độẩm và +-0.3 độ C với nhiệt độở25 độ C
78
3.2.2. Hệ thống giám sát & điều khiển điều hòa nhiệt độ ứng dụng bộ công
cụ OPC UA Client-Server SDK kết nối giao thức Modbus
Hình 3.8. Mô hình hệ thống bài toán 2
Hệ thống cần triển khai sử dụng 2 đặc tả: OPC UA dùng cho phát triển hệ thống phần mềm điều khiển và quản lý hệ thống công nghiệp, Modbus là giao thức kết nối giữa các thiết bịđiều khiển và tựđộng hóa.
Giao thức Modbus sử dụng trong quản lý và điều khiển thiết bịđiều hòa nhiệt
độ bao gồm Sensor đo nhiệt độ, độ ẩm và thiết bịđiều khiển (Lớp các thiết bị trường). Phần cứng được sử dụng sử dụng chếđộ truyền Modbus RTU.
Lớp tự động hóa: Thực hiện kết nối OPC UA Server và các thiết bị Modbus. OPC UA Server đọc ghi dữ liệu từ các thiết bịModbus qua các hàm điều khiển.
Lớp quản lý giám sát: Bộ OPC UA Server/OPC UA Client hoàn chỉnh cho hệ
thống. Mỗi Server có thể cho phép kết nối từ nhiều Client và tương tự một Client có thể thực hiện kết nối đến các Server khác nhau.
79
3.2.2.1. Kết nối thiết bị với OPC UA Server thông qua Modbus
Bảng 3.7. Các thanh ghi Modbus của thiết bị và chức năng
Hệ thống này đã được triển khai dựa trên một mô hình hoàn chỉnh OPC UA Server và OPC UA Client kết nối tới các thiết bị Modbus. Ởđây là các sensor của thiết bịđiều hòa nhiệt độ, truyền thông với Modbus qua RS485 và qua Client sử dụng giao thức TCP/IP. Hệ thống này được thiết kếđể giám sát các thiết bịđiều hòa nhiệt độ trong một tòa nhà hoặc một xí nghiệp. Các thiết bị tại tầng dưới giao tiếp với các thiết bị khác dựa trên chuẩn Mobus thông qua OPC UA Server, cung cấp các thông tin về nhiệt độ, độ ẩm và trạng thái của thiết bịđiều hòa nhiệt độ, từđó người giám sát có thểđưa ra quyết
định thích hợp đểđiều chỉnh nhiệt độ hoặc bật, tắt các thiết bị từ xa mà không cần trực tiếp tương tác với thiết bị vật lý. Hệ thống này cũng có thể mở rộng với đa số các thiết bị sử dụng giao thức Modbus hiện nay.
OPC UA Server: Dựa trên kiến trúc của bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK,