Hiện nay trên thị trường cũng có các công ty phát triển các hệ thống giám sát các trạm tổng đài vệ tinh, tuy nhiên họ sử dụng các PLC của các hãng nước ngoài như của S7200 của Simens. Các PLC này có ưu điểm là dễ sử dụng, dễ lập trình, dễ dàng thay đổi kịch bản điều khiển (tuy nhiên không phát huy hiệu quả trong trường hợp áp dụng cho các hệ thống giám sát trạm vệ tinh) vì sử dụng các giao diện đồ họa trực quan. Nhược điểm của các hệ thống này đó là:
- Giá thành phần cứng PLC đắt
- Giá thành phần mềm để lập trình đắt
- Nguồn cấp cho các thiết bị không đồng nhất - Mới hỗ trợ RS232 hoặc RS485
Phạm vi bài toán ứng dụng
Phần cứng được thiết kế với chíp Atmega128 của hãng Atmel. Loại chip này là chíp 8bit, 128Kbytes bộ nhớ flash (In-System Self-programmable Flash program memory), 4K bytes EEPROM, 4K bytes RAM trong, có thể có tới 64K bytes bộ nhớ ngoài, có giao diện SPI để lập trình. Loại chíp này có giá thành tương đối rẻ, dễ mua, dễ đặt hàng, tiêu thụ ít điện năng… Với thiết kế sử dụng chip Atmega128 này thì hệ điều hành phải có kích thước nhỏ, chiếm ít bộ nhớ vì còn phải chia sẻ với các ứng dụng. Ngoài ra hệ điều hành đó phải được viết cho chip của hãng Atmel hoặc tương tự, để giảm thiểu quá trình sửa đổi hệ điều hành. Sau khi tìm hiểu các hệ điều hành có sẵn mà đáp ứng được với các yêu cầu trên đã đề ra, thì hệ điều hành Free RTOS là phù hợp.
4.1.1 Đặc điểm của FreeRT OS
• Có đoạt quyền ưu tiên: Luôn luôn chạy các tác vụ có quyền ưu tiên cao nhất
• Phối hợp: context switches chỉ xảy ra nếu môt bask block hoặc nó gọi taskYIELD()
• Hỗ trợ message queue
• Hỗ trợ semaphores
• Có khả năng trace
• Mã nguồn được hỗ trợ bởi nhiều công cụ phát triển
• Mã nguồn được viết bằng ngôn ngữ lập trình C, và một vài hàm bằng assembler
• Nhân RTOS sử dụng nhiều danh sách các quyền ưu tiên. Điều này cho phép thiết kế mềm dẻo ứng dụng một cách tối đa. Nhiều tác vụ có thể sử dùng chung một quyền ưu tiên
• Đơn giản, linh hoạt, ngắn gọn
Một số hàm API của Free RTOS
Task Creation:
• xTaskCreate – Tạo một tác vụ mới và thêm vào trong danh sách các tác vụ ở trạng thái ready
• xTaskDelete – Xóa một tác vụ trong danh sách. Tác vụ bị xóa sẽ bị loại bỏ khỏi các danh sách ready, blocked, suspended và event
Task Control
• vTaskDelay – Làm trễ một tác vụ
• vTaskDelyaUntil – Trễ một tác vụ cho đến một thời điểm xác định nào đó
• vTaskPriorityGet – Lấy quyền ưu tiên của tác vụ
• vTaskSuspend – Làm ngưng hoạt động của tác vụ
• vTaskResume – Khôi phục lại hoạt động của tác vụ
Kernel Control
• vTaskStartScheduler – Khởi động quá trình lập lịch. Sau khi gọi hàm này, thì nhân điều khiển tất cả các tác vụ
• vTaskEndCheduler – Kết thúc quá trình lập lịch. Tất cả các tác vụ được tạo ra sẽ tự động bị xóa
• vTaskSuspendAll – Ngưng tất cả các hoạt động trong khi vẫn cho phép các ngắt được hoạt động
• xTaskResumeAll – Khôi phục lại các hoạt động
• vTaskStartScheduler – Điều khiển các tác vụ
• vTaskSuspendAll – Ngưng tất cả các hoạt động thời gian thực nhưng vẫn cho phép ngắt xảy ra
• xTaskResumeAll – Khôi phục lại hoạt động thời gian thực
Task Utilities
• xTaskGetTickCount – Đếm số tick bắt đầu từ thời điểm gọi xTaskStartScheduler
• xTaskGetNumberOfTasks – Lấy số tác vụ mà nhân đang quản lý
• vTaskList – Liệt kê tất cả các tác vụ đang hoạt động
4.1.1.1 Semaphores
• vSemaphoreCreateBinary
• xSemaphoreTake
• xSemaphoreGive
4.1.2 Xây dựng hệ thống giám sát cảnh báo
Xây dựng một hệ thống giám sát, cảnh báo, điều khiển tự động, từ xa đặt tại các trạm tổng đài vệ tinh. Hệ thống này được gọi chung là PLC.
4.2 Kết chương
Chương này nêu ra các vấn đề của bài toán ứng dụng phải giải quyết. Đưa ra phạm vi áp dụng hệ điều nhúng vào bài toán giám sát trạm vệ tinh. Đưa ra một số yêu cầu, chỉ tiêu kỹ thuật đối với hệ điều hành, đối với hệ thống.
Chương 5 - Thiết kế, phát triển hệ thống và kết quả thử nghiệm
5.1 Thiết kế tổng thể
5.1.1 Mô hình một trạm tổng đài vệ tinh
Hình 5-30 Mô hình một trạm tổng đài vệ tinh
Trạm tổng đài vệ tinh thông thường gồm các thiết bị như: Các thiết bị viễn thông, Các phiến đấu dây MDF, Acquy, Điều hoà, Máy nổ, …
5.1.2 Mô hình hệ thống
Hệ thống giám sát trạm vệ tinh bao gồm hai phân hệ chính:
- Phân hệ trạm trung tâm: là trạm tập trung được đặt tại trung tâm điều hành, đây là trái tim của toàn bộ hệ thống, từ đây người vận hành giám sát có thể thực hiện các hoạt động theo dõi, giám sát toàn bộ mạng lưới, có thể thực hiện các thao tác cấu hình thiết bị tại các trạm vệ tinh, thực hiện các lệnh điều khiển tiết bị tại từng trạm vệ tinh, đặc biệt hệ thống còn hỗ trợ cơ chế lập trình để điều khiển các thiết bị dưới trạm vệ tinh và nạp chương trình điều khiển xuống các trạm vệ tinh, Ngoài các tính năng giám sát, điều khiển, hệ thống còn cung cấp công cụ thống kê báo cáo.
- Phân hệ trạm vệ tinh: Là một bộ PLC, trên board PLC có sẵn 16 cổng Digital In (DI), 16 cổng Digital Out (DO), 8 cổng Analog In (AI), các cổng này được sử dụng để kết nối đến các thiết bị cảm biến như các đầu báo cháy, báo khói, báo chuyển động, đầu đo nhiệt độ, độ ẩm, đo tín hiệu AC,DC.... Các đầu ra số DO được sử dụng để kết nối điều khiển các thiết bị như hệ thống đèn chiếu sáng, quạt gió, điều hòa, máy phát... Ngoài ra trên PLC còn có các cổng Ext bus dùng để kết nối thêm các module DI/DO nhằm tăng số cổng IO, cổng COM dùng cho mục đích config, debug, kết nối đến các thiết bị ngoại vi khác, Cổng Ethernet 10Mbps dùng để kết nối về trạm trung tâm.
Hình 5-31 Mô hình hệ thống.
5.1.2.1 Trạm máy trung tâm.
Trạm máy trung tâm bao gồm các modul như sau:
- Monitorring Server: Server thực hiện giao tiếp với các PLC dưới trạm vệ tinh, thu thập thông tin từ các trạm vệ tinh, phát lệnh điều khiển xuống PLC, truyền thông tin cấu hình thiết bị xuống PLC. Ngoài ra Monitorring server còn có thể nạp chương trình xuống PLC qua mạng IP
- Database: là cơ sở dữ liệu lưu trữ thông tin về các PLC, thông tin về các thiết bị đấu nối vào PLC, thông tin về chương trình điều khiển thiết bị đã được cài đặt trên PLC. Ngoài ra cơ sở dữ liệu này còn lưu trữ các sự kiện xảy ra tại trạm vệ tinh, các thông tin liên quan đến quá trình điều khiển thiết bị nhằm phục vụ cho mục đích tra cứu lịch sử, theo dõi các tham số tại trạm vệ tinh, thống kê, báo cáo
- Webserver: cung cấp giao diện giám sát, thống kê, báo cáo, cấu hình thiết bị tại các PLC
- ACS: là server cung cấp giao diện quản lý các MMI client nhằm cho phép nhiều client đồng thời kết nối vào hệ thống, đồng thời giám sát, điều khiển nhiều thiết bị trong mạng
- MMI: cung cấp giao diện giám sát, điều khiển các thiết bị tại các trạm vệ tinh, điều khiển PLC
- Alarm node: là module gửi thông tin cảnh báo đến người vận hành hệ thống qua SMS/Email
5.1.2.2 PLC tại Trạm vệ tinh (ACNMS client)
PLC tại trạm vệ tinh dựa trên nghệ chip nhúng, bản thân PCL là một máy tính thu nhỏ, không có Hardisk, có CPU và các module giao tiếp cổng IO. Trên PLC được cài đặt một hệ điều hành thời gian thực – RTOS, hệ điều hành này được thiết kế dành riêng cho dòng sản phẩm này.
Để các hệ thống viễn thông hoạt động ổn định, kéo dài tuổi thọ của các thiết bị thì cần có một môi trường hoạt động ổn định: Điện áp, nhiệt độ, độ ẩm. Ngoài ra, để tăng cường vai trò quản lý, giám sát các thiết bị viễn thông, các thiết bị điện, máy nổ ở các trạm tổng đài vệ tinh mà không tốn nhiều nhân công, thì cần thiết phải có một hệ thống có khả năng giám sát được các thông số về môi trường, về điện áp, hệ thống phải có khả năng cảnh báo: cảnh báo mất điện, cảnh báo độ ẩm hoặc nhiệt độ cao, cảnh báo mở cửa trái phép, … nó cũng có khả năng điều khiển theo một lịch trình đặt trước: như điều khiển điều hoà, máy nổ…, có khả năng điều khiển từ xa …
5.2 Thiết kế chi tiết
Phần này tập trung vào việc thiết kế chi tiết các tính năng của PLC đặt tại trạm. Gồm có thiết kế chi tiết về phần cứng và phần mềm.
Thiết kế chi tiết phần cứng gồm có các module về nguồn, module vi xử lý, module IO và module giao tiếp mạng.
Thiết kế chi tiết phần mềm tập trung vào việc thiết kế các module giám sát, cảnh báo, đo đạc các thống số về môi trường, điện áp… Còn các module phần mềm trên trung tâm sẽ không được đề cập đến trong luận văn này.
CPU 24 Digital Input Port 24 Digital Output Port Ethenet Interface
IP Network Monitoring Server
LAN 10 Mbps Temp/Hum measuring device 08 Analog Input Port Ext IO Bus RS 232 Interface Port
Hình 5-32 Sơ đồ khối PLC tại trạm vệ tinh. 5.2.1 Thiết kế phần cứng
Thiết kế chi tiết về phần cứng tham khảo phần phụ lục 1.
5.2.2 Thiết kế phần mềm
5.2.2.1 Chức năng giám sát và điều khiển từ xa
Chức năng giám sát và điều khiển từ xa là một trong những chức năng rất cơ bản của hệ thống. Hệ thống cho phép giám sát từ xa trạng thái hoạt động của tất cả các thiết bị phụ trợ có nối tới hệ thống và các thông số môi trường của phòng máy. Chức năng giám sát từ xa của hệ thống được thực hiện tức thời, liên tục. Các trạng thái hoạt động của thiết bị phụ trợ, trạng thái điều khiển, các thông số môi trường, các thông tin cảnh báo được gửi liên tục, tức thời từ trạm vệ tinh về cơ sở dữ liệu trung tâm, được xử lý và gửi các thông tin cảnh báo tới người sử dụng qua các hệ
thống loa, còi báo động, hình ảnh cảnh báo. Về thực chất, hệ thống cho phép giám sát chi tiết tất cả các cổng vào/ra và điều khiển từ xa đối với các cổng ra điều khiển của thiết bị bộ vi xử lý của các trạm. Hệ thống có các cổng vào/ra như sau trình bày ở dưới đây:
- Cổng vào số 2 trạng thái (DI - Digital Input): cho phép người sử dụng giám sát được một cách định tính đối với các thông tin chỉ có 2 trạng thái đối lập nhau. Ví dụ: có cháy/không có cháy, có điện/mất điện, điều hoà tắt/điều hoà hoạt động, ... Các đầu đo nhiệt độ, độ ẩm, AC, DC, tần số là các đầu đo số, các đầu đo này cũng nối vào các cổng DI cho phép đo các tham số tương ứng. Ví dụ: đo nhiệt độ chính xác trong dải từ 0-50oC, đo độ ẩm chính xác trong dải 0-100%, đo điện áp ăcquy chính xác trong dải 40-60V, ...
- Cổng ra điều khiển 2 trạng thái (DO - Digital Output): đây là cổng để kết nối để bộ vi xử lý gửi tín hiệu điều khiển ON/OFF đến các thiết bị. Đối với các trạm thiết bị viễn thông, thường thì tất cả các thiết bị đều chấp nhận kiểu điều khiển ON/OFF này. Ví dụ: Muốn bật điều hoà thì bộ vi xử lý gửi đến tín hiệu ON, muốn tắt đi thì bộ vi xử lý gửi đến tín hiệu OFF. Muốn khởi động máy phát thì bộ vi xử lý sẽ gửi đến một số tín hiệu điều khiển như: gửi ON đến chân RUN để cấp nguồn từ ăcquy vào máy phát, đồng thời gửi ON đến chân Preheat để sưởi nóng sau đó gửi OFF để tắt Preheat sau 10s, tiếp theo gửi ON đến chân START để khởi động máy và lại OFF chân START xuống sau 2s
Trong hệ thống, có 2 loại cổng vào/ra của bộ vi xử lý dùng để thực hiện giám sát, cảnh báo hoặc điều khiển từ xa (đối với riêng cổng DO), đó là: DI, DO. Để phân biệt được từng cổng, đối với mỗi loại cổng của một bộ vi xử lý, sẽ được đánh số bắt đầu từ 0 và tăng dần lên 1 đơn vị:
- DI-0, DI-1, DI-2... - DO-0, DO-1, DO-2, ...
Việc đánh số này cũng được thể hiện rất rõ ràng khi thực hiện đấu nối các cổng của bộ vi xử lý đến các thiết bị, cảm biến trên thực tế, giúp cho người sử dụng dễ dàng tìm được vị trí đấu nối thực của 1 cổng một khi đã biết chỉ số của cổng.
5.2.2.2 Cổng cảnh báo DI (các cổng cắm thiết bị cảnh báo)
Mỗi giá trị của các cổng vào 2 trạng thái DI được thể hiện bằng chữ và màu sắc tương ứng mà người sử dụng hoàn toàn có thể đặt được. Màu sắc giúp cho người sử dụng có thể nhanh chóng nhận biết được đây là cảnh báo hay không có cảnh báo, nếu là cảnh báo thì là cảnh báo khẩn hay không. Có 4 cấp độ màu sắc:
- Màu nguyên bản (hay không màu): không có cảnh báo - Màu vàng: cảnh báo cấp 1 (không quan trọng lắm) - Màu cam: cảnh báo cấp 2 (quan trọng)
- Màu đỏ: cảnh báo cấp 3 (rất quan trọng)
Khi một cổng DI có thay đổi trạng thái (từ cảnh báo sang xoá cảnh báo hay ngược lại), bộ vi xử lý sẽ gửi tức thời lên trung tâm sự kiện này, gồm các thông tin:
- Thời gian xảy ra sự kiện - Chỉ số cổng DI
- Trạng thái cổng DI (cảnh báo hay xoá cảnh báo)
Phần mềm quản lý hệ thống sẽ bắt lấy sự kiện này và thực hiện chuyển thông tin đến người sử dụng dưới các hình thức như: màu sắc, loa, còi, SMS ...
5.2.3 Cổng đo DI (các cổng cắm thiết bị đo)
Các đầu đo mà hệ thống sử dụng là đầu đo số. Các đầu đo này thực hiện việc đo các thông số về môi trường, điện áp, tần số … rồi gửi về bộ vi xử lý, bộ vi xử lý thực hiện việc đọc các dữ liệu này và quy đổi ra giá trị thực tế và gửi về trung tâm. Ngoài việc đo chính xác các tham số, bộ vi xử lý còn có chức năng tự động gửi tức thời các sự kiện cảnh báo/xoá cảnh báo lên trung tâm khi nó nhận thấy các giá trị đo
được thay đổi qua các mức ngưỡng đặt trước. Việc thiết lập các thông tin cảnh báo cho cổng đo DI gồm có các bước sau:
- Thiết lập điều kiện cảnh báo. Có 4 điều kiện cảnh báo đối với cổng đo DI
o Upper: cảnh báo xảy ra khi giá trị đo được vượt quá một ngưỡng đặt trước
o Lower: cảnh báo xảy ra khi giá trị đo được sụt xuống dưới một ngưỡng đặt trước
o Inband: cảnh báo xảy ra khi giá trị đo được nằm trong 1 dải đặt trước
o OutBand: cảnh báo xảy ra khi giá trị đo được nằm ngoài 1 dải đặt trước - Thiết lập ngưỡng cảnh báo cho từng điều kiện. Đây là giá trị ngưỡng chính xác
mà bộ vi xử lý sẽ thực hiện việc so sánh đối với mỗi điều kiện cảnh báo
- Thiết lập độ rộng biên cảnh báo: Trên thực tế, nếu chỉ có duy nhất 1 mức ngưỡng cảnh báo chính xác để bộ vi xử lý so sánh thì sẽ có thể xảy ra tình huống giá trị đo được sẽ dao động liên tục với biên độ nhỏ xung quanh mức ngưỡng, lúc đó sẽ làm cho bộ vi xử lý liên tục gửi thông tin cảnh báo/xoá cảnh báo lên trung tâm. Để khắc phục vấn đề này, mức ngưỡng cảnh báo để bộ vi xử lý thực hiện so sánh sẽ được mở rộng thêm về cả 2 phía một đại lượng là biên cảnh báo