Đề tài Nghiên cứu chế tạo hệ thống giám sát người lao động trong hầm lò

iêu chuẩn này có thể thu phát dữ liệu trong cự ly từ 10 ñến 100 mét tùy thuộc vào ñiều kiện môi trường truyền dẫn và mức công suất bức xạ ñầu ra theo yêu cầu của mỗi ứng dụng cụ thể, và hoạt ñộng với các băng tần ñược miễn ñăng ký trên toàn thế giới (2.4 GHz toàn cầu, 915 MHz tại châu Mỹ hoặc 868 MHz tại châu Âu). Tốc ñộ dữ liệu ñạt 250 kbps tại băng tần 2.4 GHz, 80 kbps tại băng tần 915 MHz và 20 kbps tại băng tần 868 MHz. Tổ chức IEEE và hiệp hội Zigbee ñã cùng nhau xây dựng các giao thức hoạt ñộng chung của bộ tiêu chuẩn. IEEE 802.15.4 tập trung vào xây dựng các ñặc tính kỹ thuật của giao [24] thức tại 2 lớp thấp nhất (Lớp vật lý và Lớp liên kết dữ liệu) trong khi hiệp hội Zigbee hướng ñến các tác vụ ở các lớp cao hơn (từ Lớp mạng ñến lớp Giao diện người dùng), tiêu chuẩn này nhằm xây dựng một mạng lưới tương thích với tất cả các thiết bị và cung cấp các dịch vụ bảo mật, cũng như các giải pháp ñiều khiển, tự ñộng hóa trong các tòa nhà sử dụng các thiết bị truyền dữ liệu không dây. ðảm bảo rằng người sử dụng có thể mua sản phẩm của bất kỳ nhà cung cấp nào cũng có thể sử dụng tương thích với nhau. a. So sánh với công nghệ Bluetooth: Công nghệ Zigbee tương ñối giống so với công nghệ Bluetooth nhưng có phần ñơn giản hơn. Thiết bị hoạt ñộng theo chuẩn Zigbee truyền dữ liệu với tốc ñộ thấp hơn và hầu hết thời gian ở trạng thái standby (trạng thái tạm nghỉ), nhờ ñặc tính này mà một nút trong mạng Zigbee có thể làm việc liên tục từ 6 tháng ñến 2 năm chỉ với nguồn cung cấp gồm 2 quả Pin tiểu loại AA. Khoảng cách thu/phát theo chuẩn Zigbee là từ 10m – 75m trong khi với Bluetooth tối ña là 10m (không có khuếch ñại công suất thu/phát). Zigbee kém hơn Bluetooth về tốc ñộ dữ liệu, tốc ñộ truyền nhận của Zigbee là 250 kbps tại 2.4 GHz, 80 kbps tại 915 MHz và 40kbps tại 868 kbps, còn Bluetooth có thể ñạt tới 1 Mbps. Zigbee sử dụng giao thức Master-slave thông dụng ñối với các mạng hình sao (Star networks) gồm các thiết bị có ñịa chỉ cố ñịnh và không thường xuyên hoạt ñộng, khi hoạt ñộng chỉ trao ñổi các gói tin rất nhỏ. Cấu hình này cho phép thiết lập một mạng với tối ña 254 nút. Giao thức của Bluetooth phức tạp hơn nhiều vì chuẩn này hướng ñến việc xử lý truyền nhận các dữ liệu hình ảnh, âm thanh và các gói dữ liệu lớn trong cấu hình mạng ad hoc (mạng vô tuyến với ñịa chỉ các nút mạng không ñịnh trước). Các thiết bị Bluetooth có thể hoạt ñộng với các mạng rời rạc không ñồng bộ (Piconets), nó chỉ cho phép thiết lập một mạng Piconet Master – Slave với tối ña 8 thiết bị Slave hoạt ñộng trong ñó. Khi một nút mạng Zigbee ñang ở chế ñộ Standby, nó chỉ mất khoảng 15 ms ñể kích hoạt và truyền/nhận một gói dữ liệu, cũng như vậy, nhưng một thiết bị Bluetooth phải chờ sau khoảng 3 s mới có thể kích hoạt và ñáp ứng ñược yêu cầu truyền/nhận từ mạng lưới. [25] b. Mạng không dây Zigbee - IEEE 802.15.4 ðặc ñiểm chính của công nghệ Zigbee là hỗ trợ các cấu hình mạng một cách linh hoạt, chi phí thấp, tiêu thụ rất ít năng lượng và tốc ñộ truyền dẫn thấp. Theo ñó các thiết bị có thể hoạt ñộng trong một mạng ad hoc (mạng có tính chất tự cấu hình và tự ñịnh ñịa chỉ nút mạng), thiết bị Zigbee có giá thành thấp, kích thước gọn nhẹ, có thể cầm tay và di chuyển. Một hệ thống mạng Zigbee gồm có một số phần tử chủ chốt, ñó là các thiết bị ñiều khiển thu/phát. Các thiết bị này có thể là các thiết bị ñầy ñủ tính năng (FFD-Full Function Device) hoặc là thiết bị hạn chế tính năng (RFD-Reduce Function Device). Một mạng Zigbee luôn có ít nhất một thiết bị FFD hoạt ñộng với vai trò trung tâm ñiều hành. Một thiết bị FFD có thể hoạt ñộng ở 3 vai trò khác nhau, có thể là trung tâm ñiều hành mạng, là một nút ñịnh tuyến hoặc là một thiết bị ñầu cuối. Các thiết bị RFD là các thiết bị có tính năng rất ñơn giản, không cần xử lý truyền nhận số liệu tốc ñộ cao. Một thiết bị FFD có thể kết nối trực tiếp với các thiết bị RFD hoặc FFD, còn một thiết bị RFD chỉ có thể kết nối trực tiếp với các thiết bị FFD. c. Giao thức mạng Zigbee: Công nghệ Zigbee hỗ trợ 3 loại giao thức mạng, ñó là: Giao thức mạng sao (Star Topology), Giao thức mạng lưới (Mesh, Peer-to- Peer network) và giao thức mạng cụm phân tán (Cluster Tree). - Giao thức mạng sao (Star): Với mạng Star, kênh truyền thông ñược thiết lập giữa các thiết bị ñầu cuối (RFD) với một trung tâm ñiều khiển duy nhất trong mạng, ñó là nút mạng gốc (PAN Coordinator). Nút mạng gốc thường hoạt ñộng bằng nguồn ñiện lưới có dự phòng, còn các thiết bị RFD thường sử dụng Pin nhỏ gọn làm nguồn cung cấp. Giao thức này thích hợp với các ứng dụng như Hệ thống tự ñộng trong nhà, ñiều khiển các thiết bị ngoại vi của máy tính, các thiết bị giải trí và ñiều khiển trò chơi. H.8. Giao thức mạng Zigbee hình sao [26] Sau khi một thiết bị FFD ñược khởi ñộng, nó sẽ tự cấu hình mạng lưới và trở thành nút mạng gốc. Mỗi mạng như vậy khi hình thành sẽ tự lựa chọn ñịa chỉ nút mạng gốc của mình sao cho phân biệt với ñịa chỉ nút mạng gốc của các mạng khác trong phạm vi phủ sóng của nó. Tính chất này cho phép các mạng Star có thể hoạt ñộng ñộc lập với nhau dù có trùng phạm vi phủ sóng. - Giao thức mắt lưới (Mesh, Peer – to – Peer Topology): ðối với mạng theo giao thức lưới, vẫn cần có một nút mạng gốc (PAN coordinator). Khác biệt với giao thức mạng Star, trong giao thức Mesh, bất kỳ thiết bị nào cũng có thể kết nối với thiết bị khác nếu chúng có thể liên lạc với nhau qua sóng vô tuyến. Mạng hoạt ñộng theo giao thức Mesh có thể tự ñộng ñăng ký ñịa chỉ nút mạng, tự tổ chức cấu hình và tự ñộng tìm ñường ñịnh tuyến dữ liệu một cách tối ưu. Các ứng dụng như giám sát và ñiều khiển trong công nghiệp, các mạng cảm biến không dây, mạng thiết bị ño lường từ xa, các hệ thống theo dõi và ñịnh vị ñối tượng là những ứng dụng rất phù hợp với giao thức này. Giao thức này ñịnh tuyến một bản tin rất linh hoạt và tin cậy, nó cho phép một bản tin có thể ñược truyền từ một nút bất kỳ trong mạng ñến một nút khác thông qua một hay nhiều nút ñịnh tuyến trung gian. - Giao thức kết nối cụm ñiểm (Cluster Tree): ðây là một hình thức ñặc biệt của giao thức Mesh, mạng gồm các thiết bị FFD là những nút mạng kết nối với nhau về một nút chung là nút gốc của mạng. Các thiết bị RFD kết nối với một nút mạng như là các nút con và tạo thành một cụm, bất kỳ nút mạng nào cũng có thể hoạt ñộng như một nút gốc và nó sẽ gửi thông tin ñồng bộ ñến các nút gốc của cụm khác, trong số các nút mạng như vậy, chỉ có duy nhất một nút ñóng vai trò là nút gốc của mạng. H.9. Giao thức mạng Zigbee mắt lưới H.10. Giao thức mạng Zigbee kết nối theo cụm [27] Nút mạng gốc khi khởi ñộng sẽ tự thiết lập một cụm ñầu tiên có vai trò là cụm ñầu não (CLH – Head Cluster) với mã nhận diện cụm (CID) là 0. Sau ñó sẽ lựa chọn một ñịa chỉ gốc còn trống và phát bản tin báo hiệu ñến các nút khác trong mạng. Các nút này khi nhận ñược bản tin báo hiệu có thể sẽ gửi bản tin phúc ñáp và ñăng ký thành một nút thành viên của nút mạng gốc ñầu não ñó. Nếu nút mạng gốc chấp nhận thành viên mới, nó sẽ ghi nhớ thiết bị mới này vào danh sách thành viên con trong mạng của nó. Thành viên mới này sẽ lưu ñịa chỉ của nút gốc mạng với vai trò là nút mẹ vào danh sách các nút mạng kết nối với nó, sau ñó nó sẽ phát các bản tin báo hiệu ñịnh kỳ thông báo các thiết bị khác có thể kết nối vào mạng thông qua nó ñể tạo thành một cụm thiết bị mạng. [28] 2.3 Thiết kế hệ thống V-LINK 2.3.1 Lựa chọn công nghệ thực hiện Trên cơ sở khảo sát các yêu cầu xuất phát từ công tác quản lý người lao ñộng trong hầm lò cũng như tìm hiểu khảo sát ñiều kiện ñịa hình, môi trường hầm lò tại Việt Nam. Nhóm nghiên cứu ñặt mục tiêu thiết kế, chế tạo hệ thống giám sát người lao ñộng trong hầm lò với những tính năng và tiện ích cơ bản như sau: ■ Hệ thống phù hợp ñể ứng dụng tại các mỏ than hầm lò tại Việt Nam với số lượng người lao ñộng mỗi ca làm việc lớn nhất là khoảng 800 người chia thành nhiều khu vực. ■ Tính năng tự ñộng phát hiện người ñi vào hầm lò và nhận biết tại trung tâm ñiều hành khu vực. ■ Tính năng giám sát ñường ñi của người lao ñộng trong hầm lò tại những khu vực cần lưu ý. ■ Tính năng cảnh báo tại trung tâm ñối với những trường hợp ñi vào khu vực cấm, những trường hợp ở lại trong hầm lò quá thời gian cho phép,… ■ Cho phép tìm kiếm nhanh vị trí của một người khi cần. ■ Lưu lại thông tin di chuyển của người lao ñộng trong hầm lò phục vụ tra cứu. ■ Các tiện ích về công tác quản lý nhân sự, chấm công,… ■ Hệ thống ñạt tiêu chuẩn TCVN7079, thiết bị làm việc trong hầm lò. Giải pháp thực hiện các yêu cầu trên ñây là cấp cho mỗi người lao ñộng một Máy di ñộng phát mã nhận diện duy nhất (sau ñây gọi là Máy di ñộng) và tại mỗi khu vực quan trọng như cửa lò, ñường giao nhau, lò chợ, … ta ñặt một Trạm thu phát vô tuyến (sau ñây gọi là Trạm khu vực). Các Trạm khu vực có nhiệm vụ phát hiện ra các Máy di ñộng trong phạm vi phủ sóng của mình và truyền danh sách các Máy di ñộng ñã phát hiện ñược về Trạm trung tâm, tại ñây các thông tin liên quan về người lao ñộng tương ứng với Máy di ñộng mang theo sẽ ñược nhận biết dựa vào cơ sở dữ liệu ñã ñược nhập vào trước ñó. Thông tin truyền tải trong hệ thống chủ yếu là mã phân biệt của các Máy di ñộng nên không ñòi hỏi dung lượng truyền dẫn lớn. Phạm vi phủ sóng của các Trạm khu vực cần trong khoảng từ 50m ñến 100m, một trạm khu vực không cần thiết phải có bán kính phủ sóng quá rộng vì như vậy thì sai số vị trí của một Máy di ñộng ñược xác ñịnh tại Trung tâm sẽ lớn, tuy nhiên, nếu phạm vi liên lạc từ Trạm khu vực tới Máy di ñộng quá nhỏ có thể dẫn tới một Trạm khu vực chỉ có thể phát hiện ñược rất ít Máy di ñộng di chuyển trong vùng phủ sóng của nó. [29] Một vấn ñề ñáng quan tâm là mức tiêu thụ năng lượng của Máy di ñộng, do thiết bị này phải sử dụng nguồn năng lượng là Pin nên mức tiêu thụ này càng nhỏ càng tốt ñể có thể kéo dài tuổi thọ của Pin càng lâu càng tốt, ñiều này ñòi hỏi phải lựa chọn một công nghệ liên lạc vô tuyến thích hợp sao cho vừa phù hợp với tốc ñộ truyền tải dữ liệu của Máy di ñộng, vừa tiêu hao ít năng lượng ñể duy trì lâu bền nguồn năng lượng từ Pin. Trong các công nghệ liên lạc vô tuyến ñã ñề cập trên ñây gồm WiFi, WiMax, Bluetooth và Zigbee, ta thấy chuẩn Zigbee IEEE 802.15.4 là phù hợp với yêu cầu này hơn cả. Zigbee ñảm bảo tốc ñộ truyền thông của các ứng dụng trong công nghiệp, tiết kiệm năng lượng và ñặc biệt là có chi phí thấp nhất, những vấn ñề này sẽ ñược trình bày chi tiết hơn ở những mục sau trong báo cáo này. Một hệ thống giám sát các ñối tượng trong một khu vực nhỏ trên mặt bằng hoàn toàn có thể ứng dụng một mạng vô tuyến theo chuẩn Zigbee, ví dụ như hệ thống giám sát bãi ñỗ Ô tô, hệ thống giám sát ñối tượng trong một khu nhà, hệ thống chống mất cắp,… tuy nhiên ñối với môi trường khai thác than hầm lò có ñịa hình phức tạp trải rộng dưới lòng ñất hàng chục cây số vuông, mỗi khu vực cần giám sát người lao ñộng có thể cách nhau hàng trăm mét hoặc xa hơn thì việc áp dụng một mạng truyền dẫn vô tuyến hoàn toàn là không khả thi do yếu tố kỹ thuật sẽ vô cùng phức tạp vì phải sử dụng rất nhiều Trạm khu vực có vùng phủ sóng chồng lên nhau, cho dù thực hiện ñược thì chi phí thiết bị cũng rất lớn và khả năng hệ thống làm việc cho kết nối ổn ñịnh là rất ít. Trong trường hợp như vậy, số lượng ñối tượng mà hệ thống có thể giám sát theo thời gian thực cũng sẽ bị hạn chế vì ñộ trễ của mạng lớn vì sử dụng quá nhiều nút mạng Zigbee với giao thức mạng rất phức tạp. Chúng tôi lựa chọn sử dụng công nghệ thu phát vô tuyến Zigbee, băng tần 2.4 GHz kết hợp với ñường truyền thông công nghiệp RS-485 và RS-232 ñể xây dựng hệ thống giám sát người lao ñộng trong hầm lò ñáp ứng các yêu cầu ñã ñặt ra trên ñây. Phần tử linh kiện chính thực hiện thu/phát dữ liệu bằng sóng Radio băng tần 2.4 GHz là một vi mạch ñiều khiển bức xạ tín hiệu vô tuyến hợp chuẩn IEEE 802.15.4. Hiện nay trên thế giới có rất nhiều nhà sản xuất và cung cấp Chip RF với nhiều chủng loại khác nhau như dòng Chip thu phát vô tuyến CC1100, CC2400, CC2420, CC2430, CC2431, CC2500, CC2510, … của hãng Texas Instrument; dòng Chip EM250 của hãng Ember; dòng Chip AT86RF230, AT86RF231 của hãng ATMEL; Chip MRF24J40 của hãng Microchip,… Các hãng ñều cung cấp Chip rời, BOM (Bill Of Material) linh kiện kèm theo Chip hay các Module RF hoàn chỉnh cho khách hàng. Thậm chí khách hàng còn có thể mua các Module [30] tích hợp sẵn Vi ñiều khiển ñã nạp các Stack Zigbee ñể rút ngắn thời gian xây dựng một hệ thống trên cơ sở mạng vô tuyến Zigbee. Tuy nhiên, việc sử dụng các Module sẵn có Chip ñiều khiển và mã nguồn chương trình cũng làm giảm tính chủ ñộng và linh hoạt trong việc phát triển các ứng dụng cụ thể do phải phụ thuộc vào Chip và mã nguồn ñã tích hợp sẵn. Với mong muốn hoàn toàn làm chủ công nghệ liên lạc vô tuyến theo chuẩn IEEE 802.15.4 (Zigbee) ñể có khả năng tự thiết kế, chế tạo và phát triển các hệ thống truyền thông công nghiệp một cách linh hoạt trên cơ sở mạng không dây, nên chúng tôi lựa chọn sử dụng Chip thu/phát vô tuyến MRF24J40, ñây là Chip RF 2.4 GHz hợp chuẩn IEEE 802.15.4 của hãng Microchip không tích hợp Vi ñiều khiển, có các ñặc tính kỹ thuật ñảm bảo yêu cầu với các tài liệu kỹ thuật và các công cụ phát triển liên quan ñược hãng Microchip hỗ trợ rất ñầy ñủ. Các vi ñiều khiển trong hệ thống thiết bị sản phẩm của ñề tài cũng ñược lựa chọn sử dụng của hãng Microchip là dòng Vi ñiều khiển PIC rất phổ biến hiện nay. [31] H.11. Sơ đồ khối nguyên lý hệ thống Giám sát người lao động trong hầm lò. 2.3.2 Sơ ñồ khối nguyên lý hệ thống V-LINK PC BS RS RS RS RS RS RS RS-232 RS-485 2.4 GHz RF Trung tâm ñiều hành Khu vực khai thác than Trạm trung tâm (V-LINK MASTER) Trạm khu vực (V-LINK SLAVE) Máy di ñộng (V-LINK MOBILE) Máy tính quản lý hệ thống BS RS [32] Hệ thống gồm có Máy tính cài ñặt Phần mềm quản lý hệ thống, Trạm trung tâm, Trạm khu vực và Máy di ñộng. Một hệ thống nhất thiết phải có 1 Máy tính cài ñặt Phần mềm quản lý giám sát, 1 Trạm trung tâm, tùy theo yêu cầu quản lý của mỗi công ty mà số lượng Trạm khu vực và Máy di ñộng có thể nhiều hay ít. ðề tài này ñặt mục tiêu thiết kế hệ thống với cấu hình cho phép mở rộng tới 100 Trạm khu vực và khả năng mỗi Trạm khu vực có thể phát hiện ñược ñồng thời 800 Máy di ñộng di chuyển qua vùng phủ sóng của nó. Về mặt lý thuyết có thể ñặt ra trường hợp có tới hàng nghìn người tập trung tại một Trạm khu vực trong một thời ñiểm nào ñó, tuy nhiên trên thực tế trong ñiều kiện ñịa hình dưới hầm lò khai thác Than thì hầu như không bao giờ xảy ra khả năng ñó vì dưới hầm lò không có bãi rộng, các ñường lò hay còn gọi là các vỉa Than thường rất hẹp nên khó có khả năng cho hàng trăm người tập trung tại một khu vực nào ñó. Thông thường người lao ñộng sẽ chia thành nhóm và làm việc phân tán theo nhiều vị trí khác nhau và khu vực tập trung ñông nhất như vỉa Than ñang khai thác, lò chợ,… số lượng người lao ñộng tại ñó thường chỉ lên tới vài chục người. Máy tính và Phần mềm quản lý: Có nhiệm vụ tự ñộng cập nhật thông tin về số lượng người lao ñộng khi di chuyển qua vùng phủ sóng của các Trạm khu vực ñể phục vụ kịp thời công tác quản lý. Phần mềm quản lý hoạt ñộng trên nền bản ñồ ñịa hình thực tế của mỏ than hầm lò. Có các tiện ích về quản lý, chấm công và cảnh báo kịp thời các trường hợp di chuyển vào khu vực cấm hoặc ở trong hầm lò quá thời gian quy ñịnh. Máy tính thông qua kết nối với Trạm trung tâm bằng ñường truyền thông RS-232 ñể tương tác với phần còn lại của hệ thống. Trạm trung tâm: ðặt tại phòng ñiều hành quản lý, kết nối với các Trạm khu vực qua ñường truyền công nghiệp RS-485 và ñóng vai trò là thiết bị chủ (Master), Trạm trung tâm lần lượt lấy dữ liệu từ các Trạm khu vực và chuyển về Máy tính quản lý qua cổng RS-232. Mỗi hệ thống bắt buộc phải có 1 Trạm trung tâm và 1 Máy tính quản lý. ðường cáp truyền thông RS-485 phải là cáp ñảm bảo an toàn phòng chống cháy nổ theo TCVN7079. Trạm khu vực: Một hệ thống có thể có một hay nhiều Trạm khu vực tùy theo yêu cầu về quản lý giám sát của mỗi hầm lò. Khi số lượng Trạm khu vực nhiều vượt quá khả năng của một mạng RS-485 cần sử dụng thêm các thiết bị phối ghép ñể mở rộng cấu hình mạng theo yêu cầu. Mỗi Trạm khu vực gắn với một khu vực cụ thể trong bản ñồ ñịa hình khu mỏ mà người quản lý quan tâm, ví dụ như khu vực cửa lò, khu vực ñang khai thác, khu vực lò chợ, khu vực nguy hiểm, v.v… Các Trạm khu vực có chức năng phát hiện các Máy di ñộng trong phạm vi phủ sóng của mình với bán kính phủ sóng dưới hầm lò từ 50m ñến 100m. Kết nối giữa Trạm khu vực và [33] Máy di ñộng là kết nối vô tuyến, băng tần 2.4 GHz với tốc ñộ truyền/nhận dữ liệu tối ña là 250 Kbps theo tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 ñã ñề cập trên ñây. Qua ñường truyền RS-485, các Trạm khu vực truyền danh sách số hiệu Máy di ñộng mà nó phát hiện ñược về Trạm trung tâm. Các Trạm khu vực không liên lạc với nhau qua ñường truyền vô tuyến nên trong trường hợp có hai Trạm gần nhau cũng sẽ không gây ảnh hưởng ñến hoạt ñộng của nhau. Do các Trạm khu vực ñược lắp ñặt trong môi trường hầm lò với ñộ ẩm cao và có khí và bụi nổ, nên các thiết bị này phải ñược chế tạo theo tiêu chuẩn TCVN7079 về thiết bị làm việc trong hầm lò. Máy di ñộng: Mỗi máy ñược cấp cho một người lao ñộng, thông tin về người lao ñộng gắn liền với số hiệu nhận biết của máy phải ñược khai báo tại Phần mềm quản lý trước khi ñưa vào sử dụng. Máy di ñộng hoạt ñộng bằng Pin ñể có thể di chuyển tự do và phải ñạt TCVN7079 thiết bị làm việc trong môi trường hầm lò có khí và bụi nổ. Các máy di ñộng không có kết nối vô tuyến với nhau mà chỉ kết nối với Trạm khu vực qua kênh vô tuyến 2.4 GHz ñể phát mã nhận biết của mình khi ñược yêu cầu. 2.3.3 Xác ñịnh các yếu tố chính ảnh hưởng ñến chỉ tiêu kỹ thuật của hệ thống a. Cấu hình của Máy tính quản lý: Hiện nay các máy tính có cấu hình phù hợp với các ứng dụng văn phòng ñều ñáp ứng ñược các yêu cầu ñặt ra trong hệ thống này. b. ðường truyền RS-232: Có thể truyền dữ liệu với tốc ñộ Bit lên tới 256 Kbps trong phạm vi 15m sử dụng cáp ñôi dây xoắn có bọc kim chống nhiễu sẽ ñảm bảo truyền thông tin cậy giữa Máy tính và Trạm trung tâm, tốc ñộ Bit tỷ lệ nghịch với ñộ dài cáp truyền. c. ðường truyền RS-485: Cho phép nhiều ñiểm chia sẻ ñường truyền dữ liệu với cấu hình Master - Slave. Sử dụng cáp truyền ñôi dây xoắn, bọc kim chống nhiễu và an toàn cháy nổ (không gây cháy và bắt cháy) kết hợp sử dụng thiết bị lặp tái sinh tín hiệu có thể cho phép truyền tải dữ liệu trong khoảng cách xa vài km với tốc ñộ phù hợp với các ứng dụng truyền dữ liệu trong công nghiệp. ðường truyền RS-485 có Module chống sét và các xung ñiện cảm ứng lan truyền trên ñường dây giúp bảo vệ thiết bị và triệt nhiễu trên ñường cáp tín hiệu. [34] H.12. Cửa sổ vô tuyến suy hao do mưa d. ðường truyền vô tuyến 2.4 GHz Do môi trường hầm lò có nhiều hơi nước, nên cần xét tới ảnh hưởng của hơi nước tới kênh vô tuyến 2.4 GHz. Giống như hiện tượng Fading do mưa trong các hệ thống Viba số, bằng thực nghiệm, người ta ñã xác ñịnh ñược ảnh hưởng của hạt nước trong không khí ñối với các tín hiệu vô tuyến theo ñồ thị dưới ñây: Theo ñó, với các tín hiệu tần số càng cao thì suy hao do mưa càng lớn, với cửa sổ tần số từ 1 GHz ñến 3 GHz thì suy hao do hơi nước là không ñáng kể (xem ñồ thị trên). Ngoài yếu tố hơi nước, các yếu tố có thể gây ảnh hưởng ñến chất lượng của tín hiệu vô tuyến trong hệ thống gồm: - Công suất phát tín hiệu: PTX - ðộ lợi (Gain) của Anten phía phát, ñộ nhạy của Anten phía thu: GTX, GRX - Suy hao trên cáp phía phát, suy hao trên cáp phía thu: LTX, LRX - Các yếu tố gây suy hao ngẫu nhiên: LM (do vỏ bọc thiết bị, phân cực Anten thu/phát không phù hợp, bụi than trong môi trường,…) - Suy hao ñường truyền: phụ thuộc vào tần số làm việc, khoảng cách giữa hai ñiểm thu/phát, các yếu tố che chắn và môi trường truyền dẫn. Suy hao ñường truyền thường ñược xác ñịnh bằng công thức thực nghiệm như sau: LFS[dB] = 32.45 + 20.logF[MHz] + 20.logR[km] (1) Mức năng lượng tín hiệu tại ñiểm thu ñược xác ñịnh như sau: PRX = PTX + GTX + GRX - LTX - LFS – LM - LRX (2) [35] Trong hầm lò, năng lượng của tín hiệu vô tuyến có thể bị suy giảm mạnh do các hiện tượng phản xạ, tán xạ hay hấp thụ tín hiệu gây bởi các lớp than, bởi bề mặt không bằng phẳng của hầm lò, bởi các khúc gấp của ñường lò,… sự suy giảm này thường ñược xác ñịnh bằng khảo sát thực nghiệm tùy theo mỗi ñịa hình cụ thể, nói chung ñường lò các hẹp và càng nhiều gấp khúc thì càng bất lợi ñối với tín hiệu vô tuyến, biểu ñồ sau trình bày một kết quả thực nghiệm xác ñịnh suy hao của tín hiệu vô tuyến có sóng mang 1 GHz trong môi trường hầm lò thẳng: Có thể thấy rằng sử dụng sóng phân cực ngang là tối ưu hơn cả và trong trường hợp ñó, suy hao qua khoảng cách 100m (300 feet) hầm lò ñối với tín hiệu UHF 1GHz xấp xỉ 60 dB. ðể thu ñúng tín hiệu tại ñiểm thu, ngoài ñảm bảo năng lượng tín hiệu tại ñiểm thu phải trong giới hạn ñộ nhạy của máy thu, còn ph hiệu thu không bị sai lệch b các ñộng cơ công suất lớn ho ñược các nhiễu này bằng cách l có. Nên thực tế cần khảo sát truyền vô tuyến 2.4 GHz ñả Hệ thống V-Link không gây gồm các ñộng cơ ñiện, các thi hầm lò ở Việt Nam chưa áp d hệ thống V-Link (2.4 GHz) ñảm bảo an toàn ñối với các thi 2.4 Thiết kế chế tạo Trạm trung tâm 2.4.1 Sơ ñồ khối nguyên lý - Khối nguồn: Trạm trung tâm ho tâm, ñiện áp lưới 220V/50Hz, s một chiều ổn ñịnh cho hoạt ñ - Khối vi ñiều khiển: Là trung tâm ñi năng kết nối trao ñổi dữ liệ - Khối truyền thông RS-232: Là ñư - Khối truyền thông RS-485: Kênh truy Trạm khu vực về phương di H.13. Sơ đồ khối nguyên lý Trạm trung tâm ải ñảm bảo tỷ số tín hiệu/tạp âm ( ởi nhiễu. Các nguồn gây nhiễu cao tần trong h ặc ñường ñiện lưới cao thế (hàng kV), tuy nhiên có th ựa chọn ñiểm lắp ñặt Trạm khu vực ñủ xa ngu kỹ lưỡng các nguồn có thể gây nhiễu cao t m bảo có SNR ñủ lớn trong một phạm vi xác ñ ảnh hưởng ñến sự hoạt ñộng của các thiết b ết bị khai thác than, các nguồn ñiện lưới. Hi ụng các thiết bị thông tin liên lạc hoạt ñộng cùng băng t nên việc triển khai hệ thống V-Link trong h ết bị khác cùng làm việc. (V-LINK MASTER) ạt ñộng bằng nguồn ñiện lưới trong phòng ử dụng bộ chuyển ñổi AC/DC và ổn áp m ộng của các khối chức năng khác. ều hành các hoạt ñộng của thiết bị ñ u với các Trạm khu vực và Máy tính. ờng truyền vật lý giữa Trạm trung tâm v ền thông công nghiệp kết nối Trạ ện vật lý. [36] SNR) ñủ lớn ñể tín ầm lò có thể là ể tránh ồn nhiễu nếu ần ñể thiết kế ñường ịnh. ị trong hầm lò bao ện tại các mỏ than ần với ầm lò hoàn toàn ñiều hành trung ức Vcc cấp nguồn ảm bảo các chức ới Máy tính. m trung tâm với các [37] - Khối ISOLATOR: Cách ly về ñiện giữa cáp truyền với mạch ñiện ñể bảo vệ mạch ñiện không bị hư hỏng bởi các xung ñiện áp cao cảm ứng trên ñường truyền do môi trường hầm lò thường xuyên bị ảnh hưởng bởi sét cảm ứng lan truyền trên ñường cáp tín hiệu. - RAM, ROM, RTC: Là bộ nhớ và ñồng hồ thời gian thực phục vụ tính năng lưu số liệu và tham chiếu thời gian khi cần. Sơ ñồ nguyên lý (xem phụ lục) Thông số kỹ thuật của mạch ñiện Trạm trung tâm như sau:
ðiện áp làm việc: 90 ÷ 240 Vac, nguồn ñiện lưới.
Dòng ñiện tiêu thụ: o Bình thường: 10 mA Max o Truyền/nhận RS-485, RS-232: 100 mA Max
Tốc ñộ truyền dữ liệu qua ñường RS-232: 19.2 kb/s
Tốc ñộ truyền dữ liệu qua ñường RS-485: 19.2 kb/s Mô tả các linh kiện chính: Phần tử linh kiện chính ñáng quan tâm trong sơ ñồ mạch ñiện của Trạm trung tâm là vi mạch ñiều khiển MicroChip PIC18F8520 với ñặc tính kỹ thuật như sau: - Là vi xử lý RISC hiệu suất cao, cấu trúc tập lệnh tối ưu. - 32 Kbytes bộ nhớ chương trình Flash. - 2048 Bytes bộ nhớ dữ liệu SRAM. - 1024 Bytes bộ nhớ dữ liệu EEPROM. - DC – 40 MHz dao ñộng thạch anh. - Khả năng mở rộng bộ nhớ ngoài lên tới 2 Mbytes, giao diện 16-bit. - Dòng tải tại các chân I/O: 25mA. - 4 chân ngắt ngoài. - 5 chế ñộ ñồng hồ/bộ ñếm 8-bit và 16-bit. - Hỗ trợ các giao diện: SPI, I2C. - Hai cổng truyền thông USART, hỗ trợ chuẩn RS-485, RS-232. - 16 kênh ADC ñộ phân giải 10-bit, hoạt ñộng cả trong chế ñộ ngủ. - Hỗ trợ chế ñộ nghỉ chờ tiết kiệm năng lượng. - Không cần tháo Chip ra khỏi mạch ñiện khi nạp chương trình. - Dải ñiện áp làm việc rộng, từ 2.0V ñến 5.5V. - Làm việc trong dải nhiệt ñộ môi trường công nghiệp hoặc cao hơn. [38] Với các ñặc tính kỹ thuật tối ưu của dòng Vi ñiều khiển PIC và sự hoạt ñộng ổn ñịnh tin cậy cũng như tiết kiệm năng lượng, lựa chọn Chip PIC18F8520 ñể thiết kế mạch ñiện Trạm ñiều khiển trung tâm cũng ñáp ứng ñược yêu cầu về bộ nhớ chương trình và dữ liệu ñủ ñể quản lý ñược 100 Trạm khu vực và 800 Máy di ñộng theo mục tiêu ñã ñề