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

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 ra. Một lý do nữa ñể lựa chọn Chip này cho Trạm trung tâm là có thể sử dụng cả hai cổng truyền thông USART ñược hỗ trợ các giao diện RS-485 và RS-232 ñể kết nối với Máy tính và các Trạm khu vực một cách rất thuận tiện trong việc thiết kế phần cứng và lập trình cho Chip. 2.4.2 Lưu ñồ thuật toán Mô tả lưu ñồ hoạt ñộng củ Các thông số cấu hình của thi trình khởi ñộng gồm khởi t ñộ baud cho các ñường truy vòng chương trình chính bắ cầu dữ liệu từ một Trạm khu v H.14. Lưu đồ hoạt động của Trạm trung tâm PC - Máy tính cài ñặt phần m a Trạm trung tâm: ết bị và các module truyền thông sẽ ñược thi ạo các thanh ghi ñiều khiển, lựa chọn chế ñộ ền RS232, RS485,… sau khi khởi ñộng Trạ t ñầu bằng thủ tục chờ lệnh từ PC, lệnh từ PC có th ực cụ thể hoặc là lệnh yêu cầu tìm kiếm m [39] ềm quản lý giám sát. ết lập trong quá truyền thông, tốc m trung tâm sẽ vào ể là lệnh yêu ột Máy di ñộng nào ñó trong mạng. Nếu nh tâm sẽ gửi lệnh ñó ñến Trạm khu v lời. Nếu trong một khoảng th khu vực vừa ñược yêu cầu thì Tr vực ñó và gửi báo lỗi ñến PC trung tâm sẽ lưu khung dữ nhật thông tin về các Máy di ñ cầu ban ñầu của PC, kết thúc chu trình này s chờ lệnh truyền từ PC. Cấu trúc lệnh Trạm trung tâm nh Máy di ñộng: 2.4.3 Thiết kế, chế tạo mạch in và Mạch in và vỏ hộp của Trạ làm việc trong môi trường h quá 2/3 mức công suất danh ñ ñệm cao su dày 1,5mm, vỏ mối ghép theo TCVN7079 như sau: Các chi tiết cơ khí trên vỏ h truyền thông RS-485, cổng truy các chi tiết này phải ñảm bả trường của mỏ than không H.16. Kết c H.15. Byte lệnh của Máy tính, Trạm trung tâm ận ñược lệnh yêu cầu dữ liệu từ một Trạm khu v ực có ñịa chỉ theo yêu cầu của PC sau ñó ch ời gian Timeout nhất ñịnh mà không có tín hi ạm trung tâm sẽ xác nhận có lỗi truyền thông v , ngược lại, nếu khung dữ liệu ñược nhận thành công thì Tr liệu vào bộ ñệm trong vùng nhớ SRAM sau ñó g ộng có trong phạm vi phủ sóng của Trạm khu v ẽ bắt ñầu chu trình mới tương t ận từ PC là ñịa chỉ của Trạm khu vực ho vỏ hộp m trung tâm ñược thiết kế theo TCVN7079 v ầm lò có khí và bụi nổ. Tất cả các linh kiện ñ ịnh, các mối ghép tại vỏ hộp ñều ñảm bảo ñư thiết bị chế tạo từ vật liệu Inox ñộ dày 1,2mm v ộp Trạm trung tâm gồm có: Led báo hiệu ho ền thông RS-232, dây cấp nguồn ñiện và nhãn mác thi o chắc chắn và ñược làm kín ñể ngăn bụi và hơi nư ảnh hưởng ñến hoạt ñộng của mạch ñiện. ấu đệm làm kín theo TCVN7079 Trạm trung tâm [40] ực, Trạm trung ờ tín hiệu trả ệu trả lời từ Trạm ới Trạm khu ạm ửi về PC ñể cập ực theo yêu ự bằng thủ tục ặc ñịa chỉ của ề thiết bị an toàn ều không làm việc ợc làm kín bằng ới các kết cấu ạt ñộng, cổng ết bị, ớc từ môi Inox d = 1,2mm Đệm cao su d = 1,5mm Bản vẽ chế tạo mạch in và v này. 2.5 Thiết kế chế tạo Trạm khu v 2.5.1 Sơ ñồ khối nguyên lý Hoạt ñộng của Trạm khu vự nổ ñã ñạt ñược chứng chỉ ki học, Tự ñộng hóa nghiên cứ lò còn có nguồn Pin dự phòng Trạm khu vực sử dụng Chip vi ñi truyền thông RS-485 có kh truyền trên ñường cáp tín hi nhiệm vụ bức xạ tín hiệu ra môi trư mạch RF sử dụng Chip MRF24J40 c trí bên ngoài vỏ hộp ñể cải thi của Trạm. H.17. Sơ đồ nguyên lý Trạ ỏ hộp ñược trình bày chi tiết tại phần Phụ l ực (V-LINK SLAVE) c ñược duy trì bằng nguồn ñiện +12Vdc lấy t ểm ñịnh theo TCVN7079-11 ExdiaI do Việ u chế tạo, song song với nguồn ñiện lấy từ . ều khiển RISC 18F4620 làm bộ xử lý trung tâm ối cách ly bảo vệ mạch ñiện khỏi các xung ñi ệu. Khối RF giao tiếp với Vi ñiều khiển qua giao di ờng không khí trên băng tần vô tuyế ủa hãng MicroChip kết hợp với Anten b ện ñộ lợi của Trạm khu vực nhằm gia tăng ph [41] m khu vực ục trong báo cáo ừ bộ nguồn phòng n NC ðiện tử, Tin lưới ñiện trong hầm , mạch ện áp cảm ứng lan ện SPI có n miễn phí 2.4 GHz, ức xạ ñược bố ạm vi phủ sóng [42] Sơ ñồ nguyên lý (xem tại phụ lục) Thông số hoạt ñộng của Trạm khu vực ñược thiết kế như sau:
ðiện áp làm việc: +12 Vdc từ bộ nguồn phòng nổ.
Dòng ñiện tiêu thụ: o Bình thường: 10 mA Max o Thu/phát RF: 35 mA Max o Truyền/nhận RS-485: 100 mA Max
Tần số bức xạ: 2.4 GHz, kênh 11
Tốc ñộ dữ liệu qua kênh RF: 250 kb/s Max
Tốc ñộ dữ liệu qua ñường RS-485: 19.2 kb/s
Phạm vi bức xạ: 300m Max, tầm nhìn thẳng
Dải ñịa chỉ: 00 ÷ 99
Có thể nhận biết ñược ñồng thời 800 Máy di ñộng ñi qua vùng phủ sóng với vận tốc tối ña 40km/h trên mặt bằng, nếu giả sử che chắn do ñám ñông không gây suy hao tín hiệu ñáng kể.  Mô tả các linh kiện chính a. Chip vi ñiều khiển PIC 18F4620 Là vi ñiều khiển dòng trung của hãng MicroChip có hiệu suất làm việc cao và tiêu thụ ít năng lượng, các tính năng ñiển hình có: - Các ñặc tính quản lý mức công suất tiêu thụ: o Dòng tiêu thụ tại chế ñộ hoạt ñộng bình thường: 11 µA. o Dòng tiêu thụ tại chế ñộ chờ (Idle): 2,5 µA. o Dòng tiêu thụ tại chế ñộ ngủ (Sleep): 100 nA. - 4 chế ñộ cấp xung dao ñộng OSC, lớn nhất 40 MHz. - Thời gian khôi phục hoạt ñộng từ chế ñộ chờ hoặc chế ñộ ngủ dưới 1µs. - Dòng tải của các chân I/O: 25 mA. - Hỗ trợ 7 ngắt ngoài, 4 ngắt ñồng hồ thời gian nội (Timer) 8 bit, 16bit. - Hỗ trợ các giao diện I2C, SPI, PWM. - 1 Module truyền thông RS-232/RS-485. - 13 kênh ADC ñộ phân giải 10 – bit, hoạt ñộng ngay cả trong chế ñộ nghỉ. - Hỗ trợ nạp chương trình Onboard không cần tháo Chip. [43] H.18. Chip thu phát vô tuyến theo chuẩn IEEE 802.15.4 - Dải ñiện áp làm việc rộng, từ 2V ÷ 5.5V. - 64 Kbytes bộ nhớ chương trình Flash. - 3968 Bytes bộ nhớ dữ liệu SRAM. - 1024 Bytes bộ nhớ dữ liệu EEPROM. Hiện nay Trạm khu vực ñược thiết kế với khả năng quản lý ñược tối ña 800 Máy di ñộng nên bộ nhớ ñệm SRAM cần thiết phải ñủ lớn ñể lưu hết danh sách Mã nhận diện của các Máy di ñộng có thể có mặt trong vùng phủ sóng (theo một chu trình quét), nếu mỗi Máy di ñộng cần 2 Bytes SRAM ñể lưu ñịa chỉ phân biệt của Máy, thì trong trường hợp ít xảy ra nhất là có mặt ñủ cả 800 Máy di ñộng tại phạm vi phủ sóng của một Trạm khu vực sẽ cần tới một vùng nhớ ñệm có ñộ dài là 1600 Bytes. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng ñây là trường hợp hầu như không xảy ra trong thực tế mặc dù mỗi Trạm khu vực ñều dành ñủ tài nguyên bộ nhớ ñủ ñể phục vụ hết cả 800 Máy di ñộng trong trường hợp ñạt lưu lượng lớn nhất. b. Chip thu phát vô tuyến MRF24J40 Là Chip thu phát vô tuyến theo tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 của hãng MicroChip, các thông số kỹ chính thuật theo tài liệu của nhà cung cấp như sau: - Hoàn toàn tương thích với chuẩn IEEE 802.15.4 - Hỗ trợ các giao thức MiWi, Zigbee và các giao thức vô tuyến khác. - Có chế ñộ tiết kiệm năng lượng. - Mức tiêu thụ năng lượng thấp, 18 mA ở chế ñộ RX, 22 mA ở chế ñộ TX. - Dòng ñiện tiêu thụ trong chế ñộ ngủ: 2 µA. - Hoạt ñộng tại băng tần ISM 2.405 ÷ 2.48 GHz. - ðộ nhạy thu: -91 dBm, BER = 10-6. - Mức tín hiệu ñầu vào phía thu lớn nhất +5 dBm. - Công suất phát danh ñịnh: 0 dBm. - Dải ñiều chỉnh công suất phát: 38.75 dB. - Tích hợp các mạch lọc và xử lý tín hiệu. - Tích hợp mạch lấy mẫu chất lượng tín hiệu. - ðặc tính lớp MAC: [44] H.19. Cấu trúc của Chip MRF24J40 o Hỗ trợ bằng phần cứng cơ chế ñiều khiển ña truy nhập tránh xung ñột CSMA-CA, cảm nhận năng lượng sóng mang trước khi truyền. Cơ chế tự ñộng phúc ñáp (ACK) và kiểm soát lỗi (FCS). o Tự ñộng ñồng bộ và báo hiệu. o Hỗ trợ công cụ bảo mật AES-128. o Hỗ trợ các chế ñộ CCA và RSS/LQI. Sơ ñồ khối cấu trúc của Chip MRF24J40: Giao tiếp ñiều khiển Chip MRF24J40 thông qua giao diện SPI gồm các chân SPI, SDO, SCK và /CS. Vi xử lý truy nhập ghi/ñọc các thanh ghi ñiều khiển cũng như các thanh ghi dữ liệu của Chip RF thông qua giao tiếp SPI này. Khi nhận thành công một khung dữ liệu, [45] H.20. Tổ chức bộ nhớ SRAM Chip MRF24J40 Chip RF sẽ thông báo cho Vi xử lý bằng cơ chế ngắt ngoài thông qua chân INT có thể lập trình phương thức báo ngắt. Luồng dữ liệu phát và thu ñược bố trí ở hai vùng bộ nhớ ñệm riêng rẽ có ñộ dài tối ña là 127 Bytes, các thanh ghi ñiều khiển cũng ñược chia thành hai vùng gồm vùng thanh nghi ñịa chỉ ngắn và vùng thanh ghi ñịa chỉ dài. Có thể sử dụng bộ mã hóa bảo mật dữ liệu ñể chống truy nhập trái phép hoặc không. Tổ chức bộ nhớ Bộ nhớ của Chip MRF24J40 sử dụng các thanh ghi SRAM, có 5 vùng thanh ghi khác nhau: - Vùng thanh ghi ñiều khiển ñịa chỉ ngắn: 00h ÷ 3Fh - Vùng thanh ghi ñiều khiển ñịa chỉ dài: 200h ÷ 27Fh. - Bộ ñệm phát: 000h ÷ 1FFh. - Bộ ñệm thu: 300h ÷ 38Fh. - Bộ ñệm bảo mật: 280h ÷ 2BEh. [46] H.21. Không gian thanh ghi điều khiển địa chỉ ngắn Dữ liệu truyền qua kênh vô tuyến trong Hệ thống giám sát người lao ñộng trong hầm lò không yêu cầu phải bảo mật vì chỉ ñơn giản là Mã nhận diện của các Máy di ñộng, nên không cần sử dụng công cụ bảo mật. Việc lập trình ñiều khiển hoạt ñộng của Chip cần chú ý tới các thanh ghi ñiều khiển, bộ ñệm phát, bộ ñệm thu. Không gian thanh ghi ñiều khiển ñịa chỉ ngắn Chức năng một số thanh ghi quan trọng: RXMCR: Thanh ghi ñiều khiển cấu hình phía thu. PANIDL: Byte thấp ñịa chỉ của nút mạng. PANIDH: Byte cao ñịa chỉ của nút mạng. SADRL: Byte thấp ñịa chỉ nguồn phát. SADRH: Byte cao ñịa chỉ nguồn phát. EADR0 ÷ EADR7: 8 Bytes ñịa chỉ MAC, sử dụng trong trường hợp lựa chọn chế ñộ ñịa chỉ dài. [47] H.22. Không gian thanh ghi điều khiển địa chỉ dài RXFLUSH: Xóa bộ ñệm thu ñể sẵn sàng nhận khung dữ liệu mới. TXNTRIG: Thanh ghi ñiều khiển cấu hình phía phát. Không gian thanh ghi ñiều khiển ñịa chỉ dài RFCTRL0: Lựa chọn 16 kênh vô tuyến, từ kênh 11 ñến kênh 26. RFCTRL3: Thanh ghi ñiều khiển công suất phát, từ -38,75 dBm ñến 0 dBm. Giản ñồ thời gian thực hiện ñọc các thanh ghi ñịa chỉ ngắn Chương trình con thực hiện thao tác ñọc các thanh ghi ñịa chỉ ngắn BYTE GetShortRAMAddress(BYTE address){ BYTE toReturn; CSn = 0; SPIPut((address<<1)&0b01111110); toReturn = SPIGet(); CSn = 1; return toReturn; } [48] Giản ñồ thời gian thực hiện thao tác ghi thanh ghi ñịa chỉ ngắn Chương trình con thực hiện thao tác ghi vào thanh ghi ñịa chỉ ngắn void SetShortRAMAddress(BYTE address, BYTE value){ CSn = 0; SPIPut(((address<<1)&0b01111111)|0x01); SPIPut(value); CSn = 1; } Giản ñồ thời gian thực hiện thao tác ñọc thanh ghi ñịa chỉ dài Chương trình con thực hiện thao tác ñọc các thanh ghi ñịa chỉ dài BYTE GetLongRAMAddress(WORD address){ BYTE toReturn; CSn = 0; SPIPut(((address>>3)&0b01111111)|0x80); SPIPut(((address<<5)&0b11100000)); toReturn = SPIGet(); CSn = 1; return toReturn; } [49] Giản ñồ thời gian thực hiện thao tác ghi thanh ghi ñịa chỉ dài Chương trình con thực hiện thao tác ghi các thanh ghi ñịa chỉ dài void SetLongRAMAddress(WORD address, BYTE value){ CSn = 0; SPIPut((((BYTE)(address>>3))&0b01111111)|0x80); SPIPut((((BYTE)(address<<5))&0b11100000)|0x10); SPIPut(value); CSn = 1; } Chương trình khởi tạo Chip thu phát RMF24J40: void MRF24J40Init(void){ BYTE i; WORD j; /* place the device in hardware reset */ RESETn = 0; for(j=0;j<(WORD)300;j++){} /* remove the device from hardware reset */ RESETn = 1; for(j=0;j<(WORD)300;j++){} /* reset the RF module */ SetShortRAMAddr(RFCTL,0x04); /* remove the RF module from reset */ SetShortRAMAddr(RFCTL,0x00); /* flush the RX fifo */ SetShortRAMAddr(WRITE_RXFLUSH,0x01); /* Program the short MAC Address, 0xffff */ SetShortRAMAddr(SADRL,0xFF); SetShortRAMAddr(SADRH,0xFF); SetShortRAMAddr(PANIDL,0xFF); SetShortRAMAddr(PANIDH,0xFF); /* Program Long MAC Address*/ [50] for(i=0;i<(BYTE)8;i++) { SetShortRAMAddr(EADR0+i*2,myLongAddress[i]); } /* enable the RF-PLL */ SetLongRAMAddr(RFCTRL2,0x80); /* set TX for max output power */ SetLongRAMAddr(RFCTRL3,0x00); /* enabled TX filter control */ SetLongRAMAddr(RFCTRL6,0x80); SetLongRAMAddr(RFCTRL8,0b00010000); /* Program CCA mode using RSSI */ SetShortRAMAddr(BBREG2,0x78); /* Enable the packet RSSI */ SetShortRAMAddr(BBREG6,0x40); /* Program CCA, RSSI threshold values */ SetShortRAMAddr(RSSITHCCA,0x00); SetLongRAMAddr(RFCTRL0,0x00); //channel 11 SetShortRAMAddr(RFCTL,0x04); //reset the RF module with new settings SetShortRAMAddr(RFCTL,0x00); } [51] H.23. Cấu trúc bộ đệm phát Chip MRF24J40 H.24. Cấu trúc bộ đệm thu Chip MRF24J40 Thao tác truyền dữ liệu Lớp MAC tích hợp trong vi mạch MRF24J40 sẽ tự ñộng thực hiện các thao tác chuẩn bị cho quá trình phát khung dữ liệu, có thể tự ñộng tính toán và sinh mã CRC nếu cấu hình yêu cầu. Chip Vi ñiều khiển trung tâm phải ghi tất cả các thông tin cấu hình, ñịa chỉ và dữ liệu khác vào các vùng ñệm và thiết lập Bit ñiều khiển phát ñể bắt ñầu phát dữ liệu trên kênh vô tuyến. Cấu trúc bộ ñệm phát như sau: Thao tác nhận dữ liệu Khi MRF24J40 nhận một khung dữ liệu mà ñã ñược lọc qua lớp ñịa chỉ MAC, nó sẽ thông báo với Vi ñiều khiển trung tâm bằng cách thiết lập bit RXIF ñồng thời thực hiện cơ chế ngắt ngoài qua chân INT. Khung dữ liệu nhận ñược sẽ ñược duy trì trong bộ ñệm nhận cho tới khi Vi ñiều khiển trung tâm truy cập và giải phóng nó, khi chưa giải phóng khung dữ liệu cũ sẽ không cho phép tiếp nhận các khung dữ liệu khác qua kênh vô tuyến. Quá trình lọc các ñiều kiện và tiếp nhận một khung dữ liệu vào bộ ñệm ñược trình bày ở lưu ñồ thuật toán tại trang kế tiếp. Hình bên ñây trình bày cấu trúc bộ ñệm thu của Chip MRF24J40. So với khung dữ liệu phía phát, khung dữ liệu phía thu có thêm 2 Bytes là LQI và RSSI chỉ thị chất lượng tín hiệu và mức năng lượng vô tuyến của kênh truyền, thông tin này có thể ñược sử dụng ñể ñiều chỉnh mức công suất làm việc của mạch RF nhằm tiết kiệm năng lượng, ñiều này rất có ý nghĩa ñối với các thiết bị di ñộng sử dụng nguồn nuôi Pin. [52] H.25. Anten Omi và cáp dẫn tín hiệu RF 2.4 GHz H.26. Đặc tính bức xạ của Anten Trạm khu vực c. Anten 2.4 GHz Anten cho mạch RF của Trạm khu vực ñược lựa chọn là Anten bố trí ngoài vỏ có ñộ lợi tín hiệu lớn hơn Anten PCB hoặc các loại Anten ngầm trong vỏ hộp khác, bố trí bên ngoài vỏ hộp nhằm hạn chế che chắn do vật liệu làm vỏ ñể cải thiện phạm vi phủ sóng của Trạm khu vực. Anten ñược lựa chọn sử dụng cho Trạm khu vực là Anten Dipole 2.4GHz vô hướng có ñộ lợi là 4 dBi, trở kháng 50Ω, làm việc ñược trong dải nhiệt ñộ từ - 450C ÷ 850C. ðặc tuyến bức xạ 3D của Anten Trạm khu vực như hình bên. H.27. L 2.5.2 Lưu ñồ thuật toán Sau quá trình khởi tạo, cấu hình các m trình quét vòng của mình v 100 xác nhận việc có mặt trong vùng ph Trạm khu vực sẽ chờ Máy di ñ nếu nhận ñược khung xác nh Timeout thì Trạm khu vực s tra xem có lệnh yêu cầu dữ lượt gửi hết danh sách ñịa ch ñường truyền RS-485 sau ñó nếu không có lệnh yêu cầu t ñể cập nhật các Máy di ñộng trong vùng ph Mỗi Máy di ñộng có một ñ lưu vào một ô nhớ cố ñịnh tương lưu ñịa chỉ các Máy di ñộng n ưu đồ hoạt động của Trạm khu vực ạch RF và RS-485, Trạm khu vự ới việc gửi khung lệnh yêu cầu Máy di ñộng có ñ ủ sóng của mình. Sau khi ñã gử ộng xác nhận trong một khoảng thời gian Timeout là 1,5ms ận của Máy di ñộng có ñịa chỉ vừa phát ñi trư ẽ lưu ñịa chỉ của Máy di ñộng vào bộ nhớ SRAM sau ñó ki liệu từ Trạm trung tâm hay không, nếu có, Tr ỉ của Máy di ñộng ñã xác nhận ñược về Tr xóa sạch vùng ñệm và tiếp tục chu trình h ừ Trạm trung tâm, Trạm khu vực sẽ tiếp tục luôn v ủ sóng. ịa chỉ riêng biệt và nếu có trả lời xác nhận thì Tr ứng với ñịa chỉ ñó trong vùng ñệm 1600 Bytes dành ñ ếu có. Nếu trong một chu trình quét phát hi [53] c sẽ bắt ñầu với chu ịa chỉ mạng là i xong khung lệnh, , ớc khi hết ểm ạm khu vực sẽ lần ạm trung tâm qua ỏi vòng của mình, ới vòng quét ạm khu vực sẽ ể ện nhiều lần tín [54] hiệu trả lời của một Máy di ñộng thì cũng không phát sinh thêm bộ nhớ vì ñịa chỉ ñó ñã gắn với một ô nhớ cố ñịnh. Phương pháp quét vòng có ưu ñiểm là ngăn ngừa ñược xung ñột gây nghẽn mạng trên kênh vô tuyến vì tại một thời ñiểm chỉ có một thiết bị truy nhập kênh vô tuyến trong phạm vi một Trạm khu vực. Phương pháp này cũng cho phép Máy di ñộng tiết kiệm năng lượng khi không ở trong vùng phủ sóng của Trạm khu vực nào. Tuy nhiên, ở phương pháp này ñộ trễ của vòng quét phụ thuộc vào số lượng của Máy di ñộng ñược Trạm khu vực quản lý, và danh sách các Máy di ñộng ñã ñược mặc ñịnh từ khi lập trình nên người dùng không thay ñổi ñược danh sách này ở Trạm khu vực. Với chỉ tiêu thiết kế khả năng quản lý 800 Máy di ñộng, một Trạm khu vực cần tối ña 8 giây ñể quét hết danh sách này là trong trường hợp không có Máy di ñộng nào phát tín hiệu xác nhận nên tốn thời gian chờ Timeout cho mỗi Máy. Trong trường hợp càng có nhiều Máy di ñộng trong phạm vi phủ sóng thì vòng quét càng ñược thực hiện nhanh hơn. Nhóm thực hiện ñề tài ñã thử nghiệm với 5 Máy di ñộng với các ñịa chỉ thay ñổi trong toàn dải từ 100 ñến 899 và ñều ñược Trạm khu vực nhận diện thành công qua băng vô tuyến với ñộ trễ cho phép tối ña 8 giây. Ngoài phương pháp hỏi vòng trên ñây còn có thể nhận diện Máy di ñộng bằng các cách thức như sau. - Lợi dụng cơ chế CSMA-CA của phần cứng lớp MAC Chip MRF24J40, một Trạm khu vực chỉ cần luôn nghe xem có Máy di ñộng nào phát tín hiệu Broadcast ñịa chỉ của Máy ñó hay không. Trong phương pháp này, một Máy di ñộng cứ mỗi 5 giây lại phát Broadcast ñịa chỉ của nó ra không gian bất kể có Trạm khu vực nào nhận ñược hay không. Phương pháp này có ưu ñiểm là không cần lưu trước danh sách Máy di ñộng ở Trạm khu vực nên có thể dễ dàng mở rộng số lượng Máy di ñộng với không gian ñịa chỉ không bị bó buộc trước, ñộ trễ trong việc nhận biết Máy di ñộng cũng ñược cải thiện rõ rệt. Tuy nhiên một trở ngại của phương pháp này là khi có nhiều Máy di ñộng ở trong phạm vi của một Trạm khu vực có thể xảy ra hiện tượng xung ñột kênh vô tuyến và quá tải ñối với Trạm khu vực vì nhiều Máy cùng bức xạ tín hiệu ra không gian cùng một thời ñiểm, mặc dù cơ chế CSMA-CA cho phép ña truy nhập tránh xung ñột, tuy nhiên với số lượng lớn Máy di ñộng thì thực tế nhóm thực hiện ñề tài chưa có ñiều kiện kiểm nghiệm khả năng tránh xung ñột của Chip MRF24J40 vì mới chỉ có 5 Máy di ñộng. Tuy vậy, chúng tôi sẽ tiếp tục nghiên cứu và thử nghiệm phương pháp này trong quá trình hoàn thiện sản phẩm hệ thống. - Một cách thức nữa mà nhóm thực hiện ñề tài ñã lập trình và thử nghiệm cho hoạt ñộng của hệ thống là Trạm khu vực cứ mỗi 5 giây lại phát Broadcast ñịa chỉ của mình ra không gian, theo ñó, các Máy di ñộng trong vùng phủ sóng của Trạm sẽ ñều ñồng thời nhận ñược khung lệnh này và lấy thời ñiểm nh ñộng theo ñịa chỉ của mình s sóng của Trạm khu vực, kho ñộng có ñịa chỉ kề nhau là 1ms lưu ñịa chỉ của những Máy di ñ Như vậy theo tính toán, trong kho nhận biết ñược các tín hiệu tr ñiểm tối ưu vì vừa tránh ñư ñồng thời nhiều Máy di ñộng v nhiên phương pháp này cần ñư các tính toán thiết kế nên chúng tôi s hoàn thiện sản phẩm ñể lựa ch Khi ñươc yêu cầu, Trạm khu truyền RS-485 có cấu trúc như sau: Trường ñộ dài chiếm 2 Bytes, thông báo cho Tr ñược truyền tiếp theo. Mỗi mã máy chiếm 2 Bytes, t ñang hoạt ñộng trong vùng ph sách truyền về Trạm trung tâm. H.28. Khung dữ liệu gửi về Trạm trung tâm ận ñược khung lệnh làm tín hiệu ñồng bộ. Sau ñó, m ẽ lần lượt phát tín hiệu xác nhận sự có mặt trong vùng ph ảng cách thời gian truyền tín hiệu xác nhận gi , Trạm khu vực sau khi phát lệnh Broadcast s ộng trả lời xác nhận. ảng thời gian 5 giây có thể cho phép m ả lời của tối ña 5000 Máy di ñộng, phương pháp này có nhi ợc xung ñột kênh vô tuyến vừa tăng cường kh ới ñộ trễ giảm xuống so với phương pháp quét v ợc thử nghiệm với số lượng Máy di ñộng l ẽ tiếp tục nghiên cứu và thử nghiệm trong quá trình ọn ra phương pháp tối ưu cho hệ thống. vực truyền một khung dữ liệu về Trạm trung tâm qua ñư ạm trung tâm biết tổng s ối ña có 800 mã máy từ 100 ñến 899. Máy nào ñư ủ sóng tại chu kỳ quét thì mã máy tương [55] ỗi Máy di ủ ữa hai Máy di ẽ chờ nhận và ột Trạm khu vực ều ả năng nhận biết òng. Tuy ớn ñể khẳng ñịnh ờng ố Bytes dữ liệu sẽ ợc phát hiện ứng sẽ có trong danh 2.5.3 Thiết kế, chế tạo mạch in và Mạch in và vỏ hộp của Trạ việc trong môi trường hầm lò có khí và b làm kín bằng ñệm cao su dày 1,5mm, v các kết cấu mối ghép theo TCVN7079 như sau: Các chi tiết cơ khí trên vỏ h thông RS-485, Anten Omi chi tiết này phải ñảm bảo ch của mỏ than không ảnh hưở Bản vẽ chế tạo mạch in và v này. 2.6 Thiết kế chế tạo Máy di ñ 2.6.1 Sơ ñồ khối nguyên lý H.29. Mối ghép kín theo H.30. Sơ đồ khối nguyên lý Máy di động vỏ hộp m khu vực ñược thiết kế theo TCVN7079 về ụi nổ. Các mối ghép tại vỏ hộp ñ ỏ thiết bị chế tạo từ vật liệu Inox ñ ộp Trạm khu vực gồm có: Led báo hiệu hoạ bức xạ ngoài vỏ, dây cấp nguồn ñiện và nhãn mác thi ắc chắn và ñược làm kín ñể ngăn bụi và hơi nư ng ñến hoạt ñộng của mạch ñiện. ỏ hộp ñược trình bày chi tiết tại phần Phụ l ộng (V-LINK MOBILE) TCVN7079 Trạm khu vực [56] thiết bị an toàn làm ều ñảm bảo ñược ộ dày 1,2mm với t ñộng, cổng truyền ết bị, các ớc từ môi trường ục trong báo cáo Inox d = 1,2mm Đệm cao su d = 1,5mm [57] Máy di ñộng sử dụng nguồn nuôi là 2 Pin AA 1,5V hoặc Pin nạp NiMH AA 1,2V, khi không thu/phát dữ liệu Máy di ñộng chuyển về trạng thái nghỉ ñể tiết kiệm năng lượng, khi nhận ñược khung lệnh từ Trạm khu vực, Máy di ñộng sẽ trở về chế ñộ hoạt ñộng bình thường ñể gửi Khung dữ liệu xác nhận số hiệu của mình sau ñó quay trở lại chế ñộ nghỉ. Thời gian thu/phát tín hiệu là khoảng thời gian Máy tiêu thụ nhiều năng lượng nhất với dòng ñiện tiêu thụ trung bình vào khoảng 25 mA trong thời gian khoảng 5ms cho mỗi lần nhận và trả lời xác nhận. Khối xử lý trung tâm sử dụng vi ñiều khiển PIC16F887 tiêu thụ ít năng lượng với cấu trúc tối ưu tập lệnh (RISC), các ñặc tính kỹ thuật của PIC16F887 như sau: - Tần số dao ñộng thạch anh: 0 ÷ 20 MHz. - Chế ñộ ngủ ñể tiết kiệm năng lượng. - Dải ñiện áp làm việc: 2V ÷ 5.5V. - Hỗ trợ nạp chương trình Onboard. - Dòng tiêu thụ trong chế ñộ nghỉ: 50 nA tại mức nguồn 2V. - Dòng tiêu thụ khi hoạt ñộng bình thường: 11µA tại 32 KHz, 2V; 220µA tại 4 MHz, 2V. - Dòng tải của các chân I/O: 25mA. - 14 kênh ADC ñộ phân giải 10-bit. - Hỗ trợ các giao diện I2C, SPI, USART (RS-232/RS-485). - Bộ nhớ chương trình Flash: 8 Kbytes. - Bộ nhớ SRAM: 368 Bytes. - Bộ nhớ EEPROM: 256 Bytes. [58] H.31. Anten Máy di động và đặc tính bức xạ Mạch RF của Máy di ñộng sử dụng Chip MRF24J40 ñã trình bày chi tiết trên ñây, do Máy di ñộng yêu cầu gọn nhẹ nên Anten sử dụng cho Máy di ñộng là Anten PCB có ñộ lợi 2 dBi hàn liền với mạch ñiện nằm bên trong vỏ máy. Sơ ñồ nguyên lý (Xem phụ lục) Thông số kỹ thuật của Máy di ñộng:
Dải ñiện áp làm việc cho phép: 1.8 ÷ 6.5 Vdc
Nguồn nuôi: Pin AA 1.5V x 2
Dòng ñiện tiêu thụ:
Bình thường, chế ñộ nghỉ: 2 µA Max
Khi thu tín hiệu: 20 mA Max
Khi phát tín hiệu: 25 mA Max
Tần số bức xạ: 2.4 GHz, kênh 11
Tốc ñộ truyền dữ liệu: 250 kb/s Max
Phạm vi bức xạ: 100m Max, tầm nhìn thẳng
Dải ñịa chỉ: 100 ÷ 899. H.32. Lưu ñồ hoạ di ñộ 2.6.2 Lưu ñồ thuật toán Khi ñược khởi ñộng, Máy di ñ ñể sẵn sàng nhận tín hiệu từ lượng, ở chế ñộ nghỉ chờ nế khu vực thì sẽ chân ngắt ngoài INT s Chương trình dịch vụ ngắt s thực hiện truyền một khung d ñộng lại chuyển về chế ñộ ngh thụ một mức năng lượng rấ khoảng 25 mA trong khoảng th chờ, số lần kích hoạt thu/phát tùy thu ñộng ñang ở trong phạm vi ph - Giả sử mỗi phút Máy di ñ một phút sẽ vào khoảng 7 x 5 = 35 - Như vậy trong 1 giờ, th t ñộng của Máy ng ộng sẽ thiết lập các cấu hình hoạt ñộng cho m kênh vô tuyến sau ñó chuyển về chế ñộ chờ u mạch RF nhận ñược thành công một khung d ẽ ngắt báo hiệu cho Vi ñiều khiển bi ẽ khôi phục lại hoạt ñộng bình thường của Vi ñi ữ liệu trả lời Trạm khu vực, sau khi trả lờ ỉ chờ ñể tiết kiệm năng lượng. Ở chế ñộ ngh t nhỏ, khi trở lại hoạt ñộng bình thường sẽ tiêu th ời gian 5 ms ñể thu/phát tín hiệu sau ñó l ộc vào tần suất hỏi vòng của Trạm khu v ủ sóng. ộng ñược hỏi ñến 7 lần thì thời gian kích ho (ms). ời gian làm việc của Máy di ñộng khoảng: [59] ạch MRF24J40 tiết kiệm năng ữ liệu từ Trạm ết ñể xử lý. ều khiển và i thành công Máy di ỉ chờ, Máy tiêu ụ dòng ñiện ại chuyển về nghỉ ực mà Máy di ạt thu/phát trong 60 x 35 = 2100 (ms). [60] - Với dòng ñiện tiêu thụ trung bình là 25 mA thì trong một giờ Máy di ñộng ở trong vùng phủ sóng của một Trạm khu vực sẽ tiêu thụ hết gần (25mA x 2,1s)/3600 = 0.015 mAh. Như vậy, nếu sử dụng Pin AA có dung lượng 500 mAh thì thời gian cung cấp năng lượng cho Máy di ñộng làm việc sẽ lên tới 4 năm. Trên thực tế chất lượng của Pin suy giảm theo thời gian, nhất là chịu ảnh hưởng ñáng kể của ñiều kiện môi trường nên có thể thời gian Pin duy trì cung cấp năng lượng sẽ suy giảm trong ñiều kiện thực tế. 2.6.3 Thiết kế, chế tạo mạch in và vỏ hộp Mạch in và vỏ hộp của Máy di ñộng ñược thiết kế theo TCVN7079 về thiết bị an toàn làm việc trong môi trường hầm lò có khí và bụi nổ. Các mối ghép tại vỏ hộp ñều ñảm bảo ñược làm kín bằng ñệm cao su dày 1,5mm, vỏ thiết bị chế tạo từ vật liệu Inox ñộ dày 1,2mm với các kết cấu mối ghép theo TCVN7079 như sau: Các chi tiết cơ khí trên vỏ hộp Máy di ñộng gồm có: Led báo hiệu hoạt ñộng và nhãn mác thiết bị, các chi tiết này phải ñảm bảo chắc chắn và ñược làm kín ñể ngăn bụi và hơi nước từ môi trường của mỏ than không ảnh hưởng ñến hoạt ñộng của mạch ñiện. Bản vẽ chế tạo mạch in và vỏ hộp ñược trình bày chi tiết tại phần Phụ lục trong báo cáo này. Inox d = 1,2mm Đệm cao su d = 1,5mm H.33. Mối ghép kín theo TCVN7079 Máy di ñộng [61] 2.7 Phác thảo phần mềm quản lý hệ thống Phần mềm quản lý hệ thống cài ñặt trên Máy tính ñặt tại phòng quản lý ñiều hành khu vực khai thác mỏ than hầm lò. Có các chức năng giám sát, cảnh báo, lưu trữ dữ liệu, thông tin về người lao ñộng ñể phục vụ công tác quản lý người lao ñộng trong hầm lò. Phần mềm có giao diện ñồ họa trên cơ sở gắn liền với bản ñồ ñịa hình có lắp ñặt hệ thống các Trạm khu vực. ■ Quản lý ñược 100 Trạm khu vực và 800 Máy di ñộng. ■ Cho phép xem vị trí hiện thời của một người lao ñộng ñã ñược cấp Máy phát mã cá nhân. ■ Cho phép xem nhóm người lao ñộng trong cùng một khu vực. ■ Chế ñộ tự ñộng: Liên tục cập nhật danh sách các Máy di ñộng từ tất cả các Trạm khu vực theo thời gian thực với tốc ñộ cập nhật thay ñổi ñược. ■ Chế ñộ tìm kiếm ñối tượng: Cho phép tìm kiếm theo mã ñối tượng, xác ñịnh ñối tượng cần tìm kiếm ñang ở vùng nào. ■ Chế ñộ xác ñịnh nhóm ñối tượng trong một vùng cần quan tâm: yêu cầu một Trạm khu vực gửi thông tin về các ñối tượng trong vùng phủ sóng của mình ngay lập tức. ■ Chế ñộ cảnh báo khi ñối tượng ñi vào vùng cấm, vùng nguy hiểm, khi hết thời gian quy ñịnh mà không thấy ra khỏi hầm lò,… ■ Lưu thông tin về quá trình di chuyển của người công nhân vào cơ sở dữ liệu ñể phục vụ tra cứu khi cần. [62] 2.8 Tính toán các thông số cơ bản của hệ thống a. Kênh vô tuyến RF 2.4 GHz Cấu trúc khung dữ liệu qua kênh vô tuyến giao tiếp giữa Trạm khu vực và Máy di ñộng: HEADER LENGTH PACKET LENGTH FRM CTRL L FRM CTRL H SQC NUMBER PANID L PANID H DEST. ADDR L DEST. ADDR H SRC. ADDR L SRC. ADDR H FCS[0] FCS[1] Khung dữ liệu có ñộ dài 13 Bytes x 8 = 104 Bits. Như vậy với tốc ñộ truyền trung bình của kênh vô tuyến 2.4 GHz là 100 Kbps thì thời gian trung bình ñể truyền một khung dữ liệu từ Trạm khu vực tới Máy di ñộng hoặc ngược lại là là: TF = (104 /100 000) x 1000 = 1,04. 10 -3 (s) = 1,04 (ms). Như vậy, thời gian Timeout mà Trạm khu vực chờ nhận một khung dữ liệu trả lời cho mỗi Máy di ñộng cần thiết là Timeout = 1,5 (ms). Như vậy, thời gian trung bình dành ñể xác nhận mã của một Máy di ñộng qua kênh vô tuyến kể cả các tác vụ khác của Vi xử lý liên quan ñến thu/phát vô tuyến (sử dụng dao ñộng thạch anh 11.0592 MHz) là xấp xỉ 3ms. [63] Khoảng cách từ ñiểm phát tới ñiểm thu (Trạm khu vực - Máy di ñộng) Theo công thức (2), ta có: PRX = PTX + GTX + GRX - LTX – LRX – LM – LFS Với PRX là mức công suất của tín hiệu tại ñiểm thu, mức công suất này cần ñảm bảo ñủ ñể mạch RF nhận ñược dữ liệu một cách tin cậy qua kênh vô tuyến. Theo tài liệu kỹ thuật, Chip MRF24J40 có ñộ nhạy thu là -91 dBm với tỷ lệ lỗi Bit BER = 10-6, thực tế ta cần ñể một biên ñộ dự phòng chắc chắn thu ñược tín hiệu tốt là 5 dBm, nên công suất tín hiệu tại ñiểm thu cần ñảm bảo không xuống dưới -86 dBm. Ta có các thông số kỹ thuật sau: - PRX = -86 dBm, ñộ nhạy của Máy thu. - PTX = 0 dBm, công suất Máy phát. - GTX = 4 dBm, ñộ lợi của Anten phát. - GRX = 2 dBm, ñộ lợi của Anten thu. - LTX = 0.5 dBm, suy hao trên cáp RF ñầu phát. - LRX = 0.5 dBm, suy hao trên cáp ñầu thu. - LM = 5 dBm, suy hao tổng hợp do các yếu tố bất ñịnh gây nên. - LFS = 32,45 + 20logF[MHz] + 20logR[km]. Thay số vào công thức (2), ta tính ñược suy hao qua môi trường không khí cho phép là: LFS = 0 + 4 + 2 – 0,5 – 0,5 – 5 + 86 = 86 (dBm). Tín hiệu RF bức xạ trên kênh 11, tần số F = 2460 MHz, ta có: 86 = 32,45 + 20log(2460) + 20logR 20logR = -14,27  R ≅ 0,19 (km) = 190 (m). Như vậy khoảng cách thu/phát giữa Trạm khu vực và Máy di ñộng trong ñiều kiện thông thường có thể ñạt 190(m), khi lắp ñặt trong hầm lò có thể suy hao tổng hợp do các yếu tố bất ñịnh gây nên (LM) sẽ gia tăng làm khoảng cách thu/phát tín hiệu (R) giảm xuống.  Với bán kính phủ sóng R = 190 (m) và tốc ñộ vòng quét là 8 giây, bỏ qua các yếu tố suy hao do che chắn bởi ñám ñông, một Trạm khu vực có thể nhận biết ñược tối ña 800 Máy di ñộng cùng di chuyển qua vùng phủ sóng của Trạm với vận tốc tối ña là: V = 380 (m) / 8 (s) ≅ 47,5 (m/s) = 171 (km/h) [64] Tuy nhiên trên thực tế khi có ñám ñông che chắn thì tín hiệu vô tuyến sẽ bị suy hao ñáng kể vì vậy bán kính phủ sóng sẽ giảm xuống rõ rệt. Nếu giả thiết rằng trong trường hợp ñó phạm vi phủ sóng giảm xuống còn 100m thì vận tốc tối ña cho phép các thiết bị chuyển ñộng qua Trạm khu vực ñược kịp thời phát hiện là: V = 100 (m) / 8 (s) = 12,5 (m/s) = 45 (km/h) b. ðường truyền dữ liệu RS-232, RS-485 BS - Trạm trung tâm RS – Trạm khu vực; - Thời gian truyền một khung lệnh 1 Byte từ PC ñến Trạm trung tâm trên ñường truyền RS- 232 có tốc ñộ Baud KB1 = 19.2 Kbps là: T1 = 8 / 19200 = 0,4 (ms) Với câu lệnh 2 Byte, thời gian cần truyền qua ñường RS-232 là 0.8 (ms). - Truyền 1 Byte dữ liệu từ Trạm trung tâm ñến Trạm khu vực qua ñường truyền RS-485 có tốc ñộ Baud KB2 = 19.2 Kbps, theo giao thức ñồng bộ dữ liệu như sau: Data[0] Data[1] Data[2] LEN LEN – số Byte dữ liệu ñược truyền, tối ña LEN = 3. Nếu truyền 1 Byte dữ liệu, khung truyền ñi sẽ gồm Data[0] và LEN = 1 và thời gian ñể truyền 2 Byte là: T2 = 2 x 8/19200 = 0,8 (ms) - Theo hướng ngược lại, Trạm khu vực truyền về Trạm trung tâm mỗi lần 2 Bytes dữ liệu ( Data[0], Data[1] ) và 1 Byte ñồng bộ (LEN), thời gian cần truyền một ñịa chỉ của Máy di ñộng về Trạm trung tâm là: PC BS RS1 RSx RS2 RS-232 RS-485 [65] T3 = 3 x 8/19200 = 1,2 (ms) Từ ñó, ta xác ñịnh thời gian Trạm trung tâm chờ ñể nhận dữ liệu từ một Trạm khu vực là: T4 = T2 + T3 = 2 (ms) Vậy trong trường hợp xuất hiện ñầy ñủ cả 800 Máy di ñộng trong danh sách cập nhật của Trạm khu vực thì thời gian truyền hết danh sách này về Trạm trung tâm là: T5 = (2 + 1600) x 1,2 = 1922,4 (ms) ≅ 2 (s) Tương tự, thời gian ñể Trạm trung tâm truyền danh sách này lên Máy tính là: T6 = T5 = 2 (s) Tổng thời gian tối ña ñể hỏi và nhận dữ liệu từ một Trạm khu vực ñến Máy tính quản lý là: Tmax = T1 + T2 + T5+ T6 ≅ 4 (s) Với hệ thống có ñầy ñủ 100 Trạm khu vực thì thời gian một vòng quét hết số Trạm khu vực trong hệ thống tối ña là: Ts = Tmax + 99 x T2 ≅ 5 (s) Trong thực tế hầu như không cần thiết lắp ñặt tới 100 Trạm khu vực trong một khai trường mỏ than hầm lò mà chỉ lựa chọn lắp ñặt thiết bị giám sát tại một số ñịa ñiểm chính yếu, vì vậy ñộ trễ của vòng quét sẽ giảm ñáng kể. Mặt khác số lượng Máy di ñộng không thể ñồng thời tập trung tối ña tại tất cả các khu vực trong hệ thống, vì vậy lưu lượng truyền tải trên ñường RS-485 của mỗi Trạm khu vực là khác nhau và thời gian truyền/nhận dữ liệu với mỗi Trạm khu vực sẽ rất nhỏ hơn con số tối ña như trường hợp giả thiết trên ñây. Về mặt theo dõi và quản lý nhân công thì thời gian cập nhật danh sách từ tất cả các khu vực nhanh nhất cũng chỉ cần 1 phút/1 lần cập nhật là ñáp ứng ñược yêu cầu, nên không cần thiết phải liên tục cập nhật với tốc ñộ tối ña 5 giây/1 lần như khả năng ñáp ứng của hệ thống. [66] 2.9 Thử nghiệm hệ thống trên mặt bằng Mục tiêu thử nghiệm: Việc thử nghiệm nhằm ñánh giá hoạt ñộng của các thành phần thiết bị riêng rẽ cũng như toàn hệ thống ( sau khi kết nối thành hệ thống ) trên mặt bằng có tác ñộng của các yếu tố thực tế như: môi trường khu dân cư, các yếu tố che chắn, các yếu tố chuyển ñộng, …. Các thông số kỹ thuật ñược kiểm tra thông qua quá trình thử nghiệm gồm: A. Các kết nối truyền thông: Kết nối vô tuyến, kết nối hữu tuyến. B. Khoảng cách liên lạc giữa Trạm khu vực với Máy di ñộng. C. Khả năng nhận biết Máy di ñộng của Trạm khu vực: Số lượng Máy di ñộng có thể nhận biết trong vòng quét, khả năng kết nối khi Máy di ñộng di chuyển với tốc ñộ cao . D. ðộ trễ vòng quét của Trạm khu vực. E. ðộ trễ của toàn tuyến khi cập nhật thông tin từ một Trạm khu vực. F. Mức ñộ tiêu thụ năng lượng của Máy di ñộng. Nhóm thực hiện ñề tài ñã tiến hành các hoạt ñộng thử nghiệm ñối với các sản phẩm của ñề tài trên mặt bằng khu dân cư ñể kiểm tra các thông số kỹ thuật nêu trên với các ñiều kiện thử nghiệm cụ thể như sau: ■ Môi trường thử nghiệm: Trong phòng thí nghiệm, trên mặt bằng ngoài trời không mưa. ■ Sử dụng Ô-xy-lô và ñồng hồ ño ña năng xác ñịnh các thông số làm việc của Trạm trung tâm, Trạm khu vực và Máy di ñộng gồm: - Các mức ñiện áp làm việc của từng khối tín hiệu. - Dòng ñiện tiêu thụ của các thiết bị ở các chế ñộ làm việc khác nhau. - Tần số dao ñộng của Thạch anh cấp cho Vi ñiều khiển. ■ Sử dụng Máy tính và phần mềm kết nổi cổng COM ñể ñọc dữ liệu từ Trạm trung tâm và Trạm khu vực. ■ Sử dụng ñồng hồ bấm giờ ñể kiểm tra tốc ñộ quét vòng của Trạm khu vực và ñộ trễ của các kết nối. ■ Thử nghiệm kết nối vô tuyến giữa Trạm khu vực và nhận biết Máy di ñộng qua kênh vô tuyến 2.4 GHz. Trạm khu vực phát hiện ñược cả 5 Máy di ñộng trong phòng thí nghiệm và khi Máy di ñộng di chuyển trên mặt bằng với vận tốc 40 km/h trong phạm vi bán kính 50m. [67] Các bước thử nghiệm ñược thực hiện như sau: - Kết nối hoàn chỉnh Máy tính, Trạm trung tâm và 2 Trạm khu vực có ñịa chỉ là 0 và 1. Khởi ñộng các thiết bị. - Mở chương trình kết nối dữ liệu qua cổng COM của Máy tính, thiết lập các thông số cổng COM, tốc ñộ Baud = 19,2 Kbps. Mở kết nối cổng COM. - Tắt hết các Máy di ñộng, lần lượt gửi ñịa chỉ 0 và 1 từ Máy tính, hai Trạm khu vực có ñịa chỉ tương ứng gửi về danh sách 0 phát hiện ñược Máy di ñộng nào. - Lần lượt mở các Máy di ñộng, sau mỗi 8 giây gửi ñịa chỉ 0 và 1 của hai Trạm khu vực tương ứng ñể kiểm tra khả năng nhận biết Máy di ñộng của Trạm khu vực. Kết quả cho thấy hệ thống làm việc tốt trên mặt bằng. - Mang các Máy di ñộng và chuyển ñộng bằng xe gắn máy ở vận tốc 40 km/h qua vùng phủ sóng của Trạm khu vực, sau ñó yêu cầu Trạm khu vực gửi danh sách các Máy di ñộng ñã phát hiện ñược về Máy tính. ■ Thử nghiệm xác ñịnh khoảng cách truyền/nhận tín hiệu từ Trạm khu vực ñến Máy di ñộng trên mặt bằng ngoài trời. Trong ñiều kiện không bị che chắn (ñộ cao của Trạm khu vực là 3,5m so với mặt ñất, ñộ cao của Máy di ñộng là 1m so với mặt ñất, môi trường không có vật cản), khoảng cách liên lạc xác ñịnh ñược là gần 200m, Máy di ñộng chuyển ñộng với tốc ñộ chậm. ■ Cùng ñiều kiện thử nghiệm như trên, mang Máy di ñộng chuyển ñộng với tốc ñộ 40 km/h bằng xe gắn máy qua vùng phủ sóng của Trạm khu vực, qua nhiều lần thử nghiệm ñều cho kết quả Trạm khu vực phát hiện ñược mã của Máy di ñộng ñã di chuyển qua. Nhóm thực hiện ñã thử nghiệm thành công phép thử này với hệ thống có cấu hình gồm 1 trạm Trung tâm, 2 Trạm khu vực và 5 Máy di ñộng. ■ ðộ trễ của một vòng quét 800 Máy di ñộng của Trạm khu vực: tối ña 8 giây. ■ Thời gian nhận ñủ thông tin từ Trạm khu vực sau khi truyền lệnh từ Máy tính: Tối ña 3 giây ðánh giá kết quả: Các kết quả thử nghiệm trên mặt bằng khu dân cư cho thấy hệ thống hoạt ñộng ổn ñịnh, ñáp ứng ñược các chỉ tiêu kỹ thuật theo thiết kế. Các Trạm khu vực thực hiện một vòng quét nhận biết 800 Máy di ñộng trong vòng 8s và ñã nhận biết ñược 5 Máy ñi ñộng hiện có khi bật Máy di ñộng trong phạm vi bán kính gần 200m tầm nhìn thẳng. Có thể yêu cầu Trạm khu vực gửi danh sách Máy di ñộng mà trạm phát hiện ñược về Máy tính qua cổng COM. Hoạt ñộng của hệ thống trên mặt bằng không gây can nhiễu ñến các tín hiệu của các hệ thống di ñộng tổ ong của các nhà cung cấp dịch vụ di ñộng cũng như các dịch vụ vô tuyến khác trong khu vực (phát thanh, truyền hình, mạng quản lý Taxi, …) vì hệ thống sử dụng băng tần UHF 2.4 GHz miễn ñăng ký. Tuy nhiên, bức xạ của hệ thống có thể [68] H.34. Giao diện phần mềm kết nối cổng COM và kết quả thử nghiệm gây ảnh hưởng ñến các ñiểm WiFi truy cập Internet nên khi thử nghiệm cần lưu ý tránh khu vực cung cấp dịch vụ WiFi ñể không gây ảnh hưởng ñến người sử dụng dịch vụ Internet không dây băng rộng. Tiếp theo cần ñưa hệ thống tới thử nghiệm tại môi trường khai thác than hầm lò ñể kiểm tra và ñánh giá các tác ñộng của môi trường hầm lò khai thác than tới các tham số kỹ thuật của hệ thống cũng như các thiết bị thành phần nhằm tiếp tục cải tiến, hoàn thiện hệ thống nhằm ñáp ứng ñược yêu cầu thực tiễn. ■ Giao diện màn hình kết quả thử nghiệm: Mô tả khung lệnh truyền từ Trạm khu vực về Máy tính qua Trạm trung tâm: L H L H L H --- Độ dài khung dữ liệu Số hiệu Máy di ñộng 100 Số hiệu Máy di ñộng 101 [69] III. KẾT LUẬN 3.1. Các kết quả ñã ñạt ñược Trong năm ñầu tiên thực hiện ñề tài “Nghiên cứu chế tạo hệ thống giám sát người lao ñộng trong hầm lò”, nhóm thực hiện ñã hoàn thành các nhiệm vụ, ñạt và vượt chỉ tiêu ñăng ký, các hạng mục công việc ñã thực hiện, sản phẩm của ñề tài của năm thứ nhất ñược trình bày trong bảng dưới ñây: S TT Công việc ñã thực hiện Sản phẩm ñạt ñược So với chỉ tiêu ñăng ký 1 Khảo sát thực tế nhu cầu về quản lý, giám sát người lao ñộng trong khai thác than hầm lò tại Việt Nam. Khảo sát ñặc ñiểm môi trường khai thác than hầm lò. Báo cáo khảo sát thực tế môi trường khai thác than hầm lò tại Việt nam. Nhu cầu về “hệ thống giám sát người lao ñộng trong hầm lò”, tìm hiểu các yêu cầu từ thực tiễn. ðạt yêu cầu 2 Nghiên cứu, tìm hiểu, lựa chọn công nghệ. Báo cáo khảo sát, tìm hiểu và phân tích một số công nghệ RFID và công nghệ vô tuyến liên quan. Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới. Lựa chọn công nghệ phù hợp ñể thực hiện ñề tài. ðạt yêu cầu 3 Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và thử nghiệm hoạt ñộng của Trạm trung tâm, Trạm khu vực và Máy di ñộng. - Sơ ñồ thiết kế hệ thống. - 1 Trạm trung tâm hoàn chỉnh V-LINK MASTER, số hiệu BS08000, kèm theo: Sơ ñồ khối Sơ ñồ nguyên lý Mạch in Vỏ hộp Chương trình mã nguồn - 2 Trạm khu vực hoàn chỉnh V-LINK SLAVE, số hiệu RS08000, RS08001, kèm theo: Vượt yêu cầu [70] Sơ ñồ khối Sơ ñồ nguyên lý Mạch in Vỏ hộp Chương trình mã nguồn - 5 Máy di ñộng hoàn chỉnh V-LINK MOBILE, số hiệu MS08100, MS08101, MS08102, MS08103, MS08104, kèm theo: Sơ ñồ khối Sơ ñồ nguyên lý Mạch in Vỏ hộp Chương trình mã nguồn 4 Viết báo cáo tổng kết năm thứ nhất Báo cáo tổng kết kết quả thực hiện ñề tài năm thứ nhất. ðạt yêu cầu [71] H.35. Các thiết bị của hệ thống Giám sát người lao động trong hầm lò Một số hình ảnh các sản phẩm của ñề tài ñã thực hiện trong năm 2008 [72] H.36. Trạm trung tâm H.37. Trạm khu vực H.38. Máy di động [73] 3.2. Các công việc tiếp theo ■ Chế tạo thêm 3 Trạm khu vực, 5 Máydi ñộng. ■ Phát triển Phần mềm quản lý hệ thống. ■ ðưa hệ thống ñến thử nghiệm tại mỏ than hầm lò của Công ty than Hạ Long, xác ñịnh các tác ñộng của môi trường khai thác than hầm lò ñến hoạt ñộng của hệ thống và ngược lại. ■ Kiểm ñịnh chất lượng sản phẩm theo TCVN7079 về Thiết bị an toàn tia lửa tại Trung tâm an toàn mỏ, Viện Khoa học công nghệ mỏ với hệ thống gồm:  1 Trạm trung tâm + 1 Trạm trung tâm dự phòng  1 Máy tính cài ñặt Phần mềm quản lý hệ thống  5 Trạm khu vực 10 Máy di ñộng ■ ðánh giá, hoàn thiện sản phẩm ñạt các tiêu chuẩn an toàn thiết bị hầm lò, phù hợp với ñiều kiện thực tế. ■ Lập quy trình công nghệ thiết kế chế tạo hệ thống giám sát người lao ñộng trong hầm lò. ■ Viết báo cáo tổng kết, xây dựng các tài liệu kỹ thuật liên quan. ■ Liên hệ, giới thiệu sản phẩm của ñề tài với các Công ty khai thác than hầm lò. 3.3. Xu hướng phát triển của ñề tài - Phát triển các ứng dụng ño lường và ñiều khiển từ xa trên nền Hệ thống giám sát người lao ñộng trong hầm lò. - Phát triển mạng thông tin trong hầm lò phục vụ công tác an toàn lao ñộng trên cơ sở gửi các bản tin ngắn từ Trạm trung tâm ñến Máy di ñộng và ngược lại. 3.4. ðề xuất – Kiến nghị Nhóm thực hiện ñề tài nhận thấy sản phẩm của ñề tài này có tiềm năng ứng dụng lớn trong ngành khai thác mỏ, sản phẩm cần ñược tiếp tục ñầu tư nghiên cứu ñể ñánh giá các tính năng kỹ thuật trong môi trường ứng dụng thực tế tại các mỏ than hầm lò. ðề nghị các cấp lãnh ñạo quan tâm và tạo ñiều kiện hỗ trợ nhóm thực hiện ñề tài tiếp tục nghiên cứu, thử nghiệm và hoàn thiện sản phẩm sao cho có thể trở thành sản phẩm thương mại, cạnh tranh với các sản phẩm của nước ngoài. [75] V. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. TCVN7079:2000, Thiết bị ñiện dùng trong mỏ hầm lò, Tổng cục TCðLCL. [2]. ZigBee/IEEE 802.15.4 Summary, Sinem Coleri Ergen, csinem@eecs.berkeley.edu, September 10, 2004. [3]. IEEE Std 802.15.4™-2003, 1 October 2003 Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs) [4]. Radio Laboratory Handbook, Marco Zennaro, Carlo Fonda, February 2004 [5]. Tutorial on Basic Link Budget Analysis, Jim Zyren and Al Petrick, June 1998 [6]. MRF24J40 Data Sheet, IEEE 802.15.4™ 2.4 GHz RF Transceiver, MicroChip 2006 [7]. Connectivity Solutions for Embedded Design: USB, Ethernet, Zigbee, MiWi, CAN, LIN, IrDA and RS-485 Protocols, www.microchip.com/connectivity [8]. 8-bit PIC Microcontroller Solutions, Spring 2006, www.microchip.com