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

Bé c«ng th−¬ng viÖn ®iÖn tö – tin häc b¸o c¸o tæng kÕt ®Ò tµi kh&cn cÊp bé nghiªn cøu chÕ t¹o hÖ thèng gi¸m s¸t ng−êi lao ®éng trong hÇm lß M· sè: 191.08RD/H§-KHCN chñ nhiÖm ®Ò tµi: ks. KiÒu m¹nh c−êng 7173 17/3/2009 Hµ néi - 2008 [1] BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU ðIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ðỘNG HÓA BÁO CÁO TỔNG KẾT ðỀ TÀI CẤP BỘ NĂM 2008 ðề tài: Nghiên cứu chế tạo hệ thống giám sát người lao ñộng trong hầm lò (Thời gian thực hiện: 2 năm) Chủ nhiệm ñề tài: KS. Kiều Mạnh Cường Cơ quan chủ trì: Viện Nghiên cứu ðiện tử, Tin học, Tự ñộng hóa - VIELINA Hà nội - 12/2008 [2] MỤC LỤC Diễn giải một số từ viết tắt……………………………………………………………..………….……………….. Lời mở đầu ………………………………………………………………………………………….…….…..……...……....1 I. Những vấn đề chung ………………………………………………………………….…..…..…………2 1.1. Thông tin về đề tài ……………………………………………………………………………..…………2 1.2. Tính cấp thiết của đề tài……………………………………………………………….……..…..…….2 1.3. Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới…………………..………….……………3 1.3.1. Tình hình nghiên cứu trong nước………………………………………..……………………..3 1.3.2. Tình hình nghiên cứu trên thế giới………………………………………..…………..………4 II. Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống giám sát người lao động trong hầm lò (Tên gọi: V-Link)…………………………………………………………………………………………..10 2.1. Một số đặc điểm của môi trường khai thác than hầm lò tại Việt Nam………..…...11 2.2. Công nghệ nhận biết đối tượng qua sóng vô tuyến (RFID)……………………….……13 2.2.1. Khái quát về công nghệ RFID……………………………………………………………….…..13 2.2.2. Tìm hiểu một số công nghệ thu/phát vô tuyến……………………………….…….….16 2.2.2.1. Công nghệ WiFi……………………………………………………………………………….….…..16 2.2.2.2. Công nghệ WiMax………………………………………………………………………….………..17 2.2.2.3. Công nghệ Bluetooth…………………………………………………………………….….….…..17 2.2.2.4. Công nghệ Zigbee (IEEE 802.15.4)………………………………………..……….…...……18 2.3. Thiết kế hệ thống V-Link……………………………………………………………………….……..24 2.3.1. Lựa chọn công nghệ thực hiện…………………………………………………………….…..24 2.3.2. Sơ đồ khối nguyên lý hệ thống V-Link……………………………………………....….….27 2.3.3. Xác định các yếu tố chính ảnh hưởng đến chỉ tiêu chất lượng của hệ thống………………………………………………………………………………..…………………….29 2.4. Thiết kế chế tạo Trạm trung tâm (V-Link Master)……………………………....…..…….32 2.4.1. Sơ đồ khối nguyên lý………………………………………………………….................…..……32 2.4.2. Lưu đồ thuật toán……………………………………………………………………..…….….…..35 2.4.3. Thiết kế, chế tạo mạch in và vỏ hộp…………………………………………….....….……36 2.5. Thiết kế chế tạo Trạm khu vực (V-Link Slave)…………………………………....…….…..37 2.5.1. Sơ đồ khối nguyên lý………………………………………………………………………….……37 2.5.2. Lưu đồ thuật toán………………………………………………………….………………………..49 2.5.3. Thiết kế, chế tạo mạch in và vỏ hộp…………………………………….……….....………52 2.6. Thiết kế chế tạo Máy di động (V-Link Mobile)……………………………..……….………52 2.6.1. Sơ đồ khối nguyên lý………………………………………………………………….…....………52 2.6.2. Lưu đồ thuật toán……………………………………………………….………….……...………..55 2.6.3. Thiết kế, chế tạo mạch in và vỏ hộp……………………………………….….…...……….56 2.7. Phác thảo Phần mềm quản lý hệ thống……………………………..………….…….………...57 2.8. Tính toán các thông số cơ bản của hệ thống……………………..………..….…..…………58 a. Kênh vô tuyến RF 2.4 GHz………………………………………….……….……….………….58 b. Đường truyền dữ liệu RS-232, RS-485…………………………………..……….……….60 [3] 2.9. Thử nghiệm hệ thống trên mặt bằng…………………………………………..……………….62 III. Kết luận…………………………………………………………………………………….…..……………65 3.1. Các kết quả đã đạt được……………………………………………………………..…..…..……….65 3.2. Các công việc tiếp theo………………………………………………………………...…....…………69 3.3. Xu hướng phát triển của đề tài………………………………………………..……..……………..69 3.4. Đề xuất – Kiến nghị………………………………………………………………..…….…..…………69 IV. Phụ lục………………………………………………………………………………..…..……….…………..70 4.1. Danh mục các sơ đồ nguyên lý..…………………………………….……….…..………………….70 4.2. Danh mục các bản vẽ gia công cơ khí………………………….……….….…..………..……….70 4.3. Danh mục chương trình mã nguồn………….………………………….……..….…..…..………70 4.4. Thuyết minh ñề tài………………………………………………………….………70 4.5. Hợp ñồng thuê khoán công việc, sản phẩm………………………………..………..70 4.6. Dự toán kinh phí ñề tài năm 2008…………………………………………..………70 V. Tài liệu tham khảo…………………………………………………………….….…..…………………71 [4] DIỄN GIẢI MỘT SỐ TỪ VIẾT TẮT ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG BÁO CÁO Từ viết tắt Từ gốc IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers MAC Media Access Control W-LAN Wireless – Local Area Network WiFi Wireless Fidelity (IEEE 802.11b wireless networking) WiMax Worldwide Interoperability for Microwave Access (IEEE 802.16) ISM Industrial, Scientific and Medical RF Radio Frequency PAN Personal Area Network RAM Random Access Memory ROM Read-Only Memory EEPROM Electrical Eraseable ROM CSMA-CA Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance CSMA-CD Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection BS Base Station RS Remote Station MS Mobile Set SL Slave MAS Master PC Personal Computer Tx Transmiter Rx Receiver FSL Free Space Loss RFID Radio Frequency Identification ADC Analog to Digital Converter LQI Link Quality Indicator RSSI Received Signal Strength Indicator HF High Frequency VHF Very High Frequency UHF Ultra High Frequency SHF Super High Frequency EHF Extra High Frequency BER Bit Error Rate EIRP Effective Isotropic Radiated Power FFD Full-Function Device RFD Reduced-Function Device PHY Physical Layer PER Packet Error Rate GTS Guaranteed Time Slot FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum CCA Clear Channel Assessment ED Energy Detection RFI Radio Frequency Interference SNR Signal to Noise Ratio [5] Lời mở đầu Ngành than Việt Nam ñang trong thời kỳ phát triển mạnh mẽ với tốc ñộ tăng trưởng hàng năm cao và sản lượng rất lớn. Bên cạnh vấn ñề tăng trưởng là công tác quản lý ñội ngũ công nhân, hạn chế rủi ro, tai nạn lao ñộng. Trong những năm qua, nhiều tai nạn hầm lò ñáng tiếc ñã xảy ra do nhiều nguyên nhân như: Sập hầm lò, bục nước, nổ khí mêtan, nổ mìn sai quy chế v,v… ñòi hỏi phải tăng cường công tác quản lý nhân sự làm việc trong hầm lò. Từ trước ñến nay ở các mỏ than tại Việt nam, việc quản lý người ra/vào các hầm lò khai thác chủ yếu ñược thực hiện bằng phương pháp thủ công, ghi chép sổ sách khiến công tác quản lý gặp nhiều khó khăn, bất cập nên vấn ñề cấp bách ñặt ra là cần phải giám sát vị trí của người ñi vào hầm lò ñể biết các thông tin phục vụ quản lý như: ðến ca làm việc chưa thấy vào, hết ca làm việc chưa thấy ra, có ñi vào vùng cấm hay không, có làm việc ñúng vị trí hay không, vị trí hiện thời ở ñâu,… các câu hỏi ñó rất ñược các cán bộ quản lý công nhân mỏ quan tâm. Sau nhiều năm là ñối tác tin cậy cung cấp thiết bị phục vụ công tác an toàn cho một số công ty khai thác than trong Tập ñoàn than khoáng sản Việt nam - TKV, qua tiếp xúc và trao ñổi với các cán bộ quản lý, chúng tôi thấy hiện nay công tác quản lý người công nhân vào mỏ gặp nhiều khó khăn, các hệ thống kỹ thuật trợ giúp hiện tại hầu như chưa có gì, các sản phẩm nước ngoài chào bán cho ngành mỏ về công tác quản lý nhân sự trong hầm lò rất ñắt tiền và ñặc biệt là các dịch vụ kỹ thuật sau bán hàng rất khó ñược ñáp ứng kịp thời. Từ thực trạng ñó, chúng tôi ñặt vấn ñề nghiên cứu một hệ thống “Giám sát người lao ñộng trong hầm lò” với mong muốn có thể hỗ trợ các cán bộ quản lý sử dụng máy tính ñể quan sát, tìm kiếm vị trí hiện thời của những công nhân ñang làm việc trong hầm lò. Hệ thống này cũng có thể tự ñộng phát những báo hiệu cần thiết trợ giúp người có trách nhiệm ra các quyết ñịnh kịp thời và chính xác, phục vụ ñắc lực cho công tác quản lý, ñảm bảo an toàn lao ñộng trong môi trường hầm lò, hỗ trợ tìm kiếm cứu nạn khi tai nạn hầm lò xảy ra,… Chúng tôi chân thành cảm ơn Bộ Công Thương, Bộ Khoa học Công nghệ và Viện Nghiên cứu ðiện tử, Tin học, Tự ñộng hóa ñã tạo các ñiều kiện thuận lợi ñể ñề tài này ñược thực hiện thành công và ñạt ñược các kết quả mong muốn. Chúng tôi mong rằng sẽ tiếp tục nhận ñược hỗ trợ ñể sản phẩm của ñề tài này ñược hoàn thiện và có thể ứng dụng vào môi trường khai thác than hầm lò. Nhóm thực hiện ñề tài [6] I. NHỮNG VẤN ðỀ CHUNG 1.1 Thông tin về ñề tài
Tên ðề tài/Dự án: Nghiên cứu chế tạo hệ thống giám sát người lao ñộng trong hầm lò.
ðơn vị chủ trì thực hiện ðề tài/Dự án: Viện NC ðiện tử, Tin học, Tự ñộng hóa.
Chủ nhiệm ðề tài/Dự án: Kỹ sư Kiều Mạnh Cường.
Thời gian thực hiện: 24 tháng.
Tổng kinh phí thực hiện: 500 triệu ñồng từ Ngân sách nhà nước.
Giai ñoạn 1: 12 tháng, từ 01/01/2008 ñến 31/12/2008.
Kinh phí thực hiện giai ñoạn 1: 200 triệu ñồng.
Sản phẩm ñăng ký Là một hệ thống gồm: - 01 Trạm trung tâm. - 02 Trạm khu vực. - 10 Máy di ñộng phát mã cá nhân (Máy di ñộng). - Phần mềm quản lý giám sát người lao ñộng trong hầm lò. - Các tài liệu nghiên cứu, tài liệu kỹ thuật, các báo cáo liên quan. Trong ñó, sản phẩm ñăng ký giai ñoạn 1 gồm: - 05 Máy di ñộng phát mã cá nhân hoàn chỉnh. - 02 Trạm khu vực hoàn chỉnh. - 01 Mạch in Trạm trung tâm. - Các tài liệu nghiên cứu, tài liệu kỹ thuật, các báo cáo liên quan. 1.2 Tính cấp thiết của ñề tài Hiện nay, các công ty khai thác than hầm lò tại Việt Nam ngày càng mở rộng diện tích khai thác và khai thác sâu hơn xuống lòng ñất. ðịa hình khai thác rất phức tạp, dễ xảy ra các rủi ro và tai nạn lao ñộng, vì vậy ñòi hỏi phải tăng cường phương tiện và trình ñộ quản lý ñối với con người cũng như các thiết bị trong hầm lò. Qua tìm hiểu về yêu cầu và thực trạng công tác quản lý tại một số công ty than thuộc Tập ñoàn than khoáng sản Việt nam (TKV), cho thấy hiện nay hầu hết các công ty than ñều quản lý công nhân bằng phương pháp thủ công, thông thường có 3 ca làm việc/ngày dưới hầm lò, các công nhân ñi làm theo ca phải ñến ñăng ký vào với Quản ñốc phân xưởng trước khi xuống hầm lò, khi hết ca làm việc hoặc nghỉ sớm phải ñăng ký ra với Quản ñốc phân xưởng. Qua ñó bộ phận quản lý sẽ theo dõi, giám sát giờ giấc làm việc của mỗi công nhân và tính công lao ñộng cho từng người. [7] Việc quản lý như trên nhìn chung là phù hợp ñối với các công ty nhỏ, số lượng công nhân ít, ñịa hình khai thác hẹp và ít phức tạp. Tuy nhiên, ngoài số ít các công ty khai thác còn có mỏ than lộ thiên, các công ty than còn lại ñều là các công ty khai thác than Hầm lò với ñịa hình khai thác rộng lớn với nhiều ñường lò phức tạp có ñộ sâu hàng trăm mét so với mực nước biển. Số công nhân làm việc mỗi ca trong hầm lò lên tới hàng trăm người, rất nhiều hiện tượng rủi ro có thể xảy ra trong ñiều kiện như vậy. Theo các cán bộ quản lý sản xuất tại các mỏ than hầm lò, thì công tác quản lý người lao ñộng dưới hầm lò không những yêu cầu theo dõi sát sao giờ giấc vào/ra của mỗi công nhân tại các cửa lò ñể phát hiện những công nhân ñi làm muộn giờ, hoặc hết ca làm việc mà không thấy ra, mà còn ñòi hỏi phải nhanh chóng xác ñịnh ñược những công nhân ñi vào các khu vực cấm, khu vực nguy hiểm, những công nhân bỏ vị trí làm việc và ngủ quên trong khu mỏ dưới lòng ñất có thể dẫn tới tai nạn lao ñộng ñáng tiếc. Vì vậy các công ty khai thác than hầm lò hiện nay không những cần một hệ thống giám sát quản lý ñối tượng ñồng bộ tại các cửa vào/ra, mà còn rất cần một hệ thống trợ giúp xác ñịnh ñược vị trí hoặc khoanh vùng ñối tượng cần giám sát ñể phục vụ công tác quản lý, tìm kiếm, ứng cứu kịp thời khi có tai nạn rủi ro xảy ra trong hầm lò. Qua khảo sát thực tế tại Công ty than Vàng Danh, Công ty than Hạ Long, Công ty than Hòn Gai, Công ty than Khe Chàm,… thì nhu cầu về hệ thống quản lý giám sát người lao ñộng trong hầm lò có khả năng xác ñịnh vị trí, hỗ trợ các cảnh báo hạn chế rủi ro,… là rất thiết thực. Do việc quản lý ñội ngũ công nhân, thợ mỏ gặp nhiều khó khăn vì ý thức chấp hành các quy ñịnh của nhiều thợ mỏ chưa cao. Tại công ty than Khe Chàm, có gần 2000 công nhân làm việc theo 3 ca, nghĩa là trong một ca làm việc thường xuyên có gần 700 người lao ñộng trong hầm lò, với ñội ngũ quản lý giám sát lao ñộng hạn chế về số lượng người và trang thiết bị như hiện nay, việc quản lý người lao ñộng trong hầm lò gặp rất nhiều khó khăn. Nên các cán bộ quản lý ở ñây rất quan tâm ñến các hệ thống thiết bị kỹ thuật hỗ trợ công tác quản lý, ñặc biệt là hệ thống giám sát người lao ñộng trong hầm lò. Tuy nhiên, hiện tại, nếu ñầu tư cho một hệ thống như vậy bằng cách mua thiết bị của nước ngoài thì chi phí ban ñầu rất tốn kém nên bài toán kinh tế - kỹ thuật ñặt ra là không khả thi, hơn nữa việc vận hành khai thác hệ thống thiết bị trong ñiều kiện môi trường hầm lò khắc nghiệt, thường xảy ra sự cố kỹ thuật, nên các Công ty than cần một nhà cung cấp có khả năng làm chủ công nghệ, ñáp ứng nhanh yêu cầu về khắc phục sự cố khi cần. Yêu cầu này ñòi hỏi phải ñầu tư nghiên cứu, chế tạo, sản xuất thiết bị trong nước ñể hạ giá thành sản phẩm, ñáp ứng ñược các yêu cầu về dịch vụ sau bán hàng. [8] 1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới 1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước Theo chúng tôi khảo sát, hiện tại ở Việt Nam chưa có tổ chức hay cá nhân nào nghiên cứu chế tạo một hệ thống tương tự như sản phẩm dự kiến của ñề tài này. Các hệ thống quản lý nhân sự bằng thẻ, áp dụng tại các cửa ra vào ñược các công ty thương mại cung cấp phổ biến là sản phẩm của các hãng nước ngoài. Tại Viện nghiên cứu ðiện tử, Tin học, Tự ñộng hóa ñã nghiên cứu và triển khai thành công hệ thống quản lý ñối tượng ra/vào bằng thẻ RFID, tại một số hội chợ công nghiệp và triển lãm Viễn thông cũng có các doanh nghiệp chào bán các hệ thống quản lý nhân sự bằng thẻ, tuy nhiên, qua tìm hiểu chúng tôi thấy các hệ thống này hiện cũng chưa ñược áp dụng rộng rãi tại Việt Nam vì yêu cầu về mặt quản lý nhân sự tại các cơ quan chưa ñặt ra cấp bách. Trong tương lai, các nhà máy sản xuất lớn, các tổ chức, ñơn vị có nhu cầu giám sát quản lý nhân sự chặt chẽ trong các tòa nhà là những khách hàng tiềm năng ñối với dòng sản phẩm này. Tại các công ty than hầm lò tại Việt Nam, hiện chỉ có công ty than Mạo Khê có lắp ñặt hệ thống quản lý tập trung công nhân ra/vào hầm lò bằng thẻ. Tuy vậy, hệ thống này ñang ở giai ñoạn áp dụng thử nghiệm ban ñầu, chưa ñáp ứng ñược yêu cầu quản lý vì chưa quản lý ñược công nhân vào/ra tại tất cả các cửa hầm lò, chưa xác ñịnh ñược vị trí hiện thời của người công nhân ñang làm việc hay hoạt ñộng ở ñâu. Các hãng chào bán thiết bị quản lý người trong hầm lò cho khách hàng là các công ty khai thác than khoáng sản chủ yếu chào bán các hệ thống quản lý bằng thẻ từ, thẻ thu/phát vô tuyến tần số thấp, phạm vi hẹp, thích hợp lắp ñặt tại các cửa ra/vào. Chưa thấy có sản phẩm chào bán nào là một hệ thống mạng vô tuyến quản lý ñối tượng tập trung, có khả năng xác ñịnh vị trí của người lao ñộng trong hầm lò và hỗ trợ các cảnh báo cần thiết ñối với nghiệp vụ quản lý người lao ñộng tại hiện trường khai thác. 1.3.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới ðối với các nước có ngành công nghiệp khai khoáng phát triển như Mỹ, Nhật, Canada, Trung Quốc, Nga, Australia, … thì các công nghệ phụ trợ cho ngành khai khoáng cũng rất phát triển, trong ñó có các công nghệ phục vụ cho an toàn lao ñộng trong khai thác than hầm lò như các Thiết bị bảo hộ, Thiết bị thông gió, Thiết bị ño và cảnh báo khí ñộc, khí cháy nổ,... Hệ thống giám sát vị trí ñối tượng (người lao ñộng, máy móc thiết bị) trong hầm lò cũng ñược nghiên cứu phát triển tại các nước trên và hiện ñã có sản phẩm thương mại. Các hệ thống này cho phép xác ñịnh ñược ñối tượng mang theo thẻ trong khoảng cách hàng chục mét mà không yêu cầu phải quẹt thẻ qua các bộ ñọc thẻ. Công nghệ nòng cốt thường [9] ñược sử dụng trong các hệ thống này là công nghệ thu phát không dây tần số cao từ hàng trăm MHz trở lên. Chúng tôi giới thiệu hai hệ thống giám sát vị trí ñối tượng ñiển hình sử dụng công nghệ thu phát không dây tần số cao, thông tin chi tiết về sản phẩm có thể tham khảo tại Website của nhà cung cấp. A. Hệ thống EZ – Tracer, Hãng chế tạo: Hellicom - Mỹ, Website: www.hellicom.com EZ - Tracer là hệ thống xác ñịnh vị trí ñối tượng theo thời gian thực, dựa trên nền công nghệ mạng không dây Zigbee, hệ thống này gồm có: - Thiết bị trung tâm: Thiết bị này kết nối với máy tính qua giao diện USB, kết nối với các Thiết bị ñọc thẻ qua kênh vô tuyến 2.4GHz. Thiết bị trung tâm có chức năng thu thập thông tin về vị trí của các thẻ di ñộng từ các Thiết bị ñọc thẻ trong toàn mạng và gửi số liệu ñó cho PC. - Thiết bị ñọc thẻ: Là các thiết bị nhận diện mã số của thẻ di ñộng trong vùng phủ sóng của mình qua kênh vô tuyến, băng tần làm việc 2.4 GHz. Mỗi thiết bị ñọc thẻ gắn với một khu H.1. Minh họa nguyên lý hệ thống EZ-Tracer [10] vực xác ñịnh, thiết bị này còn có vai trò ñịnh tuyến các gói dữ liệu trong mạng. Thông tin về vị trí của Thẻ di ñộng ñược gửi về Thiết bị trung tâm qua một hoặc nhiều chặng vô tuyến trong mạng. Một Thiết bị ñọc thẻ có khả năng nhận biết ñồng thời 14 Thẻ di ñộng trong phạm vi phủ sóng của mình. - Thẻ di ñộng: Phát mã phân biệt thẻ tới các Thiết bị ñọc thẻ qua kênh vô tuyến 2.4 GHz theo chuẩn Zigbee (IEEE 802.15.4). - Phần mềm mô phỏng: Cho phép quản lý tối ña 100 Thiết bị ñọc thẻ và 2000 Thẻ di ñộng.Thực tế, tùy vào nhu cầu cụ thể của từng ứng dụng mà người sử dụng lựa chọn và ñặt hàng với số lượng các thiết bị cụ thể với nhà cung cấp. Cấu hình và giá tham khảo: Thành phần EZ-Tracer EZ-Tracer mở rộng Thiết bị gốc 1 1 Thiết bị ñọc thẻ 3 9 Thẻ di ñộng 5 50 Công cụ mô phỏng

Phần mềm ñồ họa

Mã nguồn Tùy chọn Tùy chọn Giá tham khảo $ 1290 $ 4990 [Theo báo giá của Hellicom Taiwan, tháng 5 năm 2008] [11] EZ - Tracer sử dụng các thiết bị thu phát vô tuyến hoạt ñộng tại băng tần 2.4 GHz theo chuẩn Zigbee IEEE 802.15.4 ñể trao ñổi thông tin nhận diện. Một mạng lưới các Thiết bị ñọc thẻ sẽ báo cáo các thông tin về vị trí của một Thẻ di ñộng ñang hoạt ñộng trong phạm vi của mạng về trung tâm quản lý. Các thành phần của hệ thống EZ - Tracer gồm: B. Hệ thống Tracker Tagging Hãng chế tạo: Mine Site Technologies, Australia; Website: www.minesite.com.au Tracker Tagging là hệ thống ñược chế tạo theo các tiêu chuẩn thiết bị hầm lò. Hệ thống này cũng sử dụng các Thẻ di ñộng phát mã phân biệt ñối tượng qua băng vô tuyến tới các Thiết bị ñọc thẻ rồi truyền về Thiết bị trung tâm qua ñường truyền cáp Ethernet hoặc RS-485 tốc ñộ cao. Các thiết bị thành phần trong hệ thống gồm có: Thẻ di ñộng, Thiết bị ñọc thẻ, Thiết bị trung tâm và Phần mềm quản lý thẻ. H.2. Thành phần hệ thống xác định vị trí đối tượng theo thời gian thực EZ-Tracer. Thẻ di ñộng Thiết bị trung tâm Phần mềm mô phỏng Thiết bị ñọc thẻ [12] - Thiết bị trung tâm: Là thiết bị ñặt tại trung tâm ñiều hành, thiết bị này kết nối với các Bộ ñọc thẻ qua cáp Ethernet hoặc RS-485 ñể thu thập thông tin về các Thẻ di ñộng từ các khu vực khác nhau. - Bộ ñọc thẻ: ðược bố trí phân tán theo từng khu vực cần giám sát, thiết bị này kết nối với các Thẻ di ñộng qua kênh vô tuyến UHF 433 MHz hoặc 2.4 GHz ñể nhận diện mã Thẻ. Thông tin truyền về trung tâm qua mạng cáp RS-485 hoặc Ethernet tốc ñộ cao. - Thẻ di ñộng: Mỗi thẻ gắn với một mã nhận diện duy nhất sử dụng ñể trả lời khi ñược Bộ ñọc thẻ yêu cầu. Thẻ di ñộng liên lạc với Bộ ñọc thẻ trên băng tần UHF 433 MHz hoặc 2.4 GHz. - Phần mềm quản lý: Cài ñặt trên máy tính, phần mềm có tính năng cập nhật vị trí của các Thẻ di ñộng theo sơ ñồ ñường lò mô phỏng. Thông tin về các ñối tượng ñược quản lý là một cơ sở dữ liệu gồm các trường: Mã thẻ, Số hiệu ñối tượng, Tên gọi, Vị trí vừa cập nhật, Thời ñiểm cập nhật gần nhất, Chức trách. Dưới ñây là hình ảnh về các thành phần trong hệ thống Tracker Tagging: Các hệ thống ñược giới thiệu trên ñây ñều là các sản phẩm thương mại, tuy nhiên chưa có hệ thống nào ñược lắp ñặt tại các mỏ than trong nước. Các công ty khai thác than hầm lò H.3. Hệ thống Tracker Tagging [13] hiện rất quan tâm ñến hệ thống thiết bị quản lý người lao ñộng trong hầm lò. Tuy nhiên, do việc sử dụng các hệ thống nhập từ nước ngoài còn gặp nhiều khó khăn trong quá trình triển khai lắp ñặt và sử dụng, ñặc biệt là việc bảo hành bảo trì hoặc hỗ trợ kỹ thuật trong quá trình vận hành khai thác do ñội ngũ làm thương mại trong nước không làm chủ ñược công nghệ thiết kế chế tạo, cũng bởi giá thành của các hệ thống ngoại nhập còn khá cao vì thế ñến nay vẫn chưa có công ty nào lựa chọn lắp ñặt hệ thống giám sát quản lý người lao ñộng trong hầm lò của nước ngoài như ñã trình bày. Trong ñiều kiện khai thác than ngày càng mở rộng và xuống sâu dưới lòng ñất với ñịa hình hầm lò phức tạp thì càng cần thiết ứng dụng các hệ thống kỹ thuật trợ giúp công tác giám sát, quản lý lao ñộng ñể ñảm bảo an toàn, cũng như tìm kiếm cứu nạn khi có rủi ro, tai nạn xảy ra ñối với người lao ñộng dưới hầm lò. ðiều này ñặt ra vấn ñề nghiên cứu trong nước ñể tự chủ về công nghệ, tự chủ khả năng ñiều chỉnh và phát triển công nghệ cho phù hợp với ñiều kiện thực tế hầm lò khai thác than tại Việt Nam, một mặt hạ giá thành sản phẩm so với sản phẩm tương ñương của nước ngoài, mặt khác ñội ngũ kỹ thuật trong nước có thể ñáp ứng nhanh các yêu cầu của người sử dụng do hoàn toàn làm chủ công nghệ thiết kế, chế tạo hệ thống sản phẩm của mình. [14] II. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG GIÁM SÁT NGƯỜI LAO ðỘNG TRONG HẦM LÒ (TÊN GỌI: V-LINK) Với mục ñích nghiên cứu, thiết kế, chế tạo một hệ thống giám người lao ñộng thông qua việc phát hiện số hiệu nhận diện của Máy di ñộng mang theo người khi di chuyển qua các khu vực xác ñịnh trong hầm lò và tự ñộng cập nhật, hiển thị thông tin về vị trí của người lao ñộng trong hầm lò trên màn hình máy tính. Qua tìm hiểu tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới cũng như tham khảo một số sản phẩm trong lĩnh vực quản lý nhân sự, giám sát các ñối tượng chuyển ñộng dưới hầm lò. Chúng tôi xác ñịnh cần nghiên cứu và giải quyết những vấn ñề sau trong quá trình thực hiện ñề tài này: - Khảo sát ñặc ñiểm của môi trường khai thác than hầm lò. - Tìm hiểu các giải pháp công nghệ có thể sử dụng ñể thực hiện ñề tài. - Phân tích, lựa chọn công nghệ phù hợp nhất. - Thiết kế tổng thể hệ thống và các thiết bị thành phần. - Chế tạo các thiết bị ñảm bảo các tiêu chuẩn an toàn trong môi trường hầm lò. - Thử nghiệm các kết nối và ñánh giá hoạt ñộng của hệ thống trên mặt bằng, xác ñịnh các yếu tố môi trường thực tế tác ñộng lên chất lượng hệ thống, ñánh giá tác ñộng của hệ thống ñối với môi trường thử nghiệm, hoàn thiện thiết kế sau quá trình thử nghiệm hệ thống trên ñiều kiện mặt bằng. - Kiểm ñịnh chất lượng hệ thống theo TCVN7079 ExiaI về an toàn tia lửa ñối với các thiết bị ñiện làm việc trong hầm lò tại Trung tâm An toàn mỏ - Viện Khoa học công nghệ mỏ. - Thử nghiệm các kết nối và ñánh giá hoạt ñộng của hệ thống dưới mỏ than hầm lò, xác ñịnh các thông số kỹ thuật của các thiết bị thành phần và toàn hệ thống trong ñiều kiện môi trường hầm lò khai thác than, ñánh giá ảnh hưởng của hệ thống ñối với các hoạt ñộng dưới mỏ than hầm lò, hoàn thiện thiết kế kỹ thuật sau quá trình thử nghiệm hệ thống dưới mỏ than hầm lò. - Liên hệ các công ty khai thác than hầm lò ñể giới thiệu về hệ thống, nhằm ñưa hệ thống vào phục vụ công tác an toàn lao ñộng trong lĩnh vực khai thác than hầm lò. [15] 2.1 Một số ñặc ñiểm của môi trường khai thác than hầm lò tại Việt Nam Theo tìm hiểu, khảo sát và thông qua các hoạt ñộng hợp tác nghiên cứu khoa học và chuyển giao công nghệ tại các ñơn vị thành viên của Tập ñoàn Than Khoáng sản Việt Nam (TKV). Chúng tôi ñược biết cho tới nay hầu hết các Công ty Than ñã khai thác xuống sâu với ñộ sâu trung bình khoảng 100m dưới mực nước biển, lượng Than có thể khai thác lộ thiên hiện không còn nhiều. Mỗi vùng khai thác Than của một Công ty thường trải rộng trên một ñịa hình hàng chục km2 với nhiều ñường lò lắt léo dưới lòng ñất. Trong một vùng khai thác Than lại ñược chia thành nhiều khai trường khác nhau tùy theo ñường ñi của từng vỉa Than. Sau quá trình trắc ñịa thăm dò, Than ñược khai thác bằng phương pháp khoan nổ mìn rồi sử dụng nhân công cùng các phương tiện chuyên dùng ñể xúc và chuyên chở Than lên mặt bằng, các khu vực dưới lòng ñất ñể tập kết Than trước khi ñưa lên mặt bằng ñược gọi là các “lò chợ”, tại ñây thường rất nhiều bụi Than và thiếu ánh sáng. Càng vào sâu trong hầm lò càng thiếu ánh sáng, nguồn sáng ñể ñi lại và duy trì các hoạt ñộng chủ yếu vẫn là từ ánh sáng của các ñèn lò gắn trên mũ bảo hộ của mỗi người công nhân. Các máy móc thiết bị làm việc trong môi trường hầm lò phải tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn an toàn phòng chống cháy nổ (TCVN 7079) áp dụng ñối với các thiết bị ñiện làm việc trong môi trường có khí và bụi nổ. Các thiết bị dưới hầm lò phải ñảm bảo có kết cấu kín, làm bằng vật liệu chống tĩnh ñiện ñể không tự phát ra tia lửa, không gây cháy, không bắt cháy,… Hiện nay, dưới các hầm lò khai thác than thường có các ñộng cơ công suất lớn ñể vận hành thông gió và các dây chuyền khai thác. Hệ thống thông tin liên lạc tại các mỏ than hầm lò ở nước ta vẫn chưa ñược ñầu tư phát triển ñúng mức nên hầu hết hệ thống hầm lò của các công ty khai thác than vẫn chưa lắp ñặt các thiết bị thông tin liên lạc (ñiện thoại, nhắn tin,…), tuy nhiên các công ty ñang rất quan tâm phát triển hệ thống thông tin trong hầm lò song song với các hệ thống kiểm soát khí mỏ tập trung. Trong hầm lò có thể có các khu vực rất nguy hiểm như: Khu vực lò cụt có thể thiếu Ôxy và tụ nhiều loại khí nguy hiểm do không ñược thông gió tốt, Khu vực có nguy cơ bục nước hoặc sập lò, Khu vực chuẩn bị nổ mìn,… ñây là những khu vực ñặc biệt cần thiết phải cảnh báo cho người ñi vào hầm lò. Trong thực tế ñể ñảm bảo an toàn cho người ñi xuống hầm lò, ngành Than có quy ñịnh không ai ñược ñi xuống hầm lò một mình, ñặc biệt là những người mới ñi lò lần ñầu ñều ñược bố trí ít nhất một người có nhiều kinh nghiệm ñi cùng ñể hạn chế rủi ro, tai nạn. Chiều cao lớn nhất của ñườ là 3.5m, cũng có những vị trí ñư mới qua ñược. Các ñường lò th thường ẩm ướt hoặc ngập nư di chuyển và dễ xảy ra tai n Về vấn ñề con người, những th theo ca (3 ca/ngày). Mỗi ca làm vi tiếp dưới hầm lò tùy theo quy mô c lượng công nhân tại mỗi ca này ñư nhiệm vụ của mình. Ngoài l người thợ có nhiệm vụ khác nhau như v ñường lò, ño kiểm tra khí, thông gió,… thường, việc di chuyển trong h cùng di chuyển vì ñường lò th lò cũng phân tán rải rác theo t trung cao nhất như tại các khu lò ch Qua tìm hiểu về những khó khăn trong công tác qu chúng tôi ñược biết công tác này hi việc cũng như ý thức về an toàn lao ñ mỏ than thường có hiện tượ ng lò thông thường là 3.4m và chiều rộng lớ ờng lò rất nhỏ hẹp mà muốn qua ta phả ường không bằng phẳng, có vị trí ñộ dốc ớc tới hàng chục cm và thiếu ánh sáng gây khó khăn cho vi ạn trong quá trình lao ñộng hoặc di chuyển trong h ợ mỏ trực tiếp làm việc tại các hầm lò dư ệc trung bình có từ 300 ñến 700 công nhân làm vi ủa khu mỏ của mỗi Công ty khai thác khác ợc chia về các khai trường khác nhau trong khu m ực lượng công nhân trực tiếp sản xuất theo ca còn có nh ận hành thiết bị máy móc, xây d cũng thường xuyên có mặt trong h ầm lò không cho phép tập trung một lượ ường khá hẹp và gồ ghề, ẩm ướt. Người lao ñ ừng khu vực sản xuất và tại những khu vự ợ thì số lượng người có thể tới vài ba ch ản lý nhân công lao ñ ện còn gặp nhiều khó khăn do ý thứ ộng của không ít công nhân mỏ còn r ng công nhân trễ ca, bỏ ca, trốn ca, thậm chí ng H.4. Sơ đồ khai trường một Mỏ than hầm lò [16] n nhất thông thường i khéo luồn người lên tới 450, nền ñất ệc ầm lò. ới lòng ñất chia ệc trực nhau, lực ỏ theo ững ựng sửa chữa ầm lò. Thông ng người quá lớn ộng trong hầm c có mật ñộ tập ục người. ộng dưới hầm lò, c về giờ giấc làm ất kém. Tại các ủ quên dưới lò [17] mà không ra khi ñã hết ca làm việc. Thực trạng này gây khó khăn cho công tác quản lý và cũng ñã có một số tai nạn ñáng tiếc xảy ra khi người lao ñộng không ñến ñúng vị trí làm việc của mình trong giờ làm việc. Những ñặc ñiểm của ngành khai thác than hầm lò nói chung và tại Việt Nam nói riêng ñã ñặt ra yêu cầu là cần có một hệ thống giám sát ñường di chuyển cũng như vị trí làm việc của người lao ñộng dưới hầm lò phục vụ công tác quản lý và công tác an toàn lao ñộng, ñó cũng là mục tiêu thực hiện của ñề tài này. 2.2 Công nghệ nhận biết ñối tượng qua sóng vô tuyến (RFID) Hiện nay công nghệ nhận biết, quản lý ñối tượng rất phổ biến và ña dạng. Trong phạm vi báo cáo này, chúng tôi không ñề cập chi tiết tới các hệ thống sử dụng thẻ từ (Thẻ ATM, thẻ quẹt chấm công,…) hoặc các loại thẻ cần tiếp xúc với bộ ñọc. Chúng tôi sẽ trình bày cụ thể hơn công nghệ nhận diện ñối tượng sử dụng Chip ñiện tử qua sóng vô tuyến, vì công nghệ này cho phép nhận diện ñối tượng ở khoảng cách xa hơn, phù hợp với yêu cầu ñặt ra ñối với hệ thống giám sát người lao ñộng trong hầm lò. RFID (Radio Frequency Identification Technology) không phải là một công nghệ mới, nhưng càng ngày càng ñược ứng dụng theo nhiều cách khác nhau nhờ công nghệ luôn ñược cải tiến và giá thành ngày càng hạ. Khởi ñầu công nghệ này ñược sử dụng trong thế chiến thứ hai ñể quân ñội phát hiện các máy bay ñồng minh, ngày nay RFID ñã ñược sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực dân sự, từ các khu vực công cộng tới các khu vực cá nhân, từ trong các bệnh viện ñến các xa lộ,… 2.2.1 Khái quát về công nghệ RFID Trong các hệ thống RFID, một ñối tượng cần nhận biết sẽ ñược gắn vào một Chip Silicon và một Anten bức xạ sóng ñiện từ rất nhỏ. Chip Silicon cùng với Anten tích hợp với nhau tạo thành một “thẻ”, thẻ này có thể ñược quét và nhận biết bởi các bộ ñọc thẻ di ñộng hoặc bộ ñọc thẻ ñặt cố ñịnh một chỗ qua sóng vô tuyến ñiện từ (RF – Radio Frequency). Chíp Silicon ñược gán một mã phân biệt duy nhất ñể các bộ ñọc nhận diện ñược ñối tượng mang nó, ví dụ: Trong một cửa hàng quần áo, các bộ quần áo khác nhau có thể ñược nhận biết các thông số như kiểu mẫu, kích cỡ, màu sắc, nhà sản xuất, … bằng thiết bị ñiện tử. Trong lĩnh vực dược phẩm, các lọ thuốc ñược gắn chíp ñiện tử sẽ cho biết các nội dung liên quan ñến loại thuốc ñó. Trên ñường cao tốc, các ô tô gắn Chip nhận diện sẽ ñược nhận biết và kiểm tra một cách tự ñộng mỗi khi qua các Trạm kiểm soát giao thông, thu phí,… nên sẽ tiết kiệm thời gian và hạn chế ùn tắc. [18] Bộ ñọc Thẻ sẽ thực hiện việc quét ñọc thông tin về ñối tượng lưu trong Chip Silicon rồi gửi về Trung tâm quản lý dữ liệu, tại ñây sẽ cho biết thêm các thông tin chi tiết hơn về ñối tượng ñó. Các thành phần chính của một hệ RFID gồm Thẻ di ñộng, Bộ ñọc thẻ và Trung tâm quản lý dữ liệu. Chip ñiện tử: Thường ñược chế tạo từ vật liệu Silicon, dùng ñể ghi thông tin về ñối tượng sẽ gắn vào và cho phép ñọc thông tin này qua sóng vô tuyến. Anten: ðược tích hợp cùng Chip ñể thu/phát dữ liệu với Bộ ñọc thẻ qua sóng vô tuyến. Nói chung, Anten càng lớn thì khoảng cách liên lạc càng xa. Tổ hợp Chip và Anten tạo thành một bộ thu/phát ñược gắn trong một vỏ thường rất mỏng gọi là Thẻ. Bộ ñọc thẻ: Còn ñược gọi là Bộ quét thẻ, thiết bị này cũng có Anten thu/phát riêng sử dụng ñể truyền/nhận dữ liệu với các Thẻ. Các bộ ñọc thẻ có thể khác nhau về kích thước, trọng lượng, kiểu dáng và công suất làm việc. Bộ ñọc thẻ có thể là thiết bị di ñộng hay cố ñịnh. Trung tâm quản lý dữ liệu: Thường là phần mềm cài ñặt tại máy tính có chức năng lưu trữ các thông tin liên quan ñến ñối tượng cần quản lý. Các Bộ ñọc thẻ ñược kết nối về Trung tâm bằng nhiều ñường khác nhau tùy theo quy mô của hệ thống. Thông tin về ñối tượng cần giám sát quản lý phải ñược nhập vào cơ sở dữ liệu trước khi Bộ ñọc thẻ gửi mã nhận diện ñối tượng về Trung tâm. Về cơ bản các hệ thống RFID ñều bao gồm các thành phần trên ñây, tuy nhiên trong thực tế có nhiều yếu tố ñòi hỏi phải thay ñổi ít nhiều về mỗi thành phần thiết bị cho phù hợp với từng ứng dụng khác nhau như sử dụng thẻ “chủ ñộng” hay “thụ ñộng”; sử dụng băng tần nào; kích thước Anten cho Thẻ và Bộ ñọc thẻ; lưu thông tin gì và nhiều hay ít vào mỗi Thẻ; các yếu tố ảnh hưởng ñến khoảng cách ñọc Thẻ,… và cân nhắc tới giá thành của thiết bị, vì ñây là vấn ñề rất quan trọng ñối với người sử dụng khi áp dụng gắn Thẻ RFID cho sản phẩm hàng hóa với số lượng lớn. H.5. Anten thẻ RFID H.6. Bộ ñọc thẻ RFID [19] A. Các loại thẻ RFID Có ba loại Thẻ RFID ñược phân chia theo phương thức truyền tin và phương thức khởi tạo kết nối vô tuyến, ñó là: Thẻ “thụ ñộng”: Thẻ loại này không có nguồn ñiện tích hợp trong vỏ, nghĩa là không có Pin và cũng không tự khởi tạo một kết nối. Trong trường hợp này Bộ ñọc sẽ truy vấn tới Thẻ trước tiên qua sóng vô tuyến ñồng thời tạo năng lượng cho hoạt ñộng của Thẻ, sau khi các thông tin truy nhập ñược xác nhận phù hợp, Thẻ sẽ gửi thông tin về ñối tượng ñã ñược ghi trong bộ nhớ của Chip tới Bộ ñọc thẻ qua sóng vô tuyến. Tùy theo kích thước của Anten và tần số làm việc mà Thẻ này có thể ñược ñọc qua khoảng cách lên tới hàng chục mét theo theo lý thuyết, trên thực tế, các yếu tố môi trường như gió, mặt ñất, mặt nước và các vật liệu che chắn có thể khiến khoảng cách liên lạc từ Bộ ñọc tới Thẻ giảm ñi vài mét hoặc ít hơn. Thẻ thụ ñộng ñược sử dụng rất nhiều tại các ứng dụng như: Thẻ mở cửa nhà, vé ñiện tử thu phí giao thông hay nhiều hơn là trong việc theo dõi các hàng hóa trên ñường vận chuyển trong chuỗi cung toàn cầu. Tùy theo tính năng của mỗi loại mà Thẻ này có giá từ vài chục Cent ñến vài ðôla Mỹ. Thẻ “bán chủ ñộng”: Giống như trường hợp trên, loại thẻ này không tự kích hoạt kết nối, tuy nhiên thẻ có ñược gắn Pin cung cấp nguồn ñiện cho các hoạt ñộng của mạch Chip ñiện tử, vì vậy Thẻ loại này có thể ñược tích hợp thêm một vài tính năng như ño nhiệt ñộ hoặc theo dõi các thông số môi trường xung quanh. Tùy theo tính năng ñược tích hợp thêm mà giá của loại thẻ này có thể dao ñộng từ vài USD ñến vài chục USD. Thẻ “chủ ñộng”: Là loại thẻ có thể tự kích hoạt kết nối với Bộ ñọc thẻ và thường có nguồn ñiện tích hợp trong thẻ nên có thể kết nối vô tuyến với khoảng cách trên vài chục mét. Hiện nay thẻ loại này có giá từ 20 ðôla Mỹ trở lên và theo xu hướng ngày càng giảm. Ứng dụng phù hợp với thẻ này là các hệ thống tự ñộng thu phí, ví dụ hệ thống thu phí giao thông cho phép các xe có thẻ RFID ñược xác nhận thu phí tự ñộng từ tài khoản cá nhân và ñi ở làn ñường mở giúp cho các tài xế không phải dừng lại ñể mua và trả vé qua cổng soát vé. [20] B. Băng tần vô tuyến trong hệ thống RFID Kết nối vô tuyến giữa Thẻ RFID và Bộ ñọc thẻ cũng chịu ảnh hưởng bởi tần số ñược sử dụng, tần số làm việc xác ñịnh tốc ñộ truyền/nhận dữ liệu cũng như khoảng cách liên lạc vô tuyến giữa hai thiết bị. Tần số cao hơn thường cho phép truyền/nhận với khoảng cách xa hơn. Các Thẻ hoạt ñộng ở tần số thấp (LF), là các tần số dưới 135 KHz, thích hợp với những ứng dụng trong khoảng cách ngắn như các hệ thống nhận biết vật nuôi, hệ thống chống mất cắp, tích hợp vào chìa khóa ô tô,… Các hệ thống hoạt ñộng tại băng tần 13.56 MHz ñược xếp vào băng sóng cao tần (HF), cả thẻ tần số thấp hay thẻ cao tần ñều có thể là thẻ bị ñộng, Bộ ñọc thẻ có thể ñọc ñồng thời nhiều thẻ cao tần với tốc ñộ ñọc nhanh hơn ñối với các thẻ tần số thấp. Băng tần thứ ba ñược sử dụng trong ứng dụng RFID là băng siêu cao tần (UHF), các Thẻ siêu cao tần thường ñược gắn vào các kiện hàng ñể vận chuyển từ nhà cung cấp tới các cửa hàng hoặc ñại lý. Các thẻ này thường hoạt ñộng ở băng tần 450 MHz, 900 MHz hoặc cao hơn nên có thể ñược ñọc từ khoảng cách xa hơn so với các loại thẻ tần số thấp, thông thường khoảng cách ñọc thẻ trong thực tế vào khoảng vài mét, tuy nhiên, thẻ UHF rất nhạy cảm với các yếu tố môi trường như nước (ñộ ẩm, mưa,…), các yếu tố này làm hao tổn năng lượng Pin của thẻ và có thể làm mất liên lạc giữa thẻ và Bộ ñọc. 2.2.2 Tìm hiểu một số công nghệ thu/phát vô tuyến Hoạt ñộng liên lạc và trao ñổi thông tin trên thế giới ngày nay hết sức tiện lợi nhờ thành quả của sự phát triển không ngừng các ngành khoa học công nghệ, ñặc biệt là công nghệ ðiện tử viễn thông và thông tin liên lạc. Ngoài các công nghệ vô tuyến ñã trở nên quen thuộc như GSM, CDMA, GPS,… ñã ñược ứng dụng phổ biến trong các mạng ñiện thoại di ñộng, mạng vệ tinh ñịnh vị toàn cầu, hiện nay cũng ñang xuất hiện một số công nghệ mới hứa hẹn giải quyết ñược nhiều vấn ñề khác nhau trong các ứng dụng cá nhân và các mạng diện rộng. Theo ñịnh hướng của ñề tài này là nghiên cứu chế tạo hệ thống giám sát người lao ñộng trong hầm lò, ñây là một hệ thống giám sát các ñối tượng chuyển ñộng trong một khu vực xác ñịnh nên chúng ta không bàn tới các công nghệ không dây như mạng GSM hay GPS, ở ñây chúng tôi xin lựa chọn giới thiệu một số công nghệ không dây gần giống nhau trong cùng bộ tiêu chuẩn IEEE 802 về công nghệ không dây, ñó là các công nghệ mới trở nên phổ biến trong một vài năm gần ñây như WiFi, WiMax, Bluetooth, Zigbee. Biểu ñồ sau ñây trình bày tương quan gi chuẩn IEEE 802, biểu ñồ này so sánh t mỗi công nghệ khác nhau. 2.2.2.1 Công nghệ WiFi WiFi viết tắt từ Wireless Fidelity hiện nay, ñược sử dụng nhi nhiều thiết bị cùng truy nhậ thậm chí có thể cao hơn vớ Các thiết bị WiFi hoạt ñộng GHz cho phép mở rộng phạ truyền dữ liệu ở băng tần 5 GHz t Máy tính xách tay, ðiện tho một mạng WiFi thường có bán kính dư và có thể mở rộng nếu sử d thụ năng lượng của Wifi lớ ñộng. H.7. Bi ữa một số công nghệ không dây thu ốc ñộ truyền dữ liệu và ứng dụng phù h , là tiêu chuẩn vô tuyến IEEE 802.11/a/b/g ều tại các sân bay, khách sạn, nhà ga, quán Café. WiFi cho phép p Internet băng thông rộng với tốc ñộ dữ liệ i những chuẩn sau này. ở băng tần miễn ñăng ký 2.4 GHz hoặc 5 GHz m vi hoạt ñộng hơn so với băng tần 5 GHz tuy nhiên t ốt hơn so với băng 2.4 GHz. Wifi ñượ ại di ñộng và nhiều thiết bị ñiện tử khác, vùng ho ới 100m tùy vào ñiều kiện môi trư ụng các thiết bị lặp hoặc lắp ñặt Anten ñẳng hư n nên ñây là một vấn ñề ñáng quan tâm ñối v ểu đồ so sánh một số công nghệ vô tuyến trong IEEE 802 [21] ộc nhóm tiêu ợp ñối với /n thông dụng u lên tới 54 Mbps . Băng tần 2.4 ốc ñộ c tích hợp trong ạt ñộng của ờng xung quanh ớng. Mức tiêu ới các thiết bị di [22] 2.2.2.2 Công nghệ WiMax WiMax là từ viết tắt của cụm từ Worldwide Interoperability Microwave Access. WiMax là công nghệ truyền dữ liệu không dây với nhiều phương thức khác nhau, từ truyền/nhận ñường trục cấu hình ñiểm – ñiểm ñến các thiết bị di ñộng truy nhập Internet. Công nghệ này cho phép tốc ñộ truyền dữ liệu qua kênh vô tuyến lên tới 75 Mbps. WiMax ñược trình bày tại tiêu chuẩn IEEE 802.16, băng thông của WiMax và phạm vi hoạt ñộng của nó thích hợp với những ứng dụng sau: - Kết nối các ñiểm truy nhập Wifi (Wi-Fi hotspots) với mạng Internet. - Thay thế các ñường truyền dẫn băng rộng hữu tuyến trong trường hợp bất khả kháng, ví dụ: WiMax có thể ñược sử dụng ñể ứng cứu ñường trục thông tin liên lạc cấp tỉnh trong trường hợp một tỉnh bị cô lập bởi thiên tai làm ñứt các tuyến cáp ñường trục thông tin liên lạc với tỉnh ñó ra bên ngoài. - Cung cấp các dịch vụ viễn thông và truyền dẫn dữ liệu. - Cung cấp dịch vụ Internet vô tuyến băng rộng trong phạm vi thành phố. - Kết nối các thiết bị di ñộng. WiMax và WiFi thường có thể bị nhầm lẫn với nhau vì ký hiệu gần giống nhau và cùng thuộc họ tiêu chuẩn IEEE 802, tuy nhiên, hai công nghệ này hướng ñến hai hướng ứng dụng khác nhau. Trong khi WiFi sử dụng băng tần miễn phí và hướng ñến các ứng dụng cá nhân với phạm vi hẹp thì WiMax hoạt ñộng tại băng tần trả phí ñể phục vụ kết nối các thiết bị ñường trục trong khoảng cách lớn. Hiện nay phạm vi hoạt ñộng của các công nghệ này không ngừng ñược cải thiện nhờ các công nghệ ñiều chế, công nghệ phân tập Anten và các công nghệ phụ trợ khác. Các thiết bị WiMax yêu cầu sử dụng các Anten lớn ñể cải thiện ñộ lợi trong thu/phát tín hiệu ñồng thời tiêu thụ nhiều năng lượng, vì vậy WiMax thích hợp hơn với các thiết bị cố ñịnh. 2.2.2.3 Công nghệ Bluetooth Bluetooth (IEEE 802.15.1) là giao thức truyền dữ liệu trong khoảng cách ngắn giữa các thiết bị di ñộng hoặc cố ñịnh tạo nên các mạng dữ liệu cá nhân (PANs), giao thức này nhằm thay thế ñường cáp dữ liệu RS-232 và cho phép kết nối ñồng bộ vài thiết bị với nhau như máy tính, máy in, máy Fax, máy Photocopy, máy ñiện thoại di ñộng, các thiết bị ñiều khiển tương tác và các vật dụng cá nhân,… nên công nghệ này rất thích hợp với những ứng dụng cá nhân và ứng dụng văn phòng. Bluetooth sử dụng công nghệ trải phổ nhảy tần (FHSS – Frequency Hopping Spread Spectrum), dữ liệu cần gửi ñược chẻ ra thành nhiều gói nhỏ và truyền ñi trên 79 tần số khác nhau. Ở chế ñộ thông thường, Bluetooth sử dụng phương thức [23] ñiều chế khóa dịch tần Gauss (GFSK) và cho phép truyền dữ liệu với tốc ñộ tới 1 Mbps trên băng tần miễn phí 2.4 GHz. Giao thức này thích hợp với các ứng dụng yêu cầu tiêu thụ ít năng lượng trong khoảng cách gần, phạm vi hoạt ñộng của thiết bị Bluetooth từ 1m ñến 100m phụ thuộc vào công suất tiêu thụ của Chíp thu/phát, cụ thể như sau: Phân chia Công suất cực ñại cho phép mW (dB) Khoảng cách kết nối (xấp xỉ tương ñối) Nhóm 1 100 mW (20 dBm) ~ 100 m Nhóm 2 2.5 mW (4 dBm) ~ 10 m Nhóm 3 1 mW (0 dBm) ~ 1 m So sánh với Wi-Fi, Bluetooth và Wi-Fi tương ñối giống nhau vì sử dụng cùng băng tần vô tuyến, tuy nhiên hai công nghệ này sử dụng hai phương thức ñiều chế khác nhau. Bluetooth phù hợp với các ứng dụng cá nhân trong phạm vi hẹp trong khi Wi-Fi hướng ñến các mạng truy cập dữ liệu nội bộ và cổng kết nối Internet không dây. Chi phí cho các thiết bị Wi-Fi cao hơn ñối với thiết bị Bluetooth, tuy nhiên mạng Wi-Fi lại có mức ñộ bảo mật cao hơn. 2.2.2.4 Công nghệ Zigbee (IEEE 802.15.4) Zigbee là công nghệ mạng không dây hướng ñến các ứng dụng tốc ñộ dữ liệu thấp, tiêu thụ năng lượng nhỏ, chi phí thấp, các ứng dụng trong lĩnh vực tự ñộng hóa, ñiều khiển từ xa. Ngay sau ñó tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 quy ñịnh về truyền dữ liệu không dây tốc ñộ thấp cũng ñược tổ chức IEEE xây dựng, vì thế hiệp hội Zigbee và tổ chức IEEE ñã hợp nhất tiêu chuẩn này và lấy Zigbee là tên thương mại của công nghệ này. Công nghệ Zigbee ñược nghiên cứu phát triển nhằm thiết lập các kết nối không dây tốc ñộ thấp, tiêu thụ ít năng lượng, thích hợp với các thiết bị chạy Pin liên tục trong vòng vài tháng ñến vài năm nhưng không yêu cầu truyền nhận dữ liệu nhanh như kết nối Bluetooth. Tuy vậy, Zigbee linh hoạt trong việc thiết lập các cấu hình mạng cũng như có giao thức ñồng bộ dữ liệu tin cậy hơn so với Bluetooth. Các thiết bị thu phát không dây theo tiêu 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 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