BỘ CÔNG THƯƠNG VIELINA VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA o O o BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NCKH&PTCN CẤP BỘ NĂM 2011 Tên đề tài: Nghiên cứu công nghệ GSM/GPRS, công nghệ nhúng (Embedded Systems) và ứng dụng để thiết kế chế tạo thiết bị đo lường thu thập số liệu từ xa qua đường GSM/GPRS. Cơ quan chủ trì : VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA Chủ nhiệm đề tài : ThS. Đặng Trần Chuyên 9168 HÀ NỘI- 2011 2 BỘ CÔNG THƯƠNG VIELINA VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA o O o BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NCKH&PTCN CẤP BỘ NĂM 2011 Tên đề tài: Nghiên cứu công nghệ GSM/GPRS, công nghệ nhúng (Embedded Systems) và ứng dụng để thiết kế chế tạo thiết bị đo lường thu thập số liệu từ xa qua đường GSM/GPRS. CƠ QUAN CHỦ TRÌ VIỆN TRƯỞNG CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI ThS. Đặng Trần Chuyên 3 DANH SÁCH CÁN BỘ THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI STT Họ và tên Học hàm, học vị, chuyên môn Cơ quan công tác 1 Đặng Trần Chuyên Thạc sỹ, ĐTVT VIELINA 2 Nguyễn Thế Vinh Thạc sỹ, ĐKTĐ VIELINA 3 Lai Thị Vân Quyên Thạc sỹ, ĐLTHCN VIELINA 4 Nguyễn Cao Sơn Kỹ sư, ĐLĐK VIELINA 5 Luyện Tuấn Anh Thạc sỹ, CNTT VIELINA 6 Nguyễn Mạnh Thắng KS, Thiết Bị Điện VIELINA 7 Nguyễn Minh Khuê KS, TĐH VIELINA 8 Nguyễn Hùng Kiên Thạc sỹ, TĐH VIELINA 4 CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT ADC = Analog to Digital Converter, bộ biến đổi tương tự sang số ANT = Antenna, ăng ten truyền sóng AT = Attention Commands BCD = Binary Code Decimal BTS = Base Transceiver Station, trạm thu phát sóng BSC = Base Station Controller CC = Trung tâm Điều khiển CPU = Central Processing Unit, bộ vi xử lý trung tâm CR = Carriage Return CRC = Cyclical Redundancy Checking CSD = Circuit Switch Data CTS = Clear To Send DI/DO = Digital Input / Digital Output DSC = Distributed Control Systems DWL = Down-stream Water Level, mực nước hạ lưu GP = Độ mở cống GSM = Global System for Mobile communication, hệ thống thông tin di động toàn cầu GPRS = General Packet Radio Services H-ADCP = Horizontal Acoustic Doppler Current Profilers HMI = Human Machine Interface IAP = In Application Programming IC = Integrated Circuit, mạch tích hợp ISP = In System Programming ME = Mobile Equipment MTU = Master Terminal Unit, thiết bị đầu cuối trung tâm MSC = Mobile service Switching Center LCD = Liquid Crystal Display LRC = Longitudinal Redundancy Checking PCB = Printed Circuit Board, mạch in PDP = Packet Data Protocol PDU = Protocol Data Unit, giao thức truyền dữ liệu PI = Pulse Input PLC = Programable Logical Controller, bộ đ/khiển logic khả trình RF = Radio Frequency RPT = Repeater, trạm lặp tín hiệu RTC = Real Time Clock RTS = Ready To Send RTU = Remote Terminal Unit, khối các th/bị vào ra đầu cuối từ xa SCADA = Supervisory Control and Data Acquisition, hệ thống điều 5 khiển, giám sát và thu thập số liệu SIM = Subscriber Identity Module SMS = Dịch vụ nhắn tin ngắn TCP/IP = Transmission Control Protocol / Internet Protocol UWL = Up-stream Water Level, mực nước thượng lưu WS = Work Station, trạm làm việc CÁC THUẬT NGỮ ADCP = Acoustic Doppler Current Profiler, thiết bị ứng dụng hiệu ứng sóng âm Doppler để đo vận tốc dòng chảy tại nhiều mặt cắt khác nhau và tính toán lưu lượng. AUTOMATIC CONTROL = Một tính năng của hệ thống SCADA trong tưới tiêu (và cả ở các lĩnh vực khác), nó cho phép điều khiển bất kỳ thành phần nào ví dụ như mực nước (thượng/ hạ lưu), lưu lượng… của một công trình thậm chí là cả hệ thống một cách tự động. CONTROL CENTRE = Trung tâm điều khiển SCADA thực hiện nhiệm vụ giám sát và điều khiển các thiết bị và công trình từ khoảng cách xa thông qua hệ thống truyền tin, bao gồm việc theo dõi các cảnh báo và xử lý các dữ liệu hiện trạng. Dựa trên thông tin nhận được từ các trạm, các lệnh được lập trình sẵn hoặc do người điều khiển ra lệnh có thể được chuy ển đến các thiết bị ở hiện trường. Những thiết bị này vận hành công trình tại đó như việc đóng mở cống, thu thập số liệu từ các sensor, và theo dõi các tham số khác. DCS = Hệ thống điều khiển phân tán được sử dụng trong công nghiệp và xây dựng để giám sát và điều khiển các thiết bị không tập trung dưới sự tương tác của con người. GSM = Hệ thống liên lạ c di động toàn cầu. Đây là một hệ thống mạng kỹ thuật số phổ thông nhất. GSM có thể được dùng cho cả hai mục đích thoại và số. Nó cũng được dùng để cung cấp kết nối tuần tự cho RTU. HMI = Giao diện người máy – một khái niệm về “lớp” ở giữa người điều khiển cái máy đó. Một ví dụ về HMI là một chiếc máy tính với phần c ứng và phần mềm giúp ta điều khiển từ xa các máy móc lớn. MODEM = Modem là một thiết bị điều biến tín hiệu, mã hóa-giải mã từ tín hiệu analog sang tín hiệu digital và ngược lại. MTU = Thiết bị đầu cuối chính được biết đến như là máy chủ SCADA. Máy chủ SCADA là thiết bị hoạt động như là “chủ” trong hệ thống SCADA. Các thiết bị ở xa và PLC tại hiện trường hoạt động nh ư “tớ”. PLC = Khối điều khiển logic lập trình được, một máy tính nhỏ 6 được sử dụng cho việc tự động hóa các quy trình thực tế, ví như điều khiển các dây chuyền lắp máy trong nhà máy. REAL TIME = Khái niệm này dùng để chỉ ra rằng các tính toán hoàn thành trong khoảng thời gian thực tế mà các tiến trình vật lý diễn ra, và do đó kết quả trả về giúp hệ thống có thể trợ giúp các tiến trình vật lý đó. ROUTER = Router là thiết bị mạng máy tính dùng để chuyển tiếp các gói dữ liệu đến các đích khác nhau gi ữa các mạng riêng biệt thông qua sự định tuyến. Việc định tuyến xảy ra tại lớp thứ 3 trong mô hình OSI. RTU = Thiết bị đầu cuối từ xa, là một thiết bị kết nối giữa các đối tượng vật lý với hệ thống DCS hoặc SCADA bằng cách truyền dữ liệu đo lường đến hệ thống và/ hoặc thay đổi trạng thái của các thiết bị kết nố i đến nó dựa trên các mệnh lệnh nhận được từ hệ thống. SCADA = Hệ thống Giám sát, Điều khiển và Thu thập số liệu - SCADA là một hệ thống điện-điện tử được xây dựng cho việc thu thập và xử lý số liệu theo thời gian thực. Hệ thống SCADA được ứng dụng cho việc giám sát và điều khiển một trạm các thiết bị trong công nghi ệp như viễn thông, phân phối nước, năng lượng, dầu khí và vận tải. SENSOR = Là một thiết bị phát sinh dòng điện ở đầu ra tương ứng với những tham số vật lý cần đo đạc (mực nước, nhiệt độ, lưu lượng, vv) SERVER = Máy chủ là một máy tính hoặc thiết bị trong mạng lưới mà quản lý các tài nguyên trong mạng. Ví dụ, một máy chủ file là một máy tính với các thiết b ị lưu trữ để lưu trữ các file, máy chủ web để truy cập đến nội dung web, máy chủ DNS để phân giải tên miền, máy chủ dữ liệu để truy cập các bảng tính quan hệ, máy chủ email để truy cập email, vv. 7 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG I: KHẢO SÁT 10 I-1. Đặt vấn đề 10 I-2. Các vấn đề tồn tại trong các công tác quản lý, vận hành thủy nông 11 I-3. Giải pháp hiện đại hóa công tác quản lý, điều hành hệ thống thủy nông. 14 I-4. Khảo sát nhu cầu thực tế một số công trình thủy lợi trọng điểm ở miền Bắc nước ta 15 I-5. Kết luận 21 CHƯƠNG II: CHỌN GIẢI PHÁP, PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ 23 II-1. Phân tích thiết kế: 23 II-2. Xây dựng sơ đồ nguyên lý 28 II-3. Thiết kế mạch in, thiết kế vỏ RTU 31 CHƯƠNG III: XÂY DỰNG PHẦN MỀM CHO CHÍP NHÚNG 33 III-1> Phương thức giao tiếp với GSM module: 33 III-2> Thiết kế giao diện HMI, tổ chức bộ nhớ cho RTU và giao tiếp GPRS 42 CHƯƠNG IV: PHẦN MỀM MÁY TÍNH TRUNG TÂM 46 IV-1> Các thành phần của hệ thống đo lường và thu thâp số liệu sử dụng GSM/GPRS 46 IV-2> Giao thức 48 IV-3> Xây dựng phần mềm hệ điều hành 49 CHƯƠNG V: KẾT LUẬN 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 PHỤ LỤC 1: BẢNG KÊ VẬT TƯ LINH KIỆN 61 8 PHỤ LỤC 2: SƠ ĐỒ MẠCH IN 64 PHỤ LỤC 3: BẢN VẼ THIẾT KẾ VỎ RTU 67 PHỤ LỤC 4: KHUÔN DẠNG SỐ LIỆU PDU MODE 71 PHỤ LỤC 5: MỘT SỐ HÌNH ẢNH CỦA ĐỀ TÀI 79 PHỤ LỤC 6: KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM TẠI HIỆN TRƯỜNG MỞ ĐẦU Việc đo lường, thu thập và xử lý số liệu theo thời gian thực là vô cùng cần thiết cho bất kỳ một hệ giám sát và điều khiển. Một hệ thu thập và xử lý số liệu như vậy gọi là hệ SCADA. Ngày này với sự phát triển của kỹ thuật điện tử viễn thông, hệ thống SCADA được ứng dụng rộng rãi cho việc giám sát và điều khiể n trong các ngành kinh tế quốc dân. Trong công nghiệp: nhà máy chế biến, sản xuất, khai thác thì hệ SCADA dựa trên các đường truyền vật lý (dây tín hiệu). Trong viên thông, phân phối điện, nước, năng lượng và vận tải thì hệ SCADA dựa trên các đường truyền vô tuyến (không dây) Trong phương pháp truyền tin vô tuyến có nhiều ưu điểm như: không cần dây dẫn, các trạm thu thập có thể nằm ở các vùng xa, hẻo lánh, ngăn cánh bởi sông nước, rừng núi giảm chi phí nhi ều so với việc sử dụng dây tín hiệu. Có nhiều phương pháp truyền vô tuyến: - Radio link: sử dụng tần số vô tuyến điện để truyền tin, ít nhất 1 tần số được sử dụng, các trạm trao đổi thông tin với nhau thông qua hô hiệu (call sign) mà trong SCADA người ta thường gọi là địa chỉ. Trung tâm điều hành sẽ lấy số liệu theo phương pháp hỏi vòng (polling)). Để tăng tốc độ lên có thể sử dụng 2 tần số up-link và down-link. Tuy nhiên vì là sóng radio (RF) để tiết kiệm chi phí nhất thì cũng phải sử dụng dải tần VHF hoặc UHF cho nên các trạm phải có có ăng ten + cột cao từ 10m đến 20m tùy địa hình. Và như vậy phải có hệ thống chống sét. Việc phủ sóng trên một diện tích rộng lớn như vậy cần phải có thêm trạm lặp (repeater) tùy vào việc khảo sát. Việc sử dụng tần số sóng radio VHF hoặc UHF (415 - 425 MHz) sẽ phải mất chi phí đăng ký chiếm dụng tần số vô tuyến. - Truyền tin sử dụng sóng điện thoại di động GSM/GPRS: Với phương pháp GSM/GPRS thì các trạm làm việc và trạm trung tâm sẽ được trang bị GSM/GPRS modem với ang-ten tích hợp tại tủ, vì vậy không cần chống sét cho ăng-ten, không cần dựng cột ăng ten. Việc phủ sóng là do nhà cung cấp dịch vụ GSM, vì vậy không phải lo đường truyền, không phải trang b ị trạm khuếch đại tín hiệu. Tần số liên lạc do nhà mạng cung cấp, nên không phải xin phép cấp tần số. Đơn vị sử dụng chỉ phải thanh toán khoản cước phí hàng tháng rất nhỏ vì số liệu sử dụng SCADA là rất nhỏ. Tại các trạm làm việc, việc đo lường các thông số tại trạm, việc thu thập số liệu lưu trữ tại chỗ, việc nh ận lệnh từ trung tâm điều hành, việc giao tiếp với mạng truyền tin đều do 1 thiết bị gọi là thiết bị đầu cuối từ xa (RTU) đảm nhận. Thiết 2 bị RTU này đã được nhiều hãng sản xuất thiết bị trên thế giới chuẩn hóa dựa trên cấu trúc của máy tính PC (gọi là PC-based), PC nhúng, PLC hay công nghệ nhúng hoặc hệ thống nhúng (Embedded Systems). Với công nghệ nhúng thì có giá thành tương đối rẻ, chủ động trong thiết kế, giao tiếp với chip GSM/GPRS dễ dàng, tiết kiệm năng lượng và nâng cấp bảo trì dễ dàng. Chính vì lý do đó mà việc sử dụng công nghệ GSM/GPRS với sự tích hợ p hệ thống của công nghệ nhúng thì việc xây dựng 1 hệ đo lường thu thập số liệu từ xa qua đường GSM/GPRS là rất hiệu quả và cần thiết để phục vụ các công trình thu thập và giám sát số liệu có địa bàn dàn trải, phân tán, địa hình phức tạp rộng lớn là hợp lý. Tình hình nghiên cứu ứng dụng ngoài nước Việc ứng dụng GSM/GPRS trong lĩnh vực thu thập điều khiển và qu ản lý số liệu từ xa đã phát triển rộng rãi trên toàn thế giới. Những sản phẩm điển hình đã được nhiều công ty nghiên cứu và phát triển, những sản phẩm đó có thể liệt kê như sau: Sản phẩm AutoLog® GSM-RTU với một loạt series như GSM-6; GSM-8; GSM-16; GSM-20 và GSM Gateway của hãng FF-Automation Phần Lan (Finland) có VP đại diện ở Việt nam là công ty Bachmai Information technology and Trading Company (BMC Company) xem http://www.ff- automation.com/products [...]... nghiên cứu trong nước Các đề tài cấp Bộ của Viện Nghiên Cứu Điện Tử, Tin Học, Tự Động Hóa - Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo và giám sát từ xa các thông số thu nông (giai đo n I) năm 2003 do KS Lê Mạnh Hùng làm chủ nhiệm - Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo và giám sát từ xa các thông số thu nông (giai đo n II) năm 2004 do KS Lê Mạnh Hùng làm chủ nhiệm Hai đề tài cùng tác giả đề cập vấn đề thiết kế thiết. .. = chất lượng nước I-5 Kết luận Qua các phân tích kể trên, ngành thủy nông nước ta cũng như nhiều nhành kinh tế khác như đo đạc số liệu thủy văn, số liệu thăm do địa chất rất cần đến đo lường và giám sát số liệu từ xa để phục vụ công tác quản lý vận hành Việc đo lường số liệu và hiển thị tại chỗ hiện nay với công nghệ thì không có gì mới mẻ, nhưng nếu việc kết nối và truyền số liệu về trạm trung tâm... trên và qua nhiều bài toán thực tế thì các hệ đo lường và giám sát chủ yếu nhận các tín hiệu đầu vào là dạng tín hiệu tương tự (AI) và dạng đếm xung (PI), cũng có nhiều trường hợp là dạng tín hiệu số (logic) vào/ra (DI/DO) Nhưng với bài toán đo lường và giám sát thì số kênh đầu vào AI và PI là quan trọng Thiết kế thiết bị đo lường và giám sát sao cho có thể tùy biến số đầu vào (cấu hình tối thiểu và. .. do Công ty Điện Tử Hà Nội (HANEL) thi công Công trình sử dụng công nghệ nhúng họ 8051 sử dụng mạng VHF + radio modem để truyền tin - Các công trình khác chỉ đo, thu thậpvà quản lý số liệu tại chỗ như: công trình thủy lợi sông Sào (Nghệ An), Phú Xuyên (Hà Tây) do Công ty Cơ điện Nông nghiệp Thủy lợi 4 thi công Công trình cũng sử dụng chip nhúng họ 8051 nhưng không có liên kết không dây (radio) - Các công. .. bị một màn hình LCD lớn để trợ giúp việc giám sát + Trang bị cổng kết nối Internet để phục vụ việc kết nối số liệu từ các trạm làm việc về TT theo giao thức TCP/IP và cũng để phục vụ việc chia sẻ thông tin lên mạng + Xây dựng phần mềm thu thập số liệu và giám sát tập trung với qui mô số các tạm làm việc lên tới 250 + Trang bị thiết bị lưu điện UPS CHƯƠNG II: CHỌN GIẢI PHÁP, PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CHẾ TẠO... đăng ký chiếm dụng tần số Vì vậy tương đối phức tạc trong việc lắp đặt và quản lý vận hành - Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các module phục vụ đo lường giám sát trong trạm khí tượng tự động năm 2008 của Trịnh Hải Thái Đề tài sử dụng chip nhúng họ ARM7 của Philips để xây dựng các RTU do lường các thông số thủy văn sử dụng GSM-modem Maestro100 để truyền số liệu dưới dạng SMS về trung tâm, số liệu cũng được... pháp GSM/GPRS như phần mở đầu đã trình bày là một giải pháp kinh tế hữu hiệu và việc tích hợp hệ thống đo lường với hệ thống truyền tin GSM/GPRS thành một hệ duy nhất với thiết kế sử dụng công nghệ nhúng hoạt động ổn định thì sản phẩm sẽ có tính cạnh tranh rất cao và cũng tùy biến trong việc xây dựng cấu hình hệ thống Vì vậy tiêu chí của nhóm nghiên cứu là: - Sử dụng thiết kế công nghệ nhúng - Sử dụng. .. dẫn vào hệ thống có ở mức chấp nhận được hay không la rất quan trọng, nhằm tránh những thiệt hại về mùa màng Khi lấy nước vào, đơn vị khai thác tiến hành đo độ mặn ở hạ lưu của cống Cầu Xe Đơn vị vận hành này sẽ đo 3 lần/ngày và chuyển số liệu đo lường cao nhất của từng ngày cho trung tâm Các phương pháp đo lường được tiến hành bằng dụng cụ đo WQC-20A (của Nhật) và số liệu đo lường được ghi chép vào... trữ tại chỗ sử dụng thẻ SD với khuôn dạng FAT-32 Với protocol tự xây dựng và gói số liệu qua tin nhắn SMS, máy tính trung tâm sẽ nhận số liệu của các trạm khí tượng và được hiển thị lên màn hình giám sát tập trung 8 Đề tài đã đề cập đến chip nhúng và sử dụng GSM-modem để truyền số liệu qua GSM-SMS Vì vậy các bản tin bị giới hạn (160 char 7-bit) và các bản tin bị tính cước, vì vậy nếu số liệu phải truyền... với trung tâm để trao đổi dữ liệu được thưc hiện qua đường truyền điện thoại, radio link hoặc công nghệ ngày nay là GSM/GPRS Một số thiết bị RTU đưa ra giải pháp lưu thẻ nhớ theo định dạng FAT32 để cán bộ vận hành mang về trung tâm đọc vào máy tính Với phân tich ở trên thì nhiệm vụ là phải đi tìm một bài toán thu thập số liệu, một nhu cầu thực tế rất cần thiết, một nhu cầu thu thập dữ liệu môi trường . Nghiên cứu công nghệ GSM/GPRS, công nghệ nhúng (Embedded Systems) và ứng dụng để thiết kế chế tạo thiết bị đo lường thu thập số liệu từ xa qua đường GSM/GPRS. Cơ quan chủ. CÁO KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NCKH&PTCN CẤP BỘ NĂM 2011 Tên đề tài: Nghiên cứu công nghệ GSM/GPRS, công nghệ nhúng (Embedded Systems) và ứng dụng để thiết kế chế tạo thiết bị đo lường thu. lượng và nâng cấp bảo trì dễ dàng. Chính vì lý do đó mà việc sử dụng công nghệ GSM/GPRS với sự tích hợ p hệ thống của công nghệ nhúng thì việc xây dựng 1 hệ đo lường thu thập số liệu từ xa qua