Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống cảnh báo rủi ro cho các công trình công nghiệp

BỘ CÔNG THƯƠNG
VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA
—

–

˜

&

™

—

–






BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC HIỆN
ĐỀ TÀI NCKH & PTCN CẤP BỘ NĂM 2010



Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG
CẢNH BÁO RỦI RO CHO CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG NGHIỆP

Cơ quan chủ trì:
Chủ nhiệm đề tài:
VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA
TRẦN VĂN TUẤN









HÀ NỘI - 2010


BỘ CÔNG THƯƠNG
VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA
—

–

˜

&

™

—

–






BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC HIỆN
ĐỀ TÀI NCKH & PTCN CẤP BỘ NĂM 2010




Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG
CẢNH BÁO RỦI RO CHO CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG NGHIỆP





CƠ QUAN CHỦ TRÌ
VIỆN TRƯỞNG

TS. Nguyễn Thế Truyện
CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI







ThS. Trần Văn Tuấn











DANH SÁCH CÁN BỘ CHÍNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

STT TÊN CÁN BỘ THỰC HIỆN

1 ThS. Trần Văn Tuấn
2 KS. Tạ Văn Nam
3 ThS. Phạm Thùy Dung
4 KS. Đoàn Vũ Duy


Hệ thống cảnh báo rủi ro cho các công trình công nghiệp
Đề tài cấp bộ 2010
LỜI NÓI ĐẦU
Theo số liệu thống kê, tính đến năm 2010 nước ta có khoảng 250 khu công nghiệp
lớn nhỏ đang hoạt động, và đang có xu hướng không ngừng mở rộng cả về số lượng và
diện tích sản xuất. Những khu công nghiệp này chủ yếu là các nhà máy sản xuất luôn
đối mặt với nhiều rủi ro như cháy nổ, sập nhà xưởng, rò rỉ ga, mất trộm,… Trong khi
đó, công tác phòng ngừa rủi ro cho các công trình công nghiệp hiện còn nhiều bất cập,
đồng thời chất lượng thi công các công trình công nghiệp của nước ta còn nhiều vấn đề
cần xem xét. Thời gian vừa qua, tại các khu công nghiệp đã xảy ra nhiều sự cố, gây ra
những thiệt hại không nhỏ về người và của như vụ cháy khu công nghiệp An Đồn – Đà
Nẵng, cháy lớn tại khu công nghiệp Yên Nghĩa, Hà Nội, hoặc vụ sập phân xưởng Nhà
máy sản xuất Bao Bì ở xã Bình Trị, thuộc Khu kinh tế Dung Quất, …
Trước thực trạng trên, cùng với sự phát triển của nền kinh tế, nhiều cơ sở và công
trình công nghiệp của nước ta đang được xây dựng mới hoặc cải tạo cho phù hợp các
điều kiện về an toàn. Do giá thành trang bị các hệ thống này tương đối cao mà hiệu
quả thực tế nhiều khi chưa mang lại ngay nên nhiều công trình công nghiệp (nhà máy,
xí nghiệp, khu công nghiệp) chưa trang bị đồng bộ và rộng rãi các hệ thống giám sát
rủi ro (hơi ga, cháy, độ ẩm, biến dạng kết cấu, độ nghiêng, nhiệt độ,…). Ngoài ra một
số lượng lớn các cơ sở công nghiệp cũng được trang bị các hệ thống giám sát rủi ro
nhưng sử dụng nhiều công nghệ đơn giản hoặc các hệ hoạt động độc lập và riêng rẽ
gây khó khăn cho quản lý thống nhất.
Hiện nay các hệ thống tương tự tại Việt Nam đều do nước ngoài lắp đặt hoặc các
đơn vị trong nước tích hợp bằng ghép nối các phần mua sẵn (phần cứng và phần mềm)

do vậy giá thành cao, chi phí bảo trì nâng cấp cao. Vì vậy chủ động thiết kế chế tạo hệ
thống trong nước sẽ cho phép giảm giá thành, từ đó tạo điều kiện cho các doanh
nghiệp đầu tư cho hệ thống này để nâng cao hiệu quả hoạt động. Đặc biệt với việc ứng
dụng các kỹ thuật mạng sensor không dây mới nhất vào các hệ thống sẽ giúp phần làm
giảm giá thành và chi phí hoạt động của hệ thống cũng như có những ưu điểm vượt
trội về số lượng các điểm đo nên có thể thu thập được rất nhiều thông tin hữu ích mà
các hệ truyền thống không thể có được.
Hiện nay ở Việt Nam việc nghiên cứu triển khai các hệ thống điều khiển, quản lý
tòa nhà đã có nhiều công ty và các đơn vị nghiên cứu. Nhưng đối với các hệ thống
cảnh báo rủi ro trong công nghiệp thì hầu như chưa có. Chưa thấy có nghiên cứu chính
thức nào trong việc xây dựng hệ thống cảnh bảo rủi ro trong công nghiệp tại Việt Nam
được công bố.
Hệ thống cảnh báo rủi ro cho các công trình công nghiệp
Đề tài cấp bộ 2010
Hệ thống cảnh báo rủi ro tại Việt Nam đều do nước ngoài lắp đặt hoặc các đơn vị
trong nước tích hợp bằng ghép nối các phần mua sẵn (phần cứng và phần mềm). Mặt
khác các hệ thống này đều dựa trên mạng hữu tuyến. Việc ứng dụng mạng sensor
không dây vào giải pháp trên chưa được các đơn vị R&D tập trung phát triển và ứng
dụng.
Nhận thấy nhu cầu và xu hướng ứng dụng những hệ thống cảnh báo rủi ro trong
các công trình công nghiệp trong nước ngày càng lớn, đặc biệt khi các khu công
nghiệp ngày càng mở rộng không ngừng cả về quy mô cũng như số lượng, nhóm
nghiên cứu chúng tôi nhận định việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo một hệ thống như
vậy trong nước tại thời điểm này là một bước đi đúng, nắm bắt được nhu cầu thực tế
và có nhiều khả năng thương mại hóa sản phẩm. Với nhận định đó, chúng tôi đã tiến
hành lựa chọn thực hiện đề tài: “ Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống cảnh báo rủi ro
cho các công trình công nghiệp”
Để xây dựng được một hệ thống quản lý, giám sát hoàn chỉnh, mang tính hiện đại,
theo xu hướng chung của các hệ thống quản lý giám sát tiên tiến, vừa đáp ứng các yêu
cầu và điều kiện kỹ thuật và ứng dụng của Việt Nam, đồng thời xác định đây là một

hướng nghiên cứu mới, nhiều thách thức và khó khăn, dó đó chúng tôi dự kiến thực
hiện đề tài trong hai năm, từng bước hoàn thiện thiết kế cũng như ứng dụng của hệ
thống cho phù hợp nhất, khả thi nhất tại thời điểm hiện tại, đồng thời cũng tính đến
những hướng mở cho hệ thống. Đề tài được thực hiện theo hai giai đoạn. Năm thứ nhất,
đề tài tập trung nghiên cứu chế tạo các module cảm biến không dây và thiết kế ứng
dụng; trong năm thứ hai, đề tài sẽ tập trung hoàn thiện hệ thống với các chức năng
quản lý và giám sát đầy đủ hướng tới đối tượng ứng dụng cụ thể.
Mục tiêu của đề tài:
• Làm chủ thiết kế, quy trình công nghệ chế tạo hệ thống cảnh báo rủi ro trên cơ
sở mạng sensor không dây
• Xây dựng cơ sở công nghệ cho hệ thống đảm bảo chất lượng theo yêu cầu mở
của hệ thống
• Góp phần đảm bảo chất lượng, nâng cao tính an toàn cho các công trình công
nghiệp.
Để đảm bảo trong một thời gian ngắn có thể sớm thực hiện một khối lượng công
việc khá lớn và tương đối phức tạp, bao gồm nhiều vần đề kỹ thuật và công nghệ mới
so với thực tế ở Việt Nam, chúng tôi chọn một số cách tiếp cận sau:
Hệ thống cảnh báo rủi ro cho các công trình công nghiệp
Đề tài cấp bộ 2010
- Tham khảo các hệ thống cảnh báo rủi ro trong và ngoài nước và dựa vào điều
kiện thực tế của Việt Nam, trên cơ sở đó tiến hành lập phương án thiết kế hệ
thống dựa trên mạng sensor không dây.
- Áp dụng các công nghệ mới nhất về sensor không dây để đưa vào thiết kế.
- Lựa chọn chế tạo các module thiết bị.
- Thiết kế và phản biện thiết kế.
Giai đoạn 1, năm 2010, chúng tôi dự kiến thực hiện các nội dụng chính sau:
- Khảo sát, phân tích và đánh giá, dự báo nhu cầu sử dụng của các công trình công
nghiệp. Trên cơ sở đó lập phương án ứng dụng.
- Thiết kế hệ thống phần cứng
- Thiết kế và xây dựng phần mềm cho hệ thống

- Chế tạo các module phần cứng đáp ứng một số chỉ tiêu an toàn trong công nghiệp
- Thử nghiệm các chức năng của các module đã chế tạo
Các sản phẩm cụ thể của đề tài trong giai đoạn 1: Nghiên cứu thiết kế chế tạo Hệ thống
cảnh báo rủi ro cho các công trình công nghiệp dựa trên mạng sensor không dây bao
gồm:
- Bộ chương trình nhúng cho các loại module phần cứng khác nhau.
- Các module phần cứng đo và cảnh báo nhiệt độ, độ ẩm, khói và độ nghiêng. Các
module này hoạt động như một nút sensor quan sát thông minh có khả năng tương
tác với nhau
Mỗi module có các tính năng sau:
• Cấu hình từ xa và định nghĩa lại chức năng qua phần mềm
• Khoảng cách truyền tin >50m
• Truyền thông dạng mesh (lưới)
• Chạy pin hoặc nguồn DC
• Số đầu vào tương tự cấu hình được: 4
Trong báo cáo này, chúng tôi sẽ trình bày các nội dụng nghiên cứu trên thành 6 phần:
Phần 1. Nêu những kết quả khảo sát, phân tích, đánh giá các hệ thống và các
thành phần của hệ thống giám sát rủi ro trong các công trình công nghiệp, từ đó
đưa ra lựa chọn cấu trúc, chức năng của hệ thống giám sát của đề tài
Phần 2. Trình bày chi tiết thiết kế tổng thể và thiết kế phần cứng cho hệ thống
Phần 3. Trình bày thiết kế phần mềm
Hệ thống cảnh báo rủi ro cho các công trình công nghiệp
Đề tài cấp bộ 2010
Phần 4. Thực hiện thiết kế ứng dụng cho hệ thống
Phần 5. Thử nghiệm, đánh giá kết quả, và một số hình ảnh sản phẩm của đề tài
Phân 6. Kết luận

Hệ thống cảnh báo rủi ro cho các công trình công nghiệp
Đề tài cấp bộ 2010
MỤC LỤC

PHẦN 1 KHẢO SÁT, PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ, DỰ BÁO NHU CẦU SỬ
DỤNG CỦA CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG NGHIỆP 1
1.1 KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ CÁC HỆ THỐNG GIÁM SÁT RỦI RO TRONG
CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG NGHIỆP 1
1.2 CẤU TRÚC HỆ THỐNG GIÁM SÁT RỦI RO CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG
NGHIỆP DỰA TRÊN MẠNG SENSOR KHÔNG DÂY 6
1.2.1 Cấu trúc hệ thống 6
1.2.2 Cảm biến không dây sử dụng trong các hệ thống giám sát rủi ro 7
PHẦN 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHẦN CỨNG 15
2.1 THIẾT KẾ TỔNG THỂ VÀ CÁC GIẢI PHÁP THIẾT KẾ 15
2.2 THIẾT KẾ CHI TIẾT PHẦN CỨNG CÁC MODULE 18
2.2.1 Thiết kế nút Router ERM.02 21
2.2.2 Thiết kế Module độ ẩm và nhiệt độ ERM.03 22
2.2.3 Thiết kế module báo khói ERM.04 24
2.2.4 Thiết kế Module đo độ biến dạng ERM.05 25
2.2.5 Thiết kế Module độ nghiêng ERM.06 27
PHẦN 3 XÂY DỰNG PHẦN MỀM HỆ THỐNG 30
3.1 Tiêu chí thiết kế 30
3.2 Kiến trúc hệ thống 30
3.3 Xây dựng các module phần mềm RISKMON FIRMWARE 32
PHẦN 4 THIẾT KẾ ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG 40
PHẦN 5 THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 44
5.1 THỬ NGHIỆM 44
5.1.1 Mục đích thử nghiệm 44
5.1.2 Phương pháp thử nghiệm 44
5.1.3 Thử nghiệm 44
5.1.4 Thử nghiệm Hệ thống 50
5.2 SẢN PHẨM CỦA ĐỀ TÀI 53
PHẦN 6 KẾT LUẬN 58

Hệ thống cảnh báo rủi ro cho các công trình công nghiệp
Đề tài cấp bộ 2010
MỤC LỤC HÌNH VẼ
Hình 1-1: Các công trình ứng dụng hệ thống giám sát rủi ro 2
Hình 1-2: Cảnh báo rủi ro với mạng sensor không dây 4
Hình 1-3: Các lĩnh vực ứng dụng cảm biến không dây 4
Hình 1-4: Cấu trúc một hệ thống giám sát rủi ro dựa trên mạng sensor không dây 7
Hình 1-5: Mạng hình sao và mạng mắt lưới của ZigBee 9
Hình 2-1: Cấu trúc hệ giám sát rủi ro của đề tài 17
Hình 2-2: Cấu trúc một nút cảm biến không dây 18
Hình 2-3: Sơ đồ khối nguồn các module 19
Hình 2-4: Sơ đồ khối cấu trúc của ZDM-A1281-B0 21
Hình 2-5: Sơ đồ khối thiết kế nút Router ERM.02 22
Hình 2-6: Đầu dò đo nhiệt độ, độ ẩm 23
Hình 2-7: Sơ đồ khối Module đo nhiệt độ, độ ẩm 24
Hình 2-8: Đầu báo khói SLR-835B 25
Hình 2-9: Sơ đồ khối Module báo khói 25
Hình 2-10: Đầu dò đo biến dạng 26
Hình 2-11: Cầu điện trở 26
Hình 2-12: Sơ đồ khối module đo độ biến dạng 27
Hình 2-13: Moudle đo độ nghiêng MMA745xL 28
Hình 2-14: Sơ đồ khối Module đo độ nghiêng 28
Hình 3-1: Kiến trúc hệ thống 30
Hình 3-2: Module giao tiếp và quản trị mạng sensor 31
Hình 3-3: Kiến trúc phần mềm trên các nút (RISKMON FIRMWARE) 31
Hình 3-4: Kiến trúc hệ Pub/Sub 34
Hình 3-5: Thuật toán họat động của module xử lý sự kiện 35
Hình 3-6: Module ứng dụng MF-AP 35
Hình 3-7: Thuật toán họat động của module MF-AP 36
Hình 3-8: Sơ đồ khối truyền thông giữa khối điều khiển và khối truyền thông 37

Hình 3-9: Quá trình trao đổi thông tin 37
Hình 3-10: Sơ đồ thuật toán giao tiếp 38
Hình 4-1: Khu vực các phòng ban 41
Hình 4-2: Khu vực kho chứa hàng 41
Hình 4-3: Khu vực các xưởng sản xuất trong nhà máy dệt may 42
Hình 4-4: Mô hình ứng dụng hệ thống 43
Hệ thống cảnh báo rủi ro cho các công trình công nghiệp
Đề tài cấp bộ 2010
Hình 5-1: Bố trí thử nghiệm ERM.05 45
Hình 5-2: Bố trí thử nghiệm đánh giá mức tiêu thụ điện năng trên các module 47
Hình 5-3: Bố trí thử nghiệm đánh giá khả năng truyền tin của các Module 49
Hình 5-4: Hình ảnh dữ liệu máy tính nhận được liên tục từ các module hiện trường 52
Hình 5-5: Đồ thị giám sát nhiệt độ, độ ẩm từ dữ liệu thu thập từ các module hệ thống
52
Hình 5-6: Hình ảnh các loại Module không dây của đề tài 53
Hình 5-7: Hình ảnh Module ERM.02 54
Hình 5-8: Hình ảnh ERM.03 54
Hình 5-9: Hình ảnh Module ERM.04 55
Hình 5-10: Hình ảnh Module ERM.06 55
Hình 5-11: Hình ảnh Module ERM.05 56
Hình 5-12: Hình ảnh bên trong module 57
Hình 5-13: Hình ảnh Module cùng hộp thiết kế 57

Hệ thống cảnh báo rủi ro cho các công trình công nghiệp
Đề tài cấp bộ 2010
1
PHẦN 1 KHẢO SÁT, PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ, DỰ BÁO NHU CẦU
SỬ DỤNG CỦA CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG NGHIỆP
1.1 KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ CÁC HỆ THỐNG GIÁM SÁT RỦI RO TRONG
CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG NGHIỆP

Các tòa nhà, phân xưởng, nhà máy, xí nghiệp thường xuyên phải chịu tác động của
thiên nhiên như động đất, gió bão, hoặc hỏa hoạn, tội phạm, khủng bố, … Những mối
nguy hiểm này ảnh hưởng trực tiếp đến sự an toàn tính mạng của người lao động, có
thể gây ra những thiệt hại lớn về người và của nếu không được giám sát và cảnh báo
và có biện pháp khắc phục kịp thời. Trong quá trình sử dụng, để giảm thiểu các mối
nguy hiểm này, các công trình cần liên tục được giám sát các rủi ro. Các rủi ro của
công trình công nghiệp như nhà xưởng, nhà máy, xí nghiệp, nhà kho, … bao gồm sự
lão hóa của cấu trúc tòa nhà, những hư hỏng, rò rỉ khí ga, hỏa hoạn,
Các vụ cháy lớn / nổ / sụp đổ cấu trúc xảy ra trong nhà máy sản xuất, trên toàn thế
giới là một dấu hiệu rõ ràng về sự cần thiết phải có chương trình giám sát rủi ro tại chỗ
hiệu quả trong các công trình nói chung và các nhà máy sản xuất nói riêng. Sự sụp đổ
của mái vòm trong một nhà máy xi măng tại Malaysia là một trong sự cố có chi phí
bảo hiểm lớn nhất, xảy ra do sự quá tải, vượt quá công suất thiết kế. Khác với những
rủi ro cháy và nổ, các mối nguy hiểm sức khỏe nghề nghiệp và các vấn đề môi trường
cũng cần được quản lý, một cách chủ động. Hiện nay nhiều nhà máy sản xuất, nhiều
khu công nghiệp, khu chế xuất, … đang nỗ lực hướng tới các quy trình chuẩn sản xuất
vừa đảm bảo hiệu quả sản xuất, vừa đảm bảo vấn đề an toàn lao động. Hệ thống hiệu
quả được tiến hành giám sát rủi ro tại chỗ sử dụng các cảm biến đo lường cho các công
trình, thời gian qua, được đặc biệt quan tâm và đã phát huy được hiệu quả trong việc
giám sát tình trạng cấu trúc cũng như đảm bảo an toàn lao động chung cho các công
trình công nghiệp.
Cảm biến và các hệ thống đo lường cho đến nay không còn là những công nghệ
mới, tuy nhiên thời gian gần đây, người ta có xu hướng sử dụng những dữ liệu này để
đánh giá tình trạng hiện tại của điều kiện làm việc, của tình trạng cấu trúc, tình trạng
thiết bị, máy móc trong các tòa nhà, các công trình giao thông, công trình công nghiệp,
…. cung cấp các thông tin hữu ích về tình trạng cấu trúc, về điều kiện môi trường,
giúp phát hiện sớm sự xuống cấp trong cấu trúc nhà xưởng, những điểm quá tải trong
hệ thống, phát hiện sớm các chấn động bất thường như động đất, hoặc phát hiện sớm
nguy cơ cháy nổ, từ đó giúp người quản lý có những biện pháp kịp thời, như sơ tán,
hoặc sửa chữa cải tạo sớm, hạn chế các thiệt hại đáng tiếc về người và của và đóng vai

trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn cho người, thiết bị cũng như đảm bảo năng
suất lao động cao nhất. Từ khi ra đời, các hệ thống cảnh báo rủi ro trong công nghiệp
Hệ thống cảnh báo rủi ro cho các công trình công nghiệp
Đề tài cấp bộ 2010
2
(Risk monitoring system) đã và đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều cơ sở công
nghiệp trên thế giới. Việc sử dụng các hệ thống trên nâng cao đáng kể mức độ an toàn
cho các công trình công nghiệp.
Để có thể đưa ra các đánh giá chính xác về tình trạng của các công trình, hệ thống
giám sát cần thu thập những dự liệu trung thực và liên tục và có thông tin chi tiết về
tình trạng toàn cấu trúc công trình, kịp thời phát hiện những thay đổi trong công trình
có thể dẫn đến nguy hại. Một hệ thống giám sát hiệu quả là một hệ thống có khả năng
tạo ra một mô hình thông tin chi tiết về toàn công trình và phát hiện kịp thời những
thay đổi quan trọng về môi trường và tình trạng cấu trúc. Một hệ thống giám sát như
vậy đòi hỏi phải sử dụng một mạng dày đặc các cảm biến phân bố khắp cấu trúc công
trình và phải sử dụng một giải pháp truyền thông hợp lý để đáp ứng được nhu cầu dữ
liệu của hệ thống.
Tại nhiều nước phát triển, các hệ thống giám sát rủi ro các công trình ngày càng
trở nên phổ biến ( dạng đơn giản hơn hay được sử dụng là các hệ SHM – Giám sát sức
khỏe cấu trúc). Các hệ thống giám sát rủi ro có thể được ứng dụng cho nhiều loại công
trình với nhiều mục đích giám sát như:
• Phát hiện sớm các sự kiện: Động đất, gió, chấn động môi trường xung quanh
• Quản lý các khu nhà xưởng, xí nghiệp, kho bãi, đường ống dẫn dầu, các tòa
nhà: cao tầng, bệnh viện, tháp, đấu trường / sân vận động, các cấu trúc lịch
sử
• Các hệ thống giao thông: cầu, sân bay, bến cảng, đường sắt
• Cấu trúc khác: tua bin gió, đường hầm,

Hình 1-1: Các công trình ứng dụng hệ thống giám sát rủi ro
Hệ thống cảnh báo rủi ro cho các công trình công nghiệp

Đề tài cấp bộ 2010
3
Các hệ giám sát truyền thống gồm một mạng lưới các cảm biến phân bố trên toàn
cấu trúc. Các mạng này thường sử dụng một trạm giám sát và điều khiển trung tâm và
khối cấp nguồn cho toàn hệ thống. Các cảm biến phải sử dụng các liên kết hữu tuyến
tới trạm giám sát trung tâm và cáp nối tới bộ cấp nguồn trung tâm. Việc phân tích mô
hình và phát hiện các mối nguy hiểm trên mạng hữu tuyến như vậy đòi hỏi toàn bộ dữ
liệu cảm biến phải được tập hợp về trung tâm để xử lý, phân tích. Đối với một mảng
dày đặc của cảm biến lấy mẫu theo tỷ lệ cần thiết cho một hệ giám sát cấu trúc, một số
lượng lớn dữ liệu được truyền và xử lý tại một địa điểm duy nhất. Ngoài việc phải lưu
tâm đến khả năng ngập lụt dự liệu, một hệ thống giám sát hữu tuyến còn rất tốn kém.
Hiện nay, các hệ thống giám sát cảnh báo rủi ro vẫn chủ yếu dựa vào các mạng
cảm biến hữu tuyến đắt tiền để thu thập các dữ liệu quan trọng về tình trạng máy móc,
thiết bị và môi trường xung quanh. Song các sensor hữu tuyến có nhược điểm là đòi
hỏi chi phí lắp đặt cao, đặc biệt trong những ứng dụng có phạm vi lớn. Việc thay mới,
lắp đặt cũng như thay đổi vị trí là tương đối phức tạp. Hơn nữa chỉ một hỏng hóc tại
một sensor có thể dẫn đến hậu quả nghiêm trọng.
Trước những hạn chế đó, đồng thời, trước những nhu cầu ứng dụng các hệ thống
giám sát loại này vào những công trình lớn ngày càng gia tăng, hiện đã có một số các
công ty KHCN cũng như các tổ chức nghiên cứu trên thế giới đã và đang đầu tư và
phát triển các hệ thống không dây ứng dụng trong các hệ thống giám sát và điều khiển
như Honeywell, PureLink (Canada) hay các dự án ORCHESTRA và SANY của EU.
Truyền thông không dây mở ra một triển vọng mới cho các giải pháp tự động hóa
linh hoạt và hiệu quả, một số công nghệ truyền thông không dây đang được sử dụng
như GSM/GPRS, WLAN, Bluetooth, Zigbee,…. Truyền thông không dây là cơ sở cho
các giải pháp tích hợp trong tất cả các hệ thống giám sát và điều khiển trong ngành
công nghiệp và cho phép truyền thông ngay cả ở những vùng nguy hiểm hoặc không
thể tiếp cận sử dụng công nghệ thông thường.

Hệ thống cảnh báo rủi ro cho các công trình công nghiệp

Đề tài cấp bộ 2010
4

Hình 1-2: Cảnh báo rủi ro với mạng sensor không dây
Các cảm biến không dây ngày càng được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng
giám sát, đo lường như giám sát tình trạng cấu trúc, giám sát các nguy hiểm trên các
tàu trở hàng, các đường ống dẫn dầu, kho hàng, các khu khai thác dầu trên biển, phát
hiện các chấn động, các thay đổi bất thường của thờ tiết, đảm bảo khả năng truyền tin
tin cậy, chính xác.

Hình 1-3: Các lĩnh vực ứng dụng cảm biến không dây
Một số ưu điểm của các hệ thống sử dụng công nghệ không dây:
• Tăng khả năng cạnh tranh ở tính di động và độ linh hoạt
• Giảm chi phí bảo trì công trình, chi phí dịch vụ
• Có thể truy cập dữ liệu không phụ thuộc vào kết nối mạng trong nhà và ngoài
trời
• Cắt giảm chi phí cáp, chi phí và thời gian lắp đặt so với các mạng hữu tuyến.
Hệ thống cảnh báo rủi ro cho các công trình công nghiệp
Đề tài cấp bộ 2010
5
Sau những phân tích, đánh giá trên, chúng tôi nhận định Hệ thống giám sát rủi ro
trong các công trình công nghiệp, dân dụng trở thành một xu thế và là một hướng phát
triển tất yếu những ứng dụng của các hệ thống giám sát, đo lường hiện đại. Với những
ưu điểm nổi bật, mạng cảm biến không dây hứa hẹn sẽ cho các giải pháp tự động hóa
linh hoạt và hiệu quả, phù hợp ứng dụng cho những hệ thống giám sát triển khai trên
quy mô lớn và có số lượng cảm biến lớn như hệ thống giám sát rủi ro trong các công
trình công nghiệp. Mô hình hệ thống giám sát hiện đại với một mạng lưới cảm biến
không dây thông minh chính là mục tiêu hướng tới trong thiết kế của đề tài này. Tuy
nhiên, để tiến hành xây dựng hệ thống với các giải pháp phù hợp, khả thi cho điều kiện
phát triển của Việt Nam, chúng tôi đã có một vài khảo sát về tình hình nghiên cứu và

ứng dụng ở Việt Nam.
Cùng với sự phát triển của nền kinh tế, nhiều cơ sở và công trình công nghiệp của
nước ta đang được xây dựng mới hoặc cải tạo cho phù hợp các điều kiện về an toàn.
Do giá thành trang bị các hệ thống này tương đối cao mà hiệu quả thực tế nhiều khi
chưa mang lại ngay nên nhiều công trình công nghiệp (nhà máy, xí nghiệp, khu công
nghiệp) chưa trang bị đồng bộ và rộng rãi các hệ thống giám sát rủi ro (hơi ga, cháy,
độ ẩm, biến dạng kết cấu, độ nghiêng, nhiệt độ,…). Ngoài ra một số lượng lớn các cơ
sở công nghiệp cũng được trang bị các hệ thống giám sát rủi ro nhưng sử dụng nhiều
công nghệ đơn giản hoặc các hệ hoạt động độc lập và riêng rẽ gây khó khăn cho quản
lý thống nhất. Cho đến gần đây, việc quản lý rủi công nghiệp phần lớn được thực hiện
theo các bản nội quy, quy trình mà chưa có một công cụ hữu hiệu tự động giám sát,
điều khiển và theo dõi các đại lượng vật lý một cách hữu hiệu.
Hiện nay các hệ thống tương tự tại Việt Nam đều do nước ngoài lắp đặt hoặc các
đơn vị trong nước tích hợp bằng ghép nối các phần mua sẵn (phần cứng và phần mềm)
do vậy giá thành cao, chi phí bảo trì nâng cấp cao. Celebi ước tính chi phí cho mỗi
kênh cảm biến (bao gồm cả việc mua bộ cảm biến dữ liệu, và cài đặt) khoảng
4000USD để theo dõi hệ thống với 12-18 kênh. Cầu Bill Emerson Memorial Bridge ở
Missouri lắp đặt hệ thống 84 kênh gia tốc với một chi phí trung bình cho mỗi kênh hơn
15000USD. Chi phí này quá lớn và không khả thi đối với điều kiện kinh tế ở Việt Nam.
Vì vậy chủ động thiết kế chế tạo hệ thống trong nước sẽ cho phép giảm giá thành, từ
đó tạo điều kiện cho các doanh nghiệp đầu tư cho hệ thống này để nâng cao hiệu quả
hoạt động. Đặc biệt với việc ứng dụng các kỹ thuật mạng sensor không dây mới nhất
vào các hệ thống sẽ giúp phần làm giảm giá thành và chi phí hoạt động của hệ thống
cũng như có những ưu điểm vượt trội về số lượng các điểm đo nên có thể thu thập
được rất nhiều thông tin hữu ích mà các hệ truyền thống không thể có được.
Hệ thống cảnh báo rủi ro cho các công trình công nghiệp
Đề tài cấp bộ 2010
6
Việc nghiên cứu triển khai các hệ thống điều khiển, quản lý tòa nhà đã có nhiều
công ty và các đơn vị nghiên cứu. Nhưng đối với các hệ thống cảnh báo rủi ro trong

công nghiệp thì hầu như chưa có. Chưa thấy có nghiên cứu chính thức nào trong việc
xây dựng hệ thống cảnh bảo rủi ro trong công nghiệp tại Việt Nam được công bố.
Dựa trên những khảo sát, phân tích tình hình nghiên cứu và ứng dụng các hệ thống
giám sát rủi ro trên thế giới và tình hình nghiên cứu, ứng dụng và những tiềm năng
khoa học kỹ thuật của Việt Nam, nhóm thực hiện đề tài có thể khẳng định việc nghiên
cứu xây dựng một hệ thống giám sát rủi ro trong nước, ứng dụng các kỹ thuật của
mạng cảm biến không dây là một hướng nghiên cứu đúng đắn, phù hợp về mặt kinh tế
cũng như khả năng ứng dụng công nghệ tại Việt Nam, tạo điều kiện cho các doanh
nghiệp, các cơ sở sản xuất trong nước có điều kiện ứng dụng các công nghệ tiên tiến
với giá thành của người Việt, vừa cải thiện điều kiện làm việc, nâng cao tính an toàn
và nâng cao hiệu quả cho các công trình nói chung, các công trình công nghiệp nói
riêng.
Tiếp theo, chúng tôi sẽ trình bày những kết quả khảo sát cụ thể về cấu trúc, các
thành phần của các hệ thống giám sát rủi ro cũng như cấu trúc và các loại cảm biến
được dùng trong hệ thống.
1.2 CẤU TRÚC HỆ THỐNG GIÁM SÁT RỦI RO CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG
NGHIỆP DỰA TRÊN MẠNG SENSOR KHÔNG DÂY
1.2.1 Cấu trúc hệ thống
Một hệ thống giám sát rủi ro trong công nghiệp thực hiện giám sát các đại lượng
vật lý có khả năng ảnh hưởng đến sức khỏe cấu trúc của hệ thống, tác động đến điều
kiện làm việc, ảnh hưởng đến mức độ an toàn của con người, thiết bị, nhà xưởng. Để
thực hiện những chức năng này, các hệ thống giám sát rủi ro cần có các thành phần
chính: một trạm giám sát trung tâm, các trạm giám sát khu vực và mạng lưới các cảm
biến không dây thông minh. Trạm giám sát trung tâm có chức năng cấu hình, thiết lập
các chế độ hoạt động của toàn hệ thống, giám sát và điều khiển toàn hệ thống. Trạm
giám sát khu vực (trạm giám sát phân tán) thực hiện cấu hình và thiết lập hoạt động
cho một khu vực giới hạn, giám sát và điều khiển các đối tượng tại khu vực đó, đồng
thời các trạm phân tán thường xuyên gửi dữ liệu đã qua phân tích tới các trạm giám sát
trung tâm và nhận tín hiệu điều khiển từ trạm trung tâm. Các nút cảm biến không dây
được tích hợp sẵn các đầu đo đo các thông số của các đối tượng giám sát, và thực hiện

xử lý, truyền thông với các trạm khu vực, đồng thời có thể đưa ra các tín hiệu điều
khiển tại chỗ. Truyền thông giữa các nút cảm biến và trạm khu vực, giữa trạm khu vực
và trạm giám sát trung tâm đều thực hiện bằng truyền thông không dây.
Hệ thống cảnh báo rủi ro cho các công trình công nghiệp
Đề tài cấp bộ 2010
7
Mỗi một nhà máy, phân xưởng, hoặc một tòa nhà thường sử dụng một trạm trung
tâm (Base Station), Tại các vị trí cần giám sát các thông số, các sensor chức năng được
cài đặt và phần bố tùy theo nhu cầu sử dụng. Các đầu đo thông số thường được sử
dụng gồm: đầu đo độ nghiêng, đầu đo đo độ biến dạng, nhiệt độ, độ ẩm, đo ánh sáng,
hình ảnh, âm thanh, báo khói, đo nồng độ khí
Các hệ thống ứng dụng công nghệ không dây tổ chức hệ thống hoạt động theo các
nút, các chức năng của hệ thống giám sát được cải thiện hơn hẳn với khả năng tự phân
tích dữ liệu của các nút không dây.
Dưới đây là mô hình chung của hệ thống giám sát rủi ro trong công nghiệp, trong
đó có sử dụng các sensor độ độ nghiêng, sensor đo độ biến dạng, nhiệt độ, độ ẩm, đo
ánh sáng, hình ảnh, âm thanh, báo khói, đo nồng độ khí
TRẠM GIÁM SÁT TRUNG TÂM
TRẠM GIÁM SÁT
KHU VỰC
TRẠM GIÁM SÁT
KHU VỰC
TRẠM GIÁM SÁT
KHU VỰC
CÁC CƠ CẤU
CHẤP HÀNH
CÁC CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY
CÁC CƠ CẤU
CHẤP HÀNH

CÁC CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY
CÁC CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY
CÁC CƠ CẤU
CHẤP HÀNH
Option

Hình 1-4: Cấu trúc một hệ thống giám sát rủi ro dựa trên mạng sensor không dây
1.2.2 Cảm biến không dây sử dụng trong các hệ thống giám sát rủi ro
Các nhà khoa học từ lâu đã rất chú ý tới việc truyền thông dữ liệu không dây trong
các đo lường các quá trình công nghiệp. Đặc biệt là khi cảm biến không dây có thể
giúp các doanh nghiệp cắt giảm tới 90% chi phí lắp đặt so với các hệ thống cảm biến
Hệ thống cảnh báo rủi ro cho các công trình công nghiệp
Đề tài cấp bộ 2010
8
có dây. Giảm chi phí lắp đặt và bảo dưỡng, đồng thời tăng tính linh hoạt khi kết nối dữ
liệu là những ưu điểm chính mà công nghệ cảm biến không dây mang lại.
i. Các thành phần của một cảm biến không dây thông minh
Những bước tiến trong công nghệ không dây, truyền thông và các hệ thống nhúng
đã dần hình thành, thúc đẩy sự phát triển của công nghệ mạng sensor không dây thông
minh một cách nhanh chóng. Như đã nói ở trên, các mạng sensor không dây thông
minh đã giúp giảm chi phí và nâng cao hiệu quả của các hệ thống giám sát, hiệu quả
của mạng cảm biến không dây phụ thuộc vào tính năng của bộ cảm biến thông minh
cũng như nhu cầu của hệ thống ứng dụng. Chính sự phát triển về mặt công nghệ đã
giúp cảm biến không dây thâm nhập được vào trong cả các lĩnh vực đòi hỏi độ ổn định
và an toàn cao như trong điều khiển công nghiệp, có thể liệt ra ở đây một số các công
ty và hãng triển khai bán cả các giải pháp cảm biến và thiết bị chấp hành không dây
như Telegis, Honeywell, Eltav (Israel),…
Các thành phần chính của một cảm biến không dây thông minh gồm một radio, bộ

xử lý trung tâm, nguồn, giao tiếp sensor.
Radio:
Một trong những tính năng chính của một cảm biến không dây là khả năng truyền
dữ liệu không dây bằng sóng RF. Chức năng này thực hiện bằng một chip truyền thông
tích hợp trong thiết kế nút không dây và cho phép các bộ cảm biến trong một mạng có
thể giao tiếp với nhau hoặc giao tiếp với một nút trung tâm. Các hệ thống ứng dụng
các cảm biến không dây được thiết kế truyền thông trong mạng, khoảng cách truyền
thông không lớn, phụ thuộc vào cấu trúc được giám sát. Các cảm biến không dây
thường hoạt động trên tần số 900MHz, 2.4GHz hoặc 5GHz.
Bảng sau đây chỉ ra sự so sánh giữa các chuẩn RF khác nhau được dùng:
Đặc điểm IEEE 802.11b Bluetooth Zigbee
Mức độ
tiêu hao
điện
Tính theo giờ Tính theo ngày Tính theo năm
Độ phức tạp
Rất phức tạp Phức tạp Đơn giản
Số nút/ master
32 7 64000
Độ trễ
3 giây 10 giây 30 ms
Phạm vi
100 m 10m 70m-300m
Khả năng mở rộng

Có thể Roaming không có
Hệ thống cảnh báo rủi ro cho các công trình công nghiệp
Đề tài cấp bộ 2010
9
Tốc độ dữ liệu

11Mbps 1Mbps 250Kbps

Authentication 128 bit AES
Bảng 1: So sánh giữa các chuẩn RF
Giao thức ZigBee
Giao thức ZigBee được xây dựng phía trên lớp MAC của chuẩn 802.15.4. Nó
cung cấp các giao diện lớp ứng dụng, định tuyến và được tối ưu cho các ứng dụng yêu
cầu giới hạn về thời gian. Giao thức ZigBee có các đặc tính sau:
- 65,536 nút mạng (client)
- Thời gian kết nối mạng: 30 ms
- Có thể chuyển từ chế độ sleeping slave sang chế độ active trong khoảng thời
gian 15 ms.
- Thời gian truy nhập kênh slave tích cực: 15 ms
ZigBee cung cấp cả mạng mắt lưới và mạng hình sao:

Hình 1-5: Mạng hình sao và mạng mắt lưới của ZigBee
Bộ xử lý trung tâm
Vi xử lý của các nút cảm biến không dây thực hiện các chức năng xử lý. Những
đặc trưng quan trọng cần quan tâm khi lưạ chọn vi điều khiển cho các nút cảm biến
không dây là kích thước bus, tốc độ clock, công suất tiêu thụ và kích thước bộ nhớ.
Kích thước bus xác định bus dữ liệu bên trong của vi điều khiển: 8, 16 hoặc 32 bit.
Tốc độ clock xác định tốc độ xử lý, và liên quan trực tiếp đến công suất tiêu thụ của vi
xử lý.
Hệ thống cảnh báo rủi ro cho các công trình công nghiệp
Đề tài cấp bộ 2010
10
Các nút cảm biến không dây có thể sử dụng bộ nhớ tích hợp sẵn trên chip (RAM
và ROM). Tuy nhiên trên thực tế, các nút sensor thường sử dụng bộ nhớ bổ sung bên
ngoài. Khả năng sử dụng các cảm biến không dây trong các ứng dụng xử lý dữ liệu và
tính toán chuyên sâu chủ yếu phụ thuộc vào kích thước RAM lưu trữ dữ liệu xử lý.

Giao diện cảm biến
Các cảm biến không dây thường được chia thành 2 loại: loại có thực hiện chuyển
đổi tương tự - số (ADC) và loại không thực hiện chuyển đổi tương tự - số. Nút cảm
biến có ADC có thể giao tiếp được với một số lượng lớn các loại sensor có tín hiệu lối
ra dạng dòng hoặc áp tương thích với dải đầu vào của ADC. Các cảm biến sử dụng
ADC thường khá linh hoạt và dễ dàng thực hiện lập trình và phát triển. Tuy nhiên, một
hạn chế quan trọng của các cảm biến này là hạn chế về chất lượng dữ liệu và số lượng
kênh đo. Những yêu cầu về chất lượng dữ liệu và yêu cầu về độ phân giải khác nhau
phụ thuộc vào các ứng dụng thực tế mà các ADC có thể không đáp ứng được.
Các cảm biến không tích hợp ADC tương thích với các sensor loại đầu ra số.
Những sensor loại này có tích hợp sẵn ADC. Hai loại sensor giao diện số thường gặp
là I2C và SPI.
Nguồn điện cho nút cảm biến không dây
Như đã nói ở trên, một trong những yêu cầu quan trọng trong các thiết kế nút cảm
biến không dây là yêu cầu về nguồn nuôi. Nguồn của các cảm biến không dây thường
là các nguồn tại chỗ, hoặc một cơ cấu tự duy trì để loại bỏ việc sử dụng cáp cấp điện
cho các nút cảm biến. Bất kỳ một giải pháp năng lượng nào được lựa chọn cần dựa
trên giả thiết nguồn điện trên mạch hạn chế. Vấn đề hạn chế về nguồn cấp là yếu tố
quan trọng trong thiết kế và lựa chọn giải pháp cho các cảm biến không dây. Khi muốn
đạt được yêu cầu công suất tiêu thụ điện cực thấp thì thiết kế sẽ gặp phải một số hạn
chế về khả năng tính toán hiệu quả của hệ thống.
Những yêu cầu về điện năng tiêu thụ của một mạng cảm biến không dây phụ thuộc
nhiều vào các lựa chọn phần cứng, cấu trúc liên kết mạng, chu kỳ lệnh và lịch trình xử
lý dữ liệu. Trong mỗi trường hợp, ta có thể có những lựa chọn tối ưu cho các ứng dụng
cụ thể. Việc lựa chọn các thành phần và chức năng của cảm biến là yếu tố quan trọng
ảnh hưởng tới công suất tiêu thụ của nút cảm biến.
Nhiều thiết kế sử dụng pin làm nguồn cấp cho nút cảm biến, tuy nhiên đây không
phải là một giải pháp lâu dài. Nhiều nghiên cứu đã chú trọng tới việc xây dựng các giải
pháp nguồn cho mạng cảm biến không dây, như nguồn năng lượng gió, năng lượng
mặc trời và nguồn tự duy trì từ năng lượng rung cơ học.

Hệ thống cảnh báo rủi ro cho các công trình công nghiệp
Đề tài cấp bộ 2010
11
Dưới đây là bảng tóm tắt kết quả khảo sát ứng dụng các sensor trong các công
trình công nghiệp:
Ứng dụng Sensor
Động đất, gió
Quan sát Sensor đo độ nghiêng
Giám sát cấu trúc
Sensor đo độ nghiêng,
Sensor đo biến dạng
Phát hiện hư hại
Sensor đo độ nghiêng,
Sensor đo biến dạng
Sensor đo khoảng cách
Cháy Phát hiện lửa
Sensor phát hiện khói
Sensor nhiệt độ
Sensor đo nồng độ CO
2

ii. Điều khiển phân tán không dây
Hầu hết các phương pháp tiếp cận mạng đều sử dụng bộ định tuyến là khung hoạt
động, tuy nhiên, công nghệ mới mang lại những ưu thế vượt trội đặc biệt là khi ứng
dụng với các mạng quy mô rộng.
Lựa chọn một công nghệ thích hợp trong số nhiều lựa chọn khác nhau là chìa khóa
mang lại thiết kế thành công cho hệ thống và mạng cảm biến không dây (WSN) có thể
là một sự lựa chọn hoàn hảo.
Hai công nghệ chính được sử dụng để truyền dữ liệu trong WSN dạng lưới là phủ
sóng và định tuyến. Sự phát triển của công nghệ phủ sóng và định tuyến đã làm nóng

thị trường cảm biến hiện nay. Xem xét cả về thuận lợi và bất lợi của cả hai công nghệ
này trong ứng dụng WSN, có thể giúp các nhà thiết kế mạng có những quyết định sáng
suốt hơn. Thông thường để mở rộng vùng phủ sóng của các mạng WSAN các nghiên
cứu gần đây đều đưa ra hai giải pháp chính đó là sử dụng kết hợp hữu tuyến + không
dây và GPRS + không dây.
Các trường đại học MIT, Cambridge, … hay các công ty như Honeywell,
Crossbow,… đều có đưa ra các ứng dụng WSAN trong vài năm gần đây.
Thách thức và các vấn đề liên quan đến thiết kế
Hệ thống cảnh báo rủi ro cho các công trình công nghiệp
Đề tài cấp bộ 2010
12
WSN có những hạn chế nhất định nếu so sánh với mạng IP. Những hạn chế chính
bao gồm: băng thông của các liên kết không dây nối với các điểm nút của cảm biến có
giới hạn, hiệu suất tính toán hạn chế, cung cấp năng lượng hạn chế. Đặc biệt đối với
các mạng vận hành bằng pin. Một trong những mục tiêu thiết kế chính của WSN là
đảm bảo được độ thông suốt và liên tục của đường truyền tại tất cả các điểm nút trong
mạng, kể cả khi các điều kiện truyền thay đổi.
Triển khai
Hai loại mạng này có cách triển khai và bảo dưỡng hoàn toàn khác nhau. Mạng
định tuyến sẽ triển khai những công nghệ đặc biệt để tự sắp xếp trong mạng bằng cách
tự tìm những điểm nút mạng, tìm ra đường truyền thuận tiện nhất truyền tín hiệu và
liên tục thay đổi nó tùy thuộc vào những thay đổi của điều kiện truyền và thay đổi
mạng lưới vật lý. Những công nghệ, đôi khi là khá phức tạp này, sẽ vận hành tốt đối
với những mạng nhỏ và đơn giản. Tuy nhiên, đối với những mạng có quy mô lớn hơn
với nhiều điểm nút và chặng hơn, phải có sự can thiệp của con người và các phần mềm
điều khiển tham gia vào cả việc khởi động mạng và xử lý các vấn đề phát sinh. Hơn
thế nữa, cho đến khi mạng được tái thiết lập, có thể một vài bộ phận hoặc toàn bộ
mạng lưới sẽ ngừng hoạt động trong 1 thời gian.
Trong phương pháp tiếp cận tân tiến của mạng dựa trên công nghệ phủ sóng, vấn
đề này dường như không xảy ra bởi mạng luôn tận dụng tất cả các đường truyền có thể.

Do đó phương pháp này cũng không cần đến sự tác động của con người hay phần mềm,
các mạng lớn cũng vận hành đơn giản như những mạng nhỏ.
Tiêu thụ năng lượng
Tiêu thụ năng lượng là một trong những vấn đề quan trọng đối với thiết kế mạng
WSN. Trong mạng định tuyến, tổng số lượng các điểm nút hoạt động tại cùng một thời
điểm bao giờ cũng ít hơn so với mạng phủ sóng; vì vậy mà mạng định tuyến sẽ tiêu thụ
ít năng lượng hơn. Tuy nhiên, mạng phủ sóng lại hoạt động hiệu quả hơn nên có thể
giảm được một vài chi phí năng lượng phát sinh so với mạng định tuyến.
Để quyết định phương pháp tiếp cận, nhà thiết kế nên xem xét kĩ lưỡng về quy mô,
ứng dụng và dữ liệu truyền. Đồng thời cũng nên chú ý về ngân sách xây dựng và các
thông số mong muốn. Quy tắc chung là, đối với những mạng nhỏ, có ít các chặng, áp
dụng phương pháp tiếp cận định tuyến có thể giảm được chi phí, còn đối với những
mạng lớn với nhiều điểm nút và chặng thì phương pháp tiếp cận phủ sóng là phương
pháp nên xem xét.
Khu vực phủ sóng
Hệ thống cảnh báo rủi ro cho các công trình công nghiệp
Đề tài cấp bộ 2010
13
Khu vực phủ sóng cũng là một nhân tố khá quan trọng với thiết kế WSN. Đối với
mạng định tuyến, khu vực phủ sóng được tính bằng khoảng cách giữa hai điểm nút gần
nhau. Trong khi đó, độ phủ sóng của mạng có phương pháp tiếp cận phủ sóng, các
điểm nút sẽ thu nhận tín hiệu từ tất cả các điểm nút có thể nối với nó, do đó độ phủ
sóng cũng như mạng lưới phủ sóng sẽ rộng hơn.
Độ trễ
Tầm quan trọng của độ trễ phụ thuộc vào ứng dụng của tùy từng mạng. Ví dụ như,
trong ứng dụng tưới tiêu, độ trễ khoảng chục phút không gây ảnh hưởng gì nhưng đối
với các ứng dụng mang tính cấp thiết, như trong trường hợp khách hàng yêu cầu nhân
viên ghi lại lưu lượng sử dụng ngay tại thời điểm ấy, độ trễ sẽ quyết định đến chất
lượng phục vụ của nhân viên. Trong một vài ứng dụng quản lý công nghiệp, phản hồi
chậm trễ trong một trường hợp khẩn cấp có thể gây nên những hậu quả khó lường.

Khi so sánh giữa hai công nghệ, những mạng ứng dụng phương pháp định tuyến
thường gặp phải những vấn đề về độ trễ nhiều hơn bởi các vấn đề rất có thể phát sinh
trong một đường truyền đã được định sẵn. Trong khi đó, mạng sử dụng phương pháp
phủ sóng lại hạn chế đáng kể, nếu không muốn nói là không xảy ra hiện tượng này do
có sự phân tập vị trí khá đa dạng.
Việc thiết kế một mạng WSN tân tiến là một nhiệm vụ khó khăn trước vô cùng
nhiều chọn lựa về công nghệ hiện đang có mặt trên thị trường. Lựa chọn phương pháp
tiếp cận nên bắt đầu từ việc lựa chọn hình thức mạng. Hiện tại, mạng hình lưới chắc
chắn là sự lựa chọn số 1 trong các ứng dụng của WSN. Sự lựa chọn tiếp theo là lựa
chọn giữa phương pháp định tuyến hay phương pháp phủ sóng. Việc lựa chọn này phụ
thuộc vào ứng dụng và quy mô của riêng từng mạng.
Trong những ứng dụng của các mạng đơn giản với số lượng ít các điểm nút và các
chặng, phương pháp định tuyến có thể là lựa chọn tốt nhất. Còn nếu mạng có phạm vi
rộng với số lượng điểm nút và chặng lớn, đặc biệt là khi lưu lượng và độ tin cậy là yêu
cầu hàng đầu, công nghệ phủ sóng là giải pháp thích hợp hơn.
Những điểm cần quan tâm trong lựa chọn thiết kế các nút cảm biến không dây:
• Các linh kiện cần được chọn theo tiêu chí tiêu thụ năng lượng thấp
• Đảm bảo chống nhiễu cho thiết kế truyền thông RF
• Sử dụng pin hoặc cơ chế dự trữ năng lượng hoặc có cơ chế tự duy trì (tự thu
năng lượng từ dao động của môi trường)
• Thiết kế nhỏ gọn, đảm bảo tính hiện đại
Hệ thống cảnh báo rủi ro cho các công trình công nghiệp
Đề tài cấp bộ 2010
14
• Có khả năng mở rộng hệ thống sẵn sàng cho nhiều ứng dụng
Trên đây chúng tôi đã nêu những kết quả khảo sát, đánh giá cần thiết về hệ thống
giám sát rủi ro các công trình công nghiệp, về cấu trúc hệ thống, xu hướng phát triển
và xu hướng ứng dụng của hệ thống, trình bày những vấn đề kỹ thuật xung quanh cảm
biến không dây của hệ thống. Quan trọng hơn, qua kết quả khảo sát, chúng tôi đã lựa
chọn được hướng nghiên cứu thiết kế của đề tài: xây dựng hệ thống giám sát rủi ro các

công trình công nghiệp ứng dụng mạng cảm biến không dây thông minh. Đây là một
hướng nghiên cứu đúng đắn, phù hợp với xu thế nghiên cứu ứng dụng các hệ thống
giám sát đo lường trên thế giới, đồng thời tạo điều kiện cho các doanh nghiệp, các cơ
sở sản xuất trong nước có điều kiện ứng dụng các công nghệ tiên tiến với giá thành của
người Việt, vừa cải thiện điều kiện làm việc, giảm thiểu các thiệt hại về người về của,
nâng cao tính an toàn và nâng cao hiệu quả cho các công trình nói chung, các công
trình công nghiệp nói riêng.
Hệ thống cảnh báo rủi ro cho các công trình công nghiệp
Đề tài cấp bộ 2010
15
PHẦN 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHẦN CỨNG
Như đã phân tích, nhận định trong phần I, Đề tài lựa chọn thiết kế hệ thống giám
sát rủi ro cho các công trình công nghiệp sử dụng mạng cảm biến không dây thông
minh. Với mục tiêu xây dựng được một hệ thống quản lý, giám sát hoàn chỉnh, vừa
mang tính hiện đại, vừa đáp ứng các yêu cầu, điều kiện kỹ thuật và ứng dụng của Việt
Nam, đồng thời xác định đây là một hướng nghiên cứu mới, nhiều thách thức và khó
khăn, chúng tôi dự kiến thực hiện đề tài trong hai năm, từng bước hoàn thiện thiết kế
cũng như ứng dụng của hệ thống cho phù hợp nhất, khả thi nhất tại thời điểm hiện tại,
đồng thời cũng tính đến những hướng mở cho hệ thống. Đề tài được thực hiện theo hai
giai đoạn. Năm thứ nhất, đề tài tập trung nghiên cứu chế tạo các module cảm biến
không dây và thiết kế ứng dụng; trong năm thứ hai, đề tài sẽ tập trung hoàn thiện hệ
thống với các chức năng quản lý và giám sát đầy đủ hướng tới đối tượng ứng dụng cụ
thể.
Để đảm bảo trong một thời gian ngắn có thể sớm thực hiện một khối lượng công
việc khá lớn và tương đối phức tạp, bao gồm nhiều vần đề kỹ thuật và công nghệ mới
so với thực tế ở Việt Nam, chúng tôi chọn một số cách tiếp cận sau:
• Tham khảo các hệ thống cảnh báo rủi ro trong và ngoài nước và dựa vào
điều kiện thực tế của Việt Nam, trên cơ sở đó tiến hành lập phương án thiết
kế hệ thống dựa trên mạng sensor không dây.
• Áp dụng các công nghệ mới nhất về sensor không dây để đưa vào thiết kế.

• Lựa chọn chế tạo các module thiết bị.
• Thiết kế và phản biện thiết kế.
Trong phạm vi nghiên cứu thiết kế của năm thứ nhất: Phần II của Báo cáo sẽ tập
trung vào việc nghiên cứu, lựa chọn giải pháp và đưa ra thiết kế hệ thống và thiết kế
các module không dây của hệ thống đáp ứng các yêu cầu của một hệ thống giám sát đo
lường, vừa đảm bảo tính ổn định, tin cậy trong truyền thông không dây, vừa đảm bảo
tính hiện đại, tính mở và đảm bảo mục tiêu kinh tế của thiết kế.
2.1 THIẾT KẾ TỔNG THỂ VÀ CÁC GIẢI PHÁP THIẾT KẾ
Các cảm biến cùng các hệ thống đo lường giám sát các thông số môi trường
không còn là những công nghệ mới, tuy nhiên trong một vài năm gần đây, người ta có
xu hướng sử dụng những dữ liệu thu được để giám sát tình trạng hệ thống, giám sát,
quản lý các thông số ảnh hưởng đến kết cấu, tuổi thọ công trình, cảnh báo các mối
nguy hiểm, đảm bảo môi trường và điều kiện làm việc cũng như giảm thiểu các chi phí