Proceedings VCM 2012 43 nghiên cứu và phát triển hệ thống giám sát môi trường trên

Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 329


Mã bài: 68
Nghiên cứu và phát triển hệ thống giám sát môi trường trên
nền mạng di động không dây băng thông rộng WIMAX 4G
Research and development environment supervising system
based on broadband wireless mobile network WIMAX 4G
Đỗ Anh Tuấn, Nguyễn Đăng Chung, Nguyễn Thành Long,
Chu Ngọc Liêm, Phạm Ngọc Minh, Thái Quang Vinh
Phòng Công nghệ Tự Động Hóa – Viện Công nghệ Thông tin Việt Nam
e-Mail:


Tóm tắt
Tự động hóa là xu thế của tương lai. Để đáp ứng các tiêu chuẩn hiện nay về vận hành hiệu quả và chi phí
thấp, rất nhiều nơi đã lắp đặt hệ thống SCADA, cho phép thu thập số liệu, giám sát và điều khiển các thiết bị từ
xa qua trung tâm điều hành. Mỗi hệ thống SCADA có những yêu cầu và đòi hỏi riêng, do đó việc lựa chọn
kiểu truyền tin có thể trở nên khó khăn. Một trong những công nghệ truyền tin từ xa đã và đang được phát triển
mạnh mẽ trong thực tiễn là công nghệ truyền dữ liệu qua mạng không dây di động GSM/GPRS/3G/WIMAX
4G.
Abstract
Automation is the trend of the future. In oder to meet modern standards about efficient operation and low
cost, a lot of units have been integrated SCADA system, permitting remote data acquisition, supervising and
controlling devices from operating station. Each SCADA system has particular requirements, thus it is hard to
choose the communication solution. One of the current strong developing communication technology is data
transfer technology based on broadband wireless mobile network GSM/GPRS/3G/ WIMAX 4G


Chữ viết tắt
DI

Digital Input

DO

Digital Output

AI

Analog Input

DDE

Dynamic Data Exchange

PLC

Programable Logic Controller

PAC

Programmable Automation
Controller
SCADA

Supervisory control and data
acquisition
VB

Visiual Basic

1. Đặt vấn đề
Trên thế giới, một số hãng công nghệ như ABB đã
ứng dụng công nghệ không dây GSM/GPRS trong
các sản phẩm thiết bị công nghiệp như thiết bị đo
lưu lượng FlowMeter có tích hợp module
GSM/GPRS cho phép trung tâm điều khiển giám
sát mạng lưới tuyến ống cung cấp nước sạch qua
mạng điện thoại di động.
Ở Việt Nam, trong nhiều ngành công nghiệp và
khoa học kỹ thuật như Ngành Dự báo khí tượng
thủy văn, Ngành Quản lý môi trường, Ngành Địa
chất, Ngành nông nghiệp … nhu cầu về việc thu
thập dữ liệu từ nhiều trạm đầu cuối phân bố trong
một khoảng không gian rộng, địa hình phức tạp về
một trung tâm duy nhất là có thực. Do đó, đòi hỏi
cấp thiết cần phải có một giải pháp toàn diện cho
phép giám sát các điểm đo trên diện rộng theo thời
gian thực.
WIMAX 4G với thế mạnh là phủ sóng Internet
không dây băng thông rộng, không căn cứ vào địa
hình bằng phẳng hay hiểm trở, nên rất phù hợp cho
việc phổ cập Internet băng thông rộng tại mọi
miền đất nước, kể cả các vùng sâu, vùng xa của
Việt Nam.
Trên thị trường có cung cấp một số hệ thống giám
sát - thu thập dữ liệu - cảnh báo - điều khiển từ xa
qua mạng GMS và internet, như Netrix, OPSIS –
AQM, nhưng giá thành rất cao (hàng trăm nghìn

đô la Mỹ) và chế độ bảo hành, bảo trì rất khó khăn
330 Đỗ Anh Tuấn, Nguyễn Đăng Chung, Nguyễn Thành Long, Chu Ngọc Liêm, Phạm Ngọc Minh, Thái Quang Vinh


VCM2012
trong quá trình vận hành hệ thống khi triển khai
trong nước.
Hiện nay, Viện Công nghệ thông tin (Viện CNTT)
đang hợp tác với công ty Đông Dương Telecom
cùng triển khai hạ tầng mạng và cung cấp dịch vụ
WIMAX 4G thử nghiệm tại tỉnh Đắk Lắk trong
phạm vị đề tài TN3/C07 thuộc chương trình Tây
Nguyên 3.
Một trong những hướng nghiên cứu chính của đề
tài là nghiên cứu phát triển hệ thống giám sát môi
trường qua mạng viễn thông WIMAX 4G trên nền
tảng công nghệ PAC CompactLogix của hãng
Rockwel Automation.
2. Hệ thống giám sát môi trường qua
mạng viễn thông WIMAX 4G
2.1 Mô hình hệ thống giám sát môi trường
Với mục tiêu xây dựng hệ thống giám sát môi
trường trên nền mạng di động không dây băng
thông rộng WIMAX 4G, chúng tôi xây dựng hệ
thống theo mô hình sau:
 Các trạm đo môi trường
 Máy chủ tại trung tâm giám sát
 Phần mềm thu thập dữ liệu trên máy chủ
 Hạ tầng mạng viễn thông WIMAX 4G

H. 1 Mô hình hệ thống giám sát môi trường từ xa qua mạng viễn thông WIMAX 4G

Trong đó, hệ thống hạ tầng mạng viễn thông
WIMAX 4G được cung cấp bởi công ty Đông
Dương Telecom trên địa bàn thử nghiệm là tỉnh
Đắk Lắk. Hệ thống này chạy trên băng tần 2500 -
2690 Mhz và có tốc độ truyền dữ liệu 70Mbps,
cung cấp khả năng kết nối internet không dây
nhanh gấp 7 lần mạng 3G, là nền tảng cho các ứng
dụng thời gian thực như dịch vụ giám sát môi
trường, dịch vụ thông tin dựa trên vị trí (LBS),
dịch vụ hội nghị trực tuyến (Video Conference),
dịch vụ giám sát hình ảnh (Camera
Monitoring) v.v

2.2 Hệ thống phần cứng trạm đo môi trường

Hệ thống giám sát môi trường có các tính năng
chính sau :
 Thu thập dữ liệu từ các cảm biến đo
 Truyền dữ liệu không dây về trung tâm giám
sát qua mạng băng thông rộng WIMAX.
 Thu thập và lưu dữ liệu đo trên máy chủ của
trung tâm giám sát.
Các trạm đo môi trường được thiết kế trên nền
tảng công nghệ PAC CompactLogix của Rockwell
Automation cho phần điều khiển cục bộ và công

nghệ PSoC cho các module cảm biến đo lường.






H. 2 Bộ điều khiển CompactLogix
Hệ thống PAC CompactLogix là một hệ thống
điều khiển nhỏ, mạnh mẽ, linh hoạt và tiện dụng
với bộ nhớ lên đến 512KB và khả năng mở rộng
Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 331


Mã bài: 68
tối đa 30 module Compact I/O. Đây là hệ thống có
chất lượng tương đương tiêu chuẩn Mỹ và giá
thành phù hợp với thị trường châu Á. Hệ thống
PAC CompactLogix được tích hợp một khối
CPU, các khối vào ra, nguồn cấp ngoài qua
connector nguồn và khối End Cap. hối End Cap
nằm ngoài cùng bên phải của hệ thống nhằm mục
đích chống nhiễu phản hồi. PLC sử dụng trong đề
tài là CompactLogix L23E – QBFC đã tích hợp
sẵn 16 đường DI/DO, 4 cổng AI (đơn hoặc vi sai).
Với mục tiêu đo 8 thông số môi trường là : nồng
độ khí CO, CO2, NO2, CH4, SO2, nhiệt độ, độ
ẩm, độ ẩm đất, hệ thống PAC CompactLogix
L23E-QBFC được gắn thêm 01 module AI có mã
hiệu là 1769-IF4 có 4 đầu vào AI. Tất cả 8 đầu vào

AI này có thể được tùy biến để kết nối với các cơ
cấu cảm biến khác nhau, tương thích với các dải
tín hiệu cảm biến phổ thông 0-20mA, 4-20mA, 0-
5V, 0-10V.
Ngoài ra, 16 DI của hệ thống có thể được kết nối
với các cảm biến mức có mức logic 1 là 24V.
Trong đề tài này, chúng tôi sử dụng 2 DI cho mục
đích báo cháy/báo khói và cảnh báo có người xâm
nhập tủ điều khiển (bằng một công tắc liên động
với cánh cửa của tủ điều khiển).
Để phục vụ cho việc kết nối tủ điều khiển của trạm
đo môi trường lên mạng viễn thông WIMAX 4G,
chúng tôi sử dụng module kết nối không dây
RadioLinx RLXIB-IESC của hãng Prosoft.
Module này chịu trách nhiệm truyền dữ liệu từ
trạm đo lên máy chủ qua mạng viễn thông
WIMAX 4G. Đây là module kết
nối không dây theo tiêu chuẩn công nghiệp với
khả năng hỗ trợ khoảng cách kết nối tối đa lên tới
30Km, rất phù hợp với việc triển khai trên địa bạn
đồi núi Tây Nguyên.




H. 3 Module thu phát sóng không dây RadioLinx


H. 4 Mô hình kết nối mạng không dây sử dụng
RadioLinx

Các bộ cảm biến đo các thông số môi trường một
số sử dụng các bộ có sẵn, một số được nhóm chế
tạo trên nền công nghệ PSoC, sử dụng phần mềm
OrCad, Pad2007 để thiết kế phần cứng; sử dụng
phần mềm PSoC Designer để viết firmware cho
chíp PSoC.


H. 5 Bộ cảm biến đa năng đo 4 thông số nhiệt
độ, độ ẩm, nồng độ khí CH4 và CO
Hình 5 là bộ cảm biến đa năng, đo 4 thông số nhiệt
độ, độ ẩm, nồng độ khí CO và nồng độ khí CH4.
Bộ cảm biến đa năng được trang bị các sensor có
độ chính xác cao của hãng E2V, nước Anh. Các
thông số đo được đều có độ chính xác <2%, đáp
ứng đầy đủ các yêu cầu của hệ thống. Bộ cảm biến
đa năng này có tích hợp màn hình LCD để hiển thị
các thông số cảm biến tức thời để tiện việc theo
dõi tại chỗ và làm cơ sở để chỉnh định các thông
số khi đưa lên hệ thống. Đồng thời, bộ cảm biến có
tích hợp thêm cổng truyền thông RS232 để tiện
việc kết nối với các thiết bị khác khi cần thiết.

332 Đỗ Anh Tuấn, Nguyễn Đăng Chung, Nguyễn Thành Long, Chu Ngọc Liêm, Phạm Ngọc Minh, Thái Quang Vinh


VCM2012
2.3 Phần mềm nhúng cho trạm đo môi trường
Hệ phần mềm nhúng viết cho bộ điều khiển PAC

CompactLogix L23E được phát triển trên hệ phần
mềm Rockwell Sofware gồm các công đoạn sau :
Để cấu hình IP kết nối mạng Ethernet cho hệ
thống PAC CompactLogix, chúng ta sử dụng phần
mềm BOOTP-DHCP Server.
Để nâng cấp Firmware của bộ PAC
CompactLogix phù hợp với phiên bản phần mềm
lập trình RSLogix5000 , chúng ta sử dụng phần
mềm ControlFlash.
Dùng phần mềm RSLINX để cài driver cho các
cổng truyền thông (Ethernet, RS232), để máy tính
có thể làm việc với PLC. RSLINX còn dùng để tạo
OPC/DDE phục vụ việc thu thập dữ liệu từ PLC
lên máy tính và điều khiển PLC từ xa.
Bộ điều khiển PAC CompactLogix L23E được lập
trình logic và cấu hình I/O với phần mềm lập trình
RSLogix 5000.
Dòng CompactLogix của Rockwell có 2 cổng giao
tiếp để kết nối với máy tính cũng như kết nối với
mạng điều khiển : Một cổng RS232 được cách ly
hoàn toàn và có thể nối trực tiếp vào mạng (Ngoại
trừ bộ điều khiển L35 có 2 cổng RS232), và một
cổng RJ45 để kết nối mạng Erthernet. Với hai
cổng truyền thông này, người dùng có thể tích hợp
PLC vào hầu hết các mạng điều khiển. Với bộ
phần mềm mạnh mẽ đi kèm, chúng ta có thể dễ
dàng kết nối PLC với máy tính để lập trình, debug,
điều khiển PLC hay thu thập số liệu từ PLC lên
máy tính.
RSLogix5000 là phần mềm chuyên dụng để lập

trình cho các dòng PLC của Rockwell. Đây là một
phần mềm mạnh, tích hợp cả 3 ngôn ngữ lập trình
là : lập trình hình thang (ladder), lập trình hình
khối (Block) và lập trình bằng mã nguồn (Source
Code). Trong đề tài này, chúng tôi sử dụng ngôn
ngữ lập tình Ladder. Phần mềm nhúng cho hệ PAC
CompactLogix có chức năng thu thập các thông số
từ các cảm biến và truyền dữ liệu lên server qua
mạng viễn thông WIMAX 4G bằng module
RadioLinx của Prosoft.

2.4 Phần mềm thu thập dữ liệu trên máy chủ.
Phần mềm trên server có nhiệm vụ nhận dữ liệu từ
trạm đo môi trường gửi lên, tổ chức, lưu trữ, quản
lý và tạo báo cáo theo yêu cầu. Có nhiều công cụ
lập trình có thể đáp ứng yêu cầu trên như C, C++,
VB, dotNet

H. 6 Biểu đồ luồng dữ liệu giữa người sử dụng
và phần mềm trên máy chủ

Trong phạm vi đề tài, chúng tôi sử dụng công cụ
Visiual Basic vì dễ dàng tạo giao diện thân thiện
với người sử dụng, kết hợp với kỹ thuật rất phổ
biến là DDE. DDE (Dynamic Data Exchange) là
một phương thức truyền thông liên quá trình theo
đó một chương trình có thể truyền thông với hoặc
điều khiển tới một chương trình khác. Chức năng
chính của DDE là để cho các ứng dụng trên nền
Windows có thể chia sẻ dữ liệu.

H. 7 Biểu đồ định nghĩa chức năng phần mềm
SCADA

Chúng ta có thể thu thập bất kỳ số liệu nào của
PAC CompactLogix đưa lên máy tính thông qua
phần mềm RSLinx. Sau khi đã kết nối RSLinx với
PAC CompactLogix, chúng ta sẽ dùng RSLinx tạo
ra đối tượng DDE chứa các thông số của PAC
CompactLogix. Chúng ta sẽ dùng VB lấy số liệu
từ DDE này.
Giao diện của phần mềm thu thập dữ liệu trên
server có dạng như sau:



Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 333


Mã bài: 68

H. 8 Giao diện phần mềm thu thập và quản lý dữ liệu trên máy chủ
Phần mềm này có 2 chế độ giám sát là:
 Manual : Chế độ giám sát bằng tay, chỉ nhận
số liệu về và hiển thị khi nhấn nút Request.
Ghi số liệu vào file bằng tay.
 Automatic : Tự động lấy mẫu và ghi dữ liệu
lên file sau mỗi khoảng thời gian Sample
Time.

Phần mềm trên là một thành phần trong hệ thống
giám sát môi trường từ xa thông qua mạng viễn
thông WIMAX 4G. Với những dữ liệu thu được
như trên, ta hoàn toàn có thể tích hợp với hệ thống
phần mềm giám sát và điều khiển SCADA trên
trung tâm giám sát hệ thống.
3. Kết luận
Các thành phần chính của hệ thống giám sát môi
trường gồm trạm đo môi trường và phần mềm thu
thập dữ liệu trên máy chủ tại trung tâm giám sát đã
được xây dựng thành công, chạy thử nghiệm tốt,
ổn định với các thông số môi trường được thu thập
chính xác qua mạng di động băng thông rộng
WIMAX 4G theo thời gian thực. Với giải pháp
như trên, chúng ta không chỉ giám sát mà còn có
khả năng điều khiển ngược lại hệ thống, có nghĩa
là chúng ta có thể xây dựng một hệ thống giám sát,
điều khiển toàn diện. Với các khả năng mở của hệ
thống PAC CompactLogix của Rockwell
Automation, trạm đo môi trường ES-RTU315
không chỉ có thể giám sát các thông số môi trường
mà có khả năng giám sát (và điều khiển) cho nhiều
hệ thống trong nhiều ngành khác như các nhà máy,
xí nghiệp sản xuất; các hệ thống giám sát khí
tượng, thủy văn; giám sát các môi trường độc hại,
nguy hiểm trong các nhà máy; trợ giúp trong sản
xuất nông nghiệp

LỜI CẢM ƠN
Nghiên cứu được sự tài trợ từ Đề tài Phòng thí

nghiệm trọng điểm về Công nghệ Mạng và Đa
phương tiện năm 2011-2012. Các tác giả xin gửi
lời cảm ơn chân thành tới Ban lãnh đạo Phòng thí
nghiệm trọng điểm Công nghệ Mạng và Đa
phương tiện và viện Công nghệ thông tin, Viện
Khoa học và Công nghệ Việt Nam hỗ trợ về kinh
phí và trang thiết bị đề chúng tôi thực hiện nghiên
cứu.

Tài liệu tham khảo
[1] Đỗ Anh Tuấn, Phạm Ngọc Minh, Nguyễn
Thành Long : Giới thiệu hệ thống PAC
CompactLogix. Tự Động Hóa ngày nay, tháng
7/2012
[2] Allen Bradley : Logix5000 Controllers Quick
Start
[3] Allen Bradley : Logix5000 Controllers IEC
61131-3 Compliance
[4]
[5] Microsoft : How to Use DDE in Visual Basic to
Communicate with Other Windows Programs
[6] Microsoft : Example of Client-Server DDE
Between Visual Basic Applications
[7] Cypress : PSoC Programable System-On-Chip,
Technical Reference Manual
[8] Cypress: CY8C29x66 Final Data Sheet