Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển trạm BTS

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------NGÔ VĂN THIỆN

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRẠM BTS

Chuyên ngành : ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
1. Ts Nguyễn Nam Quân

Hà Nội – Năm 2013

1


MỤC LỤC
TRANG PHỤ BÌA
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ............................................. 6
DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................. 7
DANH MỤC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ…………………………………………….8
CHƯ NG I TỔNG QU N HỆ TH NG ...................................................... 15
1 T NH CẤP THIẾT CỦ ĐỀ T I ........................................................... 15
2 C C GIẢI PH P HỆ TH NG HIỆN C TR N THỊ TRƯỜNG ......... 17
2.1. Giải pháp quản lý nhà trạm BTS – Công ty Cổ phần Tập đoàn MV
Technology ............................................................................................... 17
2.2. Hệ thống giám sát điều khiển trạm từ xa SMC – Station Monitoring
Centre – Công ty Cổ phần ứng dụng khoa học và chuyển giao công nghệ

cao High Technologies Transfer and Scientific Application..,JSC .......... 18
2.3. Thiết bị giám sát và điều khiển từ xa cho trạm BTS – Công ty TNHH
ứng dụng và phát triển công nghệ ECAPRO ............................................ 19
2.4. . Hệ thống giám sát trạm viễn thông từ xa Quantra X – Join Stock
Company ................................................................................................... 20
3

TƯỞNG THỰC HIỆN ĐỀ T I ........................................................... 21
3.1. Chức năng điều khiển ........................................................................ 21
3.2. Chức năng giám sát............................................................................ 22
3.3. Chức năng kết nối .............................................................................. 23

4 X C ĐỊNH PHẠM VI ỨNG DỤNG V MỤC TI U CỦ ĐỀ T I ... 23

2


4 1 Xác định phạm vi ứng dụng của đề tài .............................................. 23
4 2 Xác định mục tiêu của đề tài .............................................................. 24
4 3 Phương pháp nghiên cứu đề tài ......................................................... 30
CHƯ NG II S ĐỒ KH I HỆ TH NG VÀ GIẢI PHÁP THỰC HIỆN…32
1 S ĐỒ KH I HỆ TH NG ..................................................................... 31
2. GIẢI PHÁP THỰC HIỆN HỆ TH NG ............................................... 32
2.1. Giải pháp giám sát trạng thái nhà trạm .............................................. 32
2.1.1. Nhận biết trạng thái mở cửa ........................................................ 32
2.1.2. Nhận biết cảnh báo cháy .............................................................. 33
2.1.3. Nhận biết thông số nhiệt độ môi trường ...................................... 33
2 1 4 Đo đạc thông số hoạt động của hệ thống..................................... 34
2.2. Giải pháp điều khiển thiết bị nhà trạm............................................... 35
2 2 1 Điều khiển điều hòa nhiệt độ ....................................................... 35

2 2 2 Điều khiển quạt thông gió ........................................................... 36
2.2.3. Thiết bị báo động (Tùy chọn) ...................................................... 37
2.3. Giải pháp kết nối người dùng từ xa ................................................... 37
2.4. Giải pháp cập nhật Firmware từ xa.................................................... 38
CHƯ NG III THIẾT KẾ PHẦN CỨNG ...................................................... 40
1. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ TH NG ................................... 40
2 S ĐỒ KH I MẠCH ĐIỆN CHỨC NĂNG .......................................... 45
2 1 Sơ đồ mạch kết nối (Connector) ..................................................... 45
2.2. Thiết kế mạch điều khiển (ATS) .................................................... 48
2 3 Sơ đồ mạch trung tâm (Main)......................................................... 52
3


CHƯ NG IV PHÂN T CH V THIẾT KẾ PHẦN MỀM........................... 64
1. TỔNG QUAN HOẠT ĐỘNG CỦA PHẦN MỀM HỆ TH NG ............ 64
2. CHỨC NĂNG PHẦN MỀM HỆ TH NG .............................................. 65
2.1. CHỨC NĂNG ĐO ĐẠC THÔNG S HỆ TH NG ......................... 65
2.2. Chức năng điều khiển hệ thống ......................................................... 68
2.3. Chức năng truyền thông với hệ thống giám sát trung tâm. ............... 72
2.3.1. Cấu trúc bản tin truyền thông ...................................................... 72
2.3.2. Chức năng update firmware từ xa ............................................... 77
2.4. Chức năng thu thập và xử lý dữ liệu trên Server ............................... 79
2.4.1. Mô tả nguyên tắc hoạt động của phần mềm ................................ 79
2.4.2. Mô tả nguyên lý luồng dữ liệu..................................................... 80
2.4.3. Mô tả tính năng phần mềm .......................................................... 83
2.4.3.1. Chức năng danh mục điều hòa trạm ...................................... 83
2.4.3.2. Chức năng danh mục máy phát ............................................. 84
2.4.3.3. Chức năng danh mục cảnh báo.............................................. 85
2.4.3.4. Chức năng danh mục tổ Acquy ............................................. 86
2.4.3.5. Chức năng cấu hình danh sách nhận tin nhắn cảnh báo ........ 87

2.4.3.6. Chức năng cấu hình bản tin giám sát .................................... 88
2.4.3.7. Chức năng cấu hình ngưỡng trạng thái ................................. 89
2.4.3.8. Chức năng báo cáo dữ liệu .................................................... 90
2.4.3.9. Chức năng lấy cảnh báo thông tin nhà trạm .......................... 91
2.4.3.10. Chức năng lấy thông số hiện trạng nhà trạm ....................... 93
CHƯ NG V - KẾT LUẬN VÀ BÀN LUẬN ................................................ 97
4


1. NỘI DUNG CÔNG VIỆC THỰC HIỆN ĐƯỢC .................................... 97
2 Đ NH GI KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐƯỢC ........................................ 98
3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI............................................................. 98
TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………… 100

5


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Kí hiệu, từ viết tắt

Viết đầy đủ

Nghĩa

AC

Alternating Current

Dòng điện xoay chiều

ADC

Analogue Digital Converter

Bộ chuyển đổi tương tự - Số

AT

Attention

Tên một loại tập lệnh giao tiếp

BTS

Base Tranceiver System

Trạm thu phát sóng di động

Complementary metal-oxide

Một công nghệ mới tốn ít năng

semiconductor

lượng

DC

Direct Current

Dòng điện một chiều

DMA

Direct Memory Access

Truy cập bộ nhớ trực tiếp

DNS

Domain Name System

Hệ thống phân giải tên miền

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

GPRS

General Packet Radio Service

Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp

HTTP

Hyper-Text Transfer Protocol

CMOS

Giao thức truyền tải siêu văn
bản

Institude of Electrical and

Một tổ chức về điện, điện tử có

Electronics Engineers

uy tín trên thế giới

MIPS

Million instructions per second

Triệu lệnh trên giây

NOC

Network Operation Center

Trung tâm điều hành mạng

PWM

Pulse Width Modulation

Điều chế độ rộng xung

SMS

Short Message Service

Dịch vụ tin nhắn ngắn

SMSC

Short Message Service Center

SPI

Serial Peripheral Interface

SMS

Short Message Service

IEEE

6

Trung tâm dịch vụ tin nhắn
ngắn
Một giao thức truyền song
công
Dịch vụ tin nhắn ngắn

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1 - Tính năng điều khiển của hệ thống ................................................. 22
Bảng 2 - Tính năng giám sát của hệ thống ..................................................... 22
Bảng 3 - Ch tiêu k thuật của hệ thống Giám sát và Điều khiển trạm BTS . 24
Bảng 4 – Sơ đồ chân module PTB48580 ........................................................ 46
Bảng 5 – Sơ đồ chân của module nguồn TPS5430 ......................................... 47
Bảng 6 - Tham số cho mô hình Op – mp lý tưởng. ..................................... 52
Bảng 7 - Mô tả tính năng phần mềm giám sát và điều khiển của hệ thống. ... 64
Bảng 8 – Các tham số cấu hình cho ATS ....................................................... 67
Bảng 8 – Cấu trúc bản tin truyền thông. ......................................................... 72
Bảng 9 – Cấu trúc bản tin đo lường ................................................................ 73
Bảng 10 – Tham số thông tin thiết bị .............................................................. 73
Bảng 11 – Cấu trúc bản tin.............................................................................. 74
Bảng 12 – Danh mục các cảnh báo hệ thống gửi lên server ........................... 75
Bảng 13 – Cấu trúc bản tin.............................................................................. 76
Bảng 14 – Cấu trúc bản tin.............................................................................. 77
Bảng 15 – Quy trình nhận thông tin từ Agent. ............................................... 81
Bảng 16 – Nhận thông tin điều khiển từ NOC................................................ 81
Bảng 18 – Danh mục chức năng máy phát điện. ............................................ 84
Bảng 19 – Danh mục chức năng cảnh báo ...................................................... 85
Bảng 20 – Chức năng danh mục tổ acquy. ..................................................... 86
Bảng 21 – Chức năng cấu hình danh sách nhận tin nhắn cảnh báo. ............... 87
7


Bảng 22 – Chức năng cấu hình khung nhìn giám sát. .................................... 88
Bảng 23 – Chức năng cấu hình ngưỡng trạng thái ......................................... 89
Bảng 24 – Chức năng báo cáo dữ liệu ............................................................ 90
Bảng 25 – Chức năng lấy thông tin cảnh báo nhà trạm. ................................. 91
Bảng 26 – Chức năng thông số hiện trạng nhà trạm ....................................... 93

Bảng 27 – Thông tin trạng thái hiện tại nhà trạm. .......................................... 95
Bảng 28 – Thông tin trạng thái hiện tại Acquy............................................... 95
Bảng 29 – Thông tin trạng thái hiện tại nguồn điện ……………………… 96

8


DANH MỤC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ
Hình 1 – Nhu cầu thực tế của nhà trạm viễn thông. ....................................... 16
Hình 2 – Giải pháp giám sát và điều khiển của ECAPRO. ............................ 19
Hình 3 – Sơ đồ khối hệ thống. ........................................................................ 31
Hình 4 – Mô hình hệ thống truyền thông nhà trạm – trung tâm. .................... 37
Hình 5 - Sơ đồ khối tổng quan hệ thống giám sát điều khiển trạm BTS……37
Hình 6 - Sơ đồ hệ thống nguồn điện trước thiết bị giám sát điều khiển…… 39
Hình 7 - Sơ đồ hệ thống điện sau khi lắp thiết bị giám sát điều khiển……...39
Hình 8 – Sơ đồ khối hệ thống giám sát và điều khiển. ................................... 43
Hình 9 - Sơ đồ chức năng phần cứng hệ thống giám sát và điều khiển…… 41
Hình 10 – Mạch in PCB mạch kết nối (Connector)........................................ 45
Hình 11 – Sơ đồ nguyên lý khối nguồn TPS5430 .......................................... 47
Hình 12 – Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý dung Pic 18F4520. ........................... 48
Hình 13 – Sơ đồ nguồn AP1117. .................................................................... 49
Hình 14 – Sơ đồ nguyên lý mạch detect trạng thái. ........................................ 49
Hình 15 – Mạch detect AC Lưới – Máy phát. ................................................ 50
Hình 16 – Mạch đệm điều khiển ULN2803.................................................... 50
Hình 17 – Mạch điều khiển dùng relay. .......................................................... 51
Hình 18 – Mạch khuếch đại thuật toán lý tưởng............................................. 52
Hình 19 – Mạch khuếch đại đảo dùng Oamp. ................................................ 52
Hình 20 – Mạch lặp điện áp. ........................................................................... 53
Hình 21 – Mạch ch nh lưu hạn chế 2 diode. ................................................... 54
Hình 22 - Ứng dụng mạch ch nh lưu hạn chế mức 0 dùng 2 diode. ............... 54

9


Hình 23 – Mạch đo điện áp DC. ..................................................................... 55
Hình 24 – Mạch chia áp. ................................................................................. 55
Hình 25 – Mạch đo dòng điện DC. ................................................................. 58
Hình 26 – Mạch đo dòng điện AC. ................................................................. 59
Hình 27 – Khối đo điện áp AC. ...................................................................... 59
Hình 28 – Mạch xử lý điện áp đo C ............................................................ 60
Hình 29 – Mạch xử lý trước DC đo điện áp AC. ......................................... 60
Hình 30 – Dạng tín hiệu so sánh sau khi xử lý. .............................................. 61
Hình 31 – Cấu tạo ULN2803A. ...................................................................... 61
Hình 32 – Sơ đồ nguyên lý mạch detect tín hiệu đầu vào. ............................. 62
Hình 33 – Mạch tạo dữ liệu thời gian thực. .................................................... 63
Hình 34 – Giao diện hiển thị giám sát từ xa. .................................................. 66
Hình 35 – Mức ưu tiên điện áp cấp cho trạm BTS. ........................................ 69
Hình 37 – Phân tích nguyên lý phân phối điện. .............................................. 70
Hình 38 – Luật điều khiển điều hòa theo nhiệt độ .......................................... 71
Hình 39 - Lưu đồ quá trình gửi bản tin cảnh báo lên Server………………...72
Hình 40 – Mô hình tổng quát chức năng update firmware. ............................ 78
Hình 41 – Các thao tác cập nhật firmware từ xa............................................. 78
Hình 42 – Mô hình luồng xử lý dữ liệu hệ thống giám sát và điều khiển ...... 79
Hình 43 – Mô hình truyền thông Agent và Server. ........................................ 80
Hình 44 – Giao thức TCP IP giữa Agent và Server. ....................................... 80
Hình 45 – Đồng bộ EMS Database và NOC Database. .................................. 82
Hình 46 – Lưu đồ luồng xử lý chức năng điều hòa trạm. ............................... 83
10


Hình 47 - Lưu đồ luồng xử lý chức năng danh mục máy phát……………....81

Hình 48 – Lưu đồ luồng xử lý chức năng cảnh báo........................................ 85
Hình 49 - Lưu đồ chức năng danh mục cquy………………………….......83
Hình 50 – Biểu đồ luồng xử lý chức năng danh sách nhận tin cảnh báo…....87
Hình 51 – Lưu đồ cấu hình khung nhìn giám
sát……………………………85
Hình 52 - Lưu đồ cấu hình ngưỡng trạng
thái……………………………….86
Hình 53 - Lưu đồ chức năng báo cáo dữ liệu………………………………..87
Hình 54 - Lưu đồ lấy thông tin cảnh báo nhà trạm………………………….90
Hình 55 - Lưu đồ lấy thông tin trạng thái hiện trạng nhà trạm…………… .91

11


Ở ĐẦU
Mô hình về hệ thống thu thập và xử lý dữ liệu với nhiều trạm từ lâu đ là một
đề tài quen thuộc và được nghiên cứu c ng như ứng dụng nhiều trong thực tế Với
sự phát triển của Internet, truyền thông và công nghệ thông tin kết hợp với những
tiến bộ khoa học k thuật gần đây đ tạo điều kiện cho việc thiết kế và xây dựng
nhiều hệ thống giám sát và cảnh báo từ xa với mô hình liên kết trong phạm vi rộng
và số lượng lớn các trạm giám sát
Với sự phát triển không ngừng của công nghệ điều khiển và giám sát, không
ch được nghiên cứu trong khoa học và công nghệ mà còn được áp dụng trong rất
nhiều l nh vực như đời sống x hội, công nghiệp, bảo vệ môi trường Trong l nh
vực viễn thông, với mô hình các trạm BTS được lắp đặt trong nhiều v ng, trong
phạm vi diện tích lớn đòi h i cần phải có sự đảm bảo về tính vận hành ổn định và
giảm thiểu khả năng h ng hóc hệ thống do các yêu tố môi trường như nhiệt độ, đổ
m hay các yếu tố k thuật như nguồn điện, quy trình vận hành, quá trình hoạt động
của thiết bị

Chính vì thế, yêu cầu cần phải có 1 hệ thống có thể giám sát được các

thông số k thuật và điều kiện môi trường của từng trạm BTS Bên cạnh đó, hệ
thống c ng phải cung cấp được khả năng tự động xử lý tình huống trong các trường
hợp xuất hiện các cảnh báo nguy hiểm
Thử tưởng tượng với mật độ trung bình của mạng lưới các trạm BTS trên 1
huyện của TP Thanh Hóa là 70 - 90 trạm phân bố đều trên phạm vi cả huyện Số
lượng các trạm phải được phân bố đều trên diễn tích cả huyện Trong những đợt
ngành Điện Lực tiến hành cắt điện luân phiên trên diện rộng, trung bình từ 20-40
trạm s n m trong phạm vi cắt điện L c đó để đảm bảo duy trì thông tin trong
phạm vi bị cắt điện, các trạm BTS phải được chạy máy nổ ứng cứu trong trường
hợp nguồn điện acquy của trạm không đảm bảo được cho các thiết bị Vậy thì s
phải có hàng chục nhân viên, cộng tác viên s phải luân phiên trực chiến Đó là còn
chưa kể đến khi những sự cố mất điện hay thiên tai xảy đến đột ngột, với những khu
vực có địa hình hiểm trở, s rất khó khăn để đảm bảo nguồn lực về con người và
khả năng ứng cứu tức thời Đó là một ví dụ r ràng nhất cho thấy cần 1 hệ thống
12


giám sát và xử lý tự động tại trạm Ngoài ra, với 1 hệ thống vận hành tự động s
gi p cho hệ thống các trạm BTS được hoạt động một cách chính xác, giảm thiểu sai
sót do chủ quan của nhân viện vận hành
Để đáp ứng những đòi h i cấp thiết như thế, đề tài Nghiên cứu, thiết kế chế
tạo hệ thống giám sát điều khiển trạm BTS tập trung vào thực hiện đầy đủ các tính
năng cần thiết cho một hệ thống giám sát và tự động điều khiển trạm BTS Nh m
mục đích h trợ và tối ưu hóa cho quá trình vận hành của nhân viên k thuật tại
trạm c ng như công tác kiểm tra, theo d i và ứng cứu trong các tình huống phát
sinh l i k thuật Bên cạnh yêu tố là đáp ứng các chức năng cơ bản nhất của một hệ
thống giám sát và điều khiển đ có trên thị trường và đ được nghiên cứu trước đây,
đề tài c ng tích hợp, bổ sung thêm các tính năng nổi bật để tạo sự khác biệt và có

khả năng cạnh tranh so với các sản ph m đ xuất hiện
Trong quá trình làm đồ án, có những vướng mắc nhất định, không ch về mặt
định hướng mà còn về mặt kiến thức, nhờ đ tiếp thu được sự giảng dậy, ch bảo
nhiệt tình của các thầy cô giáo trong quá trình đào tạo, đ gi p em vượt qua được
những khó khăn, hoàn thành được mục tiêu đề ra Em xin chân thành cảm ơn tới các
thầy cô trong khoa Điện Tử - Viễn Thông, đặc biệt là TS Nguyễn Nam Quân đ
gi p đỡ em rất nhiều trong quá trình thực hiện và hoàn thiện đồ án này
Nội dung của đồ án bao gồm những phần sau đây:
 Chương 1: Tổng quan về hệ thống cần xây dựng. Phân tích tính cấp thiết của
đề tài trong hiện trạng thực tế cả hạ tầng mạng viễn thông Việt Nam Đồng
thời giới thiệu những giải pháp hiện có trên thị trường c ng như nhận x t
đánh giá các sản ph m đó
 Chương 2: Phân tích sơ đồ chức năng của hệ thống cần thực hiện Nêu những
giải pháp, đánh giá và lựa chọn phương án khả thi để thực hiện cho từng
chức năng từng khối của hệ thống
 Chương 3: Trên cơ sở các phương án đ lựa chọn cho từng khối thực hiện hệ
thống, nội dung chương này tiến hành phân tích, tìm hiểu và thực hiện việc
kết nối, lắp ráp các linh kiện điện tử tạo hệ thống phần cứng hoàn ch nh
13


 Chương 4: Dựa trên nhiệm vụ hoạt động từng khối chức năng, nội dung
chương này s tìm hiểu những giải pháp, thuật toán, cách thực hiện các phần
mềm chức năng trên cơ sở các khối phần cứng được thiết kế ở chương 3.
 Kết luận: Đánh giá kết quả thực hiện đề tài, tính khả thi của việc thực hiện hệ
thống Đồng thời đề xuất hướng phát triển tiếp tục của đề tài.

14

CHƯ NG I TỔNG QU N HỆ THỐNG
Nội dung chương này tiến hành phân tích về hiện trạng hạ tầng các trạm BTS
của viễn thông Việt Nam, từ đó đưa ra khái quát về nhu cầu của hệ thống trong thực
tế Đồng thời c ng giới thiệu các giải pháp hiện có trên thị trường của một số công
ty đ và đang áp dụng thực tế Qua đó đưa ra lời nhận x t các giải pháp đó để đưa ra
mô hình tổng quan của hệ thống, các chức năng hệ thống cần thực hiện
T NH CẤP THIẾT CỦ ĐỀ TÀI
Tính đến hết năm 2012, số lượng các nhà trạm BTS trên phạm vi cả nước
chính thức đi vào phát sóng đ lên đến con số 60.000. Số lượng lớn các trạm BTS
được mở rộng khắp trên phạm vi cả nước là minh chứng cho sự phát triển lớn mạnh
không ngừng về cơ sở hạ tầng mạng viễn thông c ng như khả năng phủ sóng của
mạng di động Không ch là đầu tư trong nước, các nhà mạng viễn thông của Việt
Nam c ng đ bước đi những bước đầu tiên của kế hoạch đầu tư sang các thị trường
có tiềm năng ở nước ngoài như Lào, Campuchia, Haiti, Mozambich Đây là các thị
trường tiềm năng để mở rộng đầu tư l nh vực viễn thông Tuy nhiên, trong chính
sách đầu tư tại các nước này, các nhà mạng của Việt Nam s phải tiến hành đầu tư
hạ tầng, cơ sở vật chất k thuật cho các nước bạn Bên cạnh đó, hoàn cảnh thực tế
phải nhìn nhận là đây là các nước k m phát triển, điều kiện về địa hình, đường xá đi
lại rất vất vả Đây là vấn đề tồn tại của hạ tầng các trạm BTS của viễn thông Việt
Nam ở cả thị trường trong và ngoài nước Và đó c ng là một câu h i khó cho bài
toàn về việc vận hành và quản lý hiệu quả c ng như ứng cứu sự cố cho các nhà trạm
BTS với nguồn nhân lực hiện tại còn rất đang hạn chế

15


Hình 1 – Nhu cầu thực tế của nhà trạm viễn thông
Đặc th phân bố của các nhà trạm BTS là trải khắp trên mọi v ng miền với
địa hình rất đa dạng và phức tạp Với những v ng có địa hình hiểm trở và khoảng
cách địa lý xa thì việc có thể theo d i được hiện trạng nhà trạm và ứng cứu thông tin

khi có sự cố là rất khó khăn Hơn nữa nhân công thực hiện nhiệm vụ quản lý và ứng
cứu cho nhà trạm còn chưa có trình độ chuyên môn vững vàng nên hoàn toàn có thể
x y ra sai sót khi thao tác hệ thống Với hệ thống tự động Giám sát và Điều khiển từ
xa, có thể gi p tăng tính tự động hóa và xử lý tình huống kịp thời c ng như đảm bảo
độ tin cậy trong quá trình vận hành nhà trạm BTS
Chính bởi vậy, một hệ thống với chức năng giám sát trạng thái hoạt động của
nhà trạm c ng như trạng thái của môi trường, và song song đó cung cấp khả năng
điều khiển và vận hành hệ thống một cách tự động, xử lý với các cảnh báo đ được
thiết lập s n đ trở thành một nhu cầu cấp thiết trong con đường phát triển và cải
thiện hạ tầng của l nh vực viễn thông Đề tài Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ
thống Giám sát và Điều khiển nhà trạm BTS không phải là mới, nhưng hệ thống
được thiết kế trong đề tài nhắm đến một hệ thống hoàn ch nh về mặt chức năng và
ổn định trong quá trình vận hành Bên cạnh đó, để tăng khả năng cạnh tranh và tạo

16


tính đột phá so với các sản ph m khác, hệ thống được thiết kế thêm chức năng để
mở rộng khả năng tương tác người d ng, c ng như tích hợp công nghệ mới
C C GIẢI PH P HỆ THỐNG HIỆN C

TR N THỊ TRƯỜNG

Mục tiêu xây dựng được một hệ thống giám sát và tự động điều khiển nhà
trạm BTS từ rất lâu đ là một nhu cầu lớn trong l nh vực viễn thông Hệ thống được
thiết kế s phục vụ cho việc h trợ theo d i và vận hành một số thiết bị của trạm từ
xa nh m tạo điều kiện cho quá trình hoạt động của hệ thống thiết bị viễn thông tốt
nhất Trong các năm qua, nắm bắt được nhu cầu này, một số công ty đ tập trung
vào việc phát triển các sản ph m cung cấp giải pháp quản lý nhà trạm BTS Sau đây
s khảo sát một số sản ph m nổi bật trên thị trường trong nước và nước ngoài

2.1. Giải pháp quản lý nhà trạm BTS – Công ty Cổ phần Tập đoàn

V

Technology
- Thiết bị giám sát c ng với các sensor tại nhà trạm ghi nhận trạng thái hoạt động
của nhà trạm viễn thông như trạng thái đóng mở cửa, nhiệt độ, sự cố Hệ thống s
truyền thông tin liên tục về Trung tâm vận hành và giám sát thông qua đường truyền
vô tuyến GPRS Các cảnh báo nguy hiểm s được gửi tin nhắn SMS đến người chịu
trách nhiệm
- Nhờ khả năng điều khiển tự động và từ xa, hệ thống có thể ra lệnh cho các thiết bị
khác tại trạm khởi động máy lạnh, máy phát điện nh m khắc phục khi xảy ra sự
cố
- Hệ thống quản lý tập trung thông qua 1 cơ sở dữ liệu chung, ghi nhận và lưu trữ
dữ liệu dài hạn
- Xuất cảnh báo nhiều cấp: minor, major, critical b ng âm thanh và đ n báo tại
trung tâm vận hành
- Các cảnh báo và điều khiển:
 Cảnh báo đóng mở cửa
 Cảnh báo mất nguồn điện C
 Cảnh báo độ m analog
 Cảnh báo nhiệt độ analog
17


 Điều khiển bật tắt quạt h t, quạt thổi
 Điều khiển bật tắt máy lạnh
 Điều khiển bật tắt máy phát điện
2.2. Hệ thống giám sát điều khiển trạm từ xa S C – Station Monitoring
Centre – Công ty Cổ phần ứng dụng khoa học và chuyển giao công nghệ cao

High Technologies Transfer and Scientific Application..,JSC
Hệ thống SMC - Station Monitoring Centre cho ph p giám sát điều khiển tập
trung các thiết bị điện, điện tử tại các văn phòng, trạm không người, nhà xưởng, kho
b i ở các vị trí địa lý khác nhau tại trung tâm
Người điều hành quan sát được hình ảnh, tình trạng hoạt động của các thiết
bị điện trong tòa nhà, điều khiển thiết bị, can thiệp vào hoạt động của tòa nhà như
có thể tắt được điện, bật máy phát, điều khiển camera
Các đặc trưng của hệ thống SMC:
-

Phát triển dựa trên nền tảng của thiết bị điện thông minh trong hệ
thống điều khiển tòa nhà

-

Giám sát tại ch và giám sát từ xa

-

Giám sát sử dụng năng lượng, điện áp và các thiết bị tiêu thụ điện
năng

-

Giám sát thông số môi trường như nhiệt độ, độ m

-

Điều khiển điện máy nổ khi mất điện

-

Điều khiển bật tắt thiết bị sử dụng điện theo quy trình

-

Phần mềm điều khiển tại trung tâm với giao diện trực quan, dễ sử
dụng

-

Có thể kết nối với trung tâm theo nhiều cách thức khác nhau: L N,
E1, T1, Dialup, ADSL...

-

Tích hợp với các thiết bị đầu cuối hệ thống thông tin liên lạc như
GSM, CDMA...

18


2.3. Thiết bị giám sát và điều khiển từ xa cho trạm BTS – Công ty TNHH ứng
dụng và phát triển công nghệ EC PRO
GPIs BTS1 của EC PRO là hệ thống giám sát nhà trạm BTS cho ph p giảm
sát và cảnh báo theo thời gian thực, quản lý tập trung GPIs BTS1 hệ thống cho
ph p quản lý tới hàng nghìm trạm được phân tán tại nhiều địa điểm khác nhau
thông qua tin nhắn SMS GPIs BTS1 kết hợp với SMS server và phần mềm của
EC PRO để phân tích, hiển thị, lưu trữ và thông báo sự cố của các BTS, tập trung
tại nơi quản lý các trạm BTS

Hình 2 – Giải pháp giám sát và điều khiển của EC PRO
Các tính năng cơ bản:
- Giám sát và đưa ra cảnh báo khi có sự cố có khói và nhiệt độ gia tăng đột ngột
- Giám sát và đưa ra cảnh báo nhiệt độ hoạt động của phòng máy
- Giám sát và đưa ra cảnh báo nhiệt độ hoạt động của phòng máy
- Giám sát, đưa ra cảnh báo các chế độ hoạt động của điều hòa
- Khả năng cài đặt kích hoạt các chế độ giám sát
- Khả năng cài đặt kích hoạt các chế độ giám sát
- Khả năng điều khiển điều hòa luân phiên
- Điều khiển hệ thống thông gió
- Phát hiện mất điện và điều khiển khởi động máy nổ

19


- Ch thị các trạng thái cảnh báo về chế độ hoạt động của hệ thống đ n cảnh báo,
màn hình hiển thị LCD, loa báo động và tin nhắn SMS tới hệ thống OMC hoặc
quản lý trạm
- Khả năng kích hoạt chế độ còi h tại bất k chế độ cảnh báo nào
- Nạp acquy tự động và tự động ngắt khi acquy yếu acquy trong thiết bị
- Cài đặt các thông số cho hệ thống từ xa b ng tin nhắn SMS
- Có thể lưu 5 số điện thoại cho ph p điều khiển, cài đặt và nhận tin nhắn cảnh báo
2.4. Hệ thống giám sát trạm viễn thông từ xa Quantra X – Join Stock
Company
Hệ thống quản lý giám sát nhà trạm từ xa Quantra - X Site Manager
Quantrax

SM phục vụ mục đích theo d i, giám sát trạng thái hoạt động của các

đài viễn thông, h trợ điều khiển một số thiết bị từ xa nh m tạo điều kiện cho thiết
bị mạng viễn thông vận hành
-

Thiết bị giám sát c ng với các sensor tại nhà trạm ghi nhận trạng thái hoạt
động của nhà trạm viễn thông như trạng thái đóng mở của, nhiệt độ, sự cố ,
truyền thông tin liên tục về Trung tâm vận hành mạng qua đường truyền vô
tuyến GPRS Các cảnh báo nghiêm trọng s được gửi tin nhắn SMS đến
người chịu trách nhiệm

-

Nhờ khả năng điều khiển tự động và từ xa, hệ thống có thể ra lệnh các thiết
bị khác tại trạm khởi động máy lạnh, máy phát điện nh m khắc phục sự cố

-

Các chức năng tìm kiếm, thống kê, tạo báo cáo cho ph p người vận hành có
thể đánh giá, phân tích sự cố, tìm nguyên nhân và biện pháp khắc phục hiệu
quả

Hệ thống Quantra-X bao gồm các thành phần sau:
-

Thiệt bị thu nhận tín hiệu canh báo môi trường, điều kiện hoạt động của đài
trạm có tên gọi QTX - 1000SM.

-

Phần mềm quản lý các thiết bị giám sát các tín hiệu cảnh báo Quantrax SM

Phần mềm này được cài đặt trên máy chủ đặt tại trung tâm vận hành và khai
thác mạng
20


-

Phần mềm máy trạm giao diện GUI , cho ph p người vận hành và khai thác
mạng theo d i, cập nhật thông tin, thống kê môi trường hoạt động của nhà
trạm

-

Ứng dụng quản lý thông qua giao diện web T y chọn

Trên đây là hai giải pháp của các công ty thực hiện hệ thống ngôi nhà thông minh
Về cơ bản các chức năng đều nh m giám sát trạng thái của hệ thống , để phát hiện
những sự cố, c ng như giám sát các thông số môi trường xung quanh Chức năng
điều khiển các thiết bị trong nhà trạm Hệ thống c ng có chức năng cảnh báo tới
người sử dụng, cho ph p người sử dụng có thể truy cập vào hệ thống điều khiển
Qua đó, có thể thấy đ có nhiều đơn vị triển khai sản xuất thiết bị phục vụ giám sát
tự động nhà trạm BTS, tuy nhiên những hệ thống trước đây chưa đầy đủ các chức
năng hoặc một số chức năng chưa ph hợp với thực tế mạng lưới Viettel Ngoài ra
chi phí cho các hệ thống c ng tương đối cao, khó có thể áp dụng với mô hình mạng
lưới rất lớn của trạm BTS viễn thông Việt Nam
TƯỞNG THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
Thông qua quá trình khảo sát hiện trạng các nhà trạm BTS trên phạm vi cả
nước, có thể thống kê các thành phần cơ bản của một nhà trạm BTS bao gồm:
-

Hệ thống thiết bị viễn thông

-

Hệ thống tủ nguồn DC: thiết bị Rectifier, attomat phân phối, hệ thống
Acquy.

-

Nguồn điện lưới xoay chiều và hệ thống tủ phân phối nguồn C

-

Hệ thống điều hòa, quạt thông gió

-

Hệ thống điện máy nổ Để ứng cứu

-

Hệ thống cảnh báo ngoài, gồm: báo cháy, báo mở cửa

Bởi vậy, với mục đích tự động giám sát và điều khiển trạm BTS, thiết bị phải được
tích hợp đầy đủ các tính năng như sau:
3.1. Chức năng điều khiển
- Bao gồm các chức năng chuyển đổi sử dụng nguồn điện cung cấp cho nhà
trạm và điều khiển các thiết bị ngoại vi trong nhà trạm theo quy trình đ
21

được đề ra Hệ thống s giám sát tình trạng điện lưới và tự động khởi động
c ng như tắt máy phát điện theo yêu cầu Đảm bảo khai thác tài nguyên
cquy trạm và ứng cứu thông tin tại ch một cách tự động và tin cậy
Bảng 1 - Tính năng điều khiển của hệ thống
STT

Nội dung yêu cầu

1

Tự động chuyển đổi nguồn điện lưới – điện máy phát.

2

Giám sát và tắt máy phát điện khi có điện lưới trở lại hoặc cquy đầy.

3

Tự động cắt lưới khi chất lượng điện lưới kém.

4

Tận dụng tài nguyên Acquy tại nhà trạm.

5

Giới hạn thời gian chạy tối đa cho máy phát

6

Đáp ứng đóng trễ điều hòa khi chạy máy phát điện.

7

Đáp ứng điều khiển từ xa bật/tắt điều hòa

3.2. Chức năng giám sát
- Thực hiện các tác vụ giám sát trạng thái, đo đạc thông số c ng như phát
hiện cảnh báo trong nhà trạm, gửi thông tin giám sát định k đến trung tâm
điều hành để có thể kịp thời xử lý
Bảng 2 - Tính năng giám sát của hệ thống
STT Nội dung yêu cầu
1

Đo đạc nhiệt độ - độ m nhà nhà trạm và nhiệt độ tổ Acquy
Giám sát trạng thái nguồn điện trong nhà trạm.

2

-

Báo mất nguồn điện lưới.

-

Báo sử dụng nguồn máy phát và thời gian chạy máy phát.

3

Giám sát tình trạng ra vào nhà trạm.

4

Giám sát cảnh báo cháy nhà trạm.

5

Giám sát cảnh báo các tủ Acquy

6

Đo đạc thông số điện áp – dòng điện và truyền dữ liệu lên trung tâm
giám sát
22


7

Lưu giữ các cảnh báo quan trọng khi mất kết nối và gửi lại khi có kết
nối trở lại.

8

Thực hiện cấu hình tham số hệ thống từ xa.

9

Thực hiện cập nhật phần mềm hệ thống từ xa.

10
11

Thống kê thời gian ứng cứu khi mất điện lưới, thời gian máy phát hoạt
động.
Hiển thị thông số giám sát từng trạm trên giao diện Người dùng.

3.3. Chức năng kết nối
Mục đích của chức năng này là kết nối tất cả các nhà trạm thành 1 hệ thống
tổng thể và kết nối hệ thống tự động giám sát và điều khiển với người vận hành nhà
trạm Để kết nối với người d ng có nhiều cách để tiếp cận; kết nối b ng mạng viễn
thông, kết nối thông qua Internet với một máy chủ cho toàn hệ thống, tương tác bàn
phím, màn hình hiển thị ngay trên thiết bị tại nhà trạm Với hệ thống được xây dựng
trong đề tài, s thực hiện tổng hợp tất cả các phương pháp trên để đem lại cho người
vận hành một giải pháp tương tác hoàn hảo
X C ĐỊNH PHẠ

VI ỨNG DỤNG VÀ

ỤC TI U CỦ ĐỀ TÀI

4.1. Xác định phạm vi ứng dụng của đề tài
Hiện nay mạng lưới mạng viễn thông Việt Nam đ có hơn

nhà trạm BTS

phân bố trên phạm vi cả nước, chưa kể đến số lượng cơ sở hạ tầng nhà trạm hiện tại
đang đầu tư vào các thị trường nước ngoài Trong tình hình điện lưới quốc gia ngày
càng khó khăn, và nhu cầu đảm bảo về việc duy tri thông tin liên lạc c ng như tăng
hiệu quả hoạt động của trạm BTS, các nhà cung cấp viễn thông nói chung và Tập

đoàn Viên thông Quân đội Viettel nói riêng đ chủ trương trang bị máy phát điện
đến toàn bộ hạ tầng nhà trạm để đảm bảo nguồn điện
Việc vận hành các máy phát điện v n phải d ng đến nhân công con người
trực tiếp thực hiện, điều này tiêu tốn đáng kể nhân lực, thời gian và chất lượng của
các tổ acquy suy giảm nhanh chóng do vận hành không đ ng quy trình Bên cạnh
đó, do việc vận hành b ng tay nên l ng phí một số lớn nguồn năng lượng của hệ

23


thống acquy dự phòng Những lí do trên khiến chi phí vận hành và khai thác hệ
thống nguồn điện tại các trạm BTS hiện tại rất cao và k m hiệu quả
Việc áp dụng hệ thống nhà trạm thông minh dựa trên nền tảng của Hệ thống
giám sát và tự động điều khiển trạm BTS đ mở ra một hướng phát triển mới cho
mô hình nhà trạm viễn thông tại Việt Nam Nâng cao tính tự động hóa, giảm thiểu
chi phí nhân công , tối ưu hiệu năng sử dụng nguồn điện và v n đảm bảo tính chính
xác và tin cậy là những yếu tố hàng đầu được nhắc đến của hệ thống
4.2. Xác định mục tiêu của đề tài
Qua việc phân tích các chức năng cần thiết của hệ thống, ta có thể đưa ra
được bảng ch tiêu k thuật cho Hệ thống giám sát và tự động điều khiển trạm BTS
như sau
Bảng 3 - Ch tiêu k thuật của hệ thống Giám sát và Điều khiển trạm BTS
TT

Nội dung yêu cầu

Lựa
chọn/Bắt
buộc

Yêu cầu kỹ thuật

Ghi chú

A: GIÁM SÁT THÔNG SỐ TẠI TRẠM
I. Ắc quy
1

Giám sát và cảnh báo chất
lượng của từng tổ ắc quy, căn
cứ theo 02 tham số:

Lựa chọn

Đo được tối thiểu 02 tủ nguồn
độc lập, m i tủ 02 tổ ắc quy.
Sai số về dung lượng cho
ph p ≤ 15 ph t Chia ra thành
3 mức l i cảnh báo (có thể cài
đặt được giá trị): Cảnh báo,
nguy hiểm và rất nguy hiểm.

1.1

Tính dung lượng của ắc quy

Lựa chọn

1.2

Điện áp của ắc quy.

Lựa chọn

2

Giám sát (hiển thị trạng thái) và
cảnh báo nhiệt độ cao của ắc
quy.

Lựa chọn

24

Xuất cảnh báo
căn cứ theo tổ
acquy có dung
lượng kém
Dải đo 40VDC ÷ 60VDC; Sai nhất
số ≤ 2 % Chia ra thành 3
mức l i (có thể cài đặt được
giá trị): Cảnh báo, nguy hiểm
và rất nguy hiểm.
Giá trị ngưỡng
Dải đo từ 10-60ºC. Sai số cho cảnh báo có
ph p ≤ 2°C
thể cài đặt
được.

II. Các tham số về môi trường và an toàn trong trạm.
1

Giám sát (hiển thị trạng thái)
cảnh báo có khói.

Bắt buộc

Đáp ứng

2

Giám sát (hiển thị giá trị) và
cảnh báo nhiệt độ cho phép.

Bắt buộc

Giá trị ngưỡng
Dải đo từ 10-60ºC. Sai số cho cảnh báo có
ph p ≤ 2°C
thể cài đặt
được.

3

Giám sát (hiển thị trạng thái) và
cảnh báo mở cửa.

Bắt buộc

Đáp ứng

Lựa chọn

Dải đo 80V - 300V. Sai số
cho ph p ≤ 5 % Phân tích
được tình trạng điện lưới tốt
hoặc xấu để đưa ra quyết định
lựa chọn loại nguồn điện lưới
- ắc quy - máy phát)

Lựa chọn

Dải đo 0-50(A) - sai số ≤
Phục vụ việc
1,0A ; từ 50 - 100(A) - sai số
tính công suất.
cho ph p ≤1,5

III. Điện AC.

1

Giám sát (hiển thị giá trị) và
cảnh báo điện áp AC cao, thấp
của từng pha trong mạng điện 3
pha

2

Giám sát (hiển thị giá trị) dòng
điện AC của từng pha trong
mạng điện 3 pha

3

Giám sát (hiển thị trạng thái) và
cảnh báo mất điện lưới, điện áp
không ổn định

Bắt buộc

4

Giám sát (hiển thị trạng thái) và
cảnh báo chạy máy phát.

Bắt buộc

5

Giám sát (hiển thị giá trị) và
cảnh báo tần số điện áp
Lưới/Máy phát.

Lựa chọn

6

Đo công suất, phân biệt và lưu

độc lập giá trị công suất cung
cấp của điện lưới và máy phát.

Bắt buộc

IV. Thiết bị
1

Giám sát trạng thái bật tắt điều
hòa của trạm BTS.

Bắt buộc

2

Giám sát (hiển thị trạng thái) và
cảnh báo h ng rectifier.

Lựa chọn

3

Giám sát (hiển thị trạng thái) và
cảnh báo h ng quạt thông gió.

Lựa chọn

4

Cảnh báo Máy phát điện có sự

cố (không vận hành được)

Bắt buộc

25

B ng cách
Phân biệt và hiển thị được
phân tích
giữa điện lưới và điện của
nguồn điện
máy phát.
AC.

Dài đo: 40-60 Hz
Sai số: ≤ 0 5 Hz
Đo được công suất điện AC
3 pha.