Thiết kế hệ thống giám sát điều khiển thông minh các trạm viễn thông từ xa trên nền công nghệ .NET và GIS

Tóm tắt Hệ thống giám sát điều khiển các trạm viễn thông từ xa, cho phép người quản trị có thể giám sát, điều khiển các hoạt động thiết bị tại trạm thu phát gốc di động BTS1, thông qua mạng điện thoại, internet để nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị, tiết kiệm điện năng, giảm chi phí nhân công và nâng cao tính bảo mật. Bài báo này sẽ trình bày chi tiết nội dung và giải pháp kỹ thuật để xây dựng hệ thống giám sát, điều khiển thông minh các trạm viễn thông từ xa. Từ khóa: cảm biến, giám sát, trạm BTS Abstract The monitoring system control remote telecommunication stations, allowing the administrator can monitor and control the activities of telecommunications equipment at stations, via telephone, internet to improve equipment efficiency, energy saving, reducing labor costs and improving security. This article details the content and technical solutions for building system which monitor and intelligently control remote telecommunications stations. Keywords: sensor, monitoring, BTS station 1. Giới thiệu Thông tin di động có tốc độ phát triển rất nhanh, số người dùng tăng cao, mạng lưới mở rộng toàn cầu, các dịch vụ phát triển theo hướng tích hợp, băng thông rộng, tín hiệu thoại, hình, số liệu được hội tụ cao trên nền dịch vụ internet. Việc tăng dung lượng và mở rộng vùng phủ sóng dẫn đến việc cần phải xây dựng thêm rất nhiều trạm thu phát gốc di động BTS, với phạm vi ngày càng mở rộng, do đó, việc quản lý, vận hành cũng ngày càng khó khăn, tốn kém nhiều tài nguyên và nguồn nhân lực. Công nghệ ngôi nhà thông minh đã được nghiên cứu triển khai tại các nước công nghiệp phát triển trên thế giới, tuy TRẦN MINH NHẬT - NGUYỄN HUY HÙNG 43 nhiên công nghệ này thích hợp cho các cơ sở công nghiệp có quy mô lớn, được thiết kế xây dựng từ đầu, chi phí đầu tư cao, các tập đoàn Intel, Motorola, Siemen, Sony, Samsung, là những người tiên phong trên lĩnh vực thiết kế chế tạo thiết bị cho ngôi nhà thông minh. Thực tế, tại Việt Nam, các tập đoàn viễn thông Viettel, VNPT, Gtel, FPT, phát triển mạng lưới theo xu hướng tăng dần, chưa có một kế hoạch tổng thể từ ban đầu, do đó sẽ có nhiều trạm viễn thông mới hình thành, việc kiểm soát an ninh, sự linh hoạt trong quá trình khai thác, giám sát, quản lý tập trung, là bài toán rất quan trọng. Trong các trạm viễn thông, các hệ thống nguồn điện cấp cho thiết bị, chiếu sáng và máy lạnh, tình trạng hoạt động của các thiết bị cần được duy trì theo đúng chỉ tiêu kỹ thuật, đồng thời các yêu cầu về giám sát an ninh cần được cập nhật và quản lý chính xác, thông thường các thông tin này cần có người kỹ thuật viên kiểm tra, đo đạt, cập nhật và báo cáo về trung tâm theo quy định. Độ trung thực và tính cấp thời của thông tin tùy thuộc vào đạo đức của người trực. Do đó, chúng tôi đã nghiên cứu chế tạo hoàn chỉnh “Hệ thống giám sát và điều khiển thông minh các trạm viễn thông từ xa” để ứng dụng vào việc quản lý các trạm viễn thông và có thể mở rộng ứng dụng trong các nhà xưởng, nhà dân sinh, để nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị, giảm bớt chi phí nhân công, tiết kiệm năng lượng, xử lý và ứng phó nhanh các trường hợp sự cố, tăng tính chính xác và độ tin cậy, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất kinh doanh của doanh nghiệp. 2. Cấu trúc phần cứng của hệ thống giám sát và điều khiển thông minh 2.1. Mô hình hệ thống Hình 1. Mô hình tổng quát hệ thống THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH CÁC TRẠM VIỄN THÔNG TỪ XA 44 Hình 2. Hình ảnh thiết bị hệ thống giám sát và điều khiển thông minh đưa vào thử nghiệm Mô hình hoạt động hệ thống giám sát và điều khiển thông minh trình bày như hình 1, và hình dạng thiết bị được chế tạo hoàn chỉnh đã đưa vào thử nghiệm như hình 2, hệ thống được thiết kế theo 3 khối: Khối quản lý nhà trạm từ xa (RAU), Khối quản lý hệ thống tại trung tâm MC (Module Center) và Khối giao diện với người sử dụng (Inter face). Các module RAU của trạm viễn thông bố trí khắp nơi ký hiệu là trạm (ID_1), (ID_2), đến (ID_N) được gắn đến module trung tâm MC thông qua mạng viễn thông, các kết nối di động hoặc đường kết nối internet cho phép trao đổi thông tin liên tục giữa module trung tâm với các module RAU tại các trạm. Theo định kỳ khối quản lý nhà trạm RAU gởi các thông tin của nhà trạm về cho khối xử lý trung tâm MC hoặc có thể nhận các yêu cầu từ khối trung tâm để thực hiện yêu cầu điều khiển thiết bị nhà trạm hay trả về các thông tin mà khối xử lý trung tâm yêu cầu. Khối xử lý trung tâm sẽ tập hợp tất cả các thông tin của tất cả các nhà trạm để xử lý, khối trung tâm có thể gởi thông tin về cho chương trình giám sát trên máy tính của người dùng hoặc tiếp nhận thông tin của người dùng rồi gởi nó xuống khối quản lý nhà trạm để lấy thông tin hoặc điều khiển nhà trạm. Khối giao diện người dùng cho phép người dùng định nghĩa thông số các nhà trạm, cho phép lấy thông tin và điều khiển các nhà trạm thông qua khối xử lý trung tâm trên giao diện web. Toàn bộ dữ liệu đo đạt điều kiểm được cập nhật liên tục và lưu trữ trong máy tính để có thể phục vụ cho công tác thống kê và báo cáo thông tin cũng như việc tính toán hiệu suất sử dụng thiết bị về sau. 2.2. Cấu trúc phần cứng của hệ thống Phần cứng của hệ thống giám sát và điều khiển thông minh được thiết kế trên 3 module mạch chính là: module mạch điều khiển stm32f4-Discovery, module cảm biến nhiệt độ DS18B20, module giao tiếp mạng ethernet DP83848 và Module thiết bị báo cháy. Module STM32F4-DISCOVERY: được thiết kế trên nền chip vi điều khiển ARM, STM32F4-DISCOVERY gồm tập các chân nối giao tiếp, một số chân sẽ nối giao tiếp với các thiết bị cảm biến, các chân này dùng để giám sát cùng lúc nhiều cảm biến đặt trên thiết bị cũng như điều khiển các thiết bị đang hoạt động tại các trạm viễn thông. Chip vi điều khiển ARM có nhiều ưu điểm trong việc thiết kế mở rộng phát triển TRẦN MINH NHẬT - NGUYỄN HUY HÙNG 45 thêm các ứng dụng mới về sau một cách dễ dàng, tài liệu đầy đủ, giá thành thấp. Module cảm biến nhiệt DS18B20: được thiết kế thành một nhiệt kế, giá trị dữ liệu cảm biến nhiệt được chứa trong vùng nhớ 12-bit. Các DS18B20 giao tiếp với mạch thông qua giao thức 1-Wire, nghĩa là chỉ cần dùng một đường truyền duy nhất để giao tiếp với bộ vi xử lý trung tâm. Nhiệt độ hoạt động cho phép của DS18B20 trong phạm vi -55°C đến +125°C và có sai số là ± 0,5°C. Vùng nhiệt độ được chọn để thiết kế thực tế tại trạm viễn thông là trong khoảng từ -10°C đến +85°C. Mỗi DS18B20 được nhận dạng qua một mã ID có độ dài 64 bit, cho phép nhiều DS18B20 có thể hoạt động trên cùng 1- Wire bus. Vì vậy, một bộ vi xử lý có thể kiểm soát nhiều DS18B20 phân bố trên một khu vực rộng lớn. Các ứng dụng có thể sử dụng tính năng này bao gồm kiểm soát môi trường, giám sát nhiệt độ các hệ thống bên trong các tòa nhà, giám sát, điều khiển trạng thái hoạt động các thiết bị và máy móc tại trạm viễn thông. Sơ đồ mạch điện điển hình của cảm biến nhiệt được thiết kế như hình 3. Hình 3. Sơ đồ mạch cảm biến nhiệt Module thiết bị báo cháy HORING AH-0311-4: là thiết bị cảm biến dùng để phát hiện có khói, các dấu hiệu có cháy xảy ra để phòng chữa cháy kịp thời. Khi có dấu hiệu cháy thiết bị sẽ báo động tại chỗ và truyền tín hiệu về thiết bị báo cháy trung tâm để kích hoạt toàn bộ hệ thống còi báo động. Phần cứng HORING AH-0311-4 có 8 chân, trong đó ta chỉ cần sử dụng 5 chân (2,4,5,6,7), chân 2 nối nguồn, chân 4 nối đất, chân 5,6,7 là các chân điều khiển báo cháy, khi tình trạng bình thường thì chân 7 nối với chân 5, khi có khói, chân 7 hở với chân 5 nhưng lại nối với chân 6. Trong trường hợp các tín hiệu cảm biến thấp thì thiết kế thêm mạch khuếch đại tín hiệu bằng Chip LM393, Chip LM393 là bộ vi mạch khuếch đại gồm 2 bộ so sánh độc lập với điện áp bù nhỏ cỡ 2.0mV, hoạt động với cả nguồn cấp đơn hoặc 2 nguồn cấp đối xứng[7]. Sơ đồ thiết kế chi tiết mạch điện cảm biến khói như hình 4 Hình 4. Sơ đồ mạch điện cảm biến khói Module điều khiển thiết bị: ngoài các thiết bị cảm biến ra, mạch giám sát còn có module điều khiển thiết bị, việc điều khiển thiết bị là thực hiện các yêu cầu như tăng giảm công suất hoạt động, tắt mở THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH CÁC TRẠM VIỄN THÔNG TỪ XA 46 nguồn, nhưng chung quy lại chỉ là dạng tắt mở nguồn thiết bị, các module điều khiển được tích hợp trong cùng sơ đồ điều khiển các thiết bị tại trạm, một thiết kế ứng dụng điển hình của mạch điều khiển máy lạnh trong trạm viễn thông như hình 5. Hình 5. Sơ đồ mạch điều khiển tắt/mở thiết bị Phần cứng của mạch giám sát là một bộ thiết bị thống nhất gồm nhiều module giám sát, mỗi module cho một loại thiết bị riêng, để hoạt động mỗi module cần phải tích hợp chương trình phần mềm tương ứng, các chương trình phần mềm nhúng hỗ trợ việc giám sát toàn bộ hệ thống. 3. Chương trình phần mềm hệ thống giám sát và điều khiển thông minh Chương trình phần mềm của hệ thống giám sát và điều khiển thông minh được xây dựng trên nền công nghệ .NET Framework, công nghệ GIS Google Maps và công cụ lập trình nhúng Keil C, chương trình phần mềm cho phép hỗ trợ toàn bộ quá trình giám sát, điều khiển toàn bộ hệ thống hoạt động tại trạm viễn thông. Công nghệ .NET: .NET Framework của Microsoft là một nền tảng lập trình tập hợp các thư viện lập trình có thể được cài thêm hoặc đã có sẵn trong các hệ điều hành Windows. Nó cung cấp những giải pháp thiết yếu cho những yêu cầu thông thường của các chương trình điện toán như lập trình giao diện người dùng, truy cập dữ liệu, kết nối cơ sở dữ liệu, ứng dụng web, các giải thuật số học và giao tiếp mạng. Ngoài ra, .NET Framework quản lý việc thực thi các chương trình được viết dựa trên .NET Framework do đó người dùng cần phải cài .NET Framework để có thể chạy các chương trình được viết trên nền .NET. Công nhệ .NET này sẽ được sử dụng để thiết kế chương trình giám sát trung tâm cũng như hỗ trợ thiết kế các trang web người dùng đầu cuối [5]. Cộng nghệ Google Maps: Google Maps là một dịch vụ ứng dụng và công nghệ bản đồ trực tuyến trên web miễn phí được cung cấp bởi Google, hỗ trợ nhiều dịch vụ khác của Google nổi bật là dẫn đường. Nó cho phép xem bản đồ đường sá, đường đi cho xe đạp, cho người đi bộ và xe hơi, và những địa điểm kinh doanh trong khu vực cũng như khắp nơi trên thế giới. Google maps sẽ được dùng để thể hiện vị trí các trạm trên bản đồ thực của google[8]. Bộ công cụ lập trình nhúng Keil C: Keil C là công cụ phần mềm hỗ trợ khá đầy đủ để người dùng soạn thảo và biên dịch chương trình dành cho các vi điều khiển thuộc họ ARM và một số họ khác bằng ngôn ngữ C/C++. Giống như tất cả các phần mềm dựa trên μVision IDE Keil, Keil C cung cấp môi trường lập mạnh mẽ, dễ sử dụng và dễ dàng tiếp cận giúp phát triển các ứng dụng nhúng. Chúng bao gồm các thành phần cần thiết để tạo, debug và kết hợp vi điều khiển với các thiết bị ngoại vi liên quan[2]. 4. Kết quả thiết kế chương trình 4.1. Chương trình quản lý trạm viễn thông Hình 6. Giao diện cài đặt thông số cho mạch giám sát TRẦN MINH NHẬT - NGUYỄN HUY HÙNG 47 Khối chương trình quản lý trạm viễn thông bao gồm chương trình quản lý các thiết bị cảm biến của mạch giám sát, chương trình giao tiếp với khối quản lý trung tâm và chương trình web, cho phép người điều hành hệ thống cài đặt, mật mã, các thông số kỹ thuật cho toàn bộ hệ thống theo thứ tự từng trạm một. Giao diện chương trình cài đặt như hình 6. 4.2. Chương trình quản lý hệ thống tại trung tâm Chương trình quản lý hệ thống tại trung tâm có vai trò trung gian giữa khối quản lý nhà trạm và khối giao diện người sử dụng, khối quản lý trung tâm có nhiệm vụ tập hợp trạng thái của các mạch giám sát để gởi tới chương trình web của người dùng, cũng như gởi các lệnh lấy thông tin hoặc các lệnh điều khiển từ người dùng tới mạch giám sát tại các trạm viễn thông. Giao điện chương trình quản lý hệ thống tại trung tâm như hình 7. Hình 7. Giao diện chương trình quản lý trung tâm 4.3. Chương trình giao tiếp với người dùng Chương trình giao tiếp với người dùng gồm cơ sở dữ liệu lưu trữ trong bộ nhớ và được tích hợp với cơ sở dữ liệu bản đồ số google maps, cho phép người điều hành quản lý, giám sát thông tin các trạm viễn thông trực tiếp trên bản đồ số google maps. Giao diện chương trình người dùng như hình 8. Hình 8. Hiển thị kết quả giám sát trạm viễn thông trên bản đồ số GIS Chương trình làm việc theo tiến trình hoạt động, khi mới khởi tạo chương trình, trên bản đồ chỉ thể hiện vị trí các trạm với biểu tượng có hình bong bóng, khi thiết bị của một trạm viễn thông được kết nối vào hệ thống thì biểu tượng của trạm tương ứng chuyển sang hình đèn xanh, thể hiện điều kiện làm việc bình thường, khi một trạm viễn thông có cảnh báo quá nhiệt độ qui định hay có báo cháy, biểu tượng tương ứng sẽ chuyển sang đèn đỏ. 5. Kết luận Hệ thống giám sát nhà trạm viễn thông là hệ thống cho phép người quản trị có thể giám sát, điều khiển các hoạt động của các thiết bị tại trạm viễn thông, thông qua mạng nội bộ, internet. Hệ thống này có thể được áp dụng hiệu quả tại các trạm thu phát gốc BTS trong hệ thống mạng điện thoại di động, có thể mở rộng ứng dụng trong các nhà xưởng, hệ thống công nghiệp, phòng thí nghiệm, hệ thống có thể làm việc liên tục 24 giờ trong ngày, giám sát được hầu hết các tình trạng làm việc của các thiết bị, liên tục, mọi lúc, mọi nơi. THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH CÁC TRẠM VIỄN THÔNG TỪ XA 48 Hệ thống giám sát điều khiển thông minh trạm viễn thông là giải pháp nâng cao độ bền thiết bị, tăng cường tính bảo vệ, an toàn hệ thống, tiết kiệm chi phí điện năng, giảm chi phí nhân công, tăng hiệu quả đầu tư. Đóng góp mới của đề tài là thiết kế hệ thống giám sát điều khiển thông minh trạm viễn thông theo hệ thống mở, trên nền công nghệ .NET Framework, công nghệ GIS Google Maps, internet và công cụ lập trình nhúng Keil C, chương trình phần mềm cho phép hỗ trợ toàn bộ quá trình giám sát, điều khiển toàn bộ hệ thống hoạt động tại trạm viễn thông và hiển thị kết quả giám sát trạm viễn thông trực tiếp trên bản đồ số GIS. Phần cứng thiết bị được thiết kế hoàn chỉnh, linh kiện phù hợp, thông dụng, tăng khả năng ứng dụng và giá thành thấp. Kết quả của đề tài là sản phẩm hoàn chỉnh có thể ứng dụng vào thực tế để giám sát và điều khiển các thiết bị tại các trạm viễn thông nói chung, các trạm BTS rất hiệu quả. Trong thời gian tới, đề tài có thể nghiên cứu tích hợp nhiều dạng cảm biến nhằm phát triển thành hệ thống giám sát trên nhiều lĩnh vực khác nhau, thích ứng hết các yêu cầu cần thiết của tất cả các thiết bị trong trạm viễn thông. Chú thích: (1) BTS: Base Transceiver Station TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. DevExpress (2015), ASP.NET WebForms Controls and Libraries, https://www. devexpress.com/Products/NET/Controls/ASP. 2. Keil (2015), ARM Product Manuals, 3. Maxim integrated (2015), DS18B20 Programmable Resolution 1-Wire Digital Thermometer, .net/datasheets/Sensors/Temp/ DS18B20.pdf. 4. Microsoft (2013), C# Programming Guide, https://msdn.microsoft.com/en-us/library/ 67ef8sbd.aspx. 5. Microsoft (2015), Sockets, https://msdn. microsoft.com/en-us/library/b6xa24z5(v=vs. 110). aspx. 6. ST (2015), Discovery kit for STM32F407/417 lines, /tools /FM116/SC959/SS1532/PF252419. 7. ST (2015), Low power dual voltage comparators, sense_power/fm123/sc60/ss1089/pf63723. 8. W3Schools (2015), Google Maps API, google_maps_ref.asp. Ngày nhận bài: 15/7/2015 Biên tập xong: 15/9/2015 Duyệt đăng: 20/9/2015