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

TAÏP CHÍ KHOA HOÏC ÑAÏI HOÏC SAØI GOØN Soá 7 (32) - Thaùng 9/2015<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Thiết kế hệ thống giám sát điều khiển thông minh các<br /> trạm viễn thông từ xa trên nền công nghệ .NET và GIS<br /> <br /> Designing the system of monitoring and controling intelligently remote<br /> telecommunications stations on the basic of .NET and GIS<br /> <br /> ThS. Trần Minh Nhật,<br /> Trường Đại học Sài Gòn<br /> ThS. Nguyễn Huy Hùng,<br /> Trường Đại học Sài Gòn<br /> <br /> M.Sc. Tran Minh Nhat,<br /> Sai Gon University<br /> M.Sc. Nguyen Huy Hung,<br /> Sai Gon University<br /> <br /> <br /> Tóm tắt<br /> Hệ thống giám sát điều khiển các trạm viễn thông từ xa, cho phép người quản trị có thể giám sát, điều<br /> khiển các hoạt động thiết bị tại trạm thu phát gốc di động BTS1, thông qua mạng điện thoại, internet để<br /> nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị, tiết kiệm điện năng, giảm chi phí nhân công và nâng cao tính bảo<br /> mật. Bài báo này sẽ trình bày chi tiết nội dung và giải pháp kỹ thuật để xây dựng hệ thống giám sát, điều<br /> khiển thông minh các trạm viễn thông từ xa.<br /> Từ khóa: cảm biến, giám sát, trạm BTS…<br /> Abstract<br /> The monitoring system control remote telecommunication stations, allowing the administrator can<br /> monitor and control the activities of telecommunications equipment at stations, via telephone, internet to<br /> improve equipment efficiency, energy saving, reducing labor costs and improving security. This article<br /> details the content and technical solutions for building system which monitor and intelligently control<br /> remote telecommunications stations.<br /> Keywords: sensor, monitoring, BTS station…<br /> <br /> <br /> 1. Giới thiệu việc cần phải xây dựng thêm rất nhiều trạm<br /> Thông tin di động có tốc độ phát triển thu phát gốc di động BTS, với phạm vi<br /> rất nhanh, số người dùng tăng cao, mạng ngày càng mở rộng, do đó, việc quản lý,<br /> lưới mở rộng toàn cầu, các dịch vụ phát vận hành cũng ngày càng khó khăn, tốn<br /> triển theo hướng tích hợp, băng thông rộng, kém nhiều tài nguyên và nguồn nhân lực.<br /> tín hiệu thoại, hình, số liệu được hội tụ cao Công nghệ ngôi nhà thông minh đã<br /> trên nền dịch vụ internet. Việc tăng dung được nghiên cứu triển khai tại các nước<br /> lượng và mở rộng vùng phủ sóng dẫn đến công nghiệp phát triển trên thế giới, tuy<br /> <br /> 42<br />  TRẦN MINH NHẬT - NGUYỄN HUY HÙNG<br /> <br /> <br /> nhiên công nghệ này thích hợp cho các cơ tiêu kỹ thuật, đồng thời các yêu cầu về<br /> sở công nghiệp có quy mô lớn, được thiết giám sát an ninh cần được cập nhật và quản<br /> kế xây dựng từ đầu, chi phí đầu tư cao, các lý chính xác, thông thường các thông tin<br /> tập đoàn Intel, Motorola, Siemen, Sony, này cần có người kỹ thuật viên kiểm tra, đo<br /> Samsung, … là những người tiên phong đạt, cập nhật và báo cáo về trung tâm theo<br /> trên lĩnh vực thiết kế chế tạo thiết bị cho quy định. Độ trung thực và tính cấp thời<br /> ngôi nhà thông minh. của thông tin tùy thuộc vào đạo đức của<br /> Thực tế, tại Việt Nam, các tập đoàn người trực. Do đó, chúng tôi đã nghiên cứu<br /> viễn thông Viettel, VNPT, Gtel, FPT, phát chế tạo hoàn chỉnh “Hệ thống giám sát và<br /> triển mạng lưới theo xu hướng tăng dần, điều khiển thông minh các trạm viễn<br /> chưa có một kế hoạch tổng thể từ ban đầu, thông từ xa” để ứng dụng vào việc quản lý<br /> do đó sẽ có nhiều trạm viễn thông mới hình các trạm viễn thông và có thể mở rộng ứng<br /> thành, việc kiểm soát an ninh, sự linh hoạt dụng trong các nhà xưởng, nhà dân sinh, để<br /> trong quá trình khai thác, giám sát, quản lý nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị, giảm<br /> tập trung, là bài toán rất quan trọng. bớt chi phí nhân công, tiết kiệm năng<br /> Trong các trạm viễn thông, các hệ lượng, xử lý và ứng phó nhanh các trường<br /> thống nguồn điện cấp cho thiết bị, chiếu hợp sự cố, tăng tính chính xác và độ tin<br /> sáng và máy lạnh, tình trạng hoạt động của cậy, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất<br /> các thiết bị cần được duy trì theo đúng chỉ kinh doanh của doanh nghiệp.<br /> <br /> <br /> 2. Cấu trúc phần cứng của hệ thống giám sát và điều khiển thông minh<br /> 2.1. Mô hình hệ thống<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Mô hình tổng quát hệ thống<br /> <br /> <br /> 43<br /> THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH CÁC TRẠM VIỄN THÔNG TỪ XA …<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2. Hình ảnh thiết bị hệ thống giám sát và điều khiển thông minh<br /> đưa vào thử nghiệm<br /> <br /> Mô hình hoạt động hệ thống giám sát khiển nhà trạm.<br /> và điều khiển thông minh trình bày như Khối giao diện người dùng cho phép<br /> hình 1, và hình dạng thiết bị được chế tạo người dùng định nghĩa thông số các nhà<br /> hoàn chỉnh đã đưa vào thử nghiệm như trạm, cho phép lấy thông tin và điều khiển<br /> hình 2, hệ thống được thiết kế theo 3 khối: các nhà trạm thông qua khối xử lý trung<br /> Khối quản lý nhà trạm từ xa (RAU), Khối tâm trên giao diện web.<br /> quản lý hệ thống tại trung tâm MC Toàn bộ dữ liệu đo đạt điều kiểm được<br /> (Module Center) và Khối giao diện với cập nhật liên tục và lưu trữ trong máy tính<br /> người sử dụng (Inter face). Các module để có thể phục vụ cho công tác thống kê và<br /> RAU của trạm viễn thông bố trí khắp nơi báo cáo thông tin cũng như việc tính toán<br /> ký hiệu là trạm (ID_1), (ID_2), đến (ID_N) hiệu suất sử dụng thiết bị về sau.<br /> được gắn đến module trung tâm MC thông 2.2. Cấu trúc phần cứng của hệ thống<br /> qua mạng viễn thông, các kết nối di động Phần cứng của hệ thống giám sát và<br /> hoặc đường kết nối internet cho phép trao điều khiển thông minh được thiết kế trên 3<br /> đổi thông tin liên tục giữa module trung tâm module mạch chính là: module mạch điều<br /> với các module RAU tại các trạm. Theo khiển stm32f4-Discovery, module cảm<br /> định kỳ khối quản lý nhà trạm RAU gởi các biến nhiệt độ DS18B20, module giao tiếp<br /> thông tin của nhà trạm về cho khối xử lý mạng ethernet DP83848 và Module thiết bị<br /> trung tâm MC hoặc có thể nhận các yêu cầu báo cháy.<br /> từ khối trung tâm để thực hiện yêu cầu điều Module STM32F4-DISCOVERY: được<br /> khiển thiết bị nhà trạm hay trả về các thông thiết kế trên nền chip vi điều khiển ARM,<br /> tin mà khối xử lý trung tâm yêu cầu. STM32F4-DISCOVERY gồm tập các chân<br /> Khối xử lý trung tâm sẽ tập hợp tất cả nối giao tiếp, một số chân sẽ nối giao tiếp<br /> các thông tin của tất cả các nhà trạm để xử với các thiết bị cảm biến, các chân này<br /> lý, khối trung tâm có thể gởi thông tin về dùng để giám sát cùng lúc nhiều cảm biến<br /> cho chương trình giám sát trên máy tính đặt trên thiết bị cũng như điều khiển các<br /> của người dùng hoặc tiếp nhận thông tin thiết bị đang hoạt động tại các trạm viễn<br /> của người dùng rồi gởi nó xuống khối quản thông. Chip vi điều khiển ARM có nhiều ưu<br /> lý nhà trạm để lấy thông tin hoặc điều điểm trong việc thiết kế mở rộng phát triển<br /> <br /> 44<br />  TRẦN MINH NHẬT - NGUYỄN HUY HÙNG<br /> <br /> <br /> thêm các ứng dụng mới về sau một cách dễ Module thiết bị báo cháy HORING<br /> dàng, tài liệu đầy đủ, giá thành thấp. AH-0311-4: là thiết bị cảm biến dùng để<br /> Module cảm biến nhiệt DS18B20: phát hiện có khói, các dấu hiệu có cháy xảy<br /> được thiết kế thành một nhiệt kế, giá trị dữ ra để phòng chữa cháy kịp thời. Khi có dấu<br /> liệu cảm biến nhiệt được chứa trong vùng hiệu cháy thiết bị sẽ báo động tại chỗ và<br /> nhớ 12-bit. Các DS18B20 giao tiếp với truyền tín hiệu về thiết bị báo cháy trung<br /> mạch thông qua giao thức 1-Wire, nghĩa là tâm để kích hoạt toàn bộ hệ thống còi báo<br /> chỉ cần dùng một đường truyền duy nhất để động. Phần cứng HORING AH-0311-4 có<br /> giao tiếp với bộ vi xử lý trung tâm. Nhiệt 8 chân, trong đó ta chỉ cần sử dụng 5 chân<br /> độ hoạt động cho phép của DS18B20 trong (2,4,5,6,7), chân 2 nối nguồn, chân 4 nối<br /> phạm vi -55°C đến +125°C và có sai số là đất, chân 5,6,7 là các chân điều khiển báo<br /> ± 0,5°C. Vùng nhiệt độ được chọn để thiết cháy, khi tình trạng bình thường thì chân 7<br /> kế thực tế tại trạm viễn thông là trong nối với chân 5, khi có khói, chân 7 hở với<br /> khoảng từ -10°C đến +85°C. chân 5 nhưng lại nối với chân 6. Trong<br /> Mỗi DS18B20 được nhận dạng qua trường hợp các tín hiệu cảm biến thấp thì<br /> một mã ID có độ dài 64 bit, cho phép nhiều thiết kế thêm mạch khuếch đại tín hiệu<br /> DS18B20 có thể hoạt động trên cùng 1- bằng Chip LM393, Chip LM393 là bộ vi<br /> Wire bus. Vì vậy, một bộ vi xử lý có thể mạch khuếch đại gồm 2 bộ so sánh độc lập<br /> kiểm soát nhiều DS18B20 phân bố trên với điện áp bù nhỏ cỡ 2.0mV, hoạt động<br /> một khu vực rộng lớn. Các ứng dụng có thể với cả nguồn cấp đơn hoặc 2 nguồn cấp đối<br /> sử dụng tính năng này bao gồm kiểm soát xứng[7]. Sơ đồ thiết kế chi tiết mạch điện<br /> môi trường, giám sát nhiệt độ các hệ thống cảm biến khói như hình 4<br /> bên trong các tòa nhà, giám sát, điều khiển<br /> trạng thái hoạt động các thiết bị và máy<br /> móc tại trạm viễn thông. Sơ đồ mạch điện<br /> điển hình của cảm biến nhiệt được thiết kế<br /> như hình 3.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 4. Sơ đồ mạch điện cảm biến khói<br /> <br /> Module điều khiển thiết bị: ngoài<br /> các thiết bị cảm biến ra, mạch giám sát còn<br /> có module điều khiển thiết bị, việc điều<br /> khiển thiết bị là thực hiện các yêu cầu như<br /> Hình 3. Sơ đồ mạch cảm biến nhiệt tăng giảm công suất hoạt động, tắt mở<br /> <br /> 45<br /> THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH CÁC TRẠM VIỄN THÔNG TỪ XA …<br /> <br /> <br /> nguồn, nhưng chung quy lại chỉ là dạng tắt cần phải cài .NET Framework để có thể<br /> mở nguồn thiết bị, các module điều khiển chạy các chương trình được viết trên nền<br /> được tích hợp trong cùng sơ đồ điều khiển .NET. Công nhệ .NET này sẽ được sử dụng<br /> các thiết bị tại trạm, một thiết kế ứng dụng để thiết kế chương trình giám sát trung tâm<br /> điển hình của mạch điều khiển máy lạnh cũng như hỗ trợ thiết kế các trang web<br /> trong trạm viễn thông như hình 5. người dùng đầu cuối [5].<br /> Cộng nghệ Google Maps: Google<br /> Maps là một dịch vụ ứng dụng và công<br /> nghệ bản đồ trực tuyến trên web miễn phí<br /> được cung cấp bởi Google, hỗ trợ nhiều<br /> dịch vụ khác của Google nổi bật là dẫn<br /> đường. Nó cho phép xem bản đồ đường sá,<br /> Hình 5. Sơ đồ mạch điều khiển tắt/mở thiết bị đường đi cho xe đạp, cho người đi bộ và xe<br /> Phần cứng của mạch giám sát là một hơi, và những địa điểm kinh doanh trong<br /> bộ thiết bị thống nhất gồm nhiều module khu vực cũng như khắp nơi trên thế giới.<br /> giám sát, mỗi module cho một loại thiết bị Google maps sẽ được dùng để thể hiện vị<br /> riêng, để hoạt động mỗi module cần phải trí các trạm trên bản đồ thực của google[8].<br /> tích hợp chương trình phần mềm tương Bộ công cụ lập trình nhúng Keil C:<br /> ứng, các chương trình phần mềm nhúng hỗ Keil C là công cụ phần mềm hỗ trợ khá đầy<br /> trợ việc giám sát toàn bộ hệ thống. đủ để người dùng soạn thảo và biên dịch<br /> 3. Chương trình phần mềm hệ thống chương trình dành cho các vi điều khiển<br /> giám sát và điều khiển thông minh thuộc họ ARM và một số họ khác bằng<br /> Chương trình phần mềm của hệ thống ngôn ngữ C/C++. Giống như tất cả các<br /> giám sát và điều khiển thông minh được phần mềm dựa trên μVision IDE Keil, Keil<br /> xây dựng trên nền công nghệ .NET C cung cấp môi trường lập mạnh mẽ, dễ sử<br /> Framework, công nghệ GIS Google Maps dụng và dễ dàng tiếp cận giúp phát triển<br /> và công cụ lập trình nhúng Keil C, chương các ứng dụng nhúng. Chúng bao gồm các<br /> trình phần mềm cho phép hỗ trợ toàn bộ thành phần cần thiết để tạo, debug và kết<br /> quá trình giám sát, điều khiển toàn bộ hệ hợp vi điều khiển với các thiết bị ngoại vi<br /> thống hoạt động tại trạm viễn thông. liên quan[2].<br /> Công nghệ .NET: .NET Framework 4. Kết quả thiết kế chương trình<br /> của Microsoft là một nền tảng lập trình tập 4.1. Chương trình quản lý trạm viễn thông<br /> hợp các thư viện lập trình có thể được cài<br /> thêm hoặc đã có sẵn trong các hệ điều hành<br /> Windows. Nó cung cấp những giải pháp<br /> thiết yếu cho những yêu cầu thông thường<br /> của các chương trình điện toán như lập<br /> trình giao diện người dùng, truy cập dữ<br /> liệu, kết nối cơ sở dữ liệu, ứng dụng web,<br /> các giải thuật số học và giao tiếp mạng.<br /> Ngoài ra, .NET Framework quản lý việc<br /> thực thi các chương trình được viết dựa Hình 6. Giao diện cài đặt thông số cho<br /> trên .NET Framework do đó người dùng mạch giám sát<br /> <br /> <br /> 46<br />  TRẦN MINH NHẬT - NGUYỄN HUY HÙNG<br /> <br /> <br /> Khối chương trình quản lý trạm viễn được tích hợp với cơ sở dữ liệu bản đồ số<br /> thông bao gồm chương trình quản lý các google maps, cho phép người điều hành<br /> thiết bị cảm biến của mạch giám sát, quản lý, giám sát thông tin các trạm viễn<br /> chương trình giao tiếp với khối quản lý thông trực tiếp trên bản đồ số google maps.<br /> trung tâm và chương trình web, cho phép Giao diện chương trình người dùng như<br /> người điều hành hệ thống cài đặt, mật mã, hình 8.<br /> các thông số kỹ thuật cho toàn bộ hệ thống<br /> theo thứ tự từng trạm một. Giao diện<br /> chương trình cài đặt như hình 6.<br /> 4.2. Chương trình quản lý hệ thống<br /> tại trung tâm<br /> Chương trình quản lý hệ thống tại<br /> trung tâm có vai trò trung gian giữa khối<br /> quản lý nhà trạm và khối giao diện người<br /> sử dụng, khối quản lý trung tâm có nhiệm<br /> vụ tập hợp trạng thái của các mạch giám<br /> sát để gởi tới chương trình web của người Hình 8. Hiển thị kết quả giám sát trạm<br /> dùng, cũng như gởi các lệnh lấy thông tin viễn thông trên bản đồ số GIS<br /> hoặc các lệnh điều khiển từ người dùng tới<br /> Chương trình làm việc theo tiến trình<br /> mạch giám sát tại các trạm viễn thông.<br /> hoạt động, khi mới khởi tạo chương trình,<br /> Giao điện chương trình quản lý hệ thống<br /> trên bản đồ chỉ thể hiện vị trí các trạm với<br /> tại trung tâm như hình 7.<br /> biểu tượng có hình bong bóng, khi thiết bị<br /> của một trạm viễn thông được kết nối vào<br /> hệ thống thì biểu tượng của trạm tương ứng<br /> chuyển sang hình đèn xanh, thể hiện điều<br /> kiện làm việc bình thường, khi một trạm<br /> viễn thông có cảnh báo quá nhiệt độ qui<br /> định hay có báo cháy, biểu tượng tương<br /> ứng sẽ chuyển sang đèn đỏ.<br /> 5. Kết luận<br /> Hệ thống giám sát nhà trạm viễn thông<br /> là hệ thống cho phép người quản trị có thể<br /> giám sát, điều khiển các hoạt động của các<br /> thiết bị tại trạm viễn thông, thông qua<br /> mạng nội bộ, internet. Hệ thống này có thể<br /> được áp dụng hiệu quả tại các trạm thu<br /> phát gốc BTS trong hệ thống mạng điện<br /> thoại di động, có thể mở rộng ứng dụng<br /> Hình 7. Giao diện chương trình quản lý<br /> trong các nhà xưởng, hệ thống công<br /> trung tâm<br /> nghiệp, phòng thí nghiệm, hệ thống có thể<br /> 4.3. Chương trình giao tiếp với người dùng làm việc liên tục 24 giờ trong ngày, giám<br /> Chương trình giao tiếp với người dùng sát được hầu hết các tình trạng làm việc<br /> gồm cơ sở dữ liệu lưu trữ trong bộ nhớ và của các thiết bị, liên tục, mọi lúc, mọi nơi.<br /> <br /> 47<br /> THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH CÁC TRẠM VIỄN THÔNG TỪ XA …<br /> <br /> <br /> Hệ thống giám sát điều khiển thông Chú thích:<br /> minh trạm viễn thông là giải pháp nâng (1)<br /> BTS: Base Transceiver Station<br /> cao độ bền thiết bị, tăng cường tính bảo<br /> vệ, an toàn hệ thống, tiết kiệm chi phí điện TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> năng, giảm chi phí nhân công, tăng hiệu<br /> quả đầu tư. 1. DevExpress (2015), ASP.NET WebForms<br /> Đóng góp mới của đề tài là thiết kế hệ Controls and Libraries, https://www.<br /> thống giám sát điều khiển thông minh trạm devexpress.com/Products/NET/Controls/ASP.<br /> viễn thông theo hệ thống mở, trên nền công 2. Keil (2015), ARM Product Manuals,<br /> nghệ .NET Framework, công nghệ GIS http://www.keil.com/support/man_arm.htm.<br /> Google Maps, internet và công cụ lập trình 3. Maxim integrated (2015), DS18B20<br /> nhúng Keil C, chương trình phần mềm cho Programmable Resolution 1-Wire Digital<br /> phép hỗ trợ toàn bộ quá trình giám sát, điều Thermometer, http://dlnmh9ip6v2uc.cloudfront<br /> khiển toàn bộ hệ thống hoạt động tại trạm .net/datasheets/Sensors/Temp/ DS18B20.pdf.<br /> viễn thông và hiển thị kết quả giám sát trạm 4. Microsoft (2013), C# Programming Guide,<br /> viễn thông trực tiếp trên bản đồ số GIS. https://msdn.microsoft.com/en-us/library/<br /> 67ef8sbd.aspx.<br /> Phần cứng thiết bị được thiết kế hoàn<br /> chỉnh, linh kiện phù hợp, thông dụng, tăng 5. Microsoft (2015), Sockets, https://msdn.<br /> microsoft.com/en-us/library/b6xa24z5(v=vs.<br /> khả năng ứng dụng và giá thành thấp. Kết<br /> 110). aspx.<br /> quả của đề tài là sản phẩm hoàn chỉnh có<br /> thể ứng dụng vào thực tế để giám sát và 6. ST (2015), Discovery kit for STM32F407/417<br /> lines, http://www.st.com/web/catalog /tools<br /> điều khiển các thiết bị tại các trạm viễn /FM116/SC959/SS1532/PF252419.<br /> thông nói chung, các trạm BTS rất hiệu quả.<br /> 7. ST (2015), Low power dual voltage<br /> Trong thời gian tới, đề tài có thể<br /> comparators, http://www.st.com/web/catalog/<br /> nghiên cứu tích hợp nhiều dạng cảm biến sense_power/fm123/sc60/ss1089/pf63723.<br /> nhằm phát triển thành hệ thống giám sát<br /> 8. W3Schools (2015), Google Maps API,<br /> trên nhiều lĩnh vực khác nhau, thích ứng http://www.w3schools.com/googleAPI/<br /> hết các yêu cầu cần thiết của tất cả các thiết google_maps_ref.asp.<br /> bị trong trạm viễn thông.<br /> <br /> <br /> Ngày nhận bài: 15/7/2015 Biên tập xong: 15/9/2015 Duyệt đăng: 20/9/2015<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 48<br />