Nghiên cứu chế tạo hệ thống tự động giám sát người lao động trong hầm

Tuy vậy, hệ thống này ñang ở giai ñoạn áp dụng thử nghiệm ban ñầu, chưa ñáp ứng ñược yêu cầu quản lý vì chưa quản lý ñược công nhân vào/ra tại tất cả các cửa hầm lò, chưa xác ñịnh ñược v

Bộ công thương

viện điện tử – tin học

báo cáo tổng kết đề tài kh&cn cấp bộ

nghiên cứu chế tạo hệ thống giám sát

người lao động trong hầm lò

Mã số: 191.08RD/HĐ-KHCN chủ nhiệm đề tài: ks Kiều mạnh cường

7173

17/3/2009

Hà nội - 2008

BỘ CÔNG THƯƠNG

VIỆN NGHIÊN CỨU ðIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ðỘNG HÓA

BÁO CÁO TỔNG KẾT ðỀ TÀI CẤP BỘ NĂM 2008

ðề tài: Nghiên cứu chế tạo hệ thống giám sát người lao ñộng trong hầm lò

(Thời gian thực hiện: 2 năm)

Chủ nhiệm ñề tài: KS Kiều Mạnh Cường

Cơ quan chủ trì: Viện Nghiên cứu ðiện tử, Tin học, Tự ñộng hóa - VIELINA

MỤC LỤC

Diễn giải một số từ viết tắt……… ………….………

Lời mở đầu ……….…….… …… …… 1

I Những vấn đề chung ……….… … …………2

1.1 Thông tin về đề tài ……… …………2

1.2 Tính cấp thiết của đề tài……….…… … …….2

1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới……… ………….………3

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước……… ……… 3

1.3.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới……… ………… ………4

II Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống giám sát người lao động trong hầm lò (Tên gọi: V-Link)……… 10

2.1 Một số đặc điểm của môi trường khai thác than hầm lò tại Việt Nam……… … 11

2.2 Công nghệ nhận biết đối tượng qua sóng vô tuyến (RFID)……….……13

2.2.1 Khái quát về công nghệ RFID……….… 13

2.2.2 Tìm hiểu một số công nghệ thu/phát vô tuyến……….…….….16

2.2.2.1 Công nghệ WiFi……….….… 16

2.2.2.2 Công nghệ WiMax……….……… 17

2.2.2.3 Công nghệ Bluetooth……….….….… 17

2.2.2.4 Công nghệ Zigbee (IEEE 802.15.4)……… ……….… ……18

2.3 Thiết kế hệ thống V-Link……….…… 24

2.3.1 Lựa chọn công nghệ thực hiện……….… 24

2.3.2 Sơ đồ khối nguyên lý hệ thống V-Link……… ….….27

2.3.3 Xác định các yếu tố chính ảnh hưởng đến chỉ tiêu chất lượng của hệ thống……… ……….29

2.4 Thiết kế chế tạo Trạm trung tâm (V-Link Master)……… … …….32

2.4.1 Sơ đồ khối nguyên lý……… … ……32

2.4.2 Lưu đồ thuật toán……… …….….… 35

2.4.3 Thiết kế, chế tạo mạch in và vỏ hộp……… ….……36

2.5 Thiết kế chế tạo Trạm khu vực (V-Link Slave)……… …….… 37

2.5.1 Sơ đồ khối nguyên lý……….……37

2.5.2 Lưu đồ thuật toán……….……… 49

2.5.3 Thiết kế, chế tạo mạch in và vỏ hộp……….……… ………52

2.6 Thiết kế chế tạo Máy di động (V-Link Mobile)……… ……….………52

2.6.1 Sơ đồ khối nguyên lý……….… ………52

2.6.2 Lưu đồ thuật toán……….………….…… ……… 55

2.6.3 Thiết kế, chế tạo mạch in và vỏ hộp……….….… ……….56

2.7 Phác thảo Phần mềm quản lý hệ thống……… ………….…….……… 57

2.8 Tính toán các thông số cơ bản của hệ thống……… ……… ….… …………58

a Kênh vô tuyến RF 2.4 GHz……….……….……….………….58

b Đường truyền dữ liệu RS-232, RS-485……… ……….……….60

2.9 Thử nghiệm hệ thống trên mặt bằng……… ……….62

III Kết luận……….… ………65

3.1 Các kết quả đã đạt được……… … … ……….65

3.2 Các công việc tiếp theo……… … …………69

3.3 Xu hướng phát triển của đề tài……… …… ……… 69

3.4 Đề xuất – Kiến nghị……… …….… …………69

IV Phụ lục……… … ……….………… 70

4.1 Danh mục các sơ đồ nguyên lý ……….……….… ……….70

4.2 Danh mục các bản vẽ gia công cơ khí……….……….….… ……… ……….70

4.3 Danh mục chương trình mã nguồn………….……….…… ….… … ………70

4.4 Thuyết minh ñề tài……….………70

4.5 Hợp ñồng thuê khoán công việc, sản phẩm……… ……… 70

4.6 Dự toán kinh phí ñề tài năm 2008……… ………70

V Tài liệu tham khảo……….….… ………71

DIỄN GIẢI MỘT SỐ TỪ VIẾT TẮT ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG BÁO CÁO

T

Từ viviviết tt tt tắtttt TTừ gggốcccc

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

MAC Media Access Control

W-LAN Wireless – Local Area Network

WiFi Wireless Fidelity (IEEE 802.11b wireless networking)

WiMax Worldwide Interoperability for Microwave Access (IEEE 802.16)

ISM Industrial, Scientific and Medical

PAN Personal Area Network

RAM Random Access Memory

EEPROM Electrical Eraseable ROM

CSMA-CA Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance

CSMA-CD Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection

FSL Free Space Loss

RFID Radio Frequency Identification

ADC Analog to Digital Converter

LQI Link Quality Indicator

RSSI Received Signal Strength Indicator

VHF Very High Frequency

UHF Ultra High Frequency

SHF Super High Frequency

EHF Extra High Frequency

BER Bit Error Rate

EIRP Effective Isotropic Radiated Power

FFD Full-Function Device

RFD Reduced-Function Device

PHY Physical Layer

PER Packet Error Rate

GTS Guaranteed Time Slot

FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum

CCA Clear Channel Assessment

ED Energy Detection

RFI Radio Frequency Interference

SNR Signal to Noise Ratio

Lời mở đầu

Ngành than Việt Nam đang trong thời kỳ phát triển mạnh mẽ với tốc độ tăng trưởng hàng năm cao và sản lượng rất lớn Bên cạnh vấn đề tăng trưởng là cơng tác quản lý đội ngũ cơng nhân, hạn chế rủi ro, tai nạn lao động Trong những năm qua, nhiều tai nạn hầm lị đáng tiếc đã xảy ra do nhiều nguyên nhân như: Sập hầm lị, bục nước, nổ khí mêtan, nổ mìn sai quy chế v,v… địi hỏi phải tăng cường cơng tác quản lý nhân sự làm việc trong hầm lị

Từ trước đến nay ở các mỏ than tại Việt nam, việc quản lý người ra/vào các hầm lị khai thác chủ yếu được thực hiện bằng phương pháp thủ cơng, ghi chép sổ sách khiến cơng tác quản lý gặp nhiều khĩ khăn, bất cập nên vấn đề cấp bách đặt ra là cần phải giám sát vị trí của người đi vào hầm lị để biết các thơng tin phục vụ quản lý như: ðến ca làm việc chưa thấy vào, hết ca làm việc chưa thấy ra, cĩ đi vào vùng cấm hay khơng, cĩ làm việc đúng vị trí hay khơng, vị trí hiện thời ở đâu,… các câu hỏi đĩ rất được các cán bộ quản lý cơng nhân mỏ quan tâm

Sau nhiều năm là đối tác tin cậy cung cấp thiết bị phục vụ cơng tác an tồn cho một số cơng

ty khai thác than trong Tập đồn than khống sản Việt nam - TKV, qua tiếp xúc và trao đổi với các cán bộ quản lý, chúng tơi thấy hiện nay cơng tác quản lý người cơng nhân vào mỏ gặp nhiều khĩ khăn, các hệ thống kỹ thuật trợ giúp hiện tại hầu như chưa cĩ gì, các sản phẩm nước ngồi chào bán cho ngành mỏ về cơng tác quản lý nhân sự trong hầm lị rất đắt tiền và đặc biệt là các dịch vụ kỹ thuật sau bán hàng rất khĩ được đáp ứng kịp thời Từ thực trạng đĩ, chúng tơi đặt vấn đề nghiên cứu một hệ thống “Giám sát người lao động trong hầm lị” với mong muốn cĩ thể hỗ trợ các cán bộ quản lý sử dụng máy tính để quan sát, tìm kiếm vị trí hiện thời của những cơng nhân đang làm việc trong hầm lị Hệ thống này cũng

cĩ thể tự động phát những báo hiệu cần thiết trợ giúp người cĩ trách nhiệm ra các quyết định kịp thời và chính xác, phục vụ đắc lực cho cơng tác quản lý, đảm bảo an tồn lao động trong mơi trường hầm lị, hỗ trợ tìm kiếm cứu nạn khi tai nạn hầm lị xảy ra,…

Chúng tơi chân thành cảm ơn Bộ Cơng Thương, Bộ Khoa học Cơng nghệ và Viện Nghiên cứu ðiện tử, Tin học, Tự động hĩa đã tạo các điều kiện thuận lợi để đề tài này được thực hiện thành cơng và đạt được các kết quả mong muốn Chúng tơi mong rằng sẽ tiếp tục nhận được hỗ trợ để sản phẩm của đề tài này được hồn thiện và cĩ thể ứng dụng vào mơi trường khai thác than hầm lị

Nhĩm thực hiện đề tài

I NHỮNG VẤN ðỀ CHUNG

1.1 Thơng tin về đề tài

Tên ðề tài/Dự án: Nghiên cứu chế tạo hệ thống giám sát người lao động trong hầm lị

ðơn vị chủ trì thực hiện ðề tài/Dự án: Viện NC ðiện tử, Tin học, Tự động hĩa

Chủ nhiệm ðề tài/Dự án: Kỹ sư Kiều Mạnh Cường

Thời gian thực hiện: 24 tháng

Tổng kinh phí thực hiện: 500 triệu đồng từ Ngân sách nhà nước

- 10 Máy di động phát mã cá nhân (Máy di động)

- Phần mềm quản lý giám sát người lao động trong hầm lị

- Các tài liệu nghiên cứu, tài liệu kỹ thuật, các báo cáo liên quan

Trong đĩ, sản phẩm đăng ký giai đoạn 1 gồm:

- 05 Máy di động phát mã cá nhân hồn chỉnh

- 02 Trạm khu vực hồn chỉnh

- 01 Mạch in Trạm trung tâm

- Các tài liệu nghiên cứu, tài liệu kỹ thuật, các báo cáo liên quan

1.2 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, các cơng ty khai thác than hầm lị tại Việt Nam ngày càng mở rộng diện tích khai thác và khai thác sâu hơn xuống lịng đất ðịa hình khai thác rất phức tạp, dễ xảy ra các rủi

ro và tai nạn lao động, vì vậy địi hỏi phải tăng cường phương tiện và trình độ quản lý đối với con người cũng như các thiết bị trong hầm lị Qua tìm hiểu về yêu cầu và thực trạng cơng tác quản lý tại một số cơng ty than thuộc Tập đồn than khống sản Việt nam (TKV), cho thấy hiện nay hầu hết các cơng ty than đều quản lý cơng nhân bằng phương pháp thủ cơng, thơng thường cĩ 3 ca làm việc/ngày dưới hầm lị, các cơng nhân đi làm theo ca phải đến đăng ký vào với Quản đốc phân xưởng trước khi xuống hầm lị, khi hết ca làm việc hoặc nghỉ sớm phải đăng ký ra với Quản đốc phân xưởng Qua đĩ bộ phận quản lý sẽ theo dõi, giám sát giờ giấc làm việc của mỗi cơng nhân và tính cơng lao động cho từng người

Việc quản lý như trên nhìn chung là phù hợp ñối với các công ty nhỏ, số lượng công nhân

ít, ñịa hình khai thác hẹp và ít phức tạp Tuy nhiên, ngoài số ít các công ty khai thác còn có

mỏ than lộ thiên, các công ty than còn lại ñều là các công ty khai thác than Hầm lò với ñịa hình khai thác rộng lớn với nhiều ñường lò phức tạp có ñộ sâu hàng trăm mét so với mực nước biển Số công nhân làm việc mỗi ca trong hầm lò lên tới hàng trăm người, rất nhiều hiện tượng rủi ro có thể xảy ra trong ñiều kiện như vậy

Theo các cán bộ quản lý sản xuất tại các mỏ than hầm lò, thì công tác quản lý người lao ñộng dưới hầm lò không những yêu cầu theo dõi sát sao giờ giấc vào/ra của mỗi công nhân tại các cửa lò ñể phát hiện những công nhân ñi làm muộn giờ, hoặc hết ca làm việc mà không thấy ra, mà còn ñòi hỏi phải nhanh chóng xác ñịnh ñược những công nhân ñi vào các khu vực cấm, khu vực nguy hiểm, những công nhân bỏ vị trí làm việc và ngủ quên trong khu mỏ dưới lòng ñất có thể dẫn tới tai nạn lao ñộng ñáng tiếc Vì vậy các công ty khai thác than hầm lò hiện nay không những cần một hệ thống giám sát quản lý ñối tượng ñồng bộ tại các cửa vào/ra, mà còn rất cần một hệ thống trợ giúp xác ñịnh ñược vị trí hoặc khoanh vùng ñối tượng cần giám sát ñể phục vụ công tác quản lý, tìm kiếm, ứng cứu kịp thời khi có tai nạn rủi ro xảy ra trong hầm lò

Qua khảo sát thực tế tại Công ty than Vàng Danh, Công ty than Hạ Long, Công ty than Hòn Gai, Công ty than Khe Chàm,… thì nhu cầu về hệ thống quản lý giám sát người lao ñộng trong hầm lò có khả năng xác ñịnh vị trí, hỗ trợ các cảnh báo hạn chế rủi ro,… là rất thiết thực Do việc quản lý ñội ngũ công nhân, thợ mỏ gặp nhiều khó khăn vì ý thức chấp hành các quy ñịnh của nhiều thợ mỏ chưa cao Tại công ty than Khe Chàm, có gần 2000 công nhân làm việc theo 3 ca, nghĩa là trong một ca làm việc thường xuyên có gần 700 người lao ñộng trong hầm lò, với ñội ngũ quản lý giám sát lao ñộng hạn chế về số lượng người và trang thiết bị như hiện nay, việc quản lý người lao ñộng trong hầm lò gặp rất nhiều khó khăn Nên các cán bộ quản lý ở ñây rất quan tâm ñến các hệ thống thiết bị kỹ thuật hỗ trợ công tác quản lý, ñặc biệt là hệ thống giám sát người lao ñộng trong hầm lò Tuy nhiên, hiện tại, nếu ñầu tư cho một hệ thống như vậy bằng cách mua thiết bị của nước ngoài thì chi phí ban ñầu rất tốn kém nên bài toán kinh tế - kỹ thuật ñặt ra là không khả thi, hơn nữa việc vận hành khai thác hệ thống thiết bị trong ñiều kiện môi trường hầm lò khắc nghiệt, thường xảy ra sự cố kỹ thuật, nên các Công ty than cần một nhà cung cấp có khả năng làm chủ công nghệ, ñáp ứng nhanh yêu cầu về khắc phục sự cố khi cần Yêu cầu này ñòi hỏi phải ñầu tư nghiên cứu, chế tạo, sản xuất thiết bị trong nước ñể hạ giá thành sản phẩm, ñáp ứng ñược các yêu cầu về dịch vụ sau bán hàng

1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Theo chúng tôi khảo sát, hiện tại ở Việt Nam chưa có tổ chức hay cá nhân nào nghiên cứu chế tạo một hệ thống tương tự như sản phẩm dự kiến của ñề tài này Các hệ thống quản lý nhân sự bằng thẻ, áp dụng tại các cửa ra vào ñược các công ty thương mại cung cấp phổ biến là sản phẩm của các hãng nước ngoài Tại Viện nghiên cứu ðiện tử, Tin học, Tự ñộng hóa ñã nghiên cứu và triển khai thành công hệ thống quản lý ñối tượng ra/vào bằng thẻ RFID, tại một số hội chợ công nghiệp và triển lãm Viễn thông cũng có các doanh nghiệp chào bán các hệ thống quản lý nhân sự bằng thẻ, tuy nhiên, qua tìm hiểu chúng tôi thấy các

hệ thống này hiện cũng chưa ñược áp dụng rộng rãi tại Việt Nam vì yêu cầu về mặt quản lý nhân sự tại các cơ quan chưa ñặt ra cấp bách Trong tương lai, các nhà máy sản xuất lớn, các tổ chức, ñơn vị có nhu cầu giám sát quản lý nhân sự chặt chẽ trong các tòa nhà là những khách hàng tiềm năng ñối với dòng sản phẩm này

Tại các công ty than hầm lò tại Việt Nam, hiện chỉ có công ty than Mạo Khê có lắp ñặt hệ thống quản lý tập trung công nhân ra/vào hầm lò bằng thẻ Tuy vậy, hệ thống này ñang ở giai ñoạn áp dụng thử nghiệm ban ñầu, chưa ñáp ứng ñược yêu cầu quản lý vì chưa quản lý ñược công nhân vào/ra tại tất cả các cửa hầm lò, chưa xác ñịnh ñược vị trí hiện thời của người công nhân ñang làm việc hay hoạt ñộng ở ñâu Các hãng chào bán thiết bị quản lý người trong hầm lò cho khách hàng là các công ty khai thác than khoáng sản chủ yếu chào bán các hệ thống quản lý bằng thẻ từ, thẻ thu/phát vô tuyến tần số thấp, phạm vi hẹp, thích hợp lắp ñặt tại các cửa ra/vào Chưa thấy có sản phẩm chào bán nào là một hệ thống mạng

vô tuyến quản lý ñối tượng tập trung, có khả năng xác ñịnh vị trí của người lao ñộng trong hầm lò và hỗ trợ các cảnh báo cần thiết ñối với nghiệp vụ quản lý người lao ñộng tại hiện

trường khai thác

1.3.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

ðối với các nước có ngành công nghiệp khai khoáng phát triển như Mỹ, Nhật, Canada, Trung Quốc, Nga, Australia, … thì các công nghệ phụ trợ cho ngành khai khoáng cũng rất phát triển, trong ñó có các công nghệ phục vụ cho an toàn lao ñộng trong khai thác than hầm lò như các Thiết bị bảo hộ, Thiết bị thông gió, Thiết bị ño và cảnh báo khí ñộc, khí cháy nổ, Hệ thống giám sát vị trí ñối tượng (người lao ñộng, máy móc thiết bị) trong hầm

lò cũng ñược nghiên cứu phát triển tại các nước trên và hiện ñã có sản phẩm thương mại Các hệ thống này cho phép xác ñịnh ñược ñối tượng mang theo thẻ trong khoảng cách hàng chục mét mà không yêu cầu phải quẹt thẻ qua các bộ ñọc thẻ Công nghệ nòng cốt thường

ñược sử dụng trong các hệ thống này là công nghệ thu phát không dây tần số cao từ hàng trăm MHz trở lên

Chúng tôi giới thiệu hai hệ thống giám sát vị trí ñối tượng ñiển hình sử dụng công nghệ thu phát không dây tần số cao, thông tin chi tiết về sản phẩm có thể tham khảo tại Website của nhà cung cấp

A Hệ thống EZ – Tracer, Hãng chế tạo: Hellicom - Mỹ, Website: www.hellicom.com

EZ - Tracer là hệ thống xác ñịnh vị trí ñối tượng theo thời gian thực, dựa trên nền công

nghệ mạng không dây Zigbee, hệ thống này gồm có:

- Thiết bị trung tâm: Thiết bị này kết nối với máy tính qua giao diện USB, kết nối với các

Thiết bị ñọc thẻ qua kênh vô tuyến 2.4GHz Thiết bị trung tâm có chức năng thu thập thông tin về vị trí của các thẻ di ñộng từ các Thiết bị ñọc thẻ trong toàn mạng và gửi số liệu ñó cho PC

- Thiết bị ñọc thẻ: Là các thiết bị nhận diện mã số của thẻ di ñộng trong vùng phủ sóng của

mình qua kênh vô tuyến, băng tần làm việc 2.4 GHz Mỗi thiết bị ñọc thẻ gắn với một khu

H.1 Minh họa nguyên lý hệ thống EZ-Tracer

vực xác ñịnh, thiết bị này còn có vai trò ñịnh tuyến các gói dữ liệu trong mạng Thông tin

về vị trí của Thẻ di ñộng ñược gửi về Thiết bị trung tâm qua một hoặc nhiều chặng vô tuyến trong mạng Một Thiết bị ñọc thẻ có khả năng nhận biết ñồng thời 14 Thẻ di ñộng trong phạm vi phủ sóng của mình

- Thẻ di ñộng: Phát mã phân biệt thẻ tới các Thiết bị ñọc thẻ qua kênh vô tuyến 2.4 GHz

theo chuẩn Zigbee (IEEE 802.15.4)

- Phần mềm mô phỏng: Cho phép quản lý tối ña 100 Thiết bị ñọc thẻ và 2000 Thẻ di

ñộng.Thực tế, tùy vào nhu cầu cụ thể của từng ứng dụng mà người sử dụng lựa chọn và ñặt hàng với số lượng các thiết bị cụ thể với nhà cung cấp

Cấu hình và giá tham khảo:

[Theo báo giá của Hellicom Taiwan, tháng 5 năm 2008]

EZ - Tracer sử dụng các thiết bị thu phát vô tuyến hoạt ñộng tại băng tần 2.4 GHz theo

chuẩn Zigbee IEEE 802.15.4 ñể trao ñổi thông tin nhận diện Một mạng lưới các Thiết bị ñọc thẻ sẽ báo cáo các thông tin về vị trí của một Thẻ di ñộng ñang hoạt ñộng trong phạm

vi của mạng về trung tâm quản lý Các thành phần của hệ thống EZ - Tracer gồm:

B Hệ thống Tracker Tagging

Hãng chế tạo: Mine Site Technologies, Australia; Website: www.minesite.com.au

Tracker Tagging là hệ thống ñược chế tạo theo các tiêu chuẩn thiết bị hầm lò Hệ thống này cũng sử dụng các Thẻ di ñộng phát mã phân biệt ñối tượng qua băng vô tuyến tới các Thiết

bị ñọc thẻ rồi truyền về Thiết bị trung tâm qua ñường truyền cáp Ethernet hoặc RS-485 tốc

ñộ cao Các thiết bị thành phần trong hệ thống gồm có: Thẻ di ñộng, Thiết bị ñọc thẻ, Thiết

bị trung tâm và Phần mềm quản lý thẻ

- Thiết bị trung tâm: Là thiết bị ñặt tại trung tâm ñiều hành, thiết bị này kết nối với các Bộ

ñọc thẻ qua cáp Ethernet hoặc RS-485 ñể thu thập thông tin về các Thẻ di ñộng từ các khu vực khác nhau

- Bộ ñọc thẻ: ðược bố trí phân tán theo từng khu vực cần giám sát, thiết bị này kết nối với

các Thẻ di ñộng qua kênh vô tuyến UHF 433 MHz hoặc 2.4 GHz ñể nhận diện mã Thẻ Thông tin truyền về trung tâm qua mạng cáp RS-485 hoặc Ethernet tốc ñộ cao

- Thẻ di ñộng: Mỗi thẻ gắn với một mã nhận diện duy nhất sử dụng ñể trả lời khi ñược Bộ

ñọc thẻ yêu cầu Thẻ di ñộng liên lạc với Bộ ñọc thẻ trên băng tần UHF 433 MHz hoặc 2.4 GHz

- Phần mềm quản lý: Cài ñặt trên máy tính, phần mềm có tính năng cập nhật vị trí của các

Thẻ di ñộng theo sơ ñồ ñường lò mô phỏng Thông tin về các ñối tượng ñược quản lý là một cơ sở dữ liệu gồm các trường: Mã thẻ, Số hiệu ñối tượng, Tên gọi, Vị trí vừa cập nhật,

Thời ñiểm cập nhật gần nhất, Chức trách

Dưới ñây là hình ảnh về các thành phần trong hệ thống Tracker Tagging:

Các hệ thống ñược giới thiệu trên ñây ñều là các sản phẩm thương mại, tuy nhiên chưa có

hệ thống nào ñược lắp ñặt tại các mỏ than trong nước Các công ty khai thác than hầm lò

H.3 Hệ thống Tracker TaggingTracker TaggingTracker Tagging

hiện rất quan tâm ñến hệ thống thiết bị quản lý người lao ñộng trong hầm lò Tuy nhiên, do việc sử dụng các hệ thống nhập từ nước ngoài còn gặp nhiều khó khăn trong quá trình triển khai lắp ñặt và sử dụng, ñặc biệt là việc bảo hành bảo trì hoặc hỗ trợ kỹ thuật trong quá trình vận hành khai thác do ñội ngũ làm thương mại trong nước không làm chủ ñược công nghệ thiết kế chế tạo, cũng bởi giá thành của các hệ thống ngoại nhập còn khá cao vì thế ñến nay vẫn chưa có công ty nào lựa chọn lắp ñặt hệ thống giám sát quản lý người lao ñộng trong hầm lò của nước ngoài như ñã trình bày

Trong ñiều kiện khai thác than ngày càng mở rộng và xuống sâu dưới lòng ñất với ñịa hình hầm lò phức tạp thì càng cần thiết ứng dụng các hệ thống kỹ thuật trợ giúp công tác giám sát, quản lý lao ñộng ñể ñảm bảo an toàn, cũng như tìm kiếm cứu nạn khi có rủi ro, tai nạn xảy ra ñối với người lao ñộng dưới hầm lò ðiều này ñặt ra vấn ñề nghiên cứu trong nước

ñể tự chủ về công nghệ, tự chủ khả năng ñiều chỉnh và phát triển công nghệ cho phù hợp với ñiều kiện thực tế hầm lò khai thác than tại Việt Nam, một mặt hạ giá thành sản phẩm so với sản phẩm tương ñương của nước ngoài, mặt khác ñội ngũ kỹ thuật trong nước có thể ñáp ứng nhanh các yêu cầu của người sử dụng do hoàn toàn làm chủ công nghệ thiết kế, chế tạo hệ thống sản phẩm của mình

II NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG GIÁM SÁT

NGƯỜI LAO ðỘNG TRONG HẦM LÒ (TÊN GỌI: V-LINK)

Với mục ñích nghiên cứu, thiết kế, chế tạo một hệ thống giám người lao ñộng thông qua việc phát hiện số hiệu nhận diện của Máy di ñộng mang theo người khi di

chuyển qua các khu vực xác ñịnh trong hầm lò và tự ñộng cập nhật, hiển thị thông tin

về vị trí của người lao ñộng trong hầm lò trên màn hình máy tính Qua tìm hiểu tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới cũng như tham khảo một số sản phẩm trong lĩnh vực quản lý nhân sự, giám sát các ñối tượng chuyển ñộng dưới hầm lò Chúng tôi xác ñịnh cần nghiên cứu và giải quyết những vấn ñề sau trong quá trình thực hiện ñề tài này:

- Khảo sát ñặc ñiểm của môi trường khai thác than hầm lò

- Tìm hiểu các giải pháp công nghệ có thể sử dụng ñể thực hiện ñề tài

- Phân tích, lựa chọn công nghệ phù hợp nhất

- Thiết kế tổng thể hệ thống và các thiết bị thành phần

- Chế tạo các thiết bị ñảm bảo các tiêu chuẩn an toàn trong môi trường hầm lò

- Thử nghiệm các kết nối và ñánh giá hoạt ñộng của hệ thống trên mặt bằng, xác ñịnh các yếu tố môi trường thực tế tác ñộng lên chất lượng hệ thống, ñánh giá tác ñộng của hệ thống ñối với môi trường thử nghiệm, hoàn thiện thiết kế sau quá trình thử nghiệm hệ thống trên ñiều kiện mặt bằng

- Kiểm ñịnh chất lượng hệ thống theo TCVN7079 ExiaI về an toàn tia lửa ñối với các thiết bị ñiện làm việc trong hầm lò tại Trung tâm An toàn mỏ - Viện Khoa học công nghệ mỏ

- Thử nghiệm các kết nối và ñánh giá hoạt ñộng của hệ thống dưới mỏ than hầm lò, xác ñịnh các thông số kỹ thuật của các thiết bị thành phần và toàn hệ thống trong ñiều kiện môi trường hầm lò khai thác than, ñánh giá ảnh hưởng của hệ thống ñối với các hoạt ñộng dưới mỏ than hầm lò, hoàn thiện thiết kế kỹ thuật sau quá trình thử nghiệm hệ thống dưới mỏ than hầm lò

- Liên hệ các công ty khai thác than hầm lò ñể giới thiệu về hệ thống, nhằm ñưa hệ thống vào phục vụ công tác an toàn lao ñộng trong lĩnh vực khai thác than hầm lò

2.1 Một số đặc điểm của mơi trường khai thác than hầm lị tại Việt Nam

Theo tìm hiểu, khảo sát và thơng qua các hoạt động hợp tác nghiên cứu khoa học và chuyển

giao cơng nghệ tại các đơn vị thành viên của Tập đồn Than Khống sản Việt Nam (TKV)

Chúng tơi được biết cho tới nay hầu hết các Cơng ty Than đã khai thác xuống sâu với độ sâu trung bình khoảng 100m dưới mực nước biển, lượng Than cĩ thể khai thác lộ thiên hiện khơng cịn nhiều

Mỗi vùng khai thác Than của một Cơng ty thường trải rộng trên một địa hình hàng chục

km2 với nhiều đường lị lắt léo dưới lịng đất Trong một vùng khai thác Than lại được chia thành nhiều khai trường khác nhau tùy theo đường đi của từng vỉa Than Sau quá trình trắc địa thăm dị, Than được khai thác bằng phương pháp khoan nổ mìn rồi sử dụng nhân cơng cùng các phương tiện chuyên dùng để xúc và chuyên chở Than lên mặt bằng, các khu vực dưới lịng đất để tập kết Than trước khi đưa lên mặt bằng được gọi là các “lị chợ”, tại đây thường rất nhiều bụi Than và thiếu ánh sáng Càng vào sâu trong hầm lị càng thiếu ánh sáng, nguồn sáng để đi lại và duy trì các hoạt động chủ yếu vẫn là từ ánh sáng của các đèn

lị gắn trên mũ bảo hộ của mỗi người cơng nhân

Các máy mĩc thiết bị làm việc trong mơi trường hầm lị phải tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu

chuẩn an tồn phịng chống cháy nổ (TCVN 7079) áp dụng đối với các thiết bị điện làm việc

trong mơi trường cĩ khí và bụi nổ Các thiết bị dưới hầm lị phải đảm bảo cĩ kết cấu kín, làm bằng vật liệu chống tĩnh điện để khơng tự phát ra tia lửa, khơng gây cháy, khơng bắt cháy,… Hiện nay, dưới các hầm lị khai thác than thường cĩ các động cơ cơng suất lớn để vận hành thơng giĩ và các dây chuyền khai thác Hệ thống thơng tin liên lạc tại các mỏ than hầm lị ở nước ta vẫn chưa được đầu tư phát triển đúng mức nên hầu hết hệ thống hầm lị

của các cơng ty khai thác than vẫn chưa lắp đặt các thiết bị thơng tin liên lạc (điện thoại,

nhắn tin,…), tuy nhiên các cơng ty đang rất quan tâm phát triển hệ thống thơng tin trong

hầm lị song song với các hệ thống kiểm sốt khí mỏ tập trung

Trong hầm lị cĩ thể cĩ các khu vực rất nguy hiểm như: Khu vực lị cụt cĩ thể thiếu Ơxy và

tụ nhiều loại khí nguy hiểm do khơng được thơng giĩ tốt, Khu vực cĩ nguy cơ bục nước hoặc sập lị, Khu vực chuẩn bị nổ mìn,… đây là những khu vực đặc biệt cần thiết phải cảnh báo cho người đi vào hầm lị Trong thực tế để đảm bảo an tồn cho người đi xuống hầm lị, ngành Than cĩ quy định khơng ai được đi xuống hầm lị một mình, đặc biệt là những người mới đi lị lần đầu đều được bố trí ít nhất một người cĩ nhiều kinh nghiệm đi cùng để hạn chế rủi ro, tai nạn

Chiều cao lớn nhất của ñườ

là 3.5m, cũng có những vị trí ñư

mới qua ñược Các ñường lò th

thường ẩm ướt hoặc ngập nư

di chuyển và dễ xảy ra tai n

Về vấn ñề con người, những th

theo ca (3 ca/ngày) Mỗi ca làm vi

tiếp dưới hầm lò tùy theo quy mô c

lượng công nhân tại mỗi ca này ñư

nhiệm vụ của mình Ngoài l

người thợ có nhiệm vụ khác nhau như v

ñường lò, ño kiểm tra khí, thông gió,…

thường, việc di chuyển trong h

cùng di chuyển vì ñường lò th

lò cũng phân tán rải rác theo t

trung cao nhất như tại các khu lò ch

Qua tìm hiểu về những khó khăn trong công tác qu

chúng tôi ñược biết công tác này hi

việc cũng như ý thức về an toàn lao ñ

mỏ than thường có hiện tượ

ờng lò thông thường là 3.4m và chiều rộng lớtrí ñường lò rất nhỏ hẹp mà muốn qua ta phả

ng lò thường không bằng phẳng, có vị trí ñộ dốc

p nước tới hàng chục cm và thiếu ánh sáng gây khó khăn cho vi

y ra tai nạn trong quá trình lao ñộng hoặc di chuyển trong h

ng thợ mỏ trực tiếp làm việc tại các hầm lò dư

i ca làm việc trung bình có từ 300 ñến 700 công nhân làm vi

m lò tùy theo quy mô của khu mỏ của mỗi Công ty khai thác khác

i ca này ñược chia về các khai trường khác nhau trong khu mNgoài lực lượng công nhân trực tiếp sản xuất theo ca còn có nhkhác nhau như vận hành thiết bị máy móc, xây d

m tra khí, thông gió,… cũng thường xuyên có mặt trong h

n trong hầm lò không cho phép tập trung một lượ

ng lò thường khá hẹp và gồ ghề, ẩm ướt Người lao ñ

i rác theo từng khu vực sản xuất và tại những khu vự

i các khu lò chợ thì số lượng người có thể tới vài ba ch

ng khó khăn trong công tác quản lý nhân công lao ñ

t công tác này hiện còn gặp nhiều khó khăn do ý thứ

an toàn lao ñộng của không ít công nhân mỏ còn rợng công nhân trễ ca, bỏ ca, trốn ca, thậm chí ngH.4 Sơ đồ khai trường một Mỏ than hầm lò

ớn nhất thông thường

ải khéo luồn người

c lên tới 450, nền ñất gây khó khăn cho việc

n trong hầm lò

ưới lòng ñất chia

n 700 công nhân làm việc trực

i Công ty khai thác khác nhau, lực

ng khác nhau trong khu mỏ theo

t theo ca còn có những máy móc, xây dựng sửa chữa

t trong hầm lò Thông ợng người quá lớn

m chí ngủ quên dưới lò

mà không ra khi ñã hết ca làm việc Thực trạng này gây khó khăn cho công tác quản lý và cũng ñã có một số tai nạn ñáng tiếc xảy ra khi người lao ñộng không ñến ñúng vị trí làm việc của mình trong giờ làm việc

Những ñặc ñiểm của ngành khai thác than hầm lò nói chung và tại Việt Nam nói riêng ñã ñặt ra yêu cầu là cần có một hệ thống giám sát ñường di chuyển cũng như vị trí làm việc của người lao ñộng dưới hầm lò phục vụ công tác quản lý và công tác an toàn lao ñộng, ñó cũng là mục tiêu thực hiện của ñề tài này

2.2 Công nghệ nhận biết ñối tượng qua sóng vô tuyến (RFID)

Hiện nay công nghệ nhận biết, quản lý ñối tượng rất phổ biến và ña dạng Trong phạm vi

báo cáo này, chúng tôi không ñề cập chi tiết tới các hệ thống sử dụng thẻ từ (Thẻ ATM, thẻ

quẹt chấm công,…) hoặc các loại thẻ cần tiếp xúc với bộ ñọc Chúng tôi sẽ trình bày cụ thể

hơn công nghệ nhận diện ñối tượng sử dụng Chip ñiện tử qua sóng vô tuyến, vì công nghệ này cho phép nhận diện ñối tượng ở khoảng cách xa hơn, phù hợp với yêu cầu ñặt ra ñối với hệ thống giám sát người lao ñộng trong hầm lò

RFID (Radio Frequency Identification Technology) không phải là một công nghệ mới,

nhưng càng ngày càng ñược ứng dụng theo nhiều cách khác nhau nhờ công nghệ luôn ñược cải tiến và giá thành ngày càng hạ Khởi ñầu công nghệ này ñược sử dụng trong thế chiến thứ hai ñể quân ñội phát hiện các máy bay ñồng minh, ngày nay RFID ñã ñược sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực dân sự, từ các khu vực công cộng tới các khu vực cá nhân, từ trong các bệnh viện ñến các xa lộ,…

2.2.1 Khái quát về công nghệ RFID

Trong các hệ thống RFID, một ñối tượng cần nhận biết sẽ ñược gắn vào một Chip Silicon

và một Anten bức xạ sóng ñiện từ rất nhỏ Chip Silicon cùng với Anten tích hợp với nhau tạo thành một “thẻ”, thẻ này có thể ñược quét và nhận biết bởi các bộ ñọc thẻ di ñộng hoặc

bộ ñọc thẻ ñặt cố ñịnh một chỗ qua sóng vô tuyến ñiện từ (RF – Radio Frequency) Chíp

Silicon ñược gán một mã phân biệt duy nhất ñể các bộ ñọc nhận diện ñược ñối tượng mang

nó, ví dụ: Trong một cửa hàng quần áo, các bộ quần áo khác nhau có thể ñược nhận biết các thông số như kiểu mẫu, kích cỡ, màu sắc, nhà sản xuất, … bằng thiết bị ñiện tử Trong lĩnh vực dược phẩm, các lọ thuốc ñược gắn chíp ñiện tử sẽ cho biết các nội dung liên quan ñến loại thuốc ñó Trên ñường cao tốc, các ô tô gắn Chip nhận diện sẽ ñược nhận biết và kiểm tra một cách tự ñộng mỗi khi qua các Trạm kiểm soát giao thông, thu phí,… nên sẽ tiết kiệm thời gian và hạn chế ùn tắc

Bộ ñọc Thẻ sẽ thực hiện việc quét ñọc thông tin về ñối tượng lưu trong Chip Silicon rồi gửi

về Trung tâm quản lý dữ liệu, tại ñây sẽ cho biết thêm các thông tin chi tiết hơn về ñối tượng ñó Các thành phần chính của một hệ RFID gồm Thẻ di ñộng, Bộ ñọc thẻ và Trung tâm quản lý dữ liệu

Chip ñiện tử: Thường ñược chế tạo từ vật liệu Silicon, dùng ñể ghi thông tin về ñối tượng

sẽ gắn vào và cho phép ñọc thông tin này qua sóng vô tuyến

Anten:

ðược tích hợp cùng Chip ñể thu/phát dữ liệu với Bộ

ñọc thẻ qua sóng vô tuyến Nói chung, Anten càng lớn

thì khoảng cách liên lạc càng xa Tổ hợp Chip và

Anten tạo thành một bộ thu/phát ñược gắn trong một

vỏ thường rất mỏng gọi là Thẻ

Bộ ñọc thẻ: Còn ñược gọi là Bộ quét thẻ, thiết bị này

cũng có Anten thu/phát riêng sử dụng ñể truyền/nhận

dữ liệu với các Thẻ Các bộ ñọc thẻ có thể khác nhau về kích thước,

trọng lượng, kiểu dáng và công suất làm việc Bộ ñọc thẻ có thể là

thiết bị di ñộng hay cố ñịnh

Trung tâm quản lý dữ liệu: Thường là phần mềm cài ñặt tại máy tính

có chức năng lưu trữ các thông tin liên quan ñến ñối tượng cần quản

lý Các Bộ ñọc thẻ ñược kết nối về Trung tâm bằng nhiều ñường khác

nhau tùy theo quy mô của hệ thống Thông tin về ñối tượng cần

giám sát quản lý phải ñược nhập vào cơ sở dữ liệu trước khi Bộ

ñọc thẻ gửi mã nhận diện ñối tượng về Trung tâm

Về cơ bản các hệ thống RFID ñều bao gồm các thành phần trên ñây, tuy nhiên trong thực tế

có nhiều yếu tố ñòi hỏi phải thay ñổi ít nhiều về mỗi thành phần thiết bị cho phù hợp với từng ứng dụng khác nhau như sử dụng thẻ “chủ ñộng” hay “thụ ñộng”; sử dụng băng tần nào; kích thước Anten cho Thẻ và Bộ ñọc thẻ; lưu thông tin gì và nhiều hay ít vào mỗi Thẻ; các yếu tố ảnh hưởng ñến khoảng cách ñọc Thẻ,… và cân nhắc tới giá thành của thiết bị, vì ñây là vấn ñề rất quan trọng ñối với người sử dụng khi áp dụng gắn Thẻ RFID cho sản phẩm hàng hóa với số lượng lớn

H.5 Anten thẻ RFID

H.6 Bộ ñọc thẻ RFID

A Các loại thẻ RFID

Có ba loại Thẻ RFID ựược phân chia theo phương thức truyền tin và phương thức khởi tạo kết nối vô tuyến, ựó là:

Thẻ Ộthụ ựộngỢ: Thẻ loại này không có nguồn ựiện tắch hợp trong vỏ, nghĩa là không có

Pin và cũng không tự khởi tạo một kết nối Trong trường hợp này Bộ ựọc sẽ truy vấn tới Thẻ trước tiên qua sóng vô tuyến ựồng thời tạo năng lượng cho hoạt ựộng của Thẻ, sau khi các thông tin truy nhập ựược xác nhận phù hợp, Thẻ sẽ gửi thông tin về ựối tượng ựã ựược ghi trong bộ nhớ của Chip tới Bộ ựọc thẻ qua sóng vô tuyến Tùy theo kắch thước của

Anten và tần số làm việc mà Thẻ này có thể ựược ựọc qua khoảng cách lên tới hàng chục mét theo theo lý thuyết, trên thực tế, các yếu tố môi trường như gió, mặt ựất, mặt nước và các vật liệu che chắn có thể khiến khoảng cách liên lạc từ Bộ ựọc tới Thẻ giảm ựi vài mét hoặc ắt hơn Thẻ thụ ựộng ựược sử dụng rất nhiều tại các ứng dụng như: Thẻ mở cửa nhà,

vé ựiện tử thu phắ giao thông hay nhiều hơn là trong việc theo dõi các hàng hóa trên ựường vận chuyển trong chuỗi cung toàn cầu Tùy theo tắnh năng của mỗi loại mà Thẻ này có giá

từ vài chục Cent ựến vài đôla Mỹ

Thẻ Ộbán chủ ựộngỢ: Giống như trường hợp trên, loại thẻ này không tự kắch hoạt kết nối,

tuy nhiên thẻ có ựược gắn Pin cung cấp nguồn ựiện cho các hoạt ựộng của mạch Chip ựiện

tử, vì vậy Thẻ loại này có thể ựược tắch hợp thêm một vài tắnh năng như ựo nhiệt ựộ hoặc theo dõi các thông số môi trường xung quanh Tùy theo tắnh năng ựược tắch hợp thêm mà giá của loại thẻ này có thể dao ựộng từ vài USD ựến vài chục USD

Thẻ Ộchủ ựộngỢ: Là loại thẻ có thể tự kắch hoạt kết nối với Bộ ựọc thẻ và thường có nguồn

ựiện tắch hợp trong thẻ nên có thể kết nối vô tuyến với khoảng cách trên vài chục mét Hiện nay thẻ loại này có giá từ 20 đôla Mỹ trở lên và theo xu hướng ngày càng giảm Ứng dụng phù hợp với thẻ này là các hệ thống tự ựộng thu phắ, vắ dụ hệ thống thu phắ giao thông cho phép các xe có thẻ RFID ựược xác nhận thu phắ tự ựộng từ tài khoản cá nhân và ựi ở làn ựường mở giúp cho các tài xế không phải dừng lại ựể mua và trả vé qua cổng soát vé

B Băng tần vô tuyến trong hệ thống RFID

Kết nối vô tuyến giữa Thẻ RFID và Bộ ñọc thẻ cũng chịu ảnh hưởng bởi tần số ñược sử dụng, tần số làm việc xác ñịnh tốc ñộ truyền/nhận dữ liệu cũng như khoảng cách liên lạc vô tuyến giữa hai thiết bị Tần số cao hơn thường cho phép truyền/nhận với khoảng cách xa

hơn Các Thẻ hoạt ñộng ở tần số thấp (LF), là các tần số dưới 135 KHz, thích hợp với

những ứng dụng trong khoảng cách ngắn như các hệ thống nhận biết vật nuôi, hệ thống chống mất cắp, tích hợp vào chìa khóa ô tô,…

Các hệ thống hoạt ñộng tại băng tần 13.56 MHz ñược xếp vào băng sóng cao tần (HF), cả

thẻ tần số thấp hay thẻ cao tần ñều có thể là thẻ bị ñộng, Bộ ñọc thẻ có thể ñọc ñồng thời nhiều thẻ cao tần với tốc ñộ ñọc nhanh hơn ñối với các thẻ tần số thấp

Băng tần thứ ba ñược sử dụng trong ứng dụng RFID là băng siêu cao tần (UHF), các Thẻ

siêu cao tần thường ñược gắn vào các kiện hàng ñể vận chuyển từ nhà cung cấp tới các cửa hàng hoặc ñại lý Các thẻ này thường hoạt ñộng ở băng tần 450 MHz, 900 MHz hoặc cao hơn nên có thể ñược ñọc từ khoảng cách xa hơn so với các loại thẻ tần số thấp, thông

thường khoảng cách ñọc thẻ trong thực tế vào khoảng vài mét, tuy nhiên, thẻ UHF rất nhạy

cảm với các yếu tố môi trường như nước (ñộ ẩm, mưa,…), các yếu tố này làm hao tổn năng

lượng Pin của thẻ và có thể làm mất liên lạc giữa thẻ và Bộ ñọc

2.2.2 Tìm hiểu một số công nghệ thu/phát vô tuyến

Hoạt ñộng liên lạc và trao ñổi thông tin trên thế giới ngày nay hết sức tiện lợi nhờ thành quả của sự phát triển không ngừng các ngành khoa học công nghệ, ñặc biệt là công nghệ ðiện

tử viễn thông và thông tin liên lạc Ngoài các công nghệ vô tuyến ñã trở nên quen thuộc như GSM, CDMA, GPS,… ñã ñược ứng dụng phổ biến trong các mạng ñiện thoại di ñộng, mạng vệ tinh ñịnh vị toàn cầu, hiện nay cũng ñang xuất hiện một số công nghệ mới hứa hẹn giải quyết ñược nhiều vấn ñề khác nhau trong các ứng dụng cá nhân và các mạng diện rộng Theo ñịnh hướng của ñề tài này là nghiên cứu chế tạo hệ thống giám sát người lao ñộng trong hầm lò, ñây là một hệ thống giám sát các ñối tượng chuyển ñộng trong một khu vực xác ñịnh nên chúng ta không bàn tới các công nghệ không dây như mạng GSM hay GPS, ở ñây chúng tôi xin lựa chọn giới thiệu một số công nghệ không dây gần giống nhau trong cùng bộ tiêu chuẩn IEEE 802 về công nghệ không dây, ñó là các công nghệ mới trở nên phổ biến trong một vài năm gần ñây như WiFi, WiMax, Bluetooth, Zigbee

Biểu ñồ sau ñây trình bày tương quan gi

chuẩn IEEE 802, biểu ñồ này so sánh t

mỗi công nghệ khác nhau

2.2.2.1 Công nghệ WiFi

WiFi viết tắt từ Wireless Fidelity

hiện nay, ñược sử dụng nhi

nhiều thiết bị cùng truy nhậ

thậm chí có thể cao hơn vớ

Các thiết bị WiFi hoạt ñộng

GHz cho phép mở rộng phạ

truyền dữ liệu ở băng tần 5 GHz t

Máy tính xách tay, ðiện tho

một mạng WiFi thường có bán kính dư

Wireless Fidelity, là tiêu chuẩn vô tuyến IEEE 802.11/a/b/g

ng nhiều tại các sân bay, khách sạn, nhà ga, quán Café WiFi cho phép

ập Internet băng thông rộng với tốc ñộ dữ liệ

ới những chuẩn sau này

ng ở băng tần miễn ñăng ký 2.4 GHz hoặc 5 GHz

ạm vi hoạt ñộng hơn so với băng tần 5 GHz tuy nhiên t

n 5 GHz tốt hơn so với băng 2.4 GHz Wifi ñượ

n thoại di ñộng và nhiều thiết bị ñiện tử khác, vùng ho

ng có bán kính dưới 100m tùy vào ñiều kiện môi trưdụng các thiết bị lặp hoặc lắp ñặt Anten ñẳng hư

ớn nên ñây là một vấn ñề ñáng quan tâm ñối vH.7 Biểu đồ so sánh một số công nghệ vô tuyến trong IEEE 802

không dây thuộc nhóm tiêu

ng phù hợp ñối với

/a/b/g/n thông dụng Café WiFi cho phép

ệu lên tới 54 Mbps

c 5 GHz Băng tần 2.4

n 5 GHz tuy nhiên tốc ñộ

ợc tích hợp trong khác, vùng hoạt ñộng của

n môi trường xung quanh

ng hướng Mức tiêu

i với các thiết bị di

n trong IEEE 802

2.2.2.2 Công nghệ WiMax

WiMax là từ viết tắt của cụm từ Worldwide Interoperability Microwave Access WiMax là công nghệ truyền dữ liệu không dây với nhiều phương thức khác nhau, từ truyền/nhận ñường trục cấu hình ñiểm – ñiểm ñến các thiết bị di ñộng truy nhập Internet Công nghệ này cho phép tốc ñộ truyền dữ liệu qua kênh vô tuyến lên tới 75 Mbps WiMax ñược trình bày tại tiêu chuẩn IEEE 802.16, băng thông của WiMax và phạm vi hoạt ñộng của nó thích hợp với những ứng dụng sau:

- Kết nối các ñiểm truy nhập Wifi (Wi-Fi hotspots) với mạng Internet

- Thay thế các ñường truyền dẫn băng rộng hữu tuyến trong trường hợp bất khả kháng,

ví dụ: WiMax có thể ñược sử dụng ñể ứng cứu ñường trục thông tin liên lạc cấp tỉnh trong trường hợp một tỉnh bị cô lập bởi thiên tai làm ñứt các tuyến cáp ñường trục thông tin liên lạc với tỉnh ñó ra bên ngoài

- Cung cấp các dịch vụ viễn thông và truyền dẫn dữ liệu

- Cung cấp dịch vụ Internet vô tuyến băng rộng trong phạm vi thành phố

- Kết nối các thiết bị di ñộng

WiMax và WiFi thường có thể bị nhầm lẫn với nhau vì ký hiệu gần giống nhau và cùng thuộc họ tiêu chuẩn IEEE 802, tuy nhiên, hai công nghệ này hướng ñến hai hướng ứng dụng khác nhau Trong khi WiFi sử dụng băng tần miễn phí và hướng ñến các ứng dụng cá nhân với phạm vi hẹp thì WiMax hoạt ñộng tại băng tần trả phí ñể phục vụ kết nối các thiết

bị ñường trục trong khoảng cách lớn Hiện nay phạm vi hoạt ñộng của các công nghệ này không ngừng ñược cải thiện nhờ các công nghệ ñiều chế, công nghệ phân tập Anten và các công nghệ phụ trợ khác Các thiết bị WiMax yêu cầu sử dụng các Anten lớn ñể cải thiện ñộ lợi trong thu/phát tín hiệu ñồng thời tiêu thụ nhiều năng lượng, vì vậy WiMax thích hợp hơn với các thiết bị cố ñịnh

2.2.2.3 Công nghệ Bluetooth

Bluetooth (IEEE 802.15.1) là giao thức truyền dữ liệu trong khoảng cách ngắn giữa các

thiết bị di ñộng hoặc cố ñịnh tạo nên các mạng dữ liệu cá nhân (PANs), giao thức này nhằm thay thế ñường cáp dữ liệu RS-232 và cho phép kết nối ñồng bộ vài thiết bị với nhau như máy tính, máy in, máy Fax, máy Photocopy, máy ñiện thoại di ñộng, các thiết bị ñiều khiển tương tác và các vật dụng cá nhân,… nên công nghệ này rất thích hợp với những ứng dụng

cá nhân và ứng dụng văn phòng Bluetooth sử dụng công nghệ trải phổ nhảy tần (FHSS –

Frequency Hopping Spread Spectrum), dữ liệu cần gửi ñược chẻ ra thành nhiều gói nhỏ và

truyền ñi trên 79 tần số khác nhau Ở chế ñộ thông thường, Bluetooth sử dụng phương thức

ñiều chế khóa dịch tần Gauss (GFSK) và cho phép truyền dữ liệu với tốc ñộ tới 1 Mbps trên

băng tần miễn phí 2.4 GHz Giao thức này thích hợp với các ứng dụng yêu cầu tiêu thụ ít năng lượng trong khoảng cách gần, phạm vi hoạt ñộng của thiết bị Bluetooth từ 1m ñến 100m phụ thuộc vào công suất tiêu thụ của Chíp thu/phát, cụ thể như sau:

Phân chia Công suất cực ñại cho phép

2.2.2.4 Công nghệ Zigbee (IEEE 802.15.4)

Zigbee là công nghệ mạng không dây hướng ñến các ứng dụng tốc ñộ dữ liệu thấp, tiêu thụ năng lượng nhỏ, chi phí thấp, các ứng dụng trong lĩnh vực tự ñộng hóa, ñiều khiển từ xa Ngay sau ñó tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 quy ñịnh về truyền dữ liệu không dây tốc ñộ thấp cũng ñược tổ chức IEEE xây dựng, vì thế hiệp hội Zigbee và tổ chức IEEE ñã hợp nhất tiêu chuẩn này và lấy Zigbee là tên thương mại của công nghệ này

Công nghệ Zigbee ñược nghiên cứu phát triển nhằm thiết lập các kết nối không dây tốc ñộ thấp, tiêu thụ ít năng lượng, thích hợp với các thiết bị chạy Pin liên tục trong vòng vài tháng ñến vài năm nhưng không yêu cầu truyền nhận dữ liệu nhanh như kết nối Bluetooth Tuy vậy, Zigbee linh hoạt trong việc thiết lập các cấu hình mạng cũng như có giao thức ñồng bộ

dữ liệu tin cậy hơn so với Bluetooth Các thiết bị thu phát không dây theo tiêu chuẩn này có thể thu phát dữ liệu trong cự ly từ 10 ñến 100 mét tùy thuộc vào ñiều kiện môi trường truyền dẫn và mức công suất bức xạ ñầu ra theo yêu cầu của mỗi ứng dụng cụ thể, và hoạt

ñộng với các băng tần ñược miễn ñăng ký trên toàn thế giới (2.4 GHz toàn cầu, 915 MHz

tại châu Mỹ hoặc 868 MHz tại châu Âu) Tốc ñộ dữ liệu ñạt 250 kbps tại băng tần 2.4 GHz,

80 kbps tại băng tần 915 MHz và 20 kbps tại băng tần 868 MHz

Tổ chức IEEE và hiệp hội Zigbee ñã cùng nhau xây dựng các giao thức hoạt ñộng chung của bộ tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 tập trung vào xây dựng các ñặc tính kỹ thuật của giao

thức tại 2 lớp thấp nhất (Lớp vật lý và Lớp liên kết dữ liệu) trong khi hiệp hội Zigbee hướng ñến các tác vụ ở các lớp cao hơn (từ Lớp mạng ñến lớp Giao diện người dùng), tiêu chuẩn

này nhằm xây dựng một mạng lưới tương thích với tất cả các thiết bị và cung cấp các dịch

vụ bảo mật, cũng như các giải pháp ñiều khiển, tự ñộng hóa trong các tòa nhà sử dụng các thiết bị truyền dữ liệu không dây ðảm bảo rằng người sử dụng có thể mua sản phẩm của bất kỳ nhà cung cấp nào cũng có thể sử dụng tương thích với nhau

a So sánh với công nghệ Bluetooth:

Công nghệ Zigbee tương ñối giống so với công nghệ Bluetooth nhưng có phần ñơn giản hơn Thiết bị hoạt ñộng theo chuẩn Zigbee truyền dữ liệu với tốc ñộ thấp hơn và hầu hết

thời gian ở trạng thái standby (trạng thái tạm nghỉ), nhờ ñặc tính này mà một nút trong

mạng Zigbee có thể làm việc liên tục từ 6 tháng ñến 2 năm chỉ với nguồn cung cấp gồm 2 quả Pin tiểu loại AA

Khoảng cách thu/phát theo chuẩn Zigbee là từ 10m – 75m trong khi với Bluetooth tối ña là

10m (không có khuếch ñại công suất thu/phát)

Zigbee kém hơn Bluetooth về tốc ñộ dữ liệu, tốc ñộ truyền nhận của Zigbee là 250 kbps tại 2.4 GHz, 80 kbps tại 915 MHz và 40kbps tại 868 kbps, còn Bluetooth có thể ñạt tới 1

Mbps

Zigbee sử dụng giao thức Master-slave thông dụng ñối với các mạng hình sao (Star

networks) gồm các thiết bị có ñịa chỉ cố ñịnh và không thường xuyên hoạt ñộng, khi hoạt

ñộng chỉ trao ñổi các gói tin rất nhỏ Cấu hình này cho phép thiết lập một mạng với tối ña

254 nút Giao thức của Bluetooth phức tạp hơn nhiều vì chuẩn này hướng ñến việc xử lý truyền nhận các dữ liệu hình ảnh, âm thanh và các gói dữ liệu lớn trong cấu hình mạng ad

hoc (mạng vô tuyến với ñịa chỉ các nút mạng không ñịnh trước) Các thiết bị Bluetooth có thể hoạt ñộng với các mạng rời rạc không ñồng bộ (Piconets), nó chỉ cho phép thiết lập một

mạng Piconet Master – Slave với tối ña 8 thiết bị Slave hoạt ñộng trong ñó

Khi một nút mạng Zigbee ñang ở chế ñộ Standby, nó chỉ mất khoảng 15 ms ñể kích hoạt và truyền/nhận một gói dữ liệu, cũng như vậy, nhưng một thiết bị Bluetooth phải chờ sau khoảng 3 s mới có thể kích hoạt và ñáp ứng ñược yêu cầu truyền/nhận từ mạng lưới

b Mạng không dây Zigbee - IEEE 802.15.4

ðặc ñiểm chính của công nghệ Zigbee là hỗ trợ các cấu hình mạng một cách linh hoạt, chi phí thấp, tiêu thụ rất ít năng lượng và tốc ñộ truyền dẫn thấp Theo ñó các thiết bị có thể

hoạt ñộng trong một mạng ad hoc (mạng có tính chất tự cấu hình và tự ñịnh ñịa chỉ nút

mạng), thiết bị Zigbee có giá thành thấp, kích thước gọn nhẹ, có thể cầm tay và di chuyển

Một hệ thống mạng Zigbee gồm có một số phần tử chủ chốt, ñó là các thiết bị ñiều khiển

thu/phát Các thiết bị này có thể là các thiết bị ñầy ñủ tính năng (FFD-Full Function

Device) hoặc là thiết bị hạn chế tính năng (RFD-Reduce Function Device) Một mạng

Zigbee luôn có ít nhất một thiết bị FFD hoạt ñộng với vai trò trung tâm ñiều hành

Một thiết bị FFD có thể hoạt ñộng ở 3 vai trò khác nhau, có thể là trung tâm ñiều hành mạng, là một nút ñịnh tuyến hoặc là một thiết bị ñầu cuối Các thiết bị RFD là các thiết bị

có tính năng rất ñơn giản, không cần xử lý truyền nhận số liệu tốc ñộ cao Một thiết bị FFD

có thể kết nối trực tiếp với các thiết bị RFD hoặc FFD, còn một thiết bị RFD chỉ có thể kết nối trực tiếp với các thiết bị FFD

c Giao thức mạng Zigbee:

Công nghệ Zigbee hỗ trợ 3 loại giao thức mạng, ñó là: Giao thức

mạng sao (Star Topology), Giao thức mạng lưới (Mesh,

Peer-to-Peer network) và giao thức mạng cụm phân tán (Cluster Tree)

- Giao thức mạng sao (Star):

Với mạng Star, kênh truyền thông ñược thiết lập giữa các thiết bị

ñầu cuối (RFD) với một trung tâm ñiều khiển duy nhất trong

mạng, ñó là nút mạng gốc (PAN Coordinator) Nút mạng gốc

thường hoạt ñộng bằng nguồn ñiện lưới có dự phòng, còn các

thiết bị RFD thường sử dụng Pin nhỏ gọn làm nguồn cung cấp

Giao thức này thích hợp với các ứng dụng như Hệ thống tự ñộng trong nhà, ñiều khiển các thiết bị ngoại vi của máy tính, các thiết bị giải trí và ñiều khiển trò chơi

H.8 Giao thức mạng Zigbee hình sao

Sau khi một thiết bị FFD ñược khởi ñộng, nó sẽ tự cấu hình mạng lưới và trở thành nút

mạng gốc Mỗi mạng như vậy khi hình thành sẽ tự lựa chọn ñịa chỉ nút mạng gốc của mình sao cho phân biệt với ñịa chỉ nút mạng gốc của các mạng khác trong phạm vi phủ sóng của

nó Tính chất này cho phép các mạng Star có thể hoạt ñộng ñộc lập với nhau dù có trùng phạm vi phủ sóng

- Giao thức mắt lưới (Mesh, Peer – to – Peer

Topology):

ðối với mạng theo giao thức lưới, vẫn cần có một

nút mạng gốc (PAN coordinator) Khác biệt với

giao thức mạng Star, trong giao thức Mesh, bất kỳ

thiết bị nào cũng có thể kết nối với thiết bị khác

nếu chúng có thể liên lạc với nhau qua sóng vô

tuyến Mạng hoạt ñộng theo giao thức Mesh có thể

tự ñộng ñăng ký ñịa chỉ nút mạng, tự tổ chức cấu

hình và tự ñộng tìm ñường ñịnh tuyến dữ liệu một cách tối ưu

Các ứng dụng như giám sát và ñiều khiển trong công nghiệp,

các mạng cảm biến không dây, mạng thiết bị ño lường

từ xa, các hệ thống theo dõi và ñịnh vị ñối tượng là

những ứng dụng rất phù hợp với giao thức này Giao

thức này ñịnh tuyến một bản tin rất linh hoạt và tin

cậy, nó cho phép một bản tin có thể ñược truyền từ một

nút bất kỳ trong mạng ñến một nút khác thông qua một

hay nhiều nút ñịnh tuyến trung gian

- Giao thức kết nối cụm ñiểm (Cluster Tree):

ðây là một hình thức ñặc biệt của giao thức Mesh,

mạng gồm các thiết bị FFD là những nút mạng kết nối

với nhau về một nút chung là nút gốc của mạng Các

thiết bị RFD kết nối với một nút mạng như là các nút

con và tạo thành một cụm, bất kỳ nút mạng nào cũng

có thể hoạt ñộng như một nút gốc và nó sẽ gửi thông

tin ñồng bộ ñến các nút gốc của cụm khác, trong số các nút mạng như vậy, chỉ có duy nhất một nút ñóng vai trò là nút gốc của mạng

H.9 Giao thức mạng Zigbee mắt lưới

H.10 Giao thức mạng Zigbee kết nối

theo cụm

Nút mạng gốc khi khởi ñộng sẽ tự thiết lập một cụm ñầu tiên có vai trò là cụm ñầu não

(CLH – Head Cluster) với mã nhận diện cụm (CID) là 0 Sau ñó sẽ lựa chọn một ñịa chỉ

gốc còn trống và phát bản tin báo hiệu ñến các nút khác trong mạng Các nút này khi nhận ñược bản tin báo hiệu có thể sẽ gửi bản tin phúc ñáp và ñăng ký thành một nút thành viên của nút mạng gốc ñầu não ñó Nếu nút mạng gốc chấp nhận thành viên mới, nó sẽ ghi nhớ thiết bị mới này vào danh sách thành viên con trong mạng của nó Thành viên mới này sẽ lưu ñịa chỉ của nút gốc mạng với vai trò là nút mẹ vào danh sách các nút mạng kết nối với

nó, sau ñó nó sẽ phát các bản tin báo hiệu ñịnh kỳ thông báo các thiết bị khác có thể kết nối vào mạng thông qua nó ñể tạo thành một cụm thiết bị mạng

2.3 Thiết kế hệ thống V-LINK

2.3.1 Lựa chọn công nghệ thực hiện

Trên cơ sở khảo sát các yêu cầu xuất phát từ công tác quản lý người lao ñộng trong hầm lò cũng như tìm hiểu khảo sát ñiều kiện ñịa hình, môi trường hầm lò tại Việt Nam Nhóm nghiên cứu ñặt mục tiêu thiết kế, chế tạo hệ thống giám sát người lao ñộng trong hầm lò với những tính năng và tiện ích cơ bản như sau:

■ Hệ thống phù hợp ñể ứng dụng tại các mỏ than hầm lò tại Việt Nam với

số lượng người lao ñộng mỗi ca làm việc lớn nhất là khoảng 800 người

chia thành nhiều khu vực

■ Tính năng tự ñộng phát hiện người ñi vào hầm lò và nhận biết tại trung tâm

■ Cho phép tìm kiếm nhanh vị trí của một người khi cần

■ Lưu lại thông tin di chuyển của người lao ñộng trong hầm lò phục vụ tra cứu

■ Các tiện ích về công tác quản lý nhân sự, chấm công,…

■ Hệ thống ñạt tiêu chuẩn TCVN7079, thiết bị làm việc trong hầm lò

Giải pháp thực hiện các yêu cầu trên ñây là cấp cho mỗi người lao ñộng một Máy di ñộng

phát mã nhận diện duy nhất (sau ñây gọi là Máy di ñộng) và tại mỗi khu vực quan trọng như cửa lò, ñường giao nhau, lò chợ, … ta ñặt một Trạm thu phát vô tuyến (sau ñây gọi là

Trạm khu vực) Các Trạm khu vực có nhiệm vụ phát hiện ra các Máy di ñộng trong phạm vi

phủ sóng của mình và truyền danh sách các Máy di ñộng ñã phát hiện ñược về Trạm trung tâm, tại ñây các thông tin liên quan về người lao ñộng tương ứng với Máy di ñộng mang theo sẽ ñược nhận biết dựa vào cơ sở dữ liệu ñã ñược nhập vào trước ñó

Thông tin truyền tải trong hệ thống chủ yếu là mã phân biệt của các Máy di ñộng nên không ñòi hỏi dung lượng truyền dẫn lớn Phạm vi phủ sóng của các Trạm khu vực cần trong khoảng từ 50m ñến 100m, một trạm khu vực không cần thiết phải có bán kính phủ sóng quá rộng vì như vậy thì sai số vị trí của một Máy di ñộng ñược xác ñịnh tại Trung tâm sẽ lớn, tuy nhiên, nếu phạm vi liên lạc từ Trạm khu vực tới Máy di ñộng quá nhỏ có thể dẫn tới một Trạm khu vực chỉ có thể phát hiện ñược rất ít Máy di ñộng di chuyển trong vùng phủ sóng của nó

Một vấn ñề ñáng quan tâm là mức tiêu thụ năng lượng của Máy di ñộng, do thiết bị này phải sử dụng nguồn năng lượng là Pin nên mức tiêu thụ này càng nhỏ càng tốt ñể có thể kéo dài tuổi thọ của Pin càng lâu càng tốt, ñiều này ñòi hỏi phải lựa chọn một công nghệ liên lạc

vô tuyến thích hợp sao cho vừa phù hợp với tốc ñộ truyền tải dữ liệu của Máy di ñộng, vừa tiêu hao ít năng lượng ñể duy trì lâu bền nguồn năng lượng từ Pin Trong các công nghệ liên lạc vô tuyến ñã ñề cập trên ñây gồm WiFi, WiMax, Bluetooth và Zigbee, ta thấy chuẩn Zigbee IEEE 802.15.4 là phù hợp với yêu cầu này hơn cả Zigbee ñảm bảo tốc ñộ truyền thông của các ứng dụng trong công nghiệp, tiết kiệm năng lượng và ñặc biệt là có chi phí thấp nhất, những vấn ñề này sẽ ñược trình bày chi tiết hơn ở những mục sau trong báo cáo này

Một hệ thống giám sát các ñối tượng trong một khu vực nhỏ trên mặt bằng hoàn toàn có thể ứng dụng một mạng vô tuyến theo chuẩn Zigbee, ví dụ như hệ thống giám sát bãi ñỗ Ô tô,

hệ thống giám sát ñối tượng trong một khu nhà, hệ thống chống mất cắp,… tuy nhiên ñối với môi trường khai thác than hầm lò có ñịa hình phức tạp trải rộng dưới lòng ñất hàng chục cây số vuông, mỗi khu vực cần giám sát người lao ñộng có thể cách nhau hàng trăm mét hoặc xa hơn thì việc áp dụng một mạng truyền dẫn vô tuyến hoàn toàn là không khả thi

do yếu tố kỹ thuật sẽ vô cùng phức tạp vì phải sử dụng rất nhiều Trạm khu vực có vùng phủ sóng chồng lên nhau, cho dù thực hiện ñược thì chi phí thiết bị cũng rất lớn và khả năng hệ thống làm việc cho kết nối ổn ñịnh là rất ít Trong trường hợp như vậy, số lượng ñối tượng

mà hệ thống có thể giám sát theo thời gian thực cũng sẽ bị hạn chế vì ñộ trễ của mạng lớn

vì sử dụng quá nhiều nút mạng Zigbee với giao thức mạng rất phức tạp

Chúng tôi lựa chọn sử dụng công nghệ thu phát vô tuyến Zigbee, băng tần 2.4 GHz kết hợp với ñường truyền thông công nghiệp RS-485 và RS-232 ñể xây dựng hệ thống giám sát người lao ñộng trong hầm lò ñáp ứng các yêu cầu ñã ñặt ra trên ñây Phần tử linh kiện chính thực hiện thu/phát dữ liệu bằng sóng Radio băng tần 2.4 GHz là một vi mạch ñiều khiển bức xạ tín hiệu vô tuyến hợp chuẩn IEEE 802.15.4

Hiện nay trên thế giới có rất nhiều nhà sản xuất và cung cấp Chip RF với nhiều chủng loại khác nhau như dòng Chip thu phát vô tuyến CC1100, CC2400, CC2420, CC2430, CC2431, CC2500, CC2510, … của hãng Texas Instrument; dòng Chip EM250 của hãng Ember; dòng Chip AT86RF230, AT86RF231 của hãng ATMEL; Chip MRF24J40 của hãng

Microchip,…

Các hãng ñều cung cấp Chip rời, BOM (Bill Of Material) linh kiện kèm theo Chip hay các

Module RF hoàn chỉnh cho khách hàng Thậm chí khách hàng còn có thể mua các Module

tích hợp sẵn Vi ñiều khiển ñã nạp các Stack Zigbee ñể rút ngắn thời gian xây dựng một hệ thống trên cơ sở mạng vô tuyến Zigbee

Tuy nhiên, việc sử dụng các Module sẵn có Chip ñiều khiển và mã nguồn chương trình cũng làm giảm tính chủ ñộng và linh hoạt trong việc phát triển các ứng dụng cụ thể do phải phụ thuộc vào Chip và mã nguồn ñã tích hợp sẵn Với mong muốn hoàn toàn làm chủ công

nghệ liên lạc vô tuyến theo chuẩn IEEE 802.15.4 (Zigbee) ñể có khả năng tự thiết kế, chế

tạo và phát triển các hệ thống truyền thông công nghiệp một cách linh hoạt trên cơ sở mạng không dây, nên chúng tôi lựa chọn sử dụng Chip thu/phát vô tuyến MRF24J40, ñây là Chip

RF 2.4 GHz hợp chuẩn IEEE 802.15.4 của hãng Microchip không tích hợp Vi ñiều khiển,

có các ñặc tính kỹ thuật ñảm bảo yêu cầu với các tài liệu kỹ thuật và các công cụ phát triển liên quan ñược hãng Microchip hỗ trợ rất ñầy ñủ Các vi ñiều khiển trong hệ thống thiết bị sản phẩm của ñề tài cũng ñược lựa chọn sử dụng của hãng Microchip là dòng Vi ñiều khiển PIC rất phổ biến hiện nay

H.11 Sơ đồ khối nguyên lý hệ thống Giám sát người lao động trong hầm lò

2.3.2 Sơ ñồ khối nguyên lý hệ thống V-LINK

Trung tâm ñiều hành

Khu vực khai thác than

Trạm trung tâm (V-LINK MASTER) Trạm khu vực (V-LINK SLAVE) Máy di ñộng (V-LINK MOBILE)

Máy tính quản lý hệ thống

BS

RS

Hệ thống gồm có Máy tính cài ñặt Phần mềm quản lý hệ thống, Trạm trung tâm, Trạm khu vực và Máy di ñộng Một hệ thống nhất thiết phải có 1 Máy tính cài ñặt Phần mềm quản lý giám sát, 1 Trạm trung tâm, tùy theo yêu cầu quản lý của mỗi công ty mà số lượng Trạm khu vực và Máy di ñộng có thể nhiều hay ít ðề tài này ñặt mục tiêu thiết kế hệ thống với cấu hình cho phép mở rộng tới 100 Trạm khu vực và khả năng mỗi Trạm khu vực có thể phát hiện ñược ñồng thời 800 Máy di ñộng di chuyển qua vùng phủ sóng của nó Về mặt lý thuyết có thể ñặt ra trường hợp có tới hàng nghìn người tập trung tại một Trạm khu vực trong một thời ñiểm nào ñó, tuy nhiên trên thực tế trong ñiều kiện ñịa hình dưới hầm lò khai thác Than thì hầu như không bao giờ xảy ra khả năng ñó vì dưới hầm lò không có bãi rộng, các ñường lò hay còn gọi là các vỉa Than thường rất hẹp nên khó có khả năng cho hàng trăm người tập trung tại một khu vực nào ñó Thông thường người lao ñộng sẽ chia thành nhóm và làm việc phân tán theo nhiều vị trí khác nhau và khu vực tập trung ñông nhất như vỉa Than ñang khai thác, lò chợ,… số lượng người lao ñộng tại ñó thường chỉ lên tới vài chục người

Máy tính và Phần mềm quản lý: Có nhiệm vụ tự ñộng cập nhật thông tin về số lượng

người lao ñộng khi di chuyển qua vùng phủ sóng của các Trạm khu vực ñể phục vụ kịp thời công tác quản lý Phần mềm quản lý hoạt ñộng trên nền bản ñồ ñịa hình thực tế của mỏ than hầm lò Có các tiện ích về quản lý, chấm công và cảnh báo kịp thời các trường hợp di

chuyển vào khu vực cấm hoặc ở trong hầm lò quá thời gian quy ñịnh Máy tính thông qua kết nối với Trạm trung tâm bằng ñường truyền thông RS-232 ñể tương tác với phần còn lại của hệ thống

Trạm trung tâm: ðặt tại phòng ñiều hành quản lý, kết nối với các Trạm khu vực qua

ñường truyền công nghiệp RS-485 và ñóng vai trò là thiết bị chủ (Master), Trạm trung tâm

lần lượt lấy dữ liệu từ các Trạm khu vực và chuyển về Máy tính quản lý qua cổng RS-232 Mỗi hệ thống bắt buộc phải có 1 Trạm trung tâm và 1 Máy tính quản lý ðường cáp truyền thông RS-485 phải là cáp ñảm bảo an toàn phòng chống cháy nổ theo TCVN7079

Trạm khu vực: Một hệ thống có thể có một hay nhiều Trạm khu vực tùy theo yêu cầu về

quản lý giám sát của mỗi hầm lò Khi số lượng Trạm khu vực nhiều vượt quá khả năng của một mạng RS-485 cần sử dụng thêm các thiết bị phối ghép ñể mở rộng cấu hình mạng theo yêu cầu Mỗi Trạm khu vực gắn với một khu vực cụ thể trong bản ñồ ñịa hình khu mỏ mà người quản lý quan tâm, ví dụ như khu vực cửa lò, khu vực ñang khai thác, khu vực lò chợ, khu vực nguy hiểm, v.v…

Các Trạm khu vực có chức năng phát hiện các Máy di ñộng trong phạm vi phủ sóng của mình với bán kính phủ sóng dưới hầm lò từ 50m ñến 100m Kết nối giữa Trạm khu vực và

Máy di ñộng là kết nối vô tuyến, băng tần 2.4 GHz với tốc ñộ truyền/nhận dữ liệu tối ña là

250 Kbps theo tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 ñã ñề cập trên ñây Qua ñường truyền RS-485, các Trạm khu vực truyền danh sách số hiệu Máy di ñộng mà nó phát hiện ñược về Trạm trung tâm Các Trạm khu vực không liên lạc với nhau qua ñường truyền vô tuyến nên trong

trường hợp có hai Trạm gần nhau cũng sẽ không gây ảnh hưởng ñến hoạt ñộng của nhau

Do các Trạm khu vực ñược lắp ñặt trong môi trường hầm lò với ñộ ẩm cao và có khí và bụi

nổ, nên các thiết bị này phải ñược chế tạo theo tiêu chuẩn TCVN7079 về thiết bị làm việc trong hầm lò

Máy di ñộng: Mỗi máy ñược cấp cho một người lao ñộng, thông tin về người lao ñộng gắn

liền với số hiệu nhận biết của máy phải ñược khai báo tại Phần mềm quản lý trước khi ñưa vào sử dụng Máy di ñộng hoạt ñộng bằng Pin ñể có thể di chuyển tự do và phải ñạt

TCVN7079 thiết bị làm việc trong môi trường hầm lò có khí và bụi nổ Các máy di ñộng không có kết nối vô tuyến với nhau mà chỉ kết nối với Trạm khu vực qua kênh vô tuyến 2.4

GHz ñể phát mã nhận biết của mình khi ñược yêu cầu

2.3.3 Xác ñịnh các yếu tố chính ảnh hưởng ñến chỉ tiêu kỹ thuật của hệ thống

a Cấu hình của Máy tính quản lý: Hiện nay các máy tính có cấu hình phù hợp với các ứng dụng văn phòng ñều ñáp ứng ñược các yêu cầu ñặt ra trong hệ thống này

b ðường truyền RS-232: Có thể truyền dữ liệu với tốc ñộ Bit lên tới 256 Kbps trong

phạm vi 15m sử dụng cáp ñôi dây xoắn có bọc kim chống nhiễu sẽ ñảm bảo truyền thông tin cậy giữa Máy tính và Trạm trung tâm, tốc ñộ Bit tỷ lệ nghịch với ñộ dài cáp

truyền

c ðường truyền RS-485: Cho phép nhiều ñiểm chia sẻ ñường truyền dữ liệu với cấu

hình Master - Slave Sử dụng cáp truyền ñôi dây xoắn, bọc kim chống nhiễu và an toàn

cháy nổ (không gây cháy và bắt cháy) kết hợp sử dụng thiết bị lặp tái sinh tín hiệu có

thể cho phép truyền tải dữ liệu trong khoảng cách xa vài km với tốc ñộ phù hợp với các ứng dụng truyền dữ liệu trong công nghiệp ðường truyền RS-485 có Module chống sét

và các xung ñiện cảm ứng lan truyền trên ñường dây giúp bảo vệ thiết bị và triệt nhiễu

trên ñường cáp tín hiệu

H.12 Cửa sổ vô tuyến suy hao do mưa

d ðường truyền vô tuyến 2.4 GHz

Do môi trường hầm lò có nhiều hơi nước, nên cần xét tới ảnh hưởng của hơi nước tới kênh

vô tuyến 2.4 GHz Giống như hiện tượng Fading do mưa trong các hệ thống Viba số, bằng thực nghiệm, người ta ñã xác ñịnh ñược ảnh hưởng của hạt nước trong không khí ñối với

các tín hiệu vô tuyến theo ñồ thị dưới ñây:

Theo ñó, với các tín hiệu tần số càng cao thì suy hao do mưa càng lớn, với cửa sổ tần số từ

1 GHz ñến 3 GHz thì suy hao do hơi nước là không ñáng kể (xem ñồ thị trên)

Ngoài yếu tố hơi nước, các yếu tố có thể gây ảnh hưởng ñến chất lượng của tín hiệu vô tuyến trong hệ thống gồm:

- Công suất phát tín hiệu: PTX

- ðộ lợi (Gain) của Anten phía phát, ñộ nhạy của Anten phía thu: GTX, GRX

- Suy hao trên cáp phía phát, suy hao trên cáp phía thu: LTX, LRX

- Các yếu tố gây suy hao ngẫu nhiên: LM (do vỏ bọc thiết bị, phân cực Anten thu/phát

không phù hợp, bụi than trong môi trường,…)

- Suy hao ñường truyền: phụ thuộc vào tần số làm việc, khoảng cách giữa hai ñiểm thu/phát, các yếu tố che chắn và môi trường truyền dẫn Suy hao ñường truyền thường ñược xác ñịnh bằng công thức thực nghiệm như sau:

LFS[dB] = 32.45 + 20.logF[MHz] + 20.logR[km] (1) Mức năng lượng tín hiệu tại ñiểm thu ñược xác ñịnh như sau:

PRX = PTX + GTX + GRX - LTX - LFS – LM - LRX (2)

Trong hầm lò, năng lượng của tín hiệu vô tuyến có thể bị suy giảm mạnh do các hiện tượng phản xạ, tán xạ hay hấp thụ tín hiệu gây bởi các lớp than, bởi bề mặt không bằng phẳng của hầm lò, bởi các khúc gấp của ñường lò,… sự suy giảm này thường ñược xác ñịnh bằng khảo sát thực nghiệm tùy theo mỗi ñịa hình cụ thể, nói chung ñường lò các hẹp và càng nhiều gấp khúc thì càng bất lợi ñối với tín hiệu vô tuyến, biểu ñồ sau trình bày một kết quả thực nghiệm xác ñịnh suy hao của tín hiệu vô tuyến có sóng mang 1 GHz trong môi trường hầm lò thẳng:

Có thể thấy rằng sử dụng sóng phân cực ngang là tối ưu hơn cả và trong trường hợp ñó, suy

hao qua khoảng cách 100m (300 feet) hầm lò ñối với tín hiệu UHF 1GHz xấp xỉ 60 dB ðể

thu ñúng tín hiệu tại ñiểm thu, ngoài ñảm bảo năng lượng tín hiệu tại ñiểm thu phải trong

giới hạn ñộ nhạy của máy thu, còn ph

hiệu thu không bị sai lệch b

các ñộng cơ công suất lớn ho

ñược các nhiễu này bằng cách l

có Nên thực tế cần khảo sát

truyền vô tuyến 2.4 GHz ñả

Hệ thống V-Link không gây

gồm các ñộng cơ ñiện, các thi

hầm lò ở Việt Nam chưa áp d

hệ thống V-Link (2.4 GHz)

ñảm bảo an toàn ñối với các thi

2.4 Thiết kế chế tạo Trạm trung tâm

2.4.1 Sơ ñồ khối nguyên lý

- Khối nguồn: Trạm trung tâm ho

tâm, ñiện áp lưới 220V/50Hz, s

một chiều ổn ñịnh cho hoạt ñ

- Khối vi ñiều khiển: Là trung tâm ñi

năng kết nối trao ñổi dữ liệ

- Khối truyền thông RS-232: Là ñư

- Khối truyền thông RS-485: Kênh truy

Trạm khu vực về phương di

H.13 Sơ đồ khối nguyên lý Trạm trung tâm

a máy thu, còn phải ñảm bảo tỷ số tín hiệu/tạp âm (

ch bởi nhiễu Các nguồn gây nhiễu cao tần trong h

n hoặc ñường ñiện lưới cao thế (hàng kV), tuy nhiên có th

ng cách lựa chọn ñiểm lắp ñặt Trạm khu vực ñủ xa ngu

o sát kỹ lưỡng các nguồn có thể gây nhiễu cao t

ảm bảo có SNR ñủ lớn trong một phạm vi xác ñ

Link không gây ảnh hưởng ñến sự hoạt ñộng của các thiết b

n, các thiết bị khai thác than, các nguồn ñiện lưới Hi

áp dụng các thiết bị thông tin liên lạc hoạt ñộng cùng băng t) nên việc triển khai hệ thống V-Link trong h

i các thiết bị khác cùng làm việc

m trung tâm (V-LINK MASTER)

m trung tâm hoạt ñộng bằng nguồn ñiện lưới trong phòng

i 220V/50Hz, sử dụng bộ chuyển ñổi AC/DC và ổn áp m

t ñộng của các khối chức năng khác

: Là trung tâm ñiều hành các hoạt ñộng của thiết bị ñ

ệu với các Trạm khu vực và Máy tính

232: Là ñường truyền vật lý giữa Trạm trung tâm v485: Kênh truyền thông công nghiệp kết nối Trạphương diện vật lý

m trung tâm

p âm (SNR) ñủ lớn ñể tín

n trong hầm lò có thể là , tuy nhiên có thể tránh

xa nguồn nhiễu nếu

u cao tần ñể thiết kế ñường

m vi xác ñịnh

t bị trong hầm lò bao Hiện tại các mỏ than

ng cùng băng tần với Link trong hầm lò hoàn toàn

i trong phòng ñiều hành trung

n áp mức Vcc cấp nguồn

ñảm bảo các chức

m trung tâm với Máy tính

ạm trung tâm với các