Mạng cảm biến không dây Advantech giải một bài toán mà cáp không giải được: đo tại chỗ không có điện lưới, không có đường cáp và người khó tới thường xuyên. Trạm quan trắc sạt lở trên sườn núi là ví dụ rõ nhất. Thiết bị đo đắt tiền đặt ở thượng nguồn, đúng nơi dễ mất mát nhất khi có thiên tai, nên hệ thống phải rẻ ở từng điểm, chạy pin nhiều tháng và tháo lắp nhanh khi cần dời vị trí.
Vì sao trạm quan trắc ngoài hiện trường phải bỏ cáp
Hệ quan trắc thế hệ cũ thường kéo cáp tín hiệu từ từng cảm biến về một tủ trung tâm. Cách này cho tốc độ truyền cao và không lo pin, nhưng vấp bốn trở ngại ở ngoài hiện trường.
Trở ngại thứ nhất là địa hình. Một sườn núi hoặc một bờ sông không cho phép đào rãnh cáp theo tuyến thẳng. Chi phí đi cáp thường vượt chi phí thiết bị đo.
Trở ngại thứ hai là sét và nhiễu. Mỗi sợi cáp dài chạy ngoài trời là một ăng-ten thu sét lan truyền. Một lần sét đánh gần có thể phá cả cụm thiết bị nối chung tuyến.
Trở ngại thứ ba là chuyện dời vị trí. Vùng nguy cơ sạt lở dịch chuyển theo mùa mưa và theo diễn biến địa chất. Hệ cố định bằng cáp không dời được, còn hệ không dây tháo ra lắp lại trong một buổi.
Trở ngại thứ tư là mất mát thiết bị. Chính thiên tai làm hỏng thiết bị đặt ở nơi cần đo nhất. Khi mỗi điểm đo rẻ và độc lập, mất một điểm không kéo theo mất cả hệ.
Yêu cầu kỹ thuật của một điểm đo chạy pin
| Hạng mục | Yêu cầu | Lý do |
|---|---|---|
| Nguồn nuôi | Pin thông dụng hoặc tấm pin mặt trời nhỏ, đủ dùng nhiều tháng | Không có điện lưới, không thể thay pin hằng tuần |
| Chuẩn không dây | Chuẩn tiêu thụ thấp theo IEEE 802.15.4 | Tốc độ vừa đủ, đổi lại thời gian dùng pin dài |
| Chu kỳ đo | Đặt được theo phút, ngủ sâu giữa hai lần đo | Phần lớn điện tiêu thụ nằm ở lúc thức và lúc phát |
| Loại tín hiệu nhận | Tín hiệu tương tự nhiều kênh cho cảm biến hiện trường | Cảm biến mưa, gió, độ ẩm đất, nhiệt độ đều cho tín hiệu tương tự |
| Cập nhật phần mềm | Cập nhật qua sóng, có vùng đệm sao lưu | Không thể leo tới từng nút để cắm cáp nạp |
| Vỏ và dải nhiệt | Vỏ kín chống nước, dải nhiệt rộng | Mưa bão, nắng gắt và sương muối đều gặp trong một năm |
| Giao thức phía trên | Modbus để phần mềm giám sát đọc thẳng | Tránh phải viết trình đọc riêng cho từng loại nút |
Hạng mục quyết định giá thành vận hành là chu kỳ đo, chứ không phải giá mua nút. Một nút thức dậy mỗi phút tiêu thụ gấp nhiều lần nút thức dậy mỗi mười lăm phút. Vì vậy bước đầu tiên khi thiết kế là hỏi người dùng cuối rằng số liệu tươi tới mức nào thì đủ để ra quyết định, rồi mới chọn chu kỳ.
Cách chia hợp lý cho hệ cảnh báo là dùng hai chu kỳ. Chu kỳ thường ngày đặt thưa để tiết kiệm pin. Khi một giá trị vượt ngưỡng, ví dụ lượng mưa tích lũy trong sáu giờ, hệ chuyển sang chu kỳ dày trong vài ngày rồi tự trở lại chế độ thường.
Thiết bị Advantech trong tuyến quan trắc không dây
| Lớp | Thiết bị | Vai trò |
|---|---|---|
| Nút đo | ADAM-2017Z | Nút không dây sáu kênh vào tương tự, nhận tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, máy đo gió, máy đo mưa và cảm biến độ ẩm đất |
| Bộ tập trung | ADAM-2510Z | Bộ tập trung mạng cảm biến không dây, gom số liệu từ các nút rồi xuất ra dạng Modbus RTU cho phần mềm phía trên |
| Máy tính tại trạm | UNO-1172A | Máy tính gá thanh DIN nền Intel Atom D510, tiêu thụ thấp, chạy phần thu thập và đệm số liệu tại chỗ |
| Card thu số liệu nhanh | PCM-3810I | Card đa chức năng chuẩn PCI-104, 16 kênh, 12 bit, tốc độ lấy mẫu 250 nghìn mẫu mỗi giây, dùng cho tín hiệu dao động |
| Nút đo dùng Wi-Fi | WISE-4012E | Theo thông số công bố: Wi-Fi 2,4 GHz chuẩn 802.11b/g/n, 2 kênh vào 0–10 V, 2 kênh vào số, 2 ngõ ra rơ-le, hỗ trợ Modbus TCP và dịch vụ web, chạy được ở chế độ máy khách hoặc máy chủ mà không cần bộ định tuyến |
| Mô-đun vào ra có dây | ADAM-6017 | Theo thông số công bố: 8 kênh vào tương tự và 2 ngõ ra số, nhận tín hiệu mV, V và mA, tốc độ truyền 10/100 Mbps, dùng khi điểm đo có sẵn điện và cáp mạng |
Hai dòng cuối bảng nêu hai lựa chọn thay thế thường bị bỏ qua. Khi điểm đo có điện lưới và cách tủ vài chục mét, mô-đun vào ra Ethernet rẻ hơn và ổn định hơn nút chạy pin. Khi điểm đo có điện nhưng không kéo được cáp mạng, nút Wi-Fi là bước trung gian hợp lý. Chỉ những điểm không có cả điện lẫn cáp mới thực sự cần nút chạy pin.
Điểm mạnh của các mô-đun không dây dòng ADAM-2000Z nằm ở khả năng cập nhật phần mềm điều khiển qua sóng, có vùng đệm sao lưu và cơ chế an toàn khi cập nhật. Trong hệ đặt rải trên địa hình khó, đây là thứ tiết kiệm nhiều công nhất, vì mỗi lần leo tới một nút là một ngày công.
Ví dụ hệ cảnh báo sạt lở đất tại vùng núi
Bài toán gốc của giải pháp này đến từ Đài Loan, nơi mỗi năm hứng ba đến bốn cơn bão nhiệt đới. Chính quyền giao một viện nghiên cứu theo dõi thường xuyên các sườn dốc có nguy cơ sạt lở. Yêu cầu đặt ra gồm ba phần: đo được số liệu tức thời, tiêu thụ rất ít điện vì khu vực thưa dân và thiếu nguồn, và toàn bộ thiết bị phải là loại công nghiệp để chịu môi trường khắc nghiệt.
Cách dựng gồm bốn lớp. Lớp một là các nút ADAM-2017Z gắn cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, máy đo gió, máy đo mưa và cảm biến độ ẩm đất, chạy bằng hai viên pin thông dụng nhờ mức tiêu thụ rất thấp của chuẩn không dây. Lớp hai là bộ tập trung ADAM-2510Z, gom số liệu và xuất ra dạng Modbus RTU. Lớp ba là máy tính UNO-1172A gá thanh DIN trong tủ, cắm card PCM-3810I để lấy tín hiệu dao động ở tốc độ cao. Lớp bốn là đường truyền về trung tâm cùng phần mềm cảnh báo.
Chi tiết đáng học nhất nằm ở việc chia tốc độ. Số liệu khí tượng đo thưa, đi qua mạng không dây tiêu thụ thấp. Số liệu dao động đo dày, xử lý ngay tại máy tính trong tủ và chỉ gửi đi kết quả rút gọn. Trộn hai loại vào cùng một đường truyền là sai lầm phổ biến khi thiết kế hệ quan trắc.
Kết quả là toàn bộ cụm thiết bị lắp gọn trong một tủ, dựng nhanh tại khu vực khó tiếp cận và dời được sang vị trí khác theo diễn biến thời tiết. Trong mùa mưa bão, hệ duy trì hoạt động nhiều tuần bằng pin nhờ mức tiêu thụ thấp.
Chọn thiết bị cho trạm quan trắc không dây
Trình tự chọn nên đi theo bốn bước. Bước một, liệt kê điểm đo kèm ba thông tin: có điện lưới hay không, có kéo được cáp mạng hay không, và số liệu cần tươi tới mức nào. Bước hai, chia điểm đo thành ba nhóm theo bảng trên: nhóm có dây, nhóm Wi-Fi, nhóm chạy pin. Bước ba, chọn máy tính tại trạm theo khối lượng xử lý tại chỗ, chi tiết cách đấu cảm biến vào mô-đun trình bày ở bài đấu cảm biến vào mô-đun Remote I/O ADAM. Bước bốn, chốt phần bảo vệ chống sét và nối đất cho mọi tuyến tín hiệu đi ra ngoài nhà.
Các dòng mô-đun liên quan trình bày ở bài ADAM-6000 cho mạng Ethernet và bài WISE-4000 cho nhóm không dây. Phần siết chặt truy cập cho thiết bị đặt ngoài hiện trường nằm ở bài bảo mật mạng IoT Advantech. Nhóm máy tính không quạt đặt tủ liệt kê ở danh mục máy tính không quạt, còn máy tính công nghiệp chạy phần mềm giám sát ở trung tâm liệt kê tại danh mục máy tính công nghiệp Advantech trên IPC247. Khi cấu hình máy chưa chốt, dùng công cụ chọn máy theo yêu cầu.
Câu hỏi thường gặp về mạng cảm biến không dây Advantech
Nút đo chạy pin đo được bao lâu mới phải thay pin?
Thời gian dùng pin phụ thuộc gần như hoàn toàn vào chu kỳ đo và chu kỳ phát. Nút thức dậy mỗi mười lăm phút tiêu thụ ít hơn nhiều lần so với nút thức dậy mỗi phút. Cách tính thực dụng là nhân số lần thức dậy trong ngày với năng lượng mỗi lần, rồi so với dung lượng pin và trừ hao khoảng ba mươi phần trăm cho nhiệt độ thấp.
Vì sao chọn chuẩn không dây tiêu thụ thấp thay vì Wi-Fi cho trạm ngoài trời?
Wi-Fi nhanh nhưng ngốn điện và cần điểm phát sóng có điện lưới. Trạm quan trắc ở sườn núi hay bờ sông thường không có cả hai. Chuẩn không dây tiêu thụ thấp theo IEEE 802.15.4 truyền chậm hơn nhiều lần nhưng đủ cho vài chục giá trị mỗi chu kỳ, đổi lại nút đo sống được nhiều tháng bằng hai viên pin.
Cập nhật phần mềm cho nút đo đặt trên sườn núi bằng cách nào?
Các mô-đun không dây của Advantech hỗ trợ cập nhật phần mềm điều khiển qua sóng, kèm vùng đệm sao lưu và cơ chế an toàn để nút không hỏng khi cập nhật dở dang. Nhờ vậy không phải leo tới từng vị trí. Vẫn nên cập nhật lần lượt từng nhóm nhỏ và giữ lại một nhóm chạy bản cũ để đối chiếu.
Số liệu rung động lấy mẫu nhanh có gửi qua mạng không dây tiêu thụ thấp được không?
Không gửi thô được. Tín hiệu rung động cần hàng nghìn mẫu mỗi giây, vượt xa băng thông của mạng tiêu thụ thấp. Cách làm là dùng máy tính tại trạm với card thu số liệu tốc độ cao, xử lý tại chỗ rồi chỉ gửi đi vài giá trị đặc trưng cho mỗi chu kỳ.
Mất sóng vài giờ thì số liệu có mất không?
Nút đo và bộ tập trung đều có bộ đệm, nhưng dung lượng đệm nhỏ. Máy tính tại trạm mới là nơi lưu số liệu dài hạn. Trong giai đoạn nghiệm thu cần thử ngắt đường truyền lên trung tâm vài giờ rồi kiểm tra số liệu có được gửi bù đầy đủ hay không.
Thiết bị đặt ngoài trời cần lưu ý gì về chống sét và tĩnh điện?
Mọi tuyến tín hiệu đi ra khỏi nhà đều phải qua thiết bị cắt sét lan truyền, và vỏ tủ phải nối đất đúng. Cần chọn thiết bị có mức bảo vệ tĩnh điện cao trên chân tín hiệu. Cột ăng-ten phải nằm trong vùng bảo vệ của kim thu sét, cáp ăng-ten cần vòng thoát nước trước khi vào tủ.
Đọc thêm về thiết bị: toàn bộ máy tính công nghiệp Advantech cùng các hãng khác trên ipc247.com.
