Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 26 (2010) 129-140 Mạng thông tin điều khiển hệ thống tự động hóa tòa nhà Trần Quang Vinh*, Phạm Mạnh Thắng, Phùng Mạnh Dương Trường Đại học Công nghệ, ĐHQGHN, 144 Xuân Thủy, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 07 tháng năm 2009 Tóm tắt Hệ thống tự động hóa tòa nhà BAS (Building Automation System) cho phép giám sát điều khiển hoạt động thiết bị tòa nhà Các thiết bị có chức điều khiển thông số môi trường, quản lý điện tiêu thụ, điều khiển đóng ngắt thiết bị điện, báo cháy, kiểm soát an ninh điều khiển trình vào tòa nhà, v.v BAS thực hệ thống điều khiển tự động với mạng thông tin điều khiển CCN (Control Communication Network) Bài báo trình bày việc phân tích, thiết kế thực mạng thông tin CCN tòa nhà cao tầng nhằm tạo tiện nghi đại cho Hệ thống xây dựng sở tích hợp hữu mô-đun phần cứng phần mềm điều khiển Các điều khiển nối qua kênh truyền vật lý thích hợp đáp ứng yêu cầu kỹ thuật kinh tế Các kết tính toán mô hai phân mạng cho thấy hệ thống thiết kế thỏa mãn yêu cầu thông tin điều khiển tòa nhà Từ khóa: Hệ thống tự động hóa tòa nhà BAS (Building Automation System), Mạng thông tin điều khiển CCN (Control Communication Network) Giới thiệu∗ sáng, sưởi ấm, hệ thống máy bơm nước), điều khiển đóng ngắt thiết bị điện, báo động xảy hỏa hoạn, kiểm soát an ninh điều khiển trình vào tòa nhà, v.v Thực tế cho thấy hệ thống BAS cho phép tiết kiệm lượng sử dụng tòa nhà, cải thiện tiện nghi tăng tính an toàn giảm chi phí vận hành bảo dưỡng Chỉ nói riêng mặt lượng, thống kê tin cậy rằng, có tới 40% lượng sử dụng tòa nhà thuộc hệ thống đặt giám sát điều khiển BAS; tính thêm hệ thống chiếu sáng vào số lên tới 70% [1] Trong năm gần đây, số tòa nhà cao tầng Viêt Nam tăng lên nhanh chóng Những tòa nhà không thiết kế đại mà trang bị nhiều phương tiện công nghệ cao Hiện giới biết đến khái niệm Hệ thống tự động hóa tòa nhà BAS (Building Automation System) Đó hệ thống điều khiển lắp đặt, cho phép giám sát điều khiển thiết bị toàn tòa nhà Các thiết bị có chức điều khiển thông số môi trường nhà (như nhiệt độ, độ ẩm), thu thập liệu tiêu thụ điện phân hệ (như hệ thống chiếu Một hệ BAS thường chương trình hóa nhằm quản lý cách tự động phân hệ Chẳng hạn BAS có khả tự _ ∗ Tác giả liên hệ ĐT.: 84-4-37546575 E-mail: vinhtq@vnu.edu.vn 129 130 T.Q Vinh nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 26 (2010) 129-140 động tắt đèn khu vực người di chuyển, tự động bật máy điều hòa không khí nhiệt độ hay độ ẩm phòng đạt tới ngưỡng Các thiết bị điện dân dụng phòng hộ đèn chiếu sáng, máy điều hòa, máy giặt, máy thu hình điều khiển tự động điều khiển từ xa phạm vi tòa nhà chí từ nơi đâu bên tòa nhà Điều khiển cửa vào ứng dụng tự động hóa tòa nhà BAS Trong ứng dụng này, hệ thống gửi luồng liệu video từ camera giám sát tới phòng bảo vệ cách định kỳ, ghi lại trình ngoại nhập có người qua cửa vào Như vậy, an ninh tòa nhà tăng cường Do nhu cầu dịch vụ tòa nhà đại ngày tăng, nên chức hệ BAS thực việc giám sát điều khiển hàng ngàn nhiệm vụ xử lý thông minh không tập trung suốt ngày đêm tòa nhà Vì vậy, BAS phải thiết kế hệ thống điều khiển máy tính hóa hệ thống không đảm bảo có tính điều khiển tập trung mà phải thực hoạt động điều khiển phân tán Một hệ BAS điển hình cấu thành từ loại phần tử bản: cảm biến (sensors), chấp hành (actuators), điều khiển (controllers) mạng thông tin (communication network) Như vậy, việc thiết kế xây dựng mạng thông tin điều khiển CCN (Controlling Communication Network) BAS cần quan tâm đặc biệt Mạng hoạt động hiệu chọn hình trạng mạng (topology) giao thức thông tin (protocol) thích hợp, chúng định đến hiệu thông tin, độ tin cậy, tính kinh tế mạng Do cần phân tích khía cạnh liên quan đến đối tượng mạng trước định thiết kế khối phần cứng phát triển chương trình phần mềm hệ thống Trên sở xuất phát điểm kể trên, công trình báo cáo chi tiết trình xây dựng mạng thông tin điều khiển BAS tòa nhà cụ thể Dựa việc phân tích nhu cầu thiết yếu hệ BAS điển hình, chọn thiết kế thích hợp cho mô-đun điều khiển phần cứng chương trình phần mềm cho tòa nhà cao tầng cụ thể Mô hình mạng tính toán, mô lắp đặt cho tiêu chất lượng chấp nhận Phân tích hệ thống BAS mạng CNN Để thiết kế tối ưu mạng thông tin, tiến hành khảo sát phân tích đặc điểm liên quan đến tổ chức hệ thống BAS để đảm bảo nhu cầu thông tin mạng 2.1 Các chức đại BAS Căn vào nhu cầu cụ thể tòa nhà, BAS bao gồm phân hệ khác Trong đề tài này, BAS đòi hỏi cần có phân hệ sau: Phân hệ HVAC (điều khiển sưởi ấm, thông gió, điều hòa không khí - Heating, Ventilation, Air conditioning Control), hệ thống điều khiển vi khí hậu tự động lắp đặt khu vực công cộng tòa nhà sảnh lớn, hành lang, tầng hầm, thang máy, nhà kho, v.v Trong phân hệ này, chức sưởi ấm, thông gió xử lý nhằm điều khiển nhiệt độ độ ẩm vùng cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, cảm biến đo lưu lượng không khí cảm biến đo nồng độ khí CO2 với điều khiển điện tử qua thiết bị chấp hành quạt, van gió, van nước Một hệ thống điều hòa nhiệt độ đảm bảo việc làm mát, thông khí làm khô cho vùng xác định T.Q Vinh nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 26 (2010) 129-140 Phân hệ chiếu sáng, điều khiển đèn chiếu sáng khu vực công cộng hộ Việc đóng ngắt đèn thực theo số cách: công tắc tay, tín hiệu cảm biến phát vật chuyển động, tín hiệu đo mức sáng tối môi trường xung quanh dựa lịch biểu thời gian định trước chương trình điều khiển Phân hệ điều khiển đóng ngắt thiết bị điện dân dụng, cho phép đóng ngắt thiết bị định không từ bên tòa nhà mà từ nơi bên tòa nhà Hầu hết thiết bị điện dân dụng đèn chiếu sáng, tủ lạnh, máy điều hòa, lò vi sóng, máy giặt thiết bị nghe-nhìn tiêu thụ nhiều điện lãng phí công suất tiêu tán Phân hệ cho phép sử dụng hiệu thiết bị điện dân dụng, không giảm chi phí mà làm môi trường Phân hệ quản lý lượng điện, có nhiệm vụ thu thập mức tiêu thụ điện hệ thống công cộng tòa nhà, hệ thống HVAC, hệ thống chiếu sáng công cộng, hệ bơm nước, hộ có nhu cầu Một số đo điện tử số đặc biệt thiết kế mắc song song với công-tơ điện phân hệ tiêu thụ định truyền thường xuyên số liệu tiêu thụ điện máy tính trung tâm tòa nhà Tại đó, chương trình quản lý tính phát báo cáo liệu khứ lượng điện tiêu thụ nhằm lưu ý người sử dụng hoạch định sách sử dụng cho tối ưu Phân hệ báo cháy, cho phép phát tín hiệu báo cháy từ cảm biến nhạy khói tự động phát tín hiệu cảnh báo gửi thông báo khẩn cấp tới trung tâm tòa nhà trạm cứu hỏa Các phân hệ an ninh điều khiển ngoại nhập, có chức giám sát điều khiển việc vào cửa trước tòa nhà; phát báo 131 động xâm nhập bất hợp pháp Các cửa vào cửa sổ cần giám sát lắp đặt cảm biến tiếp xúc từ tính, cảm biến phát vỡ cửa kính, báo động xâm nhập bất thường Các camera lắp đặt khu vực cần thiết cho phép quan sát hoạt động xảy quanh tòa nhà Hệ thống BAS cho phép nhận dạng quản lý tiểu sử nhân viên thường vào tòa nhà thẻ nhận dạng vô tuyến RFID 2.2 Các đặc điểm thông tin phân hệ mối quan hệ chúng Thông tin phân hệ BAS có đặc điểm riêng đòi hỏi phải truyền qua môi trường thích hợp Chúng phân biệt chúng theo đặc điểm sau: Theo mức độ ưu tiên Thí dụ, thông điệp báo động phát từ phân hệ báo cháy khẩn cấp lệnh bật máy điều hòa phân hệ đóng ngắt thiết bị Do đó, kênh thông tin bền vững, không bị tắc nghẽn cần dành cho phân hệ báo cháy Theo đặc điểm thông tin phát hay thường xuyên phát Thí dụ, thông điệp báo cháy phát ra, số liệu tiêu thụ điện lại cần truyền thường xuyên qua mạng tới trung tâm Do vậy, giao thức thông tin hỏi vòng (poll) thích hợp cho thiết bị phân hệ quản lý điện năng; lại phải suy xét áp dụng giao thức cho phân hệ báo cháy nhằm tránh lãng phí việc hỏi vòng vô ích Theo lượng tốc độ truyền thông tin Hầu hết thông tin điều khiển phân hệ BAS có lượng tốc độ truyền tin không cao thông số cần giám sát điều khiển có tốc độ biến thiên không cao (như biến thiên nhiệt độ phòng, yêu cầu tốc độ đóng mạch điện thiết bị điện dân dụng, v.v ) Duy có luồng liệu video từ camera giám sát 132 T.Q Vinh nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 26 (2010) 129-140 hệ thống đòi hỏi kênh thông tin băng rộng, tốc độ đủ cao cho ứng dụng quan sát thời gian thực Theo việc thông tin dùng cho mục đích công cộng hay cá nhân Một đèn mắc hành lang tòa nhà coi thiết bị công cộng, mắc phòng hộ lại thiết bị cá nhân Rõ ràng thông tin điều khiển dùng cho thiết bị công cộng hay cho thiết bị cá nhân (có tính riêng tư) nên truyền môi trường có đặc điểm khác Theo tình thông tin điều khiển truyền phạm vi tòa nhà hay từ tòa nhà Với trường hợp đầu, cần sử dụng phương tiện có sẵn tòa nhà xây xong mạng dây nối chuyên dụng hay mạng cục LAN cho thông tin điều khiển Trong trường hợp thứ hai, dùng kênh thông tin công cộng mạng viễn thông tòa nhà 2.3 Các kênh thông tin vật lý khả ứng dụng Hiện có vài loại đường truyền vật lý với chuẩn thông tin phổ biến dùng để phát triển phân mạng mạng thông tin điều khiển CCN tòa nhà Đề tài tiến hành nghiên cứu phân tích nhằm chọn mạng thích hợp dùng cho thiết bị Đường mạng chuyên dụng theo chuẩn RS485, mạng cục có dây rẻ tiền giao diện mạng tương đối dễ phát triển Nó cho phép có kênh thông tin bán song công (half-duplex), đa điểm, ồn thấp với tốc độ lên tới 100 kbps khoảng cách tới 1.200 m Do hạn chế trở kháng điện, có tối đa đến 32 nút vật lý nối tới đường bus So sánh với nhu cầu thiết bị tòa nhà, mạng dùng cho số hạn chế thiết bị thông tin thiết bị thu phát liệu khẩn cấp, không đòi hỏi lượng tốc độ thông tin cao Căn vào thấy thiết bị báo cháy hay thiết bị công cộng tòa nhà xem xét sử dụng Đường mạng LAN Ethernet lựa chọn tốt cho kênh thông tin CCN Với tốc độ lên tới 100 Mbps, đáp ứng cho ứng dụng truyền liệu tốc độ cao luồng video camera Như vậy, thiết bị dùng cho ứng dụng giám sát điều khiển IPcamera, tín hiệu từ cảm biến an ninh, cảm biến chấp hành ngoại nhập, tín hiệu đóng ngắt thiết bị điện dùng mạng Trong năm gần đây, bên cạnh mạng cục có dây LAN phổ biến, mạng không dây Wi-Fi phát triển nhanh Việt nam, tạo phương tiện thuận tiện cho mạng CCN tòa nhà Tóm lại, mạng LAN Ethernet dùng cho phân hệ điều khiển an ninh, điều khiển vào điều khiển đóng ngắt thiết bị điện Đường mạng điện thoại công cộng cung cấp mạng nối dây có sẵn mà lắp đặt tòa nhà với đầu nối máy điện thoại hộ Các sản phẩm thương mại phổ biến cung cấp dịch vụ ADSL với thông tin tải xuống tốc độ cao Đây lựa chọn tốt cho phép đóng ngắt thiết bị điện hộ từ trình duyệt web qua mạng Internet đâu giới Hơn nữa, việc gửi thông điệp mã hóa qua dịch vụ nhắn tin SMS, dùng điện thoại di động để điều khiển từ xa thiết bị phòng qua Modem GSM Việc thiết kế kênh thông tin tòa nhà hoàn toàn khả thi đề tài phát triển sẵn số mô-đun phần cứng mẫu chương trình điều khiển Việc thực sử dụng lại tùy thuộc vào nhu cầu khả tài chủ hộ tòa nhà T.Q Vinh nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 26 (2010) 129-140 Đường mạng điện lực có sẵn nơi tòa nhà dùng cho việc truyền thông tin điều khiển thiết bị Tuy nhiên, chất lượng dây điện không đồng đều, lại có lượng lớn thiết bị điện đóng/ngắt cách ngẫu nhiên nên mạng gặp phải can nhiễu làm giảm chất lượng thông tin truyền Đó lý mà kênh thông tin chọn cho việc điều khiển thiết bị điện khoảng cách ngắn số vài phòng hộ Mạng cảm nhận không dây WSN, bao gồm nút cảm nhận nhỏ cảm nhận thông số môi trường quanh nút, thực tính toán, thông tin với nút khác qua sóng vô tuyến Do ứng cử tốt cho việc sử dụng làm mạng truyền thông tin điều khiển tòa nhà Ưu điểm mạng tránh việc dây tòa nhà cần phát triển hệ thống Tuy nhiên, giá thành cao số thách thức phần mềm hệ thống, giao thức thông tin vấn đề quản lý lượng; nên đến mạng sử dụng cho hệ thống BAS [2] 2.4.Cấu hình mạng CCN liên quan đến tính tập trung phân tán hệ thống Căn vào phân tích kể trên, hệ thống mạng CCN không cần có tính điều khiển tập trung mà phải có tính điều khiển phân tán Điều khiển tập trung chức tích hợp thể qua phần mềm đề tài phát triển gọi Hệ điều hành tòa nhà BOS (Building Operating System) với giao diện người dùng chuyên dụng PUI (Professional User Interface) cho phép giám sát tập trung hệ thống Lấy thí dụ đơn giản nhất, hệ thống cho phép người điều khiển trung tâm kiểm tra trạng thái phần tử phân hệ HVAC nhằm điều khiển 133 thiết bị từ xa Trường hợp khác điều khiển trung tâm tích hợp hoạt động hai vài phân hệ với Nếu tín hiệu báo động nhận từ phân hệ báo cháy, điều khiển trung tâm lệnh cho phân hệ HVAC tắt quạt để làm giảm lượng gió lưu thông tòa nhà Điều khiển phân tán biểu hai khía cạnh Thứ nhất, hầu hết điều khiển trường dùng điều khiển tự quản trị Chúng phân bố thành nút điều khiển thông minh nối với bus thông tin Chúng điều khiển thiết bị cách độc lập với điều khiển trung tâm Các điều khiển trường thực chất các thiết bị hoạt động độc lập (stand-alone) phục vụ cho mục đích điều khiển khắp nơi Khía cạnh thứ hai biểu chỗ thiết bị cá nhân điều khiển người thời gian nào, nơi đâu Các hoạt động điều khiển coi hoạt động điều khiển riêng tư không đồng Do thông tin liên quan đến cần mã hóa người sử dụng Dựa đặc điểm tòa nhà phổ biến Việt nam, mạng CCN thiết kế giải pháp tích hợp có tính mở, cho phép nối với trung tâm dịch vụ bên tòa nhà qua giao diện BOS Kiến trúc hệ thống thiết kế bao gồm ba mức, từ mức thấp đến mức cao là: mức trường (field level), mức quản lý (management level) mức dịch vụ (service level) Mức trường bao gồm mạng phân tán nút điều khiển nối với bus thông tin Mỗi nút có điều khiển có khả điều khiển số thiết bị định địa với cảm biến chấp hành Mức quản lý cung cấp nhìn thống tới tất phân hệ thông qua BOS Tất phân hệ tích hợp với BOS trình quản lý thiết bị (device driver) Ngoài T.Q Vinh nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 26 (2010) 129-140 Mức dịch vụ cho phép hệ thống nối tới trung tâm dịch vụ bên tòa nhà nhằm để cung cấp khả giám sát điều khiển từ xa, khả báo động phát hỏng hóc Hiện nay, trung tâm nhà cung cấp dịch vụ Internet ISP (Internet Service Provider) nhà cung cấp dịch vụ viễn thông TSP (Telephone Service Provider) tính hiệu kinh tế, cách phát triển thuận tiện cho việc bảo dưỡng sửa chữa mô-đun điều khiển Hình thí dụ sơ đồ khối điều khiển phân hệ HVAC Nó có mạch lõi dùng vi điều khiển (microcontroller-based core circuit) với lối vào lối Bộ biến đổi xx/232 mạch ghép nối biến đổi liệu theo chuẩn bus bên (như chuẩn RS-485 hay Ethernet) thành chuẩn RS-232 bên vi điều khiển ngược lại Có môt bàn phím thị LCD để nhập liệu trực tiếp Có giao diện JTAG dùng để tải chương trình nhúng từ máy tính vào vi điều khiển Thiết kế, mô thực Từ cảm biến Qua trình nghiên cứu, phân tích, chọn lựa kể trên; hệ thống CCN thiết kế, mô thực với kết trình bày sau Port Ghép nối xx/232 IT SC IH SC IA SC A/D MUX IC SC Bàn phím 3.1 Các điều khiển Các điều khiển bốn thành phần BAS đóng vai trò quan trọng mạng thông tin điều khiển Ở trung tâm, điều khiển máy tính với thiết bị bàn phím, hình lớn ngoại vi cho phép điều khiển tay giám sát hoạt động cách thuận lợi Ở trường, có điều khiển lắp vi xử lý (vi điều khiển), báo cáo gọi MC (Microcontroller-based Controller) Các MC hoạt động chế độ độc lập (standalone) Mặc dù số thiết bị cần điều khiển tòa nhà lớn chúng có đặc điểm giống nên phân thành vài loại mà Do đó, điều khiển đề tài thiết kế chế tạo thành mô-đun chuyên dụng đáp ứng cho nhóm thiết bị loại Ngoài Vi điều khiển PW JTAG PA O1 PA O2 PA O3 PA O4 tới chấp hành lệnh chung truyền tới phân hệ, hệ điều hành tòa nhà BOS mức có sẵn vài dịch vụ báo động, lưu trữ xu hướng lịch sử phân hệ, đăng nhập quản lý tiểu sử người dùng Bus 134 Display GND Hình Cấu trúc điều khiển HVAC Trong chế độ điều khiển cục bộ, tín hiệu từ cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm, lưu lượng khí nồng độ khí CO2 cấp tới lối vào IT, IH, IA IC điều khiển Chương trình nhúng vi điều khiển so sánh giá trị với giá trị đặt (set point), tính toán gửi tín hiệu điều khiển tới khuếch đại công suất PA để đóng/ngắt thiết bị định địa qua đầu nối O1 tới O4 Trong chế độ điều khiển từ xa, máy tính trung tâm gửi lệnh, bao gồm giá trị đặt, tới MC Bộ điều khiển MC chạy nhiệm vụ gửi thông tin trạng thái môi trường trung tâm qua ghép nối bus xx/232 Nói chung, cấu trúc bên điều khiển tương tự Có khác số lượng đầu vào, đầu công suất khuếch đại lối PA T.Q Vinh nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 26 (2010) 129-140 3.2 Thiết kế hình trạng mạng Đề tài có nhiệm vụ lắp đặt mạng CCN tòa nhà tầng, kể tầng hầm Nhà có cửa vào, thang máy, cầu thang bộ, cầu thang thoát hiểm nhiều hành lang cửa sổ Không kể tầng hầm, tầng có hộ hộ có phòng Tổng cộng có 64 hộ tòa nhà Căn vào khảo sát phân tích kể trên, hình trạng mạng thông tin điều khiển thiết kế sơ đồ hình với phân mạng sau: • Phân mạng nối dây chuyên dụng RS-485 với giao thức truyền nối tiếp Modbus/RTU Như hình, mạng có 32 nút cho phép giám sát điều khiển tới 216 thiết bị định địa phân hệ báo cháy, quản lý lượng điện, HVAC, chiếu sáng, điều khiển vào quản lý an ninh tòa nhà • Phân mạng LAN Ethernet mạng truyền liệu máy tính có sẵn tòa nhà Mạng có chuyển mạch trung tâm tốc độ 100 Mbps chuyển mạch 10 Mbps với cáp xoắn UTP đầu nối RJ-45 Ngoài 144 nút dùng sẵn cho máy tính tầng tòa nhà, phần tử dùng cho tự động hóa tòa nhà nối với bus tạo cho mạng thông tin liệu có thêm chức mạng thông tin điều khiển Các phần tử 12 IP-camera 68 điều khiển MC Mỗi điều khiển có tới lối vào lối định địa Có nghĩa có tới × 68 = 544 thiết bị định địa tòa nhà điều khiển qua mạng Ethernet • Mỗi Modem ADSL lắp xen vào đường dây điện thoại công cộng hộ phục vụ cho việc đóng ngắt thiết bị điện dân dụng phòng từ website mạng Internet Tổng cộng có 64 Modem dự kiến thiết kế sẵn cho 135 tòa nhà Việc gửi tin nhắn SMS qua điện thoại di động để đóng ngắt thiết bị điện nhà đòi hỏi Modem GSM/RS232 cho hộ Như cần tới 64 Modem loại cho hộ tòa nhà • Mỗi thiết bị điều khiển qua mạng điện lực cần cặp Modem PLC Trong hầu hết trường hợp, vi điều khiển thông tin theo chuẩn X-10 sử dụng qua cổng nối tiếp Các Modem thiết kế chế tạo việc trang bị cho hộ tùy thuộc vào nhu cầu khả kinh tế người dùng hộ 3.3 Đánh giá hiệu suất mô mạng Mạng thông tin điều khiển thiết kế phải đảm bảo khả giám sát điều khiển phương tiện tòa nhà theo thời gian thực Nếu độ trễ việc thu nhận liệu mạng vượt giá trị định, phân hệ đạt tiêu chất lượng thông tin theo yêu cầu Các thông số hiệu suất mạng, trễ thời gian tác vụ, phụ thuộc vào tải lưu lượng mạng Tải lưu lượng mạng định lượng theo tham số G sau [3]: G= L NL N = B T BT Ở đây, B tốc độ truyền liệu (bit/sec), N số nút phát thông điệp vào mạng, T khoảng thời gian trung bình phát thông điệp nút i tính theo giây, L độ dài trung bình thông điệp phát nút i tính theo bit G có giá trị từ đến 1; G tiến tới tức tải lưu lượng mạng tăng lên Chỉ tiêu chất lượng hai phân mạng CCN phụ thuộc vào thay đổi tải lưu lượng G, đặc biệt số nút N phát thông điệp vào mạng tính toán mô đánh giá Hai phân mạng RS485 LAN Ethernet T.Q Vinh nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 26 (2010) 129-140 136 PC ISP, TSP È Telecom network Router Energy Fire Fire 1 25 Dedicated RS-485 Lines Door RFID Break HVAC Light Light 1 8 IP- Camera MC U 25 ADSL modem MC ADSL modem MC GSM modem MC MC 64 • • • PC HVAC 16 • • • G Elevator motor • • • Floors 32 • • • 4 + 32 1 M.card 32 Fire 64 GSM modem Switches 10 Mb/s Energy 1 100Base-T Ethernet LAN Lines Energy Switch 100 Mb/s 32 Fire • • • Energy 16 PC 24 IP- Camera MC U Hall, Basement Available Electric Lines 1 Available Telephone Lines Host PC 64 PLC modem MC PLC modem MC PLC modem MC PLC modem MC 8 Hình Hình trạng mạng CCN • Mạng RS-485 sử dụng giao thức Modbus/RTU loại giao thức chủ - tớ (masterslave) Trên mạng có nút chủ có tới 247 nút tớ Thông tin Modbus khởi phát nút chủ Nút chủ phát thông điệp request tới nút tớ theo chế độ Unicast có địa nút tớ cần liên lạc Sau nhận xử lý thông điệp request, nút tớ định địa trả nút chủ thông điệp reply Các nút tớ khác không định địa không làm phiên giao dịch Thông tin Modbus/RTU có byte thông điệp chứa ký tự mã Hexadecimal bit Định dạng 11 bit cho byte nhị phân là: bit start, bit liệu, bit chẵn lẻ, bit stop Các thông điệp Modbus phát thành khung truyền có khoảng phân cách dài 3,5 thời gian phát ký tự hình [4] Start ≥ 3.5 char Slave Function Address Code byte byte Data CRC End up to 252 byte(s) bytes ≥ 3.5 char Hình đồ thị thời gian tình thông tin chủ-tớ điển hình cho trường hợp tốt (không có lỗi) trường hợp xấu (lỗi gây nên vượt thời gian time-out) Trên đồ thị thấy thời gian trễ cho trao đổi liệu nút chủ tớ là: Texchange = Trequest + Twait + Treply + Treplyanalysis + Tprop T.Q Vinh nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 26 (2010) 129-140 Thời gian lan truyền sóng điện từ Tprop nhỏ µs độ dài cáp điển hình 100 m [2] Do vậy, so sánh với giá trị 104 µs, thời gian truyền bit mạng tốc độ trung bình 9.600 bps, thời gian lan truyền sóng liệu bỏ qua Reply Analysis and preparation of the following exchange wait wait Master Response time out REQUEST REQUEST to slave N Slave REPLY Request Treatment Slave N error detection NO REPLY Physical Line Time Exchange Exchange N Hình Đồ thị thời gian trao đổi thông tin mạng Ba khoảng thời gian “wait” (đợi), “request treatment” (xử lý yêu cầu) “reply analysis and preparation of the following exchange”” (phân tích hồi đáp chuẩn bị cho trao đổi tiếp theo) phụ thuộc vào trình xử lý liệu chip vi xử lý nút Với tốc độ hoạt động cao vi điều khiển (thí dụ, MHz với vi điều khiển PIC 16F877A hãng Microchip thiết kế cho mô-đun điều khiển đề tài), khoảng thời gian hết vài micrôgiây, ngắn khoảng thời gian truyền bit Vậy khoảng thời gian không phụ thuộc vào trạng thái mạng (như tải lưu lượng) coi chúng số nhỏ hay cho không Kết quả, thời gian trao đổi liệu xấp xỷ bằng: Ttime delay ≈ Trequest + Treply Các khoảng request reply phụ thuộc vào độ dài khung truyền thông lượng mạng Trong mạng điều khiển này, cần byte cho trường số liệu với thông điệp request hay reply Như vậy, tổng thời gian trễ, 137 tính theo bit, trường hợp tốt cho giao dịch nút là: × (4 × 3.5 + 11 + 11 + 11×2 + 11×2) = 160 bits Vì phải hỏi vòng (polling) 32 nút, nên nút phục vụ nhanh 0,532 sec (tức 5120 khoảng thời gian truyền bit) Kết đủ thỏa mãn yêu cầu giám sát điều khiển thiết bị điện tòa nhà • Mạng LAN Ethernet mạng truyền thông tin liệu sử dụng giao thức CSMA/CD (carrier sense multiple access with collision detection), cho phép nút chia sẻ thông tin mạng Thông tin mạng với thông điệp phát ngẫu nhiên (được coi hoạt động không đồng bộ) có lượng lớn với nhiều trạm máy tính Do đó, việc đánh giá tiêu chất lượng có phức tạp Mỗi trạm Ethernet gán cho địa chi MAC 48 bit, dùng để định vị cho nút đích nguồn gói liệu Một khung truyền Ethernet điển hình cho [2]: 802.3 MAC Frame Start-of- MAC Ethernet Payload MAC Preamble Frame- destinaType/ (Data and source Delimiter tion Length padding) CRC32 Interframe gap bytes of byte of 10101010 10101011 bytes 12 bytes byte bytes bytes 46–1500 bytes 64–1518 bytes 72–1526 bytes Tổng thời gian trễ mạng gồm ba phần: trễ nút nguồn, trễ kênh truyền trễ nút đích Thời gian trễ nút nguồn bao gồm thời gian tiền xử lý, Tpre, thời gian đợi, Twait Thời gian đợi tổng thời gian xếp hàng, Tqueue , thời gian nghẽn, Tblock Thời gian truyền kênh, Ttx,bao gồm thời gian phát khung, Tframe, thời gian lan truyền sóng điện kênh, Tprop Thời gian trễ nút đích thời gian hậu xử lý, Tpost Tổng thời gian trễ bằng: 138 T.Q Vinh nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 26 (2010) 129-140 Tdelay = T pre + Twait + Ttx + T post = T pre + Tqueue + Tblock + T frame + T prop + T post 14243 14243 Twait Ttx Các thời gian tiền hậu xử lý không đổi so với thời gian đợi thời gian phát Chúng phụ thuộc vào tham số xử lý điều khiển phụ thuộc tham số vật lý giao thức mạng Thời gian khung truyền phụ thuộc vào kích thước khung Ethernet Thời gian lan truyền sóng không dễ xác định khoảng cách nguồn đích giao dịch khác khác Trong trường hợp xấu với mạng Ethernet dài 2.500 m, thời gian chiếm 25,6 µs [2] Do ta giả thiết thời gian lan truyền sóng trung bình khoảng cách 100 m nhỏ µs Tùy thuộc vào lượng liệu mà nút nguồn phải gửi lưu lượng mạng mà thời gian đợi, Twait có ý nghĩa đáng kể Thời gian xếp hàng, Tqueue, thời gian mà thông điệp phải đợi đệm nút nguồn thông điệp trước hàng đợi chuyển Nó phụ thuộc vào thời gian nghẽn, Tblock, thông điệp trước hàng đợi, phụ thuộc vào tính tuần hoàn thông điệp tải xử lý Thời gian nghẽn, Tblock, khoảng thời gian mà thông điệp phải đợi nút sẵn sàng gửi Thời gian bao gồm thời gian va chạm với thông điệp khác thời gian đợi để phát lại Có giải thuật tìm xác suất thời gian đợi, mức cao, thời gian nghẽn mô tả [3]: 16 E { Tblock } = ∑ E{ Tk } + Tresid k =1 Ở đây, Tresid thời gian lại mạng rỗi, E{Tk} thời gian đòi hỏi va chạm thứ k E{Tk} phụ thuộc vào số nút đăng nhập lại không đăng nhập lại tốc độ đến thông điệp nút Đối với va chạm lần thứ 16, nút hủy bỏ thông điệp phát thông điệp báo lỗi tới đơn vị xử lý mức cao Để nghiên cứu mô phân mạng LAN Ethernet, sử dụng công cụ mô mạng ns-2 phát triển Defence Advanced Research Projects Agency (DARPA) qua the Virtual InterNetwork Testbed (VINT) project [5] Các thiết bị thông tin liệu máy tính PC camera đòi hỏi băng thông nhiều điều khiển MC Hình kết mô độ trễ mạng phụ thuộc vào số máy PC camera tầng tòa nhà Rõ ràng độ trễ tăng lên theo số nút hoạt động đòi hỏi thêm thời gian xếp hàng thời gian xử lý Trong hệ thống chúng tôi, số nút cho tầng tòa nhà lên tới 20 nút tương ứng với thời gian trễ mạng 47 mili giây Kết chấp nhận cho mục đích giám sát điều khiển thiết bị Hình Độ trễ trung bình phụ thuôc vào số nút Để đảm bảo làm việc tin cậy hiệu mạng CCN, cần tham số khác loss rate (tỷ lệ tổn thất), throughput (thông lượng mạng) delay jitter (biến thiên độ trễ) phải thỏa mãn, để mạng bị ảnh hưởng thêm vào thiết bị, thiết bị có Các thiết bị thêm vào nhóm điều khiển MC đòi hỏi thông lượng cực đại tất điều khiển hoạt động lúc Do lượng tin không nhiều (chỉ cần tới byte T.Q Vinh nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 26 (2010) 129-140 139 cho trường liệu), nên với trường hợp này, kết mô hình cho thấy chúng cần tới băng thông tới 10 kbps đòi hỏi dễ thỏa mãn tầng tòa nhà Lưu ý từ hình thông số delay jitter trung bình gói tin camera 3,376 ms, tốt giá trị jitter luồng video thông thường 15 ms [6] Hình Thông lượng MC phân mạng Hình Biến thiên độ trễ theo gói liệu camera Hình hình thông số throughput loss rate mạng phụ thuộc băng thông camera giám sát Trong hệ thống chúng tôi, ảnh video camera truyền thành luồng với độ phân giải 160 x 120 pixel với chuẩn nén MPEG-4 Do đó, việc đặt băng thông 0,5 Mbps cho camera đủ cho đòi hỏi băng thông toàn thông số loss rate, time delay delay jitter cực tiểu Hình Thông lượng mạng phụ thuộc vào băng thông camera Hình Tỷ lệ tổn thất phụ thuộc băng thông camera Kết luận Công trình thực nghiên cứu ứng dụng, đóng góp cho lĩnh vực thông tin điện tử tự động hóa tòa nhà Việt nam Bước đầu, đạt kết sau - Thiết kế chế tạo thành công môđun điều khiển Cấu hình phần cứng phần mềm nhúng chúng đáp ứng yêu cầu thông tin tập trung phân tán hệ thống tự động hóa (BAS) tòa nhà - Đã thiết kế thực mạng thông tin điều khiển (CCN) tòa nhà cụ thể Việt nam Trên sở khảo sát, phân tích chi tiết, phân mạng lựa chọn cho phù hợp với đặc điểm thông tin phân hệ BAS - Hai phân mạng (RS-485/Modbus Ethernet LAN) với nhiều thiết bị thu/phát nối với chúng tính toán, mô nhằm đánh giá hiệu suất mạng Các kết cho thấy mạng lắp đặt thỏa mãn với yêu cầu thông tin điều khiển tòa nhà Hiệu suất thực mạng tiếp tục đánh giá phép đo đạc thống kê theo thực sử dụng qua thời gian 140 T.Q Vinh nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 26 (2010) 129-140 Lời cảm ơn Công trình tài trợ đề tài cấp Nhà nước KC.03.12/06-10 thuộc Đại học Quốc gia Hà Nội Tài liệu tham khảo [1] Jorn Plonnigs, et al., “Automated Model Generation from Design Data-bases at the Example of Building Automation Networks”, Proc of the International Symposium on Leverating Applications, pp 320-327, 2004 [2] A.S Tanenbaun, Computer Networks, 3rd ed Upper Saddle River, NJ: Prentice-Hall, 1996 [3] F.-L Lian, J Moyne, and D.M Tilbury, “Performance evaluation of control networks: Ethernet, ControlNet, and DeviceNet” Tech Rep.UM-MEAM-99-02, Feb 1999 [4] http://www.modbus.org/ “MODBUS over serial line specification and implementation guide V1.02” Dec 20, 2006 [5] http://www.íi.edu/nsnam/ns The Network Simulator ns-2 [Online] [6] Mohamed KOUBAA and Maurice GAGNAIRE, “A Performance Study of MPEG-4 Video Streaming in IP Networks”, European contract ITEA-BRIC N° CP535 [7] Wim Vandenberghe, et al., “A system architec-ture for wireless building automation”, Proc of The 1st KEIO and Gent University G-COE Joint workshop for future network 2008”, pp 59-63, 2008 [8] http://goliath.ecnext.com “A Performance Analysis of BACnet[R] local area networks” in HVAC & R Research Goliath, Besiness knowledge on Demand Controlling Communication Network in the Building Automation System Tran Quang Vinh, Pham Manh Thang, Phung Manh Duong College of Technology, VNU, 144 Xuan Thuy, Hanoi, Vietnam A Building Automation System (BAS) installed in a building permits monitoring and controlling devices there These devices have functions of controlling environmental parameters, electric consumption management, appliance switching control, fire alarm, security and access control in the building, etc BAS is really an automatic control system included a controlling communication network (CCN) This paper presents the analysis, design, and implementation this communication network CCN in order to create modern facilities for a concrete building The system is built-up by the integration of controlling hardware modules and software By selection of the suitable physical transmission channels for controllers, the network can adapt requirements in technical and economic The results in calculation and simulation of two main sub-networks show that the performance of designed system is satisfactory for needs of building control communication Keywords: Building Automation System (BAS), Control Communication Network (CCN) [...]... môđun điều khiển Cấu hình phần cứng và phần mềm nhúng của chúng đã đáp ứng yêu cầu thông tin tập trung và phân tán trong hệ thống tự động hóa (BAS) của tòa nhà - Đã thiết kế và thực hiện một mạng thông tin điều khiển (CCN) tại một tòa nhà cụ thể ở Việt nam Trên cơ sở khảo sát, phân tích chi tiết, mỗi phân mạng đã được lựa chọn cho phù hợp với đặc điểm thông tin của mỗi phân hệ trong BAS - Hai phân mạng. .. Mbps cho mỗi camera là đủ cho đòi hỏi băng thông toàn bộ trong khi các thông số như loss rate, time delay và delay jitter là cực tiểu Hình 6 Thông lượng mạng phụ thuộc vào băng thông camera Hình 7 Tỷ lệ tổn thất phụ thuộc băng thông camera 4 Kết luận Công trình này thực hiện nghiên cứu ứng dụng, đóng góp cho lĩnh vực thông tin điện tử trong tự động hóa tòa nhà ở Việt nam Bước đầu, chúng tôi đã đạt được... hiệu suất của mạng Các kết quả cho thấy mạng được lắp đặt thỏa mãn với các yêu cầu thông tin điều khiển trong tòa nhà Hiệu suất thực sự của mạng còn được tiếp tục đánh giá bởi các phép đo đạc thống kê theo thực tại sử dụng qua thời gian 140 T.Q Vinh và nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 26 (2010) 129-140 Lời cảm ơn Công trình được sự tài trợ của đề tài cấp Nhà nước KC.03.12/06-10... thường là 15 ms [6] Hình 5 Thông lượng của các MC trên phân mạng Hình 8 Biến thiên độ trễ theo các gói dữ liệu camera Hình 6 và hình 7 chỉ ra các thông số throughput và loss rate của mạng phụ thuộc băng thông của camera giám sát Trong hệ thống của chúng tôi, các ảnh video camera được truyền thành luồng với độ phân giải 160 x 120 pixel với chuẩn nén MPEG-4 Do đó, việc đặt một băng thông 0,5 Mbps cho mỗi... ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 26 (2010) 129-140 139 cho trường dữ liệu), nên ngay với trường hợp này, kết quả mô phỏng trên hình 5 cho thấy chúng cũng chỉ cần tới một băng thông tới 10 kbps và đòi hỏi này dễ thỏa mãn đối với mỗi tầng tòa nhà Lưu ý từ hình 8 rằng thông số delay jitter trung bình của các gói tin camera ở đây chỉ là 3,376 ms, tốt hơn giá trị jitter của các luồng video thông thường... gia Hà Nội Tài liệu tham khảo [1] Jorn Plonnigs, et al., “Automated Model Generation from Design Data-bases at the Example of Building Automation Networks”, Proc of the International Symposium on Leverating Applications, pp 320-327, 2004 [2] A.S Tanenbaun, Computer Networks, 3rd ed Upper Saddle River, NJ: Prentice-Hall, 1996 [3] F.-L Lian, J Moyne, and D.M Tilbury, “Performance evaluation of control ... máy điều hòa, máy giặt, máy thu hình điều khiển tự động điều khiển từ xa phạm vi tòa nhà chí từ nơi đâu bên tòa nhà Điều khiển cửa vào ứng dụng tự động hóa tòa nhà BAS Trong ứng dụng này, hệ thống. .. điều khiển Cấu hình phần cứng phần mềm nhúng chúng đáp ứng yêu cầu thông tin tập trung phân tán hệ thống tự động hóa (BAS) tòa nhà - Đã thiết kế thực mạng thông tin điều khiển (CCN) tòa nhà cụ... tình thông tin điều khiển truyền phạm vi tòa nhà hay từ tòa nhà Với trường hợp đầu, cần sử dụng phương tiện có sẵn tòa nhà xây xong mạng dây nối chuyên dụng hay mạng cục LAN cho thông tin điều khiển