- TRẦN ĐÌNH NGHĨA ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ M2M PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA QUÁ TRÌNH ĐO LƯỜNG, THU THẬP SỐ LIỆU VÀ TÍNH CƯỚC CHO NGÀNH ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Hà Nội – Năm 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI. - TRẦN ĐÌNH NGHĨA TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ M2M PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA QUÁ TRÌNH ĐO LƯỜNG, THU THẬP SỐ LIỆU VÀ TÍNH CƯỚC CHO NGÀNH ĐIỆN CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT VIỄN THÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. - Nguyễn Xuân Dũng Hà Nội – Năm 2016 Ứng dụng công nghệ M2M phát triển hệ thống tự động hóa quá trình đo lường, thu thập số liệu và tính cước cho ngành điện GVHD: TS.Nguyễn Xuân Dũng 1 HV: Trần Đình Nghĩa LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi. - Hà Nội, ngày tháng năm 2016 Học viên Trần Đình nghĩa Ứng dụng công nghệ M2M phát triển hệ thống tự động hóa quá trình đo lường, thu thập số liệu và tính cước cho ngành điện GVHD: TS.Nguyễn Xuân Dũng 2 HV: Trần Đình Nghĩa LỜI CẢM ƠN Trong quá trình nghiên cứu đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ tận tình của các thầy cô trong viện Điện tử - viễn thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, thầy giáo hướng dẫn, bạn bè, người thân và đồng nghiệp, tôi đã hoàn thành được luận văn của mình. - Tác giả luận văn Ứng dụng công nghệ M2M phát triển hệ thống tự động hóa quá trình đo lường, thu thập số liệu và tính cước cho ngành điện GVHD: TS.Nguyễn Xuân Dũng 3 HV: Trần Đình Nghĩa MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN. - Chuỗi cung ứng dịch vụ M2M. - Xu hướng công nghệ kết nối M2M. - Các lĩnh vực áp dụng mô hình M2M. - Mô hình M2M của ngành điện lực tại Việt Nam. - 35 Ứng dụng công nghệ M2M phát triển hệ thống tự động hóa quá trình đo lường, thu thập số liệu và tính cước cho ngành điện GVHD: TS.Nguyễn Xuân Dũng 4 HV: Trần Đình Nghĩa PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG. - Hệ thống thông tin di động GSM. - Các hệ thống thông tin di động. - Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM. - Các đặc điểm của hệ thống thông tin di động GSM. - Phương thức truyền dữ liệu. - Phương thức truyền dữ liệu GET và POST trong HTML. - Sơ đồ phân cấp chức năng hệ thống. - Sơ đồ khối tổng quan hệ thống. - Sơ đồ phân cấp chức năng của hệ thống. - Thiết kế bảng cơ sở dữ liệu. - 50 XÂY DỰNG HỆ THỐNG. - Bộ thu phát dữ liệu. - Chức năng xử lý và gửi dữ liệu lên server. - Chức năng cập nhật dữ liệu từ client. - Lập trình điều khiển hệ thống. - 65 Ứng dụng công nghệ M2M phát triển hệ thống tự động hóa quá trình đo lường, thu thập số liệu và tính cước cho ngành điện GVHD: TS.Nguyễn Xuân Dũng 5 HV: Trần Đình Nghĩa Chương 4. - Mô hình hệ thống. - Mô hình phía client. - 74 Ứng dụng công nghệ M2M phát triển hệ thống tự động hóa quá trình đo lường, thu thập số liệu và tính cước cho ngành điện GVHD: TS.Nguyễn Xuân Dũng 6 HV: Trần Đình Nghĩa DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt M2M Machine to Machine ETSI European Telecommunications Standards Institute PAN Personal Area Network 2G, 3G Second Generation, Third Generation, Thế hệ thứ 2, 3 BSS Base Station Subsystem Phân hệ trạm gốc BTS Base Transceiver Station Trạm gốc CBGV Cán bộ giáo viên (giảng viên) CDMA Code Division MultiAccess Đa truy nhập phân chia theo mã CEPT European Conference of Postal and Telecommunications Administrations Tổ chức bưu chính viễn thông châu Âu CSDL Cơ sở dữ liệu EIR Equipment Identity Register Bộ nhận dạng thiết bị ETSI European Telecommunications Standards Institute Tổ chức Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu FDMA Frequency Division MultiAccess Đa truy nhập phân chia theo tần số GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói chung GSM Global System for Mobile Communications Mạng di động toàn cầu HSSV Học sinh sinh viên IMEI International Mobile Equipment Identity Số liệu nhận dạng di động quốc tế IMSI International mobile subscriber identity Bộ nhận dạng máy di động quốc tế ISDN Integrated Services for Digital Network Mạng số tích hợp đa dịch vụ LMSI Local Mobile Subscriber Identity số nhận dạng thuê bao di động nội bộ MS Mobile Station Máy di động MSC Mobile Switching Center Trung tâm chuyên mạch di động PDU Protocol Data Unit Đơn vị dữ liệu giao thức PLMN Public Land Mobile Network Mạng di động mặt đất SIM Subscriber Identity Module Thẻ đăng ký SMS Short Message Service Dịch vụ bản tin ngắn Ứng dụng công nghệ M2M phát triển hệ thống tự động hóa quá trình đo lường, thu thập số liệu và tính cước cho ngành điện GVHD: TS.Nguyễn Xuân Dũng 7 HV: Trần Đình Nghĩa DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1: Kiến trúc mô hình M2M. - 12 Hình 1.2: Chuỗi cung ứng dịch vụ M2M. - 14 Hình 1.3: Các công nghệ kết mối M2M. - 19 Hình 1.4: Xu hướng các công nghệ mạng WAN M2M. - 20 Hình 1.5: Mô hình chuyển đổi IMSI qua OTA. - 20 Hình 1.6: Cơ chế thay đổi IMSI cho SIM M2M. - 21 Hình 1.7: Các lĩnh vực áp dụng mô hình M2M. - 22 Hình 1.8: Số lượng kết nối M2M theo ngành vào năm 2020. - 23 Hình 1.9: Dự báo số lượng kết nối M2M tại Việt Nam. - 24 Hình 1.10: Các lĩnh vực ứng dụng M2M tại Việt Nam. - 24 Hình 2.1: Khái quát bộ giáo thức TCP/IP. - 44 Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ thống. - 45 Hình 2.3: Sơ đồ tổng quát chức năng hệ thống. - 46 Hình 2.4: Bảng người dùng. - 46 Hình 2.5: Bảng thông tin khách hàng. - 47 Hình 2.6: Bảng danh sách khách hàng. - 47 Hình 2.7: Bảng điện năng. - 48 Hình 2.8: thông tin sử dụng điện năng của khách hàng. - 48 Hình 2.9: Bảng tiền điện. - 49 Hình 2.10: Bảng giá cước tiền điện hàng tháng. - 49 Hình 3.1: Công tơ điện một pha. - 51 Hình 3.2: Cảm biến thu phát hồng ngoại. - 51 Hình 3.3: Mạch thu thập dữ liệu. - 52 Hình 3.4: Một số chân chức năng của mạch arduino Uno R3. - 54 Hình 3.5: Phần mềm lập trình cho mạch Arduino. - 55 Hình 3.6: IC SIM 900A và module SIM 900A. - 58 Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý IC Sim 900A. - 58 Ứng dụng công nghệ M2M phát triển hệ thống tự động hóa quá trình đo lường, thu thập số liệu và tính cước cho ngành điện GVHD: TS.Nguyễn Xuân Dũng 8 HV: Trần Đình Nghĩa Hình 3.8: Sơ đồ chân Breakout SIM900A. - 59 Hình 3.9: Lưu đồ thuật toán xử lý và gửi dữ liệu lên server. - 61 Hình 3.10: Lưu đồ thuật toán cập nhật dữ liệu từ client. - 62 Hình 3.11: Lưu đồ thuật toán gửi thông báo cước. - 63 Hình 3.12: Minh họa lập trình cho phía client. - 64 Hình 3.13: Minh họa lập trình cho phía Server. - 66 Hình 4.1: Mô hình client. - 67 Hình 4.2: Giao diện trang chủ. - 68 Hình 4.3: Giao diện thông tin tiền cước khách hàng. - 68 Hình 4.4: Chức năng quản lý khách hàng. - 69 Hình 4.5: Kết quả thử nghiệm hệ thống. - 70 Ứng dụng công nghệ M2M phát triển hệ thống tự động hóa quá trình đo lường, thu thập số liệu và tính cước cho ngành điện GVHD: TS.Nguyễn Xuân Dũng 9 HV: Trần Đình Nghĩa MỞ ĐẦU 1. - Giới thiệu đề tài Mô hình M2M (Machine-to-Machine) đang ngày càng được triển khai rộng rãi trên toàn thế giới trong rất nhiều lĩnh vực từ năng lượng, vận tải, an nình cho đến y tế, xây dựng và bán lẻ v.v…Sự bùng nổ của thị trường M2M đã mở ra rất nhiều cơ hội cho các thành viên trong chuổi cung ứng dịch vụ này từ các nhà sản xuất module kết nối, các nhà sản xuất thiết bị đầu cuối M2M, các nhà mạng viễn thông cung cấp kết nối cho đến các nhà cung cấp hạ tầng platform hỗ trợ triển khai dịch vụ M2M, các nhà tích hợp hệ thống và các nhà phát triển ứng dụng M2M. - Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu tổng quan về mô hình M2M, tìm hiểu về những ứng dụng của mô hình này trong các lĩnh vực khác nhau trên thế giới cũng như ở Việt Nam hiện nay. - Từ đó ứng dụng vào nghiên cứu thiết kế mô hình tự động đo lường, thu thập dữ liệu và tính cước trong ngành điện. - Hệ thống tự động đo đếm điện năng của hộ gia đình, tự động tính toán và gửi số liệu về máy chủ. - Phân tích hệ thống Xác định mục tiêu của hệ thống: Xác định yêu cầu là bước đầu tiên của quá trình phân tích hệ thống. - Yêu cầu được phát hiện và cấu trúc lại trên cơ sở các thông tin dữ liệu khảo sát và nghiên cứu Ứng dụng công nghệ M2M phát triển hệ thống tự động hóa quá trình đo lường, thu thập số liệu và tính cước cho ngành điện GVHD: TS.Nguyễn Xuân Dũng 10 HV: Trần Đình Nghĩa hệ thống thực. - Do vậy, kết quả cũng như chất lượng của nó có một ý nghĩa quyết định chất lượng của hệ thống được xây dựng trong các bước sau này. - Phỏng vấn - Quan sát - Điều tra bằng hỏi - Nghiên cứu tài liệu Phân tích dữ liệu vào ra Mục tiêu phân tích dữ liệu là xác định các thông tin cơ bản, cần thiết của hệ thống, mô tả cấu trúc và mỗi quan hệ giữa chúng. - Trên cơ sở những thông tin này để có thể tổ chức lưu trữ và khai thác dữ liệu một cách hiệu quả. - Ví dụ như: xác định các dữ liệu đầu vào cho hệ thống bao gồm những gì, lấy từ đâu, dữ liệu đầu ra sau khi xử lý là gì? b. - Thiết kế, xây dựng hệ thống Trong phần thiết kế xây dựng hệ thống, đã nghiên cứu về các phương thức truyền dữ liệu, để từ đó thiết kế xây dựng phần cứng và phần mềm cho phù hợp. - Vận hành kiểm thử và đánh giá hệ thống Công việc tiếp theo sau khi xây dựng xong hệ thống sẽ là kiểm tra khả năng hoạt động, các đảm bảo được các tính năng theo yêu cầu. - Từ đó có thể kết luận, đánh giá về hệ thống. - Nội dung nghiên cứu Luận văn được chia thành 4 chương, bao gồm các nội dung cơ bản như sau: Chương 1: Tổng quan: Giới thiệu tổng quan về mô hình M2M, ưu nhược điểm, xu thế và tình hình ứng dụng của mô hình này trên thế giới cũng như của Việt Nam từ trước đến nay. - Chương 2: Phân tích thiết kế hệ thống: Trong chương này tập trung nghiên cứu về tổng quan mô hình hệ thống, phân tích các đối tượng dữ liệu vào ra và các phương thức truyền dữ liệu. - Ứng dụng công nghệ M2M phát triển hệ thống tự động hóa quá trình đo lường, thu thập số liệu và tính cước cho ngành điện GVHD: TS.Nguyễn Xuân Dũng 11 HV: Trần Đình Nghĩa Chương 3: Xây dựng hệ thống: Chương thứ 3 tập trung xây dựng về phần cứng cũng như phần mềm điều khiển, hiển thị của hệ thống. - Chương 4: Kết quả nghiên cứu: chương cuối cùng này trình bày những kết quả nghiên cứu đã đạt được, vận hành thử những chức năng cơ bản của hệ thống. - Đồng thời cũng đánh giá một cách khách quan về những ưu điểm và hạn chế của hệ thống. - Ứng dụng công nghệ M2M phát triển hệ thống tự động hóa quá trình đo lường, thu thập số liệu và tính cước cho ngành điện GVHD: TS.Nguyễn Xuân Dũng 12 HV: Trần Đình Nghĩa Chương 1 TỔNG QUAN VỀ M2M 1.1. - Định nghĩa M2M là một khái niệm khá rộng thường được sử dụng để mô tả mô hình sử dụng các các thiết bị đầu cuối (như cảm biến, máy đo, thiết bị định vị v.v…) để thu thập các thông tin từ xa (như nhiệt độ, năng lượng tiêu thụ, vị trí v.v…) và sau đó truyển qua mạng viễn thông không dây hoặc cố định đến các máy chủ ứng dụng để phân tích, xử lý và tổng hợp thành các thông tin có ý nghĩa hơn phục vụ cho các mục đích khác nhau (như quản lý, kinh doanh, an ninh v.v. - Kiến trúc M2M Kiến trúc chung cho mô hình M2M được ETSI (European Telecommunications Standards Institute) chuẩn hóa thành ba domain như hình vẽ bên dưới bao gồm domain thiết bị đầu cuối M2M, domain mạng truyển tải và domain ứng dụng M2M. - Hình 1.1: Kiến trúc mô hình M2M Ứng dụng công nghệ M2M phát triển hệ thống tự động hóa quá trình đo lường, thu thập số liệu và tính cước cho ngành điện GVHD: TS.Nguyễn Xuân Dũng 13 HV: Trần Đình Nghĩa Thiết bị đầu cuối M2M: Các thiết bị có khả năng thu thập dữ liệu và gửi đến máy chủ ứng dụng một cách tự động hoặc khi được yêu cầu. - Các thiết bị đầu cuối có thể kết nối đến mạng truyền tải theo hai cơ chế sau. - Kết nối trực tiếp: Các thiết bị đầu cuối kết nối đến mạng truyền tải thông qua các thủ tục đăng ký (registration), xác thực (authentication), cấp phép (authorization), quản lý và provisioning. - Thiết bị đầu cuối có thể cung cấp dịch vụ cho các thiết bị khác kết nối với nó. - Kết nối thông qua Gateway: Các thiết bị đầu cuối kết nối đến mạng truyển tải thông qua thiết bị M2M Gateway. - Mạng M2M nội bộ (M2M Area Network) được sử dụng để kết nối các thiết bị đầu cuối với M2M Gateway. - Mạng M2M nội bộ (M2M Area network): Mạng M2M nội bộ sử dụng các công nghệ mạng PAN (Personal Area Network) như IEEE 802.15, ZigBee, SRD, UWB v.v… Mạng truyền tải (Communication Network): Mạng truyển tải giúp kết nối các thiết bị đầu cuối hoặc M2M Gateway với các máy chủ ứng dụng. - Ứng dụng M2M: Ứng dụng chứa logic của dịch vụ M2M 1.2. - Các nhà sản xuất thiết bị đầu cuối Các nhà sản xuất module kết nối để tích hợp vào thiết bị Các nhà cung cấp hạ tầng mạng truyền tải Các nhà cung cấp hạ tầng hỗ trợ quản lý, triển khai dịch vụ M2M Ứng dụng công nghệ M2M phát triển hệ thống tự động hóa quá trình đo lường, thu thập số liệu và tính cước cho ngành điện GVHD: TS.Nguyễn Xuân Dũng 14 HV: Trần Đình Nghĩa Các nhà phát triển ứng dụng, tích hợp hệ thống Các nhà cung cấp dịch vụ Hình 1.2: Chuỗi cung ứng dịch vụ M2M Các thiết bị đầu cuối M2M rất đa dạng và thường chỉ thực hiện một số chức năng nhất định tùy thuộc vào lĩnh vực ứng dụng chẳng hạn như đồng hồ điện, thiết bị giám sát xe v.v… Các thiết bị đầu cuối được tích hợp các module kết nối hỗ trợ các giao diện vô tuyến di động hoặc các công nghệ kết nối vô tuyến phạm vi hẹp (short-range wireless communication technologies) như Zigbeevà Zwave để có thể trao đổi dữ liệu với mạng truyền tải. - Các nhà sản xuất module kết nối có thể cung cấp các modem hoặc gateway riêng biệc để các thiết bị đầu cuối kết nối trực tiếp vào hoặc thông qua các công nghệ kết nối phạm vi gần. - Một số nhà sản xuất cung cấp các module/gateway nâng cao cho phép lập trình các ứng dụng M2M tích hợp (embedded M2M application) trên các module/gateway này để thực hiện một số chức năng như tổng hợp dữ liệu, quản lý việc gửi dữ liệu v.v… Các nhà cung cấp mạng truyển tải có thể là các nhà mạng di động, các nhà mạng cố định hoặc các nhà cung cấp đường truyền vệ tinh. - Tuy nhiên, một số ứng dụng M2M chỉ giới hạn trong một phạm vi nhỏ chẳng hạn như tòa nhà, khi đó mạng truyền tải chỉ đơn giản là mạng LAN và lúc này các nhà mạng không tham gia vào chuỗi cung ứng dịch vụ.
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt