ĐẶT VẤN ĐỀ Công ty ATP là một đơn vị chuyên thiết bị và dịch vụ phụ trợ trong lĩnh vực sản xuất ô tô, xe máy. Công ty cũng là đơn vị khá tích cực trong việc phát triển các giải pháp cải tiến sản xuất. Gần đây, công ty đã và đang thực hiện hạng mục bảo dƣỡng một số dây chuyền cùng thiết bị trong nhà máy Piaggio Việt Nam (KCN Bình Xuyên, Vĩnh Phúc). Đó là hạng mục bảo dƣỡng tổng thể cho 8 phân xƣởng cần bảo dƣỡng 24/7: Hàn, Sơn nhúng tĩnh điện CED, Sơn kim loại, Sơn nhựa, Xử lý nƣớc thải, Xử lý cặn sơn, Dây chuyền lắp ráp chính, Lắp ráp đồ gá.
Các gói công việc này đƣợc triển khai theo từng năm, và tự động gia hạn sang năm tiếp theo nếu hai bên vẫn đạt các yêu cầu kỹ thuật đƣa ra ban đầu. Trong hơn 3 năm triển khai, nhiều bất cập đã xảy ra, cũng nhƣ có thêm nhiều cải tiến để dần hoàn thiện sản phẩm, dịch vụ. Tuy nhiên, do yếu tố con ngƣời không phải lúc nào cũng ổn định và tập trung tuyệt đối, nhiều vấn đề phát sinh đã đƣợc phát hiện ra. Các thông số về điều kiện và môi trƣờng làm việc (nhiệt đô, độ ẩm, pH, nồng độ CO…) đƣợc đo và cập nhật bởi con ngƣời.
Vì thế, việc sai sót khách quan lẫn độ trễ thời gian là không tránh khỏi. Trƣờng hợp sai số đã có lần gây sự cố ở khâu pha hóa chất, do các thông số của môi trƣờng làm việc (nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ khí CO…) không đƣợc gửi đến bộ phận vận hành kịp thời (độ trễ) và thƣờng xuyên (tần suất). Ví dụ cụ thể, sau một đợt nghỉ lễ 30/4, toàn công ty đã phải họp toàn nhà máy để đánh giá và xử lý lại quy trình pha chế. Toàn bộ hàng sản xuất trong tuần bị buộc phải đánh giá lại, gây giá trị thiệt hại rất lớn.
Xuất phát từ bất cập trong thực tiễn cũng nhƣ sự cố cụ thể nói trên, tác giả đã cùng phòng nghiên cứu phát triển (R&D) của công ty ATP đã đề xuất thiết kế một hệ thống đo, thu thập, giám sát các thông số của môi trƣờng làm việc trong các dây chuyền. Hệ thống dựa trên kỹ thuật mạng cảm biến không dây (WSN- Wireless Sensor Network) và IOT (Internet Of Things). Hệ thống này dựa trên nền tảng IoT, có nghĩa là các thông số đo đƣợc lƣu trữ, có thể đƣợc cập nhật thông qua kết nối internet với cơ sở dữ liệu trực tuyến. Đây cũng chính là luận văn thạc sỹ “IoT trong 3 thiết kế, chế tạo mạng cảm biến không dây thu thập và giám sát thông số tại nhà máy”.
Để triển khai hệ thống giám sát thông số tại nhà máy dựa trên nền tảng WSN và IOT, tác giả đã tiến hành tìm hiểu về công nghệ WSN và IOT trƣớc tiên. Chi tiết về WSN và IOT đƣợc trình bày trong phần tiếp theo. 4 CHƢƠNG I: CÔNG NGHỆ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ IOT Trong chƣơng này, các khái niệm và tổng quan về công nghệ WSN- IOT đƣợc trình bày. Các ứng dụng của WSN-IOT trên thế giới cũng nhƣ xu hƣớng và thị trƣờng công nghệ này hiện nay cũng đƣợc tóm lƣợc tổng quan.
Khái niệm và tổng quan công nghệ 1. Mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks, gọi tắt là WSN) là một mạng bao gồm nhiều nút cảm biến (sensor nodes), đƣợc trang bị các nút cảm biến có khả năng cảm biến môi trƣờng nhƣ cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm, cảm biến cƣờng độ ánh sáng,. và có khả năng giao tiếp không dây (wireless) với các nút còn lại tạo thành một mạng cảm biến không dây phủ sóng một vùng vật lý nào đó nhằm giám sát, theo dõi và quản lý vùng đó. (Nguồn: Jennifer Yick, Biswanath Mukherjee, Dipak Ghosal, Wireless Sensor Network Survey, Computer Networks, August 2008, Volume52, Issue 12, pp.
2292-2330) Hình 1: Cấu tạo IOT trong cảm biến thông minh (Nguồn: sách trắng IEC- International Electrotechnical Commision-Thụy Sỹ) 5 1.2 WSN trong IoT Khái niệm IOT: Công nghệ hiện nay thay đổi liên tục, do tính kế thừa và giới hạn hạ tầng làm cho dƣ địa phát triển theo hƣớng truyền thống ngày càng khó, đặc biệt là với những ngƣời mới khởi nghiệp. Với yêu cầu rất lớn về cơ sở hạ tầng, việc cải tiến phần cứng sẽ khó tạo đƣợc sự đột phá nhanh. Vì thế, cái tiến dựa trên phần mềm và ứng dụng công nghệ thông tin đang là xu hƣớng,và có ƣu thế vƣợt trội. IOT ra đời dựa trên ý tƣởng này, trong đó dùng mạng kết nối các đối tƣợng, qua đó có thể can thiệp điều khiển bằng thuật toán nhanh và thuận tiện hơn, trên nền tảng cơ sở dữ liệu trực tuyến.
Công nghệ này đang bắt đầu ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành, lĩnh vực trong công nghệ và đời sống. IOT, hay Internet Of Things: Là một cơ sở hạ tầng mang tính toàn cầu cho xã hội thông tin, mang đến những dịch vụ tiên tiến bằng cách kết nối các “Things” (cả sự vật thực- physical lẫn sự vật ảo- virtual) dựa trên sự tồn tại của thông tin, khả năng tƣơng tác của các thông tin đó, và dựa trên các ƣu việt của công nghệ truyền thông. (Nguồn: Luigi Atzori, Antonio Iera, Giacomo Morabito, Internet of Things: A survey, Computer Networks 54 (2010) 2787–2805) Theo định nghĩa từ tổ chức Global Standards Initiative on Internet of Things (IoT-GSI), IoT là "hạ tầng cơ sở toàn cầu phục vụ cho xã hội thông tin, hỗ trợ các dịch vụ (điện toán) chuyên sâu thông qua các vật thể (cả thực lẫn ảo) đƣợc kết nối với nhau nhờ vào công nghệ thông tin và truyền thông hiện hữu đƣợc tích hợp" Còn theo IERC- IoT European Research Cluster, “Internet Vạn Vật hoặc là Mạng lƣới thiết bị kết nối Internet (tiếng Anh: Internet of Things, viết tắt là IoT) là một hạ tầng mạng lƣới toàn cầu động, cùng khả năng tự cấu hình, dựa trên giao thức truyền thông trên tiêu chuẩn và tƣơng tác đƣợc, nơi sự vật (cả sự vật thực và ảo) đƣợc nhận biết, phân quyền vật lý, định danh ảo và dùng giao diện thông minh, và đƣợc liên tục tích hợp vào mạng thông tin. 6 Các thiết bị IOT Thế giới thực Thế giới ảo Hình 2: Ảnh minh họa IOT (Nguồn: IERC) Cấu trúc của mạng cảm biến không dây trong IoT gồm 3 lớp: lớp mạng cảm biến (Accquistion), lớp truyền thông (Communication), và lớp ứng dụng (Application) - Lớp mạng cảm biến (Accquistion): gồm các sensor, thiết bị chuẩn hóa, bù sai số, lọc, xử lý tín hiệu đo….
- Lớp truyền thông (Communication): gồm các thiết bị truyền thông không dây, thiết bị chuyển hóa, ăng ten, thiết bị thu phát… - Lớp ứng dụng (Application): gồm các thiết bị mạng, thiết bị đầu cuối, phần mềm xử lý, hệ thống web và các ứng dụng mạng trên internet, thiết bị lƣu trữ và bảo mật… 7 Lớp ứng dụng Lớp truyền thông Lớp thu thập dữ liệu Hình 3: Cấu trúc của một WSN-IOT (Nguồn: IEC- International Electrotechnical Commision) Lớp ứng dụng Lớp mạng Mạng cảm biến không dây Hình 4: Mô hình một WSN-IOT (Nguồn: IEC- International Electrotechnical Commision) 8 Hình 5: Các lớp dữ liệu của mạng WSN (Nguồn: IEC) - Giao thức mạng cảm biến: Có 3 kiểu giao thức bố trí WSN: + Dạng sao (Star WSN topology): Tất cả các node nối với node chủ (sink node) để về server truyền thông + Dạng cây (Tree WSN topology): Các node nối tiếp với nhau theo cung đƣờng thuận tiện nhất, rồi một node đại diện kết nối với node chủ (sink node) để về server truyền thông + Dạng chuỗi (Chain WSN topology): Các node nối tiếp với nhau thành một chuỗi, rồi một node đại diện kết nối node chủ (sink node) để về server truyền thông Dạng sao Dạng cây Dạng chuỗi Hình 6: Phân loại giao thức WSN (Nguồn: IEC) 9 - Giao thức truyền thông server: MAC (Medium Access Control). Tại 1 thời điểm chỉ cho truyền 1 node Các loại giao thức MAC: Phân chia cố định: Fixed-Assignment Protocol. FDMA, TDMA, CDMA Phân chia theo nhu cầu: Demmand Assignment Protocol. Phân chia ngẫu nhiên: Random Assignment Protocol 2.
Phân loại và ứng dụng Thành phần cơ bản cấu tạo nên một mạng cảm biến: 1- Các cảm biến: phân bố theo mô hình tập trung hoặc phân bố rải. 2- Mạng lƣới liên kết giữa các cảm biến. 3- Các node cảm biến, là sự kết hợp cảm biến và bộ phận xử lý. 4- Mạng cảm biến không dây: là mạng kết nối giữa các node cảm biến bằng sóng vô tuyến (không dây).
(Nguồn: Anna Ha’c, Wireless Sensor Network Designs, University of Hawaii at Manoa, Honolulu, USA, John Wiley & Sons Ltd, Copyright 2003) Mỗi node cảm biến gồm có: - Một hay nhiều cảm biến. - Đơn vị liên lạc bằng vô tuyến. - Nguồn cung cấp. - Các phần ứng dụng khác.
Hình 8: Cấu trúc mạng loại giao thức dạng 2 (định tuyến tĩnh) Chất lƣợng tín hiệu theo khoảng cách. Vì vậy cần chọn công nghệ khi thiết kế để phù hợp với khoảng cách sensor. Cấu trúc WSN- IOT Điều kiện của IoT là các thiết bị phải giao tiếp đƣợc với nhau (D2D- device to device). Dữ liệu cũng phải đƣợc thu thập và gửi tới máy chủ (D2S- device to server).
Máy chủ cũng có thể chia sẻ dữ liệu với nhau (S2S- server to server), có thể tác động tới các thiết bị, để phân tích chƣơng trình, xử lý nội dung, hoặc giao tiếp với ngƣời dùng 11 Lớp ứng dụng Lớp truyền thông Lớp thu thập dữ liệu Hình 9: Cấu trúc mô hình IOT (Nguồn: sách trắng IEC- International Electrotechnical Commision-Thụy Sỹ) Hệ thống IOT gồm 4 lớp cơ bản: lớp thiết bị, lớp mạng, lớp hạ tầng mạng (network, cloud) và lớp tạo/ cung cấp dịch vụ (service creation, lolution layers) - Lớp thiết bị: phần vật lý cứng, là các thiết bị công nghiệp, dân dụng, các đối tƣợng ảo, gateway. - Hạ tầng mạng (network, cloud): kết nối mạng, truyền thông tin. - Lớp hỗ trợ dịch vụ và hỗ trợ ứng dụng: xử lý, lƣu trữ dữ liệu. - Lớp ứng dụng: ứng dụng IOT (Nguồn: Everton Cavalcante, Marcelo Pitanga Alves, An Analysis of Reference Architectures for the Internet of Things, Corba 2015) 12 Lớp ứng dụng Lớp hỗ trợ Lớp mạng Lớp thiết bị Hình 10: Cấu trúc các lớp mạng (Nguồn: Everton Cavalcante, Marcelo Pitanga Alves, An Analysis of Reference Architectures for the Internet of Things, Corba 2015) 1.2 Giao thức WSN- IOT Trong IOT, điều kiện cần là các thiết bị phải giao tiếp đƣợc với nhau (D2D), và giao tiếp đƣợc với máy chủ (thu thập và gửi thông tin) (D2S).
Các máy chủ cũng có thể giao tiếp với nhau (S2S) thông qua chia sẻ dữ liệu, thiết bị, chƣơng trình và tƣơng tác ngƣời dùng. Các thiết bị và máy chủ đều đƣợc gán địa chỉ- IP adddress, để kết nối với mạng (internet) và kết nối với nhau (cũng thông qua internet).