Ứng dụng Internet vạn vật trong hệ thống điều khiển mạng cảm biến không dây

Nội dung text: Ứng dụng Internet vạn vật trong hệ thống điều khiển mạng cảm biến không dây

1. KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUI SỐ 56/2021 ỨNG DỤNG INTERNET VẠN VẬT TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY APPLICATION OF INTERNET OF THINGS IN WIRELESS SENSOR NETWORK CONTROL SYSTEM Lê Thị Phương Khoa Công nghệ thông tin, Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh Email: lephuongcntt.qn@gmail.com Mobile: 0912948768 Tóm tắt Từ khóa: Bộ điều khiển không dây dựa trên thuật toán tổng hợp dữ liệu và công nghệ Bộ cách ly QZS; Bộ điều IoT (Internet of Things) được thiết kế và áp dụng cho bộ cách ly QZS (Quasi khiển; Bộ lọc Kalman; Cảm Zero Stiffness) đang hoạt động. IoT tạo ra các hệ thống thông minh mang lại sự biến không dây. tiện lợi cho cuộc sống của con người. Để các hệ thống này có thể hoạt động hiệu quả thì cần sử dụng các bộ cảm biến có độ chính xác cao, thích nghi được với các điều kiện gây nhiễu bên ngoài như độ rung, nhiệt độ, . Mô hình điều khiển tích cực của bộ cách ly QZS được sử dụng làm tăng hiệu quả phản hồi của hệ thống đang hoạt động với cách ly rung động trong cả miền thời gian và miền tần số, giúp cho hệ thống hoạt động chính xác hơn với việc thu thập dữ liệu và giám sát hệ thống. Abstract Keywords: Wireless controller based on data aggregation algorithm and IoT (Internet of QZS isolator; Control Panel; Things) technology is designed and applied to active QZS (Quasi Zero Kalman filter; Wireless Stiffness) isolator. IoT creates intelligent systems that bring convenience to sensor sensor. people's lives. In order for these systems to work effectively, it is necessary to use high-precision sensors that are adapted to external confounding conditions such as vibration, temperature, The active control model of the QZS isolator used increases the response efficiency of the operating system with vibration isolation in both the time and frequency domains, making the system more precise with data collection and system monitoring. 1. GIỚI THIỆU nối dây của cảm biến có dây cho hệ thống bộ cách Các hệ thống thông minh hiện nay như: lưới ly với độ cứng gần như bằng không dễ bị ảnh điện thông minh, nhà thông minh, mạng lưới nước hưởng bởi tiếng ồn nhạy cảm; bảo vệ hệ thống điều thông minh, giao thông thông minh đều là sản khiển khỏi một cảm biến bị tắt đột ngột trong khi hệ phẩm của IoT. Thông qua việc sử dụng các cảm thống đang chạy; tính toán quy tắc điều khiển nhằm biến, toàn bộ cơ sở hạ tầng vật lý được kết hợp chặt tạo ra lực điều chỉnh của bộ cách ly. Đầu tiên, hệ chẽ với công nghệ thông tin và truyền thông; nơi có thống cảm biến IoT sử dụng kết nối không dây thay thể đạt được sự giám sát và quản lý thông minh vì kết nối có dây được đề xuất. Các cảm biến không thông qua việc sử dụng các thiết bị kết nối mạng. dây về gia tốc, vận tốc và khoảng cách được sử Mạng cảm biến không dây (WSN-Wireless dụng trong bộ cách ly QZS hoạt động để loại bỏ Sensor Network) là mạng được hình thành bởi một nhiễu không thể đoán trước do dây của cảm biến số lượng lớn các nút cảm biến trong đó mỗi nút gây ra. Thứ hai, thuật toán tổng hợp dữ liệu được được trang bị một cảm biến để phát hiện các hiện nhúng trong hệ thống cảm biến không dây được mô tượng vật lý như ánh sáng, nhiệt, áp suất, tốc độ, tả để chỉ ra cách kết hợp dữ liệu gia tốc, vận tốc và v.v. Hệ thống điều khiển sử dụng kết hợp cảm biến khoảng cách thành một loại thông tin. Bộ nhiệt áp không dây đã được tìm thấy nhiều lợi ích không chỉ với kỹ thuật nhiệt hạch tiên tiến sẽ bảo vệ hệ thống giảm chi phí tiền tệ và thời gian liên quan đến việc điều khiển khỏi cảm biến bị vô hiệu hóa đột ngột. lắp đặt hệ thống dựa trên dây mà còn đảm bảo cho Cuối cùng, bộ điều khiển hệ thống sử dụng kết hợp một số cảm biến bị thiếu. dữ liệu để tính toán tín hiệu điều khiển để tạo ra lực điều chỉnh của bộ cách ly. Kết quả thử nghiệm cho Ứng dụng IoT điều khiển mạng cảm biến thấy bộ điều khiển được đề xuất loại bỏ rung động không dây (CBKD) thiết kế và áp dụng cho bộ cách tốt hơn 60%. ly QZS hoạt động cho một số mục đích: loại bỏ nhiễu không thể đoán trước gây ra bằng cách kết 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT KH&CN QUI 9
2. SỐ 56/2021 KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUI 2.1. Cấu hình phần cứng của hệ thống CBKD Một kỹ thuật hợp nhất được nghiên cứu và Mô hình cảm biến không dây bao gồm hai nhúng vào các giao diện điều khiển của hệ thống phần: Giao diện cảm biến và giao diện điều khiển cảm biến không dây. Cụ thể, các tín hiệu đo độ dịch như trong hình 1. chuyển và vận tốc được sử dụng để ước tính các tín - Giao diện cảm biến là bộ chuyển đổi ADS834 hiệu gia tốc, vận tốc và độ dịch chuyển dựa trên cung cấp độ phân giải chuyển đổi 16 bit và 4 kênh thuật toán bộ lọc Kalman. Đầu ra của bộ lọc cảm biến có khả năng số hóa bất kỳ tín hiệu tương Kalman là nguồn dữ liệu cho bộ kết hợp dữ liệu sẽ tự nào trong dải 0- 5V ở tốc độ cao tới 100 kHz. tính toán hợp nhất cung cấp cho bộ điều khiển hệ thống. Mô hình giản đồ của phản ứng tổng hợp cảm - Giao diện điều khiển được thiết kế với bộ chuyển biến được thể hiện trong hình 3 và thuật toán hợp đổi tín hiệu số sang tương tự 16 bit (Analog nhất được phác thảo trong hình 4. Devices AD5542) nhận số nhị phân từ bộ vi điều khiển và chuyển đổi chúng thành tín hiệu điện áp tương tự. Cả hai giao diện đều sử dụng vi điều khiển AVR- ATmega 128 cho lõi tính toán, nơi phần mềm nhúng được lưu trữ để thực hiện thu thập và chuyển đổi dữ liệu. Hai bộ định tuyến WiFi/DSL, bộ điều khiển Ethernet ENC28J60 được chọn cho kênh truyền thông không dây ở cả hai giao diện. Hình 3. Mô hình hợp nhất cảm biến Hình 4. Thuật toán tổng hợp dữ liệu 3. MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN TÍCH CỰC CỦA BỘ CÁCH LY QZS Hình 1. Kiến trúc của giao diện cảm biến không dây 3.1. Bộ cách ly QZS sử dụng uốn 2.2. Hợp nhất đa cảm biến dựa trên bộ lọc Kalman Quy trình được kiểm soát theo thời gian rời rạc, bộ lọc Kalman được điều chỉnh bởi các phương trình sai lệch ngẫu nhiên tuyến tính (1) và (2) được mô tả bởi một chu kỳ liên tục như thể hiện trong hình 2: Trong đó: A, B và C là ma trận hệ số; k là chỉ số thời gian; x là các trạng thái của hệ thống; u là Hình 5. Bộ cách ly QZS sử dụng uốn tín hiệu điều khiển; z là các trạng thái đo được; w Cơ chế của bộ cách ly QZS sử dụng độ uốn và v đại diện cho quá trình và tiếng ồn đo lường. được trình bày trong hình 5. Cơ chế bao gồm ba phần chính: lò xo cuộn ngang, lò xo cuộn dọc và các vết uốn. Trong khi lò xo cuộn thẳng đứng tạo ra độ cứng dương, thì độ uốn có khía dưới lực nén của lò xo nằm ngang bị biến dạng ban đầu tạo ra độ cứng âm cho phép đạt được các đặc tính độ cứng Hình 2. Chu kỳ liên tục của bộ lọc Kalman 10 KH&CN QUI
3. KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUI SỐ 56/2021 gần như bằng không (QZS). 3.2. Phƣơng trình chuyển động của mô hình bộ cách ly Dựa trên phân tích động của mô hình bộ cách ly, phương trình chuyển động của mô hình động được suy ra là: Với y là chuyển vị thẳng đứng; lần lượt là hệ phi tuyến bậc 1 và hệ phi tuyến bậc 2; m là khối lượng; c là hệ thống giảm chấn; kl và kn lần lượt là độ cứng tuyến tính và phi tuyến; fc là lực điều Hình 6. Thiết lập thử nghiệm khiển; w(t) là quá trình đo lường theo thời gian t; A 5. KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM là ma trận hệ số. Thử nghiệm bộ cách ly QSZ hoạt động sử dụng 3.3. Quy tắc kiểm soát hoạt động hệ thống hợp nhất cảm biến không dây được thực Khi nghiên cứu trường hợp truyền động ngang, hiện để khảo sát hiệu suất của hệ thống hợp nhất lực truyền động được suy ra dựa trên phương trình cảm biến không dây và phản ứng điều khiển. Tín động lực học (3). Luật điều khiển được suy ra và hiệu tổng hợp không dây được xác nhận bằng tín chuyển đổi thành lực tác động ngang như thể hiện hiệu cảm biến có dây và được kiểm tra dưới các trong phương trình (4). cảm biến bị vô hiệu hóa đột ngột như trong hình 7 và hình 8. Trong đó: a1, a2, a3 là lợi ích điều chỉnh điều khiển Lyapunov; a3 được sử dụng cho phản hồi phi tuyến để loại bỏ đặc tính phi tuyến của hệ thống; y0 là truyền động ngang. Lực truyền động gần điểm cân bằng (y = 0) được coi là tránh bão hòa. 4. THIẾT LẬP CẤU HÌNH THỬ NGHIỆM Cấu hình thí nghiệm bao gồm bộ cách ly QZS thụ động, bộ điều khiển kỹ thuật số, cảm biến, thiết bị truyền động và hệ thống giao diện cảm biến Hình 7. Xác minh tín hiệu không dây như trong hình 6. Đặc điểm kỹ thuật của bộ cách ly thụ động dọc được tóm tắt trong bảng 1. Bảng 1. Thông số kỹ thuật bộ cách ly Thông số Giá trị Chú thích m 25 - 40(Kg) Khối lượng (M) 5 khs 3.626 x 10 (N/m) Công (mômen lực) c 2.87(Ns/m) Trở kháng cơ học Stroke 0.005(m) Độ dài vạch 4 kvs 1.02 x 10 (N/m) Công (mômen lực) fn 1 (Hz) Tần số đáp ứng Một số cảm biến tương tự được sử dụng để cảm nhận dữ liệu trạng thái hệ thống như cảm biến vận tốc, cảm biến gia tốc và cảm biến dịch chuyển. Bộ điều khiển dSPACE tính toán và tạo tín hiệu Hình 8. Tín hiệu kết hợp dưới các cảm biến bị thiếu điều khiển từ dữ liệu được cung cấp bởi hệ thống Hiệu suất điều khiển đạt được với hai tiêu cảm biến không dây. Tín hiệu điều khiển điều chỉnh chuẩn thử nghiệm cách ly rung động: loại bỏ nhiễu cơ cấu chấp hành thông qua bộ khuếch đại để xung và khả năng truyền rung. Kết quả của loại bỏ ngừng dao động của khối lượng. nhiễu xung được thể hiện trong hình 9 và kết quả của khả năng truyền rung được thể hiện trong hình 10. KH&CN QUI 11
4. SỐ 56/2021 KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUI không dây có hiệu suất tốt trong việc cách ly rung. Trong miền thời gian, thời gian giải quyết được giảm 75% bởi hệ thống điều khiển chủ động so với bộ cách ly thụ động. Trong miền tần số, cường độ cộng hưởng bị suy giảm khoảng 60%. 6. KẾT LUẬN Bộ cách ly QZS hoạt động dựa trên sự kết hợp cảm biến sử dụng công nghệ IoT được đề xuất và nghiên cứu thông qua thử nghiệm. Hệ thống cảm biến không dây được đề xuất hoạt động tốt với việc thu thập dữ liệu và giám sát hệ thống. Kết quả thử nghiệm về các phản hồi của hệ thống đang hoạt động cho thấy hiệu suất tốt đối với cách ly rung động trong cả miền thời gian và miền tần số của bộ cách ly QZS tích cực bằng cách sử dụng dữ liệu Hình 9. Kết quả của loại bỏ nhiễu xung hợp nhất. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Việt Bình, Vũ Chiến Thắng, Ngô Thị Vinh, Phạm Quốc Thịnh (2012), ”Mạng cảm biến không dây trên nền kiến trúc IP”. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. [2]. Nguyễn Tấn Huynh (2020), “Internet of things - các vấn đề hiện nay”. Nhà xuất bản Hà Nội. [3]. Lê văn Doanh, Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Văn Hòa, Đào Văn Tân (2001), “Các bộ cảm biến trong kỹ thuật đo lường và điều khiển”. NXB Khoa học và kỹ thuật Hà Nội. Hình 10. Kết quả của khả năng truyền rung [4]. Dương Minh Trí (2001), “Cảm biến và ứng Cả hai kết quả đều cho thấy rằng bộ cách ly dụng”. NXB Khoa học và kỹ thuật Hà Nội. QSZ tích cực sử dụng dữ liệu tổng hợp cảm biến [5]. 12 KH&CN QUI