Tài liệu Nghiên cứu chế tạo hệ thống giám sát người lao động trong hầm lò

Bé c«ng th−¬ng viÖn ®iÖn tö – tin häc b¸o c¸o tæng kÕt ®Ò tµi kh&cn cÊp bé nghiªn cøu chÕ t¹o hÖ thèng gi¸m s¸t ng−êi lao ®éng trong hÇm lß M· sè: 191.08RD/H§-KHCN chñ nhiÖm ®Ò tµi: ks. KiÒu m¹nh c−êng 7173 17/3/2009 Hµ néi - 2008 BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU ðIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ðỘNG HÓA BÁO CÁO TỔNG KẾT ðỀ TÀI CẤP BỘ NĂM 2008 ðề tài: Nghiên cứu chế tạo hệ thống giám sát người lao ñộng trong hầm lò (Thời gian thực hiện: 2 năm) Chủ nhiệm ñề tài: KS. Kiều Mạnh Cường Cơ quan chủ trì: Viện Nghiên cứu ðiện tử, Tin học, Tự ñộng hóa - VIELINA Hà nội - 12/2008 [1] MỤC LỤC Diễn giải một số từ viết tắt……………………………………………………………..………….……………….. Lời mở đầu ………………………………………………………………………………………….…….…..……...……....1 I. Những vấn đề chung ………………………………………………………………….…..…..…………2 1.1. Thông tin về đề tài ……………………………………………………………………………..…………2 1.2. Tính cấp thiết của đề tài……………………………………………………………….……..…..…….2 1.3. Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới…………………..………….……………3 1.3.1. Tình hình nghiên cứu trong nước………………………………………..……………………..3 1.3.2. Tình hình nghiên cứu trên thế giới………………………………………..…………..………4 II. Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống giám sát người lao động trong hầm lò (Tên gọi: V-Link)…………………………………………………………………………………………..10 2.1. Một số đặc điểm của môi trường khai thác than hầm lò tại Việt Nam………..…...11 2.2. Công nghệ nhận biết đối tượng qua sóng vô tuyến (RFID)……………………….……13 2.2.1. Khái quát về công nghệ RFID……………………………………………………………….…..13 2.2.2. Tìm hiểu một số công nghệ thu/phát vô tuyến……………………………….…….….16 2.2.2.1. Công nghệ WiFi……………………………………………………………………………….….…..16 2.2.2.2. Công nghệ WiMax………………………………………………………………………….………..17 2.2.2.3. Công nghệ Bluetooth…………………………………………………………………….….….…..17 2.2.2.4. Công nghệ Zigbee (IEEE 802.15.4)………………………………………..……….…...……18 2.3. Thiết kế hệ thống V-Link……………………………………………………………………….……..24 2.3.1. Lựa chọn công nghệ thực hiện…………………………………………………………….…..24 2.3.2. Sơ đồ khối nguyên lý hệ thống V-Link……………………………………………....….….27 2.3.3. Xác định các yếu tố chính ảnh hưởng đến chỉ tiêu chất lượng của hệ thống………………………………………………………………………………..…………………….29 2.4. Thiết kế chế tạo Trạm trung tâm (V-Link Master)……………………………....…..…….32 2.4.1. Sơ đồ khối nguyên lý………………………………………………………….................…..……32 2.4.2. Lưu đồ thuật toán……………………………………………………………………..…….….…..35 2.4.3. Thiết kế, chế tạo mạch in và vỏ hộp…………………………………………….....….……36 2.5. Thiết kế chế tạo Trạm khu vực (V-Link Slave)…………………………………....…….…..37 2.5.1. Sơ đồ khối nguyên lý………………………………………………………………………….……37 2.5.2. Lưu đồ thuật toán………………………………………………………….………………………..49 2.5.3. Thiết kế, chế tạo mạch in và vỏ hộp…………………………………….……….....………52 2.6. Thiết kế chế tạo Máy di động (V-Link Mobile)……………………………..……….………52 2.6.1. Sơ đồ khối nguyên lý………………………………………………………………….…....………52 2.6.2. Lưu đồ thuật toán……………………………………………………….………….……...………..55 2.6.3. Thiết kế, chế tạo mạch in và vỏ hộp……………………………………….….…...……….56 2.7. Phác thảo Phần mềm quản lý hệ thống……………………………..………….…….………...57 2.8. Tính toán các thông số cơ bản của hệ thống……………………..………..….…..…………58 a. Kênh vô tuyến RF 2.4 GHz………………………………………….……….……….………….58 b. Đường truyền dữ liệu RS-232, RS-485…………………………………..……….……….60 [2] 2.9. III. 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. IV. 4.1. 4.2. 4.3. 4.4. 4.5. 4.6. V. Thử nghiệm hệ thống trên mặt bằng…………………………………………..……………….62 Kết luận…………………………………………………………………………………….…..……………65 Các kết quả đã đạt được……………………………………………………………..…..…..……….65 Các công việc tiếp theo………………………………………………………………...…....…………69 Xu hướng phát triển của đề tài………………………………………………..……..……………..69 Đề xuất – Kiến nghị………………………………………………………………..…….…..…………69 Phụ lục………………………………………………………………………………..…..……….…………..70 Danh mục các sơ đồ nguyên lý..…………………………………….……….…..………………….70 Danh mục các bản vẽ gia công cơ khí………………………….……….….…..………..……….70 Danh mục chương trình mã nguồn………….………………………….……..….…..…..………70 Thuyết minh ñề tài………………………………………………………….………70 Hợp ñồng thuê khoán công việc, sản phẩm………………………………..………..70 Dự toán kinh phí ñề tài năm 2008…………………………………………..………70 Tài liệu tham khảo…………………………………………………………….….…..…………………71 [3] DIỄN GIẢI MỘT SỐ TỪ VIẾT TẮT ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG BÁO CÁO Từ viết vi t tắt t t IEEE MAC W-LAN WiFi WiMax ISM RF PAN RAM ROM EEPROM CSMA-CA CSMA-CD BS RS MS SL MAS PC Tx Rx FSL RFID ADC LQI RSSI HF VHF UHF SHF EHF BER EIRP FFD RFD PHY PER GTS FHSS CCA ED RFI SNR Từ gốcc Institute of Electrical and Electronics Engineers Media Access Control Wireless – Local Area Network Wireless Fidelity (IEEE 802.11b wireless networking) Worldwide Interoperability for Microwave Access (IEEE 802.16) Industrial, Scientific and Medical Radio Frequency Personal Area Network Random Access Memory Read-Only Memory Electrical Eraseable ROM Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection Base Station Remote Station Mobile Set Slave Master Personal Computer Transmiter Receiver Free Space Loss Radio Frequency Identification Analog to Digital Converter Link Quality Indicator Received Signal Strength Indicator High Frequency Very High Frequency Ultra High Frequency Super High Frequency Extra High Frequency Bit Error Rate Effective Isotropic Radiated Power Full-Function Device Reduced-Function Device Physical Layer Packet Error Rate Guaranteed Time Slot Frequency Hopping Spread Spectrum Clear Channel Assessment Energy Detection Radio Frequency Interference Signal to Noise Ratio [4] Lời mở đầu Ngành than Việt Nam ñang trong thời kỳ phát triển mạnh mẽ với tốc ñộ tăng trưởng hàng năm cao và sản lượng rất lớn. Bên cạnh vấn ñề tăng trưởng là công tác quản lý ñội ngũ công nhân, hạn chế rủi ro, tai nạn lao ñộng. Trong những năm qua, nhiều tai nạn hầm lò ñáng tiếc ñã xảy ra do nhiều nguyên nhân như: Sập hầm lò, bục nước, nổ khí mêtan, nổ mìn sai quy chế v,v… ñòi hỏi phải tăng cường công tác quản lý nhân sự làm việc trong hầm lò. Từ trước ñến nay ở các mỏ than tại Việt nam, việc quản lý người ra/vào các hầm lò khai thác chủ yếu ñược thực hiện bằng phương pháp thủ công, ghi chép sổ sách khiến công tác quản lý gặp nhiều khó khăn, bất cập nên vấn ñề cấp bách ñặt ra là cần phải giám sát vị trí của người ñi vào hầm lò ñể biết các thông tin phục vụ quản lý như: ðến ca làm việc chưa thấy vào, hết ca làm việc chưa thấy ra, có ñi vào vùng cấm hay không, có làm việc ñúng vị trí hay không, vị trí hiện thời ở ñâu,… các câu hỏi ñó rất ñược các cán bộ quản lý công nhân mỏ quan tâm. Sau nhiều năm là ñối tác tin cậy cung cấp thiết bị phục vụ công tác an toàn cho một số công ty khai thác than trong Tập ñoàn than khoáng sản Việt nam - TKV, qua tiếp xúc và trao ñổi với các cán bộ quản lý, chúng tôi thấy hiện nay công tác quản lý người công nhân vào mỏ gặp nhiều khó khăn, các hệ thống kỹ thuật trợ giúp hiện tại hầu như chưa có gì, các sản phẩm nước ngoài chào bán cho ngành mỏ về công tác quản lý nhân sự trong hầm lò rất ñắt tiền và ñặc biệt là các dịch vụ kỹ thuật sau bán hàng rất khó ñược ñáp ứng kịp thời. Từ thực trạng ñó, chúng tôi ñặt vấn ñề nghiên cứu một hệ thống “Giám sát người lao ñộng trong hầm lò” với mong muốn có thể hỗ trợ các cán bộ quản lý sử dụng máy tính ñể quan sát, tìm kiếm vị trí hiện thời của những công nhân ñang làm việc trong hầm lò. Hệ thống này cũng có thể tự ñộng phát những báo hiệu cần thiết trợ giúp người có trách nhiệm ra các quyết ñịnh kịp thời và chính xác, phục vụ ñắc lực cho công tác quản lý, ñảm bảo an toàn lao ñộng trong môi trường hầm lò, hỗ trợ tìm kiếm cứu nạn khi tai nạn hầm lò xảy ra,… Chúng tôi chân thành cảm ơn Bộ Công Thương, Bộ Khoa học Công nghệ và Viện Nghiên cứu ðiện tử, Tin học, Tự ñộng hóa ñã tạo các ñiều kiện thuận lợi ñể ñề tài này ñược thực hiện thành công và ñạt ñược các kết quả mong muốn. Chúng tôi mong rằng sẽ tiếp tục nhận ñược hỗ trợ ñể sản phẩm của ñề tài này ñược hoàn thiện và có thể ứng dụng vào môi trường khai thác than hầm lò. Nhóm thực hiện ñề tài [5] I. NHỮNG VẤN ðỀ CHUNG 1.1 Thông tin về ñề tài
Tên ðề tài/Dự án: Nghiên cứu chế tạo hệ thống giám sát người lao ñộng trong hầm lò.
ðơn vị chủ trì thực hiện ðề tài/Dự án: Viện NC ðiện tử, Tin học, Tự ñộng hóa.
Chủ nhiệm ðề tài/Dự án: Kỹ sư Kiều Mạnh Cường.
Thời gian thực hiện: 24 tháng.
Tổng kinh phí thực hiện: 500 triệu ñồng từ Ngân sách nhà nước.
Giai ñoạn 1: 12 tháng, từ 01/01/2008 ñến 31/12/2008.
Kinh phí thực hiện giai ñoạn 1: 200 triệu ñồng.
Sản phẩm ñăng ký Là một hệ thống gồm: - 01 Trạm trung tâm. - 02 Trạm khu vực. - 10 Máy di ñộng phát mã cá nhân (Máy di ñộng). - Phần mềm quản lý giám sát người lao ñộng trong hầm lò. Các tài liệu nghiên cứu, tài liệu kỹ thuật, các báo cáo liên quan. - Trong ñó, sản phẩm ñăng ký giai ñoạn 1 gồm: 05 Máy di ñộng phát mã cá nhân hoàn chỉnh. - 02 Trạm khu vực hoàn chỉnh. 01 Mạch in Trạm trung tâm. - Các tài liệu nghiên cứu, tài liệu kỹ thuật, các báo cáo liên quan. 1.2 Tính cấp thiết của ñề tài Hiện nay, các công ty khai thác than hầm lò tại Việt Nam ngày càng mở rộng diện tích khai thác và khai thác sâu hơn xuống lòng ñất. ðịa hình khai thác rất phức tạp, dễ xảy ra các rủi ro và tai nạn lao ñộng, vì vậy ñòi hỏi phải tăng cường phương tiện và trình ñộ quản lý ñối với con người cũng như các thiết bị trong hầm lò. Qua tìm hiểu về yêu cầu và thực trạng công tác quản lý tại một số công ty than thuộc Tập ñoàn than khoáng sản Việt nam (TKV), cho thấy hiện nay hầu hết các công ty than ñều quản lý công nhân bằng phương pháp thủ công, thông thường có 3 ca làm việc/ngày dưới hầm lò, các công nhân ñi làm theo ca phải ñến ñăng ký vào với Quản ñốc phân xưởng trước khi xuống hầm lò, khi hết ca làm việc hoặc nghỉ sớm phải ñăng ký ra với Quản ñốc phân xưởng. Qua ñó bộ phận quản lý sẽ theo dõi, giám sát giờ giấc làm việc của mỗi công nhân và tính công lao ñộng cho từng người. [6] Việc quản lý như trên nhìn chung là phù hợp ñối với các công ty nhỏ, số lượng công nhân ít, ñịa hình khai thác hẹp và ít phức tạp. Tuy nhiên, ngoài số ít các công ty khai thác còn có mỏ than lộ thiên, các công ty than còn lại ñều là các công ty khai thác than Hầm lò với ñịa hình khai thác rộng lớn với nhiều ñường lò phức tạp có ñộ sâu hàng trăm mét so với mực nước biển. Số công nhân làm việc mỗi ca trong hầm lò lên tới hàng trăm người, rất nhiều hiện tượng rủi ro có thể xảy ra trong ñiều kiện như vậy. Theo các cán bộ quản lý sản xuất tại các mỏ than hầm lò, thì công tác quản lý người lao ñộng dưới hầm lò không những yêu cầu theo dõi sát sao giờ giấc vào/ra của mỗi công nhân tại các cửa lò ñể phát hiện những công nhân ñi làm muộn giờ, hoặc hết ca làm việc mà không thấy ra, mà còn ñòi hỏi phải nhanh chóng xác ñịnh ñược những công nhân ñi vào các khu vực cấm, khu vực nguy hiểm, những công nhân bỏ vị trí làm việc và ngủ quên trong khu mỏ dưới lòng ñất có thể dẫn tới tai nạn lao ñộng ñáng tiếc. Vì vậy các công ty khai thác than hầm lò hiện nay không những cần một hệ thống giám sát quản lý ñối tượng ñồng bộ tại các cửa vào/ra, mà còn rất cần một hệ thống trợ giúp xác ñịnh ñược vị trí hoặc khoanh vùng ñối tượng cần giám sát ñể phục vụ công tác quản lý, tìm kiếm, ứng cứu kịp thời khi có tai nạn rủi ro xảy ra trong hầm lò. Qua khảo sát thực tế tại Công ty than Vàng Danh, Công ty than Hạ Long, Công ty than Hòn Gai, Công ty than Khe Chàm,… thì nhu cầu về hệ thống quản lý giám sát người lao ñộng trong hầm lò có khả năng xác ñịnh vị trí, hỗ trợ các cảnh báo hạn chế rủi ro,… là rất thiết thực. Do việc quản lý ñội ngũ công nhân, thợ mỏ gặp nhiều khó khăn vì ý thức chấp hành các quy ñịnh của nhiều thợ mỏ chưa cao. Tại công ty than Khe Chàm, có gần 2000 công nhân làm việc theo 3 ca, nghĩa là trong một ca làm việc thường xuyên có gần 700 người lao ñộng trong hầm lò, với ñội ngũ quản lý giám sát lao ñộng hạn chế về số lượng người và trang thiết bị như hiện nay, việc quản lý người lao ñộng trong hầm lò gặp rất nhiều khó khăn. Nên các cán bộ quản lý ở ñây rất quan tâm ñến các hệ thống thiết bị kỹ thuật hỗ trợ công tác quản lý, ñặc biệt là hệ thống giám sát người lao ñộng trong hầm lò. Tuy nhiên, hiện tại, nếu ñầu tư cho một hệ thống như vậy bằng cách mua thiết bị của nước ngoài thì chi phí ban ñầu rất tốn kém nên bài toán kinh tế - kỹ thuật ñặt ra là không khả thi, hơn nữa việc vận hành khai thác hệ thống thiết bị trong ñiều kiện môi trường hầm lò khắc nghiệt, thường xảy ra sự cố kỹ thuật, nên các Công ty than cần một nhà cung cấp có khả năng làm chủ công nghệ, ñáp ứng nhanh yêu cầu về khắc phục sự cố khi cần. Yêu cầu này ñòi hỏi phải ñầu tư nghiên cứu, chế tạo, sản xuất thiết bị trong nước ñể hạ giá thành sản phẩm, ñáp ứng ñược các yêu cầu về dịch vụ sau bán hàng. [7] 1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới 1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước Theo chúng tôi khảo sát, hiện tại ở Việt Nam chưa có tổ chức hay cá nhân nào nghiên cứu chế tạo một hệ thống tương tự như sản phẩm dự kiến của ñề tài này. Các hệ thống quản lý nhân sự bằng thẻ, áp dụng tại các cửa ra vào ñược các công ty thương mại cung cấp phổ biến là sản phẩm của các hãng nước ngoài. Tại Viện nghiên cứu ðiện tử, Tin học, Tự ñộng hóa ñã nghiên cứu và triển khai thành công hệ thống quản lý ñối tượng ra/vào bằng thẻ RFID, tại một số hội chợ công nghiệp và triển lãm Viễn thông cũng có các doanh nghiệp chào bán các hệ thống quản lý nhân sự bằng thẻ, tuy nhiên, qua tìm hiểu chúng tôi thấy các hệ thống này hiện cũng chưa ñược áp dụng rộng rãi tại Việt Nam vì yêu cầu về mặt quản lý nhân sự tại các cơ quan chưa ñặt ra cấp bách. Trong tương lai, các nhà máy sản xuất lớn, các tổ chức, ñơn vị có nhu cầu giám sát quản lý nhân sự chặt chẽ trong các tòa nhà là những khách hàng tiềm năng ñối với dòng sản phẩm này. Tại các công ty than hầm lò tại Việt Nam, hiện chỉ có công ty than Mạo Khê có lắp ñặt hệ thống quản lý tập trung công nhân ra/vào hầm lò bằng thẻ. Tuy vậy, hệ thống này ñang ở giai ñoạn áp dụng thử nghiệm ban ñầu, chưa ñáp ứng ñược yêu cầu quản lý vì chưa quản lý ñược công nhân vào/ra tại tất cả các cửa hầm lò, chưa xác ñịnh ñược vị trí hiện thời của người công nhân ñang làm việc hay hoạt ñộng ở ñâu. Các hãng chào bán thiết bị quản lý người trong hầm lò cho khách hàng là các công ty khai thác than khoáng sản chủ yếu chào bán các hệ thống quản lý bằng thẻ từ, thẻ thu/phát vô tuyến tần số thấp, phạm vi hẹp, thích hợp lắp ñặt tại các cửa ra/vào. Chưa thấy có sản phẩm chào bán nào là một hệ thống mạng vô tuyến quản lý ñối tượng tập trung, có khả năng xác ñịnh vị trí của người lao ñộng trong hầm lò và hỗ trợ các cảnh báo cần thiết ñối với nghiệp vụ quản lý người lao ñộng tại hiện trường khai thác. 1.3.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới ðối với các nước có ngành công nghiệp khai khoáng phát triển như Mỹ, Nhật, Canada, Trung Quốc, Nga, Australia, … thì các công nghệ phụ trợ cho ngành khai khoáng cũng rất phát triển, trong ñó có các công nghệ phục vụ cho an toàn lao ñộng trong khai thác than hầm lò như các Thiết bị bảo hộ, Thiết bị thông gió, Thiết bị ño và cảnh báo khí ñộc, khí cháy nổ,... Hệ thống giám sát vị trí ñối tượng (người lao ñộng, máy móc thiết bị) trong hầm lò cũng ñược nghiên cứu phát triển tại các nước trên và hiện ñã có sản phẩm thương mại. Các hệ thống này cho phép xác ñịnh ñược ñối tượng mang theo thẻ trong khoảng cách hàng chục mét mà không yêu cầu phải quẹt thẻ qua các bộ ñọc thẻ. Công nghệ nòng cốt thường [8] ñược sử dụng trong các hệ thống này là công nghệ thu phát không dây tần số cao từ hàng trăm MHz trở lên. Chúng tôi giới thiệu hai hệ thống giám sát vị trí ñối tượng ñiển hình sử dụng công nghệ thu phát không dây tần số cao, thông tin chi tiết về sản phẩm có thể tham khảo tại Website của nhà cung cấp. A. Hệ thống EZ – Tracer, Hãng chế tạo: Hellicom - Mỹ, Website: www.hellicom.com H.1. Minh họa nguyên lý hệ thống EZ-Tracer EZ - Tracer là hệ thống xác ñịnh vị trí ñối tượng theo thời gian thực, dựa trên nền công nghệ mạng không dây Zigbee, hệ thống này gồm có: - Thiết bị trung tâm: Thiết bị này kết nối với máy tính qua giao diện USB, kết nối với các Thiết bị ñọc thẻ qua kênh vô tuyến 2.4GHz. Thiết bị trung tâm có chức năng thu thập thông tin về vị trí của các thẻ di ñộng từ các Thiết bị ñọc thẻ trong toàn mạng và gửi số liệu ñó cho PC. - Thiết bị ñọc thẻ: Là các thiết bị nhận diện mã số của thẻ di ñộng trong vùng phủ sóng của mình qua kênh vô tuyến, băng tần làm việc 2.4 GHz. Mỗi thiết bị ñọc thẻ gắn với một khu [9] vực xác ñịnh, thiết bị này còn có vai trò ñịnh tuyến các gói dữ liệu trong mạng. Thông tin về vị trí của Thẻ di ñộng ñược gửi về Thiết bị trung tâm qua một hoặc nhiều chặng vô tuyến trong mạng. Một Thiết bị ñọc thẻ có khả năng nhận biết ñồng thời 14 Thẻ di ñộng trong phạm vi phủ sóng của mình. - Thẻ di ñộng: Phát mã phân biệt thẻ tới các Thiết bị ñọc thẻ qua kênh vô tuyến 2.4 GHz theo chuẩn Zigbee (IEEE 802.15.4). - Phần mềm mô phỏng: Cho phép quản lý tối ña 100 Thiết bị ñọc thẻ và 2000 Thẻ di ñộng.Thực tế, tùy vào nhu cầu cụ thể của từng ứng dụng mà người sử dụng lựa chọn và ñặt hàng với số lượng các thiết bị cụ thể với nhà cung cấp. Cấu hình và giá tham khảo: Thành phần EZ-Tracer EZ-Tracer mở rộng Thiết bị gốc 1 1 Thiết bị ñọc thẻ 3 9 Thẻ di ñộng Công cụ mô phỏng 5
50
Phần mềm ñồ họa

Tùy chọn Tùy chọn $ 1290 $ 4990 Mã nguồn Giá tham khảo [Theo báo giá của Hellicom Taiwan, tháng 5 năm 2008] [10] EZ - Tracer sử dụng các thiết bị thu phát vô tuyến hoạt ñộng tại băng tần 2.4 GHz theo chuẩn Zigbee IEEE 802.15.4 ñể trao ñổi thông tin nhận diện. Một mạng lưới các Thiết bị ñọc thẻ sẽ báo cáo các thông tin về vị trí của một Thẻ di ñộng ñang hoạt ñộng trong phạm vi của mạng về trung tâm quản lý. Các thành phần của hệ thống EZ - Tracer gồm: Phần mềm mô phỏng Thẻ di ñộng Thiết bị ñọc thẻ Thiết bị trung tâm H.2. Thành phần hệ thống xác định vị trí đối tượng theo thời gian thực EZ-Tracer. B. Hệ thống Tracker Tagging Hãng chế tạo: Mine Site Technologies, Australia; Website: www.minesite.com.au Tracker Tagging là hệ thống ñược chế tạo theo các tiêu chuẩn thiết bị hầm lò. Hệ thống này cũng sử dụng các Thẻ di ñộng phát mã phân biệt ñối tượng qua băng vô tuyến tới các Thiết bị ñọc thẻ rồi truyền về Thiết bị trung tâm qua ñường truyền cáp Ethernet hoặc RS-485 tốc ñộ cao. Các thiết bị thành phần trong hệ thống gồm có: Thẻ di ñộng, Thiết bị ñọc thẻ, Thiết bị trung tâm và Phần mềm quản lý thẻ. [11] - Thiết bị trung tâm: Là thiết bị ñặt tại trung tâm ñiều hành, thiết bị này kết nối với các Bộ ñọc thẻ qua cáp Ethernet hoặc RS-485 ñể thu thập thông tin về các Thẻ di ñộng từ các khu vực khác nhau. - Bộ ñọc thẻ: ðược bố trí phân tán theo từng khu vực cần giám sát, thiết bị này kết nối với các Thẻ di ñộng qua kênh vô tuyến UHF 433 MHz hoặc 2.4 GHz ñể nhận diện mã Thẻ. Thông tin truyền về trung tâm qua mạng cáp RS-485 hoặc Ethernet tốc ñộ cao. - Thẻ di ñộng: Mỗi thẻ gắn với một mã nhận diện duy nhất sử dụng ñể trả lời khi ñược Bộ ñọc thẻ yêu cầu. Thẻ di ñộng liên lạc với Bộ ñọc thẻ trên băng tần UHF 433 MHz hoặc 2.4 GHz. - Phần mềm quản lý: Cài ñặt trên máy tính, phần mềm có tính năng cập nhật vị trí của các Thẻ di ñộng theo sơ ñồ ñường lò mô phỏng. Thông tin về các ñối tượng ñược quản lý là một cơ sở dữ liệu gồm các trường: Mã thẻ, Số hiệu ñối tượng, Tên gọi, Vị trí vừa cập nhật, Thời ñiểm cập nhật gần nhất, Chức trách. Dưới ñây là hình ảnh về các thành phần trong hệ thống Tracker Tagging: H.3. Hệ thống Tracker Tagging Các hệ thống ñược giới thiệu trên ñây ñều là các sản phẩm thương mại, tuy nhiên chưa có hệ thống nào ñược lắp ñặt tại các mỏ than trong nước. Các công ty khai thác than hầm lò [12] hiện rất quan tâm ñến hệ thống thiết bị quản lý người lao ñộng trong hầm lò. Tuy nhiên, do việc sử dụng các hệ thống nhập từ nước ngoài còn gặp nhiều khó khăn trong quá trình triển khai lắp ñặt và sử dụng, ñặc biệt là việc bảo hành bảo trì hoặc hỗ trợ kỹ thuật trong quá trình vận hành khai thác do ñội ngũ làm thương mại trong nước không làm chủ ñược công nghệ thiết kế chế tạo, cũng bởi giá thành của các hệ thống ngoại nhập còn khá cao vì thế ñến nay vẫn chưa có công ty nào lựa chọn lắp ñặt hệ thống giám sát quản lý người lao ñộng trong hầm lò của nước ngoài như ñã trình bày. Trong ñiều kiện khai thác than ngày càng mở rộng và xuống sâu dưới lòng ñất với ñịa hình hầm lò phức tạp thì càng cần thiết ứng dụng các hệ thống kỹ thuật trợ giúp công tác giám sát, quản lý lao ñộng ñể ñảm bảo an toàn, cũng như tìm kiếm cứu nạn khi có rủi ro, tai nạn xảy ra ñối với người lao ñộng dưới hầm lò. ðiều này ñặt ra vấn ñề nghiên cứu trong nước ñể tự chủ về công nghệ, tự chủ khả năng ñiều chỉnh và phát triển công nghệ cho phù hợp với ñiều kiện thực tế hầm lò khai thác than tại Việt Nam, một mặt hạ giá thành sản phẩm so với sản phẩm tương ñương của nước ngoài, mặt khác ñội ngũ kỹ thuật trong nước có thể ñáp ứng nhanh các yêu cầu của người sử dụng do hoàn toàn làm chủ công nghệ thiết kế, chế tạo hệ thống sản phẩm của mình. [13] II. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG GIÁM SÁT NGƯỜI LAO ðỘNG TRONG HẦM LÒ (TÊN GỌI: V-LINK) Với mục ñích nghiên cứu, thiết kế, chế tạo một hệ thống giám người lao ñộng thông qua việc phát hiện số hiệu nhận diện của Máy di ñộng mang theo người khi di chuyển qua các khu vực xác ñịnh trong hầm lò và tự ñộng cập nhật, hiển thị thông tin về vị trí của người lao ñộng trong hầm lò trên màn hình máy tính. Qua tìm hiểu tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới cũng như tham khảo một số sản phẩm trong lĩnh vực quản lý nhân sự, giám sát các ñối tượng chuyển ñộng dưới hầm lò. Chúng tôi xác ñịnh cần nghiên cứu và giải quyết những vấn ñề sau trong quá trình thực hiện ñề tài này: - Khảo sát ñặc ñiểm của môi trường khai thác than hầm lò. - Tìm hiểu các giải pháp công nghệ có thể sử dụng ñể thực hiện ñề tài. - Phân tích, lựa chọn công nghệ phù hợp nhất. - Thiết kế tổng thể hệ thống và các thiết bị thành phần. - Chế tạo các thiết bị ñảm bảo các tiêu chuẩn an toàn trong môi trường hầm lò. - Thử nghiệm các kết nối và ñánh giá hoạt ñộng của hệ thống trên mặt bằng, xác ñịnh các yếu tố môi trường thực tế tác ñộng lên chất lượng hệ thống, ñánh giá tác ñộng của hệ thống ñối với môi trường thử nghiệm, hoàn thiện thiết kế sau quá trình thử nghiệm hệ thống trên ñiều kiện mặt bằng. - Kiểm ñịnh chất lượng hệ thống theo TCVN7079 ExiaI về an toàn tia lửa ñối với các thiết bị ñiện làm việc trong hầm lò tại Trung tâm An toàn mỏ - Viện Khoa học công nghệ mỏ. - Thử nghiệm các kết nối và ñánh giá hoạt ñộng của hệ thống dưới mỏ than hầm lò, xác ñịnh các thông số kỹ thuật của các thiết bị thành phần và toàn hệ thống trong ñiều kiện môi trường hầm lò khai thác than, ñánh giá ảnh hưởng của hệ thống ñối với các hoạt ñộng dưới mỏ than hầm lò, hoàn thiện thiết kế kỹ thuật sau quá trình thử nghiệm hệ thống dưới mỏ than hầm lò. - Liên hệ các công ty khai thác than hầm lò ñể giới thiệu về hệ thống, nhằm ñưa hệ thống vào phục vụ công tác an toàn lao ñộng trong lĩnh vực khai thác than hầm lò. [14] 2.1 Một số ñặc ñiểm của môi trường khai thác than hầm lò tại Việt Nam Theo tìm hiểu, khảo sát và thông qua các hoạt ñộng hợp tác nghiên cứu khoa học và chuyển giao công nghệ tại các ñơn vị thành viên của Tập ñoàn Than Khoáng sản Việt Nam (TKV). Chúng tôi ñược biết cho tới nay hầu hết các Công ty Than ñã khai thác xuống sâu với ñộ sâu trung bình khoảng 100m dưới mực nước biển, lượng Than có thể khai thác lộ thiên hiện không còn nhiều. Mỗi vùng khai thác Than của một Công ty thường trải rộng trên một ñịa hình hàng chục km2 với nhiều ñường lò lắt léo dưới lòng ñất. Trong một vùng khai thác Than lại ñược chia thành nhiều khai trường khác nhau tùy theo ñường ñi của từng vỉa Than. Sau quá trình trắc ñịa thăm dò, Than ñược khai thác bằng phương pháp khoan nổ mìn rồi sử dụng nhân công cùng các phương tiện chuyên dùng ñể xúc và chuyên chở Than lên mặt bằng, các khu vực dưới lòng ñất ñể tập kết Than trước khi ñưa lên mặt bằng ñược gọi là các “lò chợ”, tại ñây thường rất nhiều bụi Than và thiếu ánh sáng. Càng vào sâu trong hầm lò càng thiếu ánh sáng, nguồn sáng ñể ñi lại và duy trì các hoạt ñộng chủ yếu vẫn là từ ánh sáng của các ñèn lò gắn trên mũ bảo hộ của mỗi người công nhân. Các máy móc thiết bị làm việc trong môi trường hầm lò phải tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn an toàn phòng chống cháy nổ (TCVN 7079) áp dụng ñối với các thiết bị ñiện làm việc trong môi trường có khí và bụi nổ. Các thiết bị dưới hầm lò phải ñảm bảo có kết cấu kín, làm bằng vật liệu chống tĩnh ñiện ñể không tự phát ra tia lửa, không gây cháy, không bắt cháy,… Hiện nay, dưới các hầm lò khai thác than thường có các ñộng cơ công suất lớn ñể vận hành thông gió và các dây chuyền khai thác. Hệ thống thông tin liên lạc tại các mỏ than hầm lò ở nước ta vẫn chưa ñược ñầu tư phát triển ñúng mức nên hầu hết hệ thống hầm lò của các công ty khai thác than vẫn chưa lắp ñặt các thiết bị thông tin liên lạc (ñiện thoại, nhắn tin,…), tuy nhiên các công ty ñang rất quan tâm phát triển hệ thống thông tin trong hầm lò song song với các hệ thống kiểm soát khí mỏ tập trung. Trong hầm lò có thể có các khu vực rất nguy hiểm như: Khu vực lò cụt có thể thiếu Ôxy và tụ nhiều loại khí nguy hiểm do không ñược thông gió tốt, Khu vực có nguy cơ bục nước hoặc sập lò, Khu vực chuẩn bị nổ mìn,… ñây là những khu vực ñặc biệt cần thiết phải cảnh báo cho người ñi vào hầm lò. Trong thực tế ñể ñảm bảo an toàn cho người ñi xuống hầm lò, ngành Than có quy ñịnh không ai ñược ñi xuống hầm lò một mình, ñặc biệt là những người mới ñi lò lần ñầu ñều ñược bố trí ít nhất một người có nhiều kinh nghiệm ñi cùng ñể hạn chế rủi ro, tai nạn. [15] Chiều cao lớn nhất của ñườ ờng lò thông thường là 3.4m và chiều rộng lớ ớn nhất thông thường là 3.5m, cũng có những vị trí ñư ñường lò rất nhỏ hẹp mà muốn qua ta phảải khéo luồn người mới qua ñược. Các ñường ng lò th thường không bằng phẳng, có vị trí ñộ dốcc lên tới 450, nền ñất thường ẩm ướt hoặc ngậpp nư nước tới hàng chục cm và thiếu ánh sáng gây khó khăn cho việc vi di chuyển và dễ xảyy ra tai nnạn trong quá trình lao ñộng hoặc di chuyểnn trong hầm h lò. Về vấn ñề con người, những ng th thợ mỏ trực tiếp làm việc tại các hầm lò dư ưới lòng ñất chia theo ca (3 ca/ngày). Mỗii ca làm vi việc trung bình có từ 300 ñếnn 700 công nhân làm việc vi trực tiếp dưới hầm m lò tùy theo quy mô ccủa khu mỏ của mỗii Công ty khai thác khác nhau, lực lượng công nhân tại mỗii ca này ñư ñược chia về các khai trường ng khác nhau trong khu mỏ m theo nhiệm vụ của mình. Ngoài llực lượng công nhân trực tiếp sản xuấtt theo ca còn có những nh người thợ có nhiệm vụ khác nhau như vvận hành thiết bị máy móc, xây dựng d sửa chữa ñường lò, ño kiểm m tra khí, thông gió,… cũng thường xuyên có mặtt trong hầm h lò. Thông thường, việc di chuyểnn trong hhầm lò không cho phép tập trung một lượ ợng người quá lớn cùng di chuyển vì ñường ng lò th thường khá hẹp và gồ ghề, ẩm ướt. Ngườii lao ñộng ñ trong hầm lò cũng phân tán rảii rác theo ttừng khu vực sản xuất và tại những khu vự ực có mật ñộ tập trung cao nhất như tạii các khu lò ch chợ thì số lượng người có thể tớii vài ba chục ch người. H.4. Sơ đồ khai trường một Mỏ than hầm lò ng khó khăn trong công tác qu quảnn lý nhân công lao ñộng ñ dưới hầm lò, Qua tìm hiểu về những chúng tôi ñược biếtt công tác này hi hiện còn gặp nhiều khó khăn do ý thứ ức về giờ giấc làm việc cũng như ý thức về an toàn lao ññộng của không ít công nhân mỏ còn rất r kém. Tại các mỏ than thường có hiện tượ ợng công nhân trễ ca, bỏ ca, trốn ca, thậm m chí ngủ ng quên dưới lò [16] mà không ra khi ñã hết ca làm việc. Thực trạng này gây khó khăn cho công tác quản lý và cũng ñã có một số tai nạn ñáng tiếc xảy ra khi người lao ñộng không ñến ñúng vị trí làm việc của mình trong giờ làm việc. Những ñặc ñiểm của ngành khai thác than hầm lò nói chung và tại Việt Nam nói riêng ñã ñặt ra yêu cầu là cần có một hệ thống giám sát ñường di chuyển cũng như vị trí làm việc của người lao ñộng dưới hầm lò phục vụ công tác quản lý và công tác an toàn lao ñộng, ñó cũng là mục tiêu thực hiện của ñề tài này. 2.2 Công nghệ nhận biết ñối tượng qua sóng vô tuyến (RFID) Hiện nay công nghệ nhận biết, quản lý ñối tượng rất phổ biến và ña dạng. Trong phạm vi báo cáo này, chúng tôi không ñề cập chi tiết tới các hệ thống sử dụng thẻ từ (Thẻ ATM, thẻ quẹt chấm công,…) hoặc các loại thẻ cần tiếp xúc với bộ ñọc. Chúng tôi sẽ trình bày cụ thể hơn công nghệ nhận diện ñối tượng sử dụng Chip ñiện tử qua sóng vô tuyến, vì công nghệ này cho phép nhận diện ñối tượng ở khoảng cách xa hơn, phù hợp với yêu cầu ñặt ra ñối với hệ thống giám sát người lao ñộng trong hầm lò. RFID (Radio Frequency Identification Technology) không phải là một công nghệ mới, nhưng càng ngày càng ñược ứng dụng theo nhiều cách khác nhau nhờ công nghệ luôn ñược cải tiến và giá thành ngày càng hạ. Khởi ñầu công nghệ này ñược sử dụng trong thế chiến thứ hai ñể quân ñội phát hiện các máy bay ñồng minh, ngày nay RFID ñã ñược sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực dân sự, từ các khu vực công cộng tới các khu vực cá nhân, từ trong các bệnh viện ñến các xa lộ,… 2.2.1 Khái quát về công nghệ RFID Trong các hệ thống RFID, một ñối tượng cần nhận biết sẽ ñược gắn vào một Chip Silicon và một Anten bức xạ sóng ñiện từ rất nhỏ. Chip Silicon cùng với Anten tích hợp với nhau tạo thành một “thẻ”, thẻ này có thể ñược quét và nhận biết bởi các bộ ñọc thẻ di ñộng hoặc bộ ñọc thẻ ñặt cố ñịnh một chỗ qua sóng vô tuyến ñiện từ (RF – Radio Frequency). Chíp Silicon ñược gán một mã phân biệt duy nhất ñể các bộ ñọc nhận diện ñược ñối tượng mang nó, ví dụ: Trong một cửa hàng quần áo, các bộ quần áo khác nhau có thể ñược nhận biết các thông số như kiểu mẫu, kích cỡ, màu sắc, nhà sản xuất, … bằng thiết bị ñiện tử. Trong lĩnh vực dược phẩm, các lọ thuốc ñược gắn chíp ñiện tử sẽ cho biết các nội dung liên quan ñến loại thuốc ñó. Trên ñường cao tốc, các ô tô gắn Chip nhận diện sẽ ñược nhận biết và kiểm tra một cách tự ñộng mỗi khi qua các Trạm kiểm soát giao thông, thu phí,… nên sẽ tiết kiệm thời gian và hạn chế ùn tắc. [17] Bộ ñọc Thẻ sẽ thực hiện việc quét ñọc thông tin về ñối tượng lưu trong Chip Silicon rồi gửi về Trung tâm quản lý dữ liệu, tại ñây sẽ cho biết thêm các thông tin chi tiết hơn về ñối tượng ñó. Các thành phần chính của một hệ RFID gồm Thẻ di ñộng, Bộ ñọc thẻ và Trung tâm quản lý dữ liệu. Chip ñiện tử: Thường ñược chế tạo từ vật liệu Silicon, dùng ñể ghi thông tin về ñối tượng sẽ gắn vào và cho phép ñọc thông tin này qua sóng vô tuyến. Anten: ðược tích hợp cùng Chip ñể thu/phát dữ liệu với Bộ ñọc thẻ qua sóng vô tuyến. Nói chung, Anten càng lớn thì khoảng cách liên lạc càng xa. Tổ hợp Chip và Anten tạo thành một bộ thu/phát ñược gắn trong một vỏ thường rất mỏng gọi là Thẻ. Bộ ñọc thẻ: Còn ñược gọi là Bộ quét thẻ, thiết bị này H.5. Anten thẻ RFID cũng có Anten thu/phát riêng sử dụng ñể truyền/nhận dữ liệu với các Thẻ. Các bộ ñọc thẻ có thể khác nhau về kích thước, trọng lượng, kiểu dáng và công suất làm việc. Bộ ñọc thẻ có thể là thiết bị di ñộng hay cố ñịnh. Trung tâm quản lý dữ liệu: Thường là phần mềm cài ñặt tại máy tính có chức năng lưu trữ các thông tin liên quan ñến ñối tượng cần quản lý. Các Bộ ñọc thẻ ñược kết nối về Trung tâm bằng nhiều ñường khác nhau tùy theo quy mô của hệ thống. Thông tin về ñối tượng cần H.6. Bộ ñọc thẻ RFID giám sát quản lý phải ñược nhập vào cơ sở dữ liệu trước khi Bộ ñọc thẻ gửi mã nhận diện ñối tượng về Trung tâm. Về cơ bản các hệ thống RFID ñều bao gồm các thành phần trên ñây, tuy nhiên trong thực tế có nhiều yếu tố ñòi hỏi phải thay ñổi ít nhiều về mỗi thành phần thiết bị cho phù hợp với từng ứng dụng khác nhau như sử dụng thẻ “chủ ñộng” hay “thụ ñộng”; sử dụng băng tần nào; kích thước Anten cho Thẻ và Bộ ñọc thẻ; lưu thông tin gì và nhiều hay ít vào mỗi Thẻ; các yếu tố ảnh hưởng ñến khoảng cách ñọc Thẻ,… và cân nhắc tới giá thành của thiết bị, vì ñây là vấn ñề rất quan trọng ñối với người sử dụng khi áp dụng gắn Thẻ RFID cho sản phẩm hàng hóa với số lượng lớn. [18] A. Các loại thẻ RFID Có ba loại Thẻ RFID ñược phân chia theo phương thức truyền tin và phương thức khởi tạo kết nối vô tuyến, ñó là: Thẻ “thụ ñộng”: Thẻ loại này không có nguồn ñiện tích hợp trong vỏ, nghĩa là không có Pin và cũng không tự khởi tạo một kết nối. Trong trường hợp này Bộ ñọc sẽ truy vấn tới Thẻ trước tiên qua sóng vô tuyến ñồng thời tạo năng lượng cho hoạt ñộng của Thẻ, sau khi các thông tin truy nhập ñược xác nhận phù hợp, Thẻ sẽ gửi thông tin về ñối tượng ñã ñược ghi trong bộ nhớ của Chip tới Bộ ñọc thẻ qua sóng vô tuyến. Tùy theo kích thước của Anten và tần số làm việc mà Thẻ này có thể ñược ñọc qua khoảng cách lên tới hàng chục mét theo theo lý thuyết, trên thực tế, các yếu tố môi trường như gió, mặt ñất, mặt nước và các vật liệu che chắn có thể khiến khoảng cách liên lạc từ Bộ ñọc tới Thẻ giảm ñi vài mét hoặc ít hơn. Thẻ thụ ñộng ñược sử dụng rất nhiều tại các ứng dụng như: Thẻ mở cửa nhà, vé ñiện tử thu phí giao thông hay nhiều hơn là trong việc theo dõi các hàng hóa trên ñường vận chuyển trong chuỗi cung toàn cầu. Tùy theo tính năng của mỗi loại mà Thẻ này có giá từ vài chục Cent ñến vài ðôla Mỹ. Thẻ “bán chủ ñộng”: Giống như trường hợp trên, loại thẻ này không tự kích hoạt kết nối, tuy nhiên thẻ có ñược gắn Pin cung cấp nguồn ñiện cho các hoạt ñộng của mạch Chip ñiện tử, vì vậy Thẻ loại này có thể ñược tích hợp thêm một vài tính năng như ño nhiệt ñộ hoặc theo dõi các thông số môi trường xung quanh. Tùy theo tính năng ñược tích hợp thêm mà giá của loại thẻ này có thể dao ñộng từ vài USD ñến vài chục USD. Thẻ “chủ ñộng”: Là loại thẻ có thể tự kích hoạt kết nối với Bộ ñọc thẻ và thường có nguồn ñiện tích hợp trong thẻ nên có thể kết nối vô tuyến với khoảng cách trên vài chục mét. Hiện nay thẻ loại này có giá từ 20 ðôla Mỹ trở lên và theo xu hướng ngày càng giảm. Ứng dụng phù hợp với thẻ này là các hệ thống tự ñộng thu phí, ví dụ hệ thống thu phí giao thông cho phép các xe có thẻ RFID ñược xác nhận thu phí tự ñộng từ tài khoản cá nhân và ñi ở làn ñường mở giúp cho các tài xế không phải dừng lại ñể mua và trả vé qua cổng soát vé. [19]