Kết nối thiết bị Remote I/O qua mọi khoảng cách với mạng di động
3/1/2021
Có những tình huống mà bạn có thể hưởng lợi từ một mẩu thông tin đơn giản từ một vị trí từ xa làm đầu vào cho hệ thống cục bộ. Ví dụ, bạn có thể biết liệu một máy bơm từ một vị trí xa có đang chạy hay không, biết được thùng chứa đầy hay vơi, hoặc đơn giản là nhiệt độ của một thiết bị từ xa tăng cao và có thể cần tới hoạt động bảo trì. Có ba giải pháp truyền thống để giải quyết thách thức về việc thu thập dữ liệu đầu vào từ các vị trí xa:
- Tạo kết nối của riêng bạn - có dây hoặc không dây -
giữa các vị trí. Điều này có thể được thực hiện bằng kết nối cáp quang,
đồng hoặc các giải pháp kết nối không dây chuyên dụng. Với giải pháp này,
chi phí triển khai có thể cao và tính khả thi sẽ phụ thuộc vào khoảng cách
và địa hình thực tế.
- “Thuê” kết nối bằng các đường kết nối riêng từ nhà
cung cấp dịch vụ viễn thông, người có khả năng đã có nhiều cơ sở hạ tầng
kết nối có dây. Đây từng là một giải pháp phổ biến, nhưng ngày nay, việc
thuê các đường kết nối riêng đã trở nên cực kỳ đắt đỏ hoặc hoàn toàn không
có.
- Sử dụng giải pháp “Internet of Things” (IoT) trong đó bạn xuất bản dữ liệu từ vị trí từ xa qua kết nối Internet, liên kết với mạng cục bộ của bạn, sau đó sử dụng dữ liệu đó tại địa điểm cục bộ. Mặc dù hiệu quả, nhưng điều này có thể đòi hỏi phải thiết kế lại hệ thống, cài đặt các thiết bị thông minh và tích hợp phần mềm chuyên dụng.
Một giải pháp đơn giản hơn, dễ triển khai hơn đó là sử dụng nhiều loại sản phẩm I/O với cổng kết nối LTE của Advantech chạy công cụ lập trình mã nguồn mở Node-RED. Sự kết hợp này cung cấp một mức độ thích ứng lớn với các sản phẩm I/O có sẵn để hỗ trợ hầu hết mọi số lượng và loại đầu vào. Ngoài ra, Node-RED cung cấp một công cụ lập trình dễ sử dụng có thể dễ dàng sửa đổi để phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau.
Bài viết này sẽ mô tả giải pháp và cung cấp một liên kết để tải xuống “dòng chảy” Node-RED được sử dụng để cung cấp chức năng giám sát bể chứa từ xa cần thiết cho một trường hợp sử dụng cụ thể của 1 khách hàng của chúng tôi. Các bạn có thể tải xuống và sử dụng chúng ngay lập tức hoặc dễ dàng sửa đổi nó để thích ứng với các trường hợp sử dụng tương tự.
Tình thế tiến thoái lưỡng nan của khách hàng về việc thuê đường dây riêng
Một công ty phân phối và đầu mối xăng dầu đã sử dụng đường dây riêng để đọc trạng thái của các bồn chứa từ xa của khách hàng trước khi bắt đầu bơm sản phẩm từ địa điểm đầu cuối. Chi phí hàng tháng cho việc thuê đường dây đó đã trở nên đắt đỏ và dịch vụ đó không còn khả dụng ở một số địa điểm đầu cuối của họ. Một giải pháp thay thế được yêu cầu để thu nhận tín hiệu trạng thái từ bể chứa của khách hàng đến trạm bơm đầu cuối.
Công ty phân phối và khai thác cảng xăng dầu đã gọi điện cho nhà cung cấp viễn thông của họ để tìm kiếm một giải pháp thay thế cho giải pháp thuê đường dây của mình. Biết được Advantech có chuyên môn trong cả các sản phẩm I/O và gateway di động, công ty viễn thông này đã giới thiệu Advantech với công ty.
Để xây dựng giải pháp, chúng tôi đã chọn một mô-đun ADAM 6060 với các đầu vào kỹ thuật số để đọc các đầu ra rơle kỹ thuật số của bể chứa từ xa, cho biết khi nào bể sắp đầy hoặc đã đầy. Sau đó, để cung cấp thông tin liên lạc từ xa, cổng Ethernet của mô-đun ADAM được kết nối với cổng Ethernet của gateway LTE. Về phía thiết bị đầu cuối, chúng tôi đã chọn một mô-đun ADAM với các đầu ra kỹ thuật số kết nối với các đầu vào cảnh báo hiện có và kết nối cổng Ethernet của mô-đun với gateway LTE thứ hai.
Từ góc độ phần cứng, giờ đây chúng ta có một hệ thống có thể đọc dữ liệu từ các tín hiệu hoặc cảm biến từ xa và tận dụng mạng di động để gửi nó đến bất kỳ vị trí nào. Sau đó, nó sao chép tín hiệu đó như một đầu ra, tạo ra một đường hầm ảo có thể đến bất kỳ đâu trong thế giới với dịch vụ mạng di động.
Sử dụng Node-RED làm Giải pháp phần mềm
Sau đó, một phần mềm sẽ được sử dụng để đọc và xuất bản tín hiệu từ xa đó và ở phía cục bộ, để nhận tin nhắn đến và đặt đầu ra cục bộ ở trạng thái mong muốn. Để giải quyết vấn đề này, chúng tôi đã cài đặt phần mềm mã nguồn mở Node-RED low-code trên cả hai thiết bị gateway. Chúng tôi cũng đã cài đặt một MQTT broker mã nguồn mở trên gateway cục bộ. Đối với thiết bị đầu cuối từ xa của hệ thống, trong Node-RED, chúng tôi đã tạo một “luồng” để thực hiện các chức năng cơ bản sau.
- Đọc trạng thái đầu vào của thiết bị ADAM để biết trạng thái của bế chứa.
- Nếu trạng thái đầu vào đã thay đổi, thông tin sẽ được xuất bản thông báo MQTT tới MQTT broker với thông tin trạng thái của các đầu vào đó.
- Nếu trạng thái đầu vào không thay đổi trong khoảng thời gian xác định của khách hàng, chúng tôi sẽ xuất bản thông báo MQTT tới MQTT broker với trạng thái hiện tại của những cảnh báo đó dưới dạng chức năng “nhịp tim”. Bằng cách này, chúng tôi có thể phân biệt được sự khác biệt giữa bể chứa không sử dụng và không thay đổi trạng thái trong nhiều ngày để loại trừ lỗi hệ thống.
- MQTT xuất bản dữ liệu qua kết nối IP. Để thêm một số hệ thống chịu lỗi dự phòng, nếu thiết bị từ xa không thể thiết lập kết nối IP, nó sẽ chuyển kết nối sang SMS và gửi dữ liệu qua tin nhắn văn bản. Nó cũng gửi một tin nhắn văn bản đến điện thoại di động của quản trị viên cho biết rằng hệ thống đã chuyển sang sử dụng SMS. Mặc dù hệ thống chịu lỗi này đang sử dụng cùng một lớp vật lý, nhưng với kết nối di dộng, nó là một lớp mạng hoàn toàn khác.
- Để ngăn chặn việc nhắn tin quá nhiều qua SMS sẽ làm tăng chi phí viễn thông, hệ thống từ xa sẽ đếm các tin nhắn được gửi trong một khoảng thời gian hàng tháng và ngừng gửi chúng trước khi gây ra tình trạng quá tải gói cước di động.
Ở phía cục bộ, thiết bị đầu cuối của hệ thống trong Node-RED, chúng tôi đã tạo một “luồng” thứ hai để thực hiện các chức năng sau.
- Đăng ký các chủ đề tin nhắn MQTT được tạo từ các địa điểm từ xa.
- Giải mã thông báo đó và chuyển nó thành lệnh tới thiết bị đầu ra kỹ thuật số ADAM cục bộ, thiết bị này cung cấp trạng thái bể chứa cho các nhà vận hành tại địa điểm cục bộ.
- Đặt lại chức năng “watchdog timer” cục bộ khi nhận được tin nhắn. Nếu bộ đếm thời gian đó không nhận được bất kỳ tín hiệu nào qua MQTT hoặc SMS trong một khoảng thời gian xác định của khách hàng, chúng tôi giả định rằng hệ thống bị lỗi và đặt đầu ra của mô-đun ADAM cục bộ thành trạng thái cảnh báo.
Nhẹ và thích ứng
Các luồng Node-RED có thể dễ dàng được sửa đổi từ ứng dụng này để phù hợp với bất kỳ ứng dụng nào có giá trị trong việc tạo đường hầm I/O ảo giữa tín hiệu từ xa và hệ thống cục bộ. Các mô-đun ADAM cũng có thể được sử dụng để hỗ trợ bất kỳ kết hợp nào của tín hiệu analog hoặc kỹ thuật số, nhằm đáp ứng cho nhiều trường hợp khác nhau.
Cảnh báo và giả định
Giải pháp này yêu cầu các gateway mạng di động phải có địa chỉ IP có thể kết nối với nhau. Nhà cung cấp dịch vụ mạng di động của bạn sẽ cần biết yêu cầu này để định cấu hình gói dữ liệu thích hợp. Lưu ý rằng các địa chỉ IP này không phải là "public" nên kết nối Internet công cộng không thể truy cập được, tạo ra một môi trường riêng tư, an toàn. Vì chúng tôi cũng đã sử dụng SMS như một phương án dự phòng nên gói dữ liệu phải cho phép hệ thống gửi và nhận tin nhắn SMS.
Giải pháp này hoạt động tốt đối với ứng dụng có tín hiệu từ xa không nhạy cảm với độ trễ cao và trong đó sự cố hệ thống không gây ra sự cố nghiêm trọng hoặc vấn đề về an toàn nào. Trong trường hợp này, có một nhân viên vận hành sử dụng “trạng thái báo động” và “trạng thái không hoạt động” làm thông báo kích hoạt để gọi nhân viên vận hành ở địa điểm từ xa và xác minh trạng thái.
Danh sách thiết bị sử dụng
Sample Node-RED Flows
Nếu bạn muốn tìm hiểu thêm về cách sử dụng Node-RED hoặc muốn sửa đổi ví dụ mẫu này để đáp ứng nhu cầu giải pháp của riêng bạn, bạn có thể sao chép các luồng Node-RED cho dự án này từ các liên kết bên dưới. Chỉ cần tải xuống các tệp .txt và dán nó vào dự án Node-RED của bạn.
/ADAM-6060_03_S20190725162316.jpg)
/ICR3211_00020190305143032.png)
