Thiết kế bộ giám sát hành trình cho ô tô

Trước đây, đối với các doanh nghiệp kinh doanh về thiết bị vận tải, như các hãng taxi, các hãng xe bus… việc quản lí xe và lái xe rất khó khăn, ví dụ như không thể biết xe đang ở vị trí

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -

Họ và tên tác giả luận văn PHẠM ĐỨC KHANH

TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THIẾT KẾ BỘ GIÁM SÁT HÀNH TRÌNH CHO Ô TÔ

Chuyên ngành : Đo lường và các hệ thống điều khiển

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

ĐO LƯỜNG VÀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

TS NGUYỄN QUỐC CƯỜNG

Hà Nội – Năm 2013

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian học tập tôi được trang bị sâu và rộng hơn những kiến thức về chuyên ngành, phương pháp học tập, đồng thời trưởng thành hơn Đầu tiên tác giả xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Quốc Cường đã hướng dẫn giúp đỡ tạo mọi điều kiện để tác giả nghiên cứu và hoàn thành luận văn thạc sĩ

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô bộ môn Kĩ thuật đo và Tin học công nghiệp, những người đã dạy cho tôi những kiến thức giúp tôi nâng cao

ki ến thức và chuyên môn

Tôi xin c ảm ơn tập thể lớp cao học Đo lường và các hệ thống điều khiển

hệ khoa học khóa 2011B, những người thường xuyên động viên, đóng góp trao đổi ý kiến và kiến thức trong suốt thời gian học tập và hoàn thành luận văn

Hà Nội, Ngày… tháng… năm……

Học viên thực hiện

Ph ạm Đức Khanh

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Phạm Đức Khanh, học viên cao học lớp 11B-ĐLĐK.KH khóa 2011B Giảng viên hướng dẫn là TS Nguyễn Quốc Cường

Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung được trình bày trong bản luận văn

“ Thiết kế bộ giám sát hành trình cho ô tô” là công trình nghiên cứu của tôi,

dưới sự hướng dẫn trực tiếp của TS Nguyễn Quốc Cường – trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, các thiết kế, kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kì công trình nghiên cứu nào Mọi thông tin trích dẫn đều được tuân theo luật sở hữu trí tuệ, liệt kê rõ ràng các tài liệu tham khảo Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm với những nội dung được viết trong luận văn này

Hà N ội, Ngày… tháng… năm……

H ọc viên thực hiện

Phạm Đức Khanh

M ục lục

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH 8

DANH MỤC CÁC BẢNG 9

MỞ ĐẦU 10

Chương I 12

PHÂN LOẠI VÀ LỰA CHỌN 12

CÁC GIẢI PHÁP GIÁM SÁT HÀNH TRÌNH 12

1 Tính năng của thiết bị giám sát hành trình 12

2 Yêu cầu thiết kế 13

3 Các phương pháp xác định vị trí 13

3.1 Phương pháp xác định vị trí dựa vào Cell-ID 13

3.2 Phương pháp xác định vị trí dựa vào GPS 16

4 Các phương pháp gửi dữ liệu về server 18

4.1 Phương pháp gửi dữ liệu qua SMS 18

4.2 Phương pháp gửi dữ liệu qua GPRS 18

5 L ựa chọn giải pháp thực hiện 18

5.1 L ựa chọn phương pháp xác định vị trí 18

5.2 L ựa chọn phương pháp truyền dữ liệu về server 19

5.3 M ột số yêu cầu khác 19

CHƯƠNG II 23

THI ẾT KẾ VÀ THỰC THI PHẦN CỨNG 23

1 Module GPS 23

1.1 Ch ọn modul GPS 23

1.2 Chu ẩn NMEA 24

2 Module GSM 29

2.1 Chọn module GSM 29

2.3 M ạch bảo vệ cho SIM 33

2.4 Ăng-ten bắt sóng cho module GSM 33

2.5 T ập lệnh AT 34

3 Các h ệ thống phần cứng khác 36

3.1 MCU 36

3.2 M ạch nguồn 36

CHƯƠNG III 40

THI ẾT KẾ VÀ THỰC THI PHẦN MỀM 40

1 Yêu c ầu thiết kế 40

2 Firmware cho thiết bị 40

2.1 Bootloader 41

2.2 Firmware chính 42

3 Thiết kế giao thức truyền nhận giữa thiết bị và server 48

3.1 Định dạng bản tin 48

3.2 Bản tin login 49

3.3 Bản tin định kì 52

3.4 Bản tin update firmware 53

CHƯƠNG IV 55

KẾT LUẬN 55

1 Các kết quả đã đạt được 55

1.1 Phần cứng 55

1.2 Ph ần mềm 55

2 Tính c ạnh tranh so với các thiết bị trên thị trường 55

2.1 Đánh giá thị trường 55

2.2 Các c ải tiến của thiết bị so với các thiết bị trên thị trường 56

2.3 Các v ấn đề cần cải tiến của thiết bị 57

3 Hình ảnh của thiết bị 58

TÀI LI ỆU THAM KHẢO 59

Code Division Multiple Access

Truy cập đa người dùng, phân theo mã

CID Cell Identification Mã của trạm BTS

EMC Electromagnetic Compatibility Tương thích trường điện từ EMI Electro-Magnetic Interference Nhiễu điện từ

ESD Electro-Static-Discharge Xả điện tích tĩnh

GPRS General Packet Radio Service Công nghệ truyền dữ liệu

dựa trên nền tảng GSM GSM Global System for Mobile Hệ thống di động toàn cầu

MCC Mobile Country Code Mã mạng điện thoại

MCU Micro Controller Unit Bộ xử lý trung tâm

MNC Mobile Network Code Mã quốc gia

NMEA

National Marine Electronics Association

Chuẩn giao thức cho module GPS

OEM Original Equipment Manufacture Nhà sản xuất gốc

PPP Point to Point Protocol Giao thức kết nối điểm-điểm

khách hàng SMS Short Message Service Dịch vụ nhắn tin ngắn

TDES

Triple Data Encryption Algorithm

Thuật toán mã hóa dữ liệu, thực hiện mã hóa 3 lần trên mỗi loại dữ liệu

UART Asynchronous Receiver-Transmitter

Universal

Giao tiếp truyền nhận không đồng bộ

DANH M ỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 - Vị trí 1 thiết bị khi xác định bằng Cell ID 15

Hình 1.2 - Xác định vị trí dựa vào GPS 17

Hình 2.1 - Sơ đồ ghép nối module L70 với hệ thống 24

Hình 2.2 - Sơ đồ ghép nối module GSM 30

Hình 2.3 - Quá trình Turn On module SIM900 sử dụng chân POWERKEY[6] 31

Hình 2.4 - Quá trình Turn Off module SIM900 sử dụng chân POWERKEY 31

Hình 2.5 - Sơ đồ mạch giao tiếp giữa thẻ SIM với module SIM900 33

Hình 3.1 - Phân bố dữ liệu trong bộ nhớ flash của MCU 41

Hình 3.2 - Lưu đồ thuật toán firmware của bootloader 42

Hình 3.3 - Quá trình khởi động thiết bị 43

Hình 3.4 - Quá trình login của thiết bị 44

Hình 3.5 - Các tác vụ thực thi theo chu kì 45

Hình 3.6 - Chu kì thực thi 1s 45

Hình 3.7 - Chu kì thực thi 10s 46

Hình 3.8 - Quá trình login của thiết bị 50

Hình 4.1 - Tổng thể thiết bị 58

DANH M ỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 – So sánh tính năng của các thiết bị trên thị trường 13

B ảng 2.1 - So sánh một số module GPS phổ biến 23

Bảng 2.2 – Cấu trúc bản tin theo chuẩn NMEA 25

B ảng 2.3 – Bản tin RMC 26

Bảng 2.4 – Bản tin VTG 27

B ảng 2.5 – Bảng tin GGA 28

Bảng 2.6 - So sánh một số module GSM trên thị trường 29

B ảng 2.7 – So sánh giữa ăng-ten trong và ăng-ten ngoài 34

Bảng 2.8 – Tập lệnh AT 35

B ảng 3.1 – Định dạng bản tin 48

Bảng 3.2–Nội dung bản tin login 50

B ảng 4.1 – So sánh giá một số thiết bị 56

M Ở ĐẦU

Hiện nay trên thế giới, các thiết bị giám sát hành trình, các thiết bị dẫn đường cho các thiết bị giao thông cơ giới đã rất phát triển, tuy nhiên, ở Việt Nam, lĩnh vực này chỉ mới thực sự được quan tâm trong vài năm gần đây

Trước đây, đối với các doanh nghiệp kinh doanh về thiết bị vận tải, như các hãng taxi, các hãng xe bus… việc quản lí xe và lái xe rất khó khăn, ví dụ như không thể biết xe đang ở vị trí nào, xe đã chạy được bao nhiêu km trong ngày, hay mức nhiên liệu của xe hiện tại là bao nhiêu, trạng thái xe có khách hay không khách (đối với xe taxi)…

Hiện nay, sự kết hợp giữa công nghệ GPS (hệ thống định vị toàn cầu) và GPRS (công nghệ truyền dữ liệu không dây) đã giải quyết tương đối trọn vẹn các khó khăn trên Vị trí xe, tốc độ xe chạy được xác định qua hệ thống định vị, sau đó, các thông số này và tất cả các dữ liệu như mức nhiên liệu, trạng thái xe, quãng đường di chuyển của xe, vận tốc, vị trí của xe… đều được đưa về trung tâm để xử lí thông qua công nghệ truyền dữ liệu không dây GPRS

Ngoài việc quản lí các phương tiện giao thông cơ giới, sự kết hợp giữa 2 công nghệ trên còn có thể được ứng dụng vào hàng loạt các lĩnh vực khác như tìm đường cho xe, giám sát các trạm ATM…

Với tiềm năng ứng dụng rất lớn của các công nghệ trên, đề tài ra đời với mục đích tìm hiểu và ứng dụng các công nghệ trên vào thực tiễn

Các công nghệ nói trên có thể được ứng dụng vào rất nhiều lĩnh vực trong cuộc sống, trong đề tài này, tác giả sẽ ứng dụng các công nghệ trên vào việc giám sát hành trình các thiết bị giao thông cơ giới đường bộ, đối tượng hướng tới chủ yếu

là các xe ô tô Mục tiêu mong muốn là người quản lýcó thể nắm được lộ trình của xe

và biết vị trí xe tại thời điểm hiện tại

Trong quá trình thực hiện đề tài, tác giả đã có những cải tiến mới so với các

sản phẩm đang có trên thị trường, giúp tăng tính bảo mật và giảm giá thành, chi phí

sản xuất cho thiết bị, các cải tiến mới bao gồm :

- Tăng khả năng bảo mật dữ liệu thông qua việc lưu dữ liệu lộ trình vào

flash và mã hóa bản tin theo phương pháp mã hóa TDES

- Hỗ trợ tính năng update firmware từ xa, giúp giảm chi phí bảo hành và

nâng cấp thiết bị

- Không sử dụng bộ nhớ ngoài để lưu dữ liệu nên giảm chi phí sản xuất và

chi phí bảo hành

Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn TS Nguyễn Quốc

Cường và các bạn bè, đồng nghiệp đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ và tạo điều kiện để

tác giả có thể hoàn thành tốt đề tài này

Commented [q1]: Em cần có phân tích (có thể dánh ra 1 chương

hoặc 1 phần trong chương 1 để nói về tính năng của các sản phẩm do các công ty việt nam đang bán trên thị trường Nói chung chung thì

có vẻ như mình chưa thực sự đầu tư vào tìm hiểu kỹ các sản phẩm

để nâng cao chất lượng, mà thiêt kê chủ yếu do chủ quan của mình

Commented [PK2]: Vâng, em đã thêm vào phần 1 của chương I

Chương I PHÂN LOẠI VÀ LỰA CHỌN CÁC GIẢI PHÁP GIÁM SÁT HÀNH TRÌNH

1 Tính năng của thiết bị giám sát hành trình

Thiết bị giám sát hành trình sử dụng công nghệ GPS và GSM để giám sát và truyền dữ liệu, thiết cần đáp ứng được các tính năng cơ bản gồm :

- Lấy được thông số di chuyển của xe : kinh độ, vĩ độ, vận tốc, hướng

- Truyền được dữ liệu về một nơi nào đó để giám sát (thường là hệ thống server, truyền qua GPRS)

Các tính năng khác có thể mở rộng :

- Lưu thông số hành trình vào bộ nhớ

- Giao tiếp với các cảm biến : Cảm biến cửa, cảm biến động cơ, cảm biến tốc độ quay của bánh xe…

- Giao tiếp với camera, thực hiện giám sát bằng hình ảnh

- Nâng cấp firmware từ xa

- …

Bảng sau sẽ so sánh một tính năng của một số thiết bị phổ biến trên thị trường :

Tên thiết bị 1000TL CNS3 TK103 BA-XM

Tính năng cơ bản (giám sát vị trí, vận

tốc, gửi về server)

Đo các thông số của xe (trạng thái

cửa, điều hòa, động cơ)

Không Có Có Không

Lưu thông tin lộ trình trong bộ nhớ Không Có Có Không Nâng cấp firmware từ xa Không Có Không Có Kết nối với camera, giám sát bằng Không

hình ảnh

Kết nối cảm biến nhiên liệu Không Có Không Không

Bảng 1.1 – So sánh tính năng của các thiết bị trên thị trường

2 Yêu cầu thiết kế

Trong khuôn khổ của luận văn, tác giả sẽ thiết kế thiết bị giám sát hành trình tập trung vào một số tính năng, công nghệ mới mà thị trường chưa có, và chưa phổ biến như :

Các tính năng mở rộng khác như giao tiếp với các cảm biến, giao tiếp với camera… sẽ được bổ sung, mở rộng về sau

Có thể đưa ra các yêu cầu tính năngcho thiết bị trong luận văn như sau :

- Truyền nhận dữ liệu với server thông qua GPRS

- Thu sóng tín hiệu GPS từ vệ tinh và có khả năng tính toán, giải mã tín hiệu

để lấy ra các thông số cần thiết : Vận tốc, tọa độ, thời gian

- Cho phép nâng cấp firmware từ xa

- Bảo mật dữ liệu lộ trình trong thiết bị

- Đảm bảo an toàn cho các thiết bị xung quanh

- Gửi mã trạm BTS về server để phục vụ cho trường hợp bị mất sóng GPS

- Bảo mật thông tin lộ trình trong bộ nhớ

3 Các phương pháp xác định vị trí

3.1 Phương pháp xác định vị trí dựa vào Cell-ID

Các điện thoại liên lạc với nhau qua mạng GSM hoặc CDMA, việc truyền nhận dữ liệu của điện thoại dựa vào các trạm phát sóng BTS (Base Transceiver Station), các trạm này được đặt cố định tại 1 vị trí trên mặt đất, và có khả năng thu, phát sóng trong phạm vi bao phủ

Mỗi điện thoại khi muốn truyền dữ liệu đều sẽ tìm trạm BTS gần nhất (sóng khỏe nhất) để kết nối tới, mỗi trạm BTS có 1 mã số riêng, gọi là Cell ID,dựa vào vị trí trạm BTS, chúng ta có thể xác định được vị trí tương đối của điện thoại đã kết nối tới

Hiện nay, dữ liệu về trạm BTS đã được toàn cầu hóa, một số công ty, tập đoàn lớn cung cấp các công cụ, bộ thư viện để các nhà phát triển có thể xác định được vị trí dựa vào Cell ID, điển hình là Google, Open Cell ID…

Để xác được vị trí dựa vào Cell ID, người dùng cần xác định 4 thông số :

- MCC : Mobile Country Code (Mã mạng điện thoại)

- MNC : Mobile Network Code (Mã nước)

- LAC : Location Area Code (Mã vùng)

- CID : Cell ID (ID của trạm BTS)

Việc xác định vị trí qua Cell ID có ưu điểm là người dùng chỉ cần sử dụng điện thoại có sẵn (hoặc 1 thiết bị có khả năng tìm kiếm các trạm BTS) là xác định được vị trí tương đối của điện thoại, không cần phải đầu tư thêm các thành phần khác, tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là sai số lớn, không thể xác định chính xác

Hình 1.1 - V ị trí 1 thiết bị khi xác định bằng Cell ID

3.2 Phương pháp xác định vị trí dựa vào GPS

GPS (Global Positioning System - Hệ thống định vị toàn cầu) là hệ thống xác định vị trí dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo Trong cùng một thời điểm, ở một

vị trí trên mặt đất nếu xác định được khoảng cách đến ba vệ tinh (tối thiểu) thì sẽ tính được tọa độ của vị trí đó

Nguyên lý xác định toạ độ của hệ thống GPS dựa trên công thức :

s = v * t

s : Khoảng cách từ máy thu tới vệ tinh

v : Vận tốc sóng điện từ

t : Thời gian truyền sóng từ vệ tinh tới máy thu

Vị trí của máy thu được xác định từ các mặt cầu có tâm là các vệ tinh, bán kính là quãng đường s mà sóng điện từ truyền từ vệ tinh tới máy thu Khi bắt được sóng của 4 vệ tinh, máy thu sẽ xác định được tọa độ và độ cao tại vị trí của máy thu trên trái đất

Hình 1.2 - Xác định vị trí dựa vào GPS

Hiện nay, các nước chủ yếu sử dụng hệ thống định vị được cung cấp miễn phí của Mỹ, đây là hệ thống gồm 24 vệ tinh chuyển động xung quanh trái đất, chạy bằng năng lượng mặt trời, cách mặt đất khoảng 19300 Km, mỗi vệ tinh quay quanh trái đất 2 vòng 1 ngày đêm, quỹ đạo của 24 vệ tinh được tính toán sao cho tại bất kì nơi nào trên trái đất có thể bắt được sóng của 4 vệ tinh.[11]

Việc xác định vị trí dựa vào GPS cũng tồn tại các khó khăn như vận tốc sóng điện từ phụ thuộc vào chiết suất của môi trường mà nó truyền tới, chiết suất này bị ảnh hưởng ít nhiều bởi tầng khí quyển trên trái đất, thời gian giữa thiết bị thu phải đồng bộ với thời gian của vệ tinh, việc bắt sóng từ vệ tinh kém khi máy thu nằm trong khu vực che khuất như các nhà cao tầng…

Hiện nay với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, việc xác định vị trí bằng GPS

đã cho độ chính xác khá tốt, các máy thu trên thị trường, ở điều kiện bắt sóng tốt có thể xác định vị trí với độ chính xác trong bán kính 10m

4 Các phương pháp gửi dữ liệu về server

Các dữ liệu của xe như vận tốc, tọa độ, nhiên liệu, các cảm biến từ động cơ, điều hòa… cần phải được truyền về server, phần mềm trên server sẽ phân tích dữ liệu này và hiển thị các thông tin cần thiết cho người dùng

Phương pháp truyền dữ liệu phải được đảm bảo độ tin cậy, cũng như không phụ thuộc vào khoảng cách truyền

4.1 Phương pháp gửi dữ liệu qua SMS

SMS (Short Message Service) là 1 dịch vụ cung cấp khả năng nhắn tin từ 1 thuê bao di động này tới 1 thuê bao di động khác, phương pháp truyền dữ liệu qua SMS khá đơn giản về mặt kĩ thuật, tuy nhiên hiệu suất thực thi không cao khi lượng truyền dữ liệu lớn, hơn nữa kinh phí thực hiện khá tốn kém khi cần truyền lượng dữ liệu lớn hoặc cần truyền dữ liệu ở tốc độ cao

4.2 Phương pháp gửi dữ liệu qua GPRS

GPRS (General Packet Radio Service) là một dịch vụ cung cấp phương pháp truyền dữ liệu không dây, hiện nay GPRS được cung cấp ở hầu hết các mạng GSM (Global System for Mobile communications)

GPRS cho phép truyền dữ liệu lên tới tốc độ 150kbps, có thể sử dụng GPRS để truyền hầu hết các loại dữ liệu, các thuê bao điện thoại có thể sử dụng GPRS để duyệt web, download hoặc upload file…

Chi phí để sử dụng GPRS rẻ hơn so với phương pháp sử dụng SMS rất nhiều, tốc độ truy suất nhanh, cho phép truyền lượng dữ liệu lớn Tuy nhiên việc thực thi phương pháp truyền dữ liệu qua GPRS đòi hỏi nhiều kĩ thuật phức tạp hơn so với phương pháp truyền dữ liệu qua SMS

5 Lựa chọn giải pháp thực hiện

5.1 Lựa chọn phương pháp xác định vị trí

Phương pháp sử dụng Cell ID tuy không cho độ chính xác cao, nhưng có thể xác định được vị trí mà không phụ thuộc vào điều kiện thời tiết cũng như vị trí địa lý, phương pháp sử dụng GPS cho độ chính xác cao hơn rất nhiều, nhưng lại không xác định được khi thiết bị thu sóng GPS ở những nơi che khuất

Do vậy, phương pháp tốt nhất để có thể xác định vị trí của thiết bị là sử dụng đồng thời cả 2 phương pháp trên, tại một thời điểm, luôn ưu tiên việc xác định vị trí qua GPS, trong trường hợp có thể xác định được vị trí qua GPS thì không sử dụng phương pháp Cell ID, trong trường hợp không thể xác định vị trí qua GPS thì mới

sử dụng Cell ID để xác định vị trí

5.2 Lựa chọn phương pháp truyền dữ liệu về server

Với ưu điểm là cho phép truyền 1 lượng dữ liệu lớn với tốc độ cao và chi phí rẻ,

và không giới hạn khoảng cách, tác giả quyết định sử dụng phương pháp truyền dữ liệu qua GPRS để truyền dữ liệu về server

5.3 Một số yêu cầu khác

a Tính b ảo mật của dữ liệu khi truyền về server

Do thiết bị truyền dữ liệu về server chỉ dựa trên IP đích của server, do vậy nếu như chỉ cấu hình IP đích của 1 server nào đó là có thể lấy được toàn bộ gói dữ liệu

mà thiết bị gửi lên, hacker có thể phân tích dữ liệu này và chiếm quyền điều khiển thiết bị, do vậy dữ liệu truyền lên server cần phải có 1 giao thức nhất định, đồng thời phải được mã hóa theo 1 cơ chế nào đó để hacker dù lấy được gói dữ liệu cũng không thể phân tích được dữ liệu truyền lên là gì

Cơ chế truyền nhận giữa thiết bị và server sẽ được trình bày ở mục 2 phần III :

“Thiết kế giao thức truyền nhận với server”

b Tính bảo mật của dữ liệu lộ trình lưu trong thiết bị

Việc sử dụng phương pháp truyền dữ liệu qua GPRS có thể bị gián đoạn khi xe

đi vào các vùng mất sóng GPRS, hoặc vì 1 lý do nào đó khiến cho server và thiết bị tạm thời không thể kết nối được với nhau, do vậy tại những thời điểm này, thiết bị

cần phải lưu các thông tin về trạng thái của xe vào trong 1 vùng nhớ nào đó trên thiết bị, khi thiết bị kết nối trở lại với server, dữ liệu này sẽ được gửi lại về server Việc lưu dữ liệu trong bộ nhớ của thiết bị còn có thể được phục vụ cho công tác điều tra trong trường hợp xe gặp sự cố, hoặc trong trường hợp cần xác minh lại trạng thái xe một cách chi tiết, cụ thể

Do vậy, dữ liệu lưu trong thiết bị cần phải được bảo mật để nhằm ngăn chặn việc thay đổi dữ liệu Có thể mã hóa dữ liệu trong bộ nhớ theo 1 phương pháp mã hóa nào đó, hoặc có thể lưu dữ liệu tại 1 vị trí không cho phép đọc từ bên ngoài

Trong đề tài này, tác giả sử dụng phương pháp lưu dữ liệu trong bộ nhớ flash nội của vi điều khiển Hiện nay bộ nhớ flash của vi điều khiển có thể chứa dung lượng lên tới 1MB, hơn nữa hiện nay hầu hết các nhà sản xuất cho phép việc khóa việc truy cập vào flash nội của vi điều khiển, chỉ có thể xóa dữ liệu và ghi lại mà không thể đọc lại dữ liệu

Việc lưu dữ liệu trong bộ nhớ flash của vi điều khiển còn giúp giảm chi phí mua

IC nhớ để lưu dữ liệu, cũng như giảm chi phí bảo hành thiết bị Đây cũng là 1 điểm mới so với các thiết bị trên thị trường, hầu hết đang sử dụng phương pháp lưu dữ liệu vào thẻ nhớ hoặc 1 IC nhớ bên ngoài

c Nâng c ấp firmware từ xa

Trong quá trình thiết bị vận hành, có thể sẽ phát sinh thêm các yêu cầu như cần nâng cấp tính năng, hoặc cần sửa 1 lỗi nào đó trong firmware trong thiết bị, trong khi đó việc mang thiết bị về để nạp lại firmware sẽ gây gián đoạn đến việc giám sát

lộ trình, nếu đến tận nơi để nạp lại firmware sẽ gây nhiều tốn kém do chi phí đi lại Mặt khác, quá trình nâng cấp firmware cần phải đảm bảo không làm gián đoạn đến quá trình giám sát hành trình, do vậy không thể sử dụng phương pháp nạp firmware trực tiếp Hơn nữa việc đến nạp firmware trực tiếp sẽ làm tăng chi phí bảo hành, bảo trì thiết bị, dẫn tới giá thành thiết bị tăng

Sử dụng phương pháp truyền dữ liệu thông qua GPRS, có thể truyền được 1 lượng lớn dữ liệu với tốc độ cao.Khi cần nâng cấp firmware, server sẽ gửi bản tin yêu cầu nâng cấp, sau đó sẽ gửi firmware theo từng packet xuống thiết bị, thiết bị nhận được và lưu vào trong bộ nhớ trên thiết bị Khi nhận đầy đủ firmware, thiết bị

sẽ thực hiện quá trình ghi firmware mới vào trong bộ nhớ của MCU và sau đó MCU

sẽ chạy bản firmware mới

d Lưu các thông số thiết bị

Trong quá trình sử dụng sản phẩm, có thể phát sinh nhiều lỗi, lúc này nhà phát triển cũng như nhà quản lí hệ thống cần các thông tin để gỡ lỗi, do vậy các thông tin này cũng cần được lưu lại trong bộ nhớ và gửi về server

Đồng thời trong quá trình sử dụng, thiết bị cần phải được cấu hình một cách linh hoạt các thông số hoạt động, các thông số này cần lưu trong bộ nhớ và người dùng

có thể thay đổi được, có thể cấu hình thông qua tin nhắn SMS hoặc ra lệnh từ server Các thông tin cần lưu trong bộ nhớ :

- ID thiết bị : Trong cùng 1 thời điểm, có thể có nhiều thiết bị cùng kết nối đến server, do vậy, mỗi thiết bị cần có 1 ID riêng để thuận tiện cho việc quản lý, ID này có thể thay đổi từ người dùng

- IP máy chủ : Khi gửi dữ liệu về server qua GPRS, thiết bị cần biết được địa chỉ IP và Port của máy chủ để gửi dữ liệu về, các thông số này cũng cần được lưu trong bộ nhớ và có thể thay đổi được từ người dùng

- Nguyên nhân reset/Số lần reset : trong quá trình hoạt động, có thể thiết bị

sẽ bị reset nhiều lần (do mất nguồn, do mất kết nối trong thời gian lâu, do tác động từ bên ngoài…), do vậy để hỗ trợ các nhà quản lý có thể quản lý tốt hơn thiết bị, các thông số gồm nguyên nhân reset và số lần reset của thiết bị cũng cần được xác định và gửi về server cũng như lưu lại trong bộ nhớ

- Phiên bản phần mềm/phần cứng : Tương tự như trên, các thông số này cũng cần lưu lại để hỗ trợ quản lý thiết bị

CHƯƠNG II THIẾT KẾ VÀ THỰC THI PHẦN CỨNG

1 Module GPS

1.1 Ch ọn modul GPS

Từ yêu cầu thiết kế, tác giả lựa chọn sử dụng module thu sóng GPS (gọi tắt là module GPS) có sẵn trên thị trường, module này đã tích hợp chip xử lý và hệ thống ăng-tenđể thu được sóng GPS từ vệ tinh, chip xử lý trong module sẽ thực hiện tính toán các thông số cần thiết và gửi về cho MCU của thiết bị giám sát hành trình các thông số này theo 1 giao thức nhất định

Trên thị trường có nhiều loại module GPS khác nhau, mỗi loại đều có những ưu, nhược điểm riêng, bảng sau sẽ so sánh một số loại module GPS phổ biến trên thị trường :

Module GPS

SIM908 (module GPS tích h ợp)

Thời gian khởi động nguội (s) < 35s < 15s < 30s Thời gian khởi động nóng (s) < 1s < 1s < 1s

Độ chính xác vận tốc 0.1m/s 0.01m/s 0.01 Điện áp hoạt động 3.3V-4.2V 2.8V-4.3V 3.2V-4.8V

Module GPS được sử dụng trong thiết bị là module L70 của Quectel, so với một

số module phổ biến khác, L70 có một số ưu điểm vượt trội:

- Độ nhạy sóng GPS tương đối cao (-163dBm)

- Thời gian khởi động nguội nhỏ nhất trên thị trường (< 15s)

- Năng lượng tiêu thụ thấp (22mA)

- Độ chính xác vận tốc cao (0.01m/s)

- Giá thành rẻ

Hình 2.1 - Sơ đồ ghép nối module L70 với hệ thống

1.2 Chuẩn NMEA

Module GPS truyền dữ liệu thu được từ vệ tinh thông qua chuẩn dữ liệu

NMEA, dữ liệu được chia thành các packet, mỗi loại packet chứa 1 số loại thông số

mà module GPS giải mã được từ tín hiệu thu được từ vệ tinh

GND

100R

R6

D1 F03

100R R7

+3.3V

0.22F C17

1K R501

1K R502 1K R503

C ấu trúc bản tin theo chuẩn NMEA :

Checksum 2 Số dưới dạng mã hex, được tính bằng cách

OR tất cả các kí tự trong bản tin tính từ ‘$’ đến ‘*’

<CR><LF> 2 Đánh dấu kết thúc bản tin NMEA

Bảng 2.2 – Cấu trúc bản tin theo chuẩn NMEA

Bản tin RMC (Recommended Minimum Position Data)

Bản tin này gửi thông tin về vị trí, vận tốc và thời gian thu được từ vệ tinh qua module GPS

Ví dụ :

$GPRMC,053740.000,A,2503.6319,N,12136.0099,E,2.69,79.65,100106,,,A*53<C R><LF>

UTC Time Thời gian ở định dạng “hhmmss.ss”

Data Valid Mô tả tính chính xác của dữ liệu

‘V’ : InValid

‘A’ : Valid

Latitude Vĩ độ, ở định dạng ‘ddmm.mmmm’ (độ và phút)

‘S’ = Hướng nam Longtitude Kinh độ, ở định dạng ‘ddmm.mmmm’ (độ và phút)

‘W’ = Tây Speed Tốc độ, ở định dạng Knots

Positioning mode Mô tả cách module lấy tọa độ

Positioning mode Mô tả cách module lấy tọa độ

‘W’ = Tây Fix status ‘0’ = Invalid

‘1’ = GPS Fix

‘2’ = DGPS fix Number of SV Số lượng vệ tinh đang lấy tín hiệu (0~12)

HDOP Độ chính xác theo chiều ngang

Altitude Độ cao theo hệ toạ độ WGS84

2 Module GSM

2.1 Chọn module GSM

Để có thể truyền nhận dữ liệu với server thông qua GPRS, tác giả sử dụng 1 module GSM có sẵn trên thị trường, module này sẽ nhận nhiệm vụ giao tiếp với 1 sim điện thoại để kết nối với nhà mạng cung cấp dịch vụ GPRS, việc trao đổi dữ liệu, cũng như quá trình kết nối tới nhà mạng sẽ được điều khiển qua MCU trên thiết bị

Bảng sau so sánh một số loại module GSM phổ biến trên thị trường :

Module GSM

Tính năng

BG2-E (Cinterion) M95 (Quectel)

SIM900 (SIMCOM)

Băng tần 900 / 1800 MHz 850/ 900/ 1800/

1900 MHz

850/ 900/ 1800/

1900 MHz Nguồn cấp 3.3 – 4.5 V 3.3~4.6V 3.4 – 4.5 V Tốc độ download 85.6 kbps 85.6 kbps 85.6 kbps Tốc độ upload 21.4 kbps 85.6 kbps 42.8 kbps

Giá thành (cho số lượng

1000pcs)

Bảng 2.6 - So sánh một số module GSM trên thị trường

Các module GSM nói chung khác nhau về tốc độ download/upload dữ liệu, các thông số như băng tần hoạt động, giao thức tập lệnh AT, các thông số khác, như hỗ trợ SMS, giao thức truyền nhận qua internet… hầu như không có sự khác nhau nhiều