Với khả năng định vị và theo dõi, sản phẩm đề tài có thể giúp chúng ta theo dõi hoạt động, tình trạng của thiết bị từ xa ở bất kì nơi nào trên thế giới thông qua mạng thông tin di động v
TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Ngày nay cùng với sự phát triển không ngừng của xã hội, khát vọng chinh phục công nghệ của con người cũng ngày càng tăng theo thời gian Chính vì thế ngành Điện tử - Viễn thông đang trên đà phát triển nhanh chóng và ngày càng tạo ra nhiều sản phẩm có tính ứng dụng cao trong cuộc sống, đó là cả một quá trình phấn đấu của các kỹ sư, chuyên gia nghiên cứu trên toàn thế giới
Tiếp nối công nghệ mới là sự ra đời và phát triển của hệ thống định vị toàn cầu bằng GPS Ở Việt Nam, một đất nước đang phát triển nên phần lớn gia đình đều có các phương tiện đi lại cần thiết như xe gắn máy, ô tô và các tài sản có giá trị khác
Tuy vậy, do yêu cầu công việc nên con người không thể kiểm soát toàn diện được dẫn đến tình trạng mất cắp tài sản thường xuyên Xác suất tìm lại tài sản bị mất trộm là rất thấp Vì vậy, việc quản lí và bảo quản tài sản là một vấn đề lớn đang cần được giải quyết Với những kiến thức chuyên ngành có được thì đề tài
“Định vị và theo dõi phương tiện giao thông” ra đời với mong muốn có thể được ứng dụng vào thực tế ở Việt Nam
Với khả năng định vị và theo dõi, sản phẩm đề tài có thể giúp chúng ta theo dõi hoạt động, tình trạng của thiết bị từ xa ở bất kì nơi nào trên thế giới thông qua mạng thông tin di động và đặc biệt nhờ hệ thống GPS có thể định vị tương đối chính xác tọa độ Định vị và theo dõi phương tiện giao thông SVTH: Đinh Công Duy
Sự phát triển của công nghệ
Công nghệ GPS (hệ thống định vị toàn cầu) do Mỹ sản xuất và chủ yếu được dùng cho mục đích quân sự và hàng không của Mỹ, Nhật và các nước Châu Âu Khoảng đầu thế kỷ 21, ứng dụng công nghệ này các công ty lớn trên thế giới (hãng Rockwell International, hãng Martine Marietta) bắt đầu phát minh ra các thiết bị định vị cá nhân dùng cho dân sự Gần đây, hãng viễn thông Trung Quốc sản xuất hàng loạt các thiết bị này từ các thiết bị cầm tay có màn hình hiển thị bản đồ cho đến các thiết bị giám sát được gắn cố định trên các phương tiện giao thông
Dịch dụ SMS (tin nhắn ngắn) ngày nay đã được phổ biến rộng rãi Mục đích sử dụng SMS do chi phí thấp và không gây ồn ào Tin nhắn SMS cũng có thể gửi được nhạc chuông, hình ảnh…Trong vài năm gần đây SMS còn được ứng dụng vào việc điều khiển các thiết bị trong gia đình, hệ thống báo động qua SMS…
Phạm vi của đề tài
Với thiết kế đề tài có thể ứng dụng xác định và thông báo hành trình trên taxi, xe tải và các phương tiện giao thông khác Bên cạnh đó, nếu được thiết kế nhỏ gọn có thể sẽ được sử dụng cho máy tính xách tay, gắn trên các thiết bị nhỏ có giá trị Đề tài cần giải quyết được các vấn đề sau:
- Nhận được bản tin định vị thông qua hệ thống định vị GPS
- Có khả năng gửi, nhận tin nhắn giữa tài xế và nhà quản lí
- Xác định được tọa độ của thiết bị thông qua bản tin GPS nhận được
- Phản hồi lại thông tin định vị theo yêu cầu người quản lí bằng SMS
- Có khả năng cảnh báo sự cố Định vị và theo dõi phương tiện giao thông SVTH: Đinh Công Duy
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
GIỚI THIỆU VỀ GPS
2.1.1 Hệ thống định vị toàn cầu
Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu GNSS (Global Navigation Satellite System) là tên dùng chung cho các hệ thống định vị toàn cầu Trên thế giới hiện có 3 hệ thống thuộc GNSS: GPS (Hoa kỳ), GALILEO (Liên minh Châu Âu) và GLONASS (Liên bang Nga)
Hình 2.1: Hệ thống định vị toàn cầu GNSS (Nguồn: vi.wikipedia.org)
Hệ thống định vị toàn cầu hoạt động được là nhờ sự truyền nhận tín hiệu của các vệ tinh, sử dụng vệ tinh để xác định vị trí của một điểm nào đó trên mặt đất Sau khi được phóng vào vũ trụ các vệ tinh sẽ trở thành trạm thông tin ngoài trái đất Các trạm thông tin này có nhiệm vụ thu sóng tín hiệu dưới dạng sóng vô tuyến từ một trạm ở trái đất, khuếch đại rồi phát trở về trái đất cho một trạm khác Định vị và theo dõi phương tiện giao thông SVTH: Đinh Công Duy
Vệ tinh bay xung quanh trái đất có 3 dạng quỹ đạo và có 2 quy luật chi phối và quyết định vệ tinh đang bay ở dạng nào là:
- Mặt phẳng quỹ đạo bay của vệ tinh phải cắt ngang tâm trái đất
- Trái đất phải là trung tâm của bất kì quỹ đạo nào của vệ tinh
Hình 2.2: Ba dạng quỹ đạo cơ bản của vệ tinh (Nguồn: vi.wikipedia.org)
Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) là hệ thống xác định vị trí dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo, do Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ thiết kế, xây dựng, vận hành và quản lý Trong cùng một thời điểm, tọa độ của một điểm trên mặt đất sẽ được xác định nếu xác định được khoảng cách từ điểm đó đến ít nhất ba vệ tinh Định vị và theo dõi phương tiện giao thông SVTH: Đinh Công Duy
Hình 2.3: Hệ thống vệ tinh GPS (Nguồn: vi.wikipedia.org)
Hệ thống GPS được quản lí bởi Bộ quốc Phòng Hoa Kỳ, một vài ứng dụng của GPS được Hoa Kỳ cho phép sử dụng phổ biến trên toàn thế giới
Hệ thống GPS gồm một chòm sao với 24 vệ tinh, được đặt trên quỹ đạo không gian Hệ thống hoàn thành vào năm 1994 Để đảm bảo tính toàn cầu thì các vệ tinh này bao phủ toàn bộ trái đất một cách liên tục, các vệ tinh sẽ được sắp xếp trên 6 mặt phẳng quỹ đạo, mỗi quỹ đạo có từ 4 vệ tinh trở lên Với sự bố trí này, sẽ có khoảng từ 4 đến 10 vệ tinh luôn hiện hữu bất cứ nơi nào trên Trái Định vị và theo dõi phương tiện giao thông SVTH: Đinh Công Duy Đất Ta chỉ cần 3 vệ tinh để định vị hoặc 4 vệ tinh để cung cấp sự định vị đầy đủ bao gồm cả độ cao
Hình 2.4: Chòm sao vệ tinh GPS (Nguồn: vi.wikipedia.org)
Quỹ đạo vệ tinh gần như là một hình tròn (một hình Elip với tâm sai cực đại khoảng 0.01), với độ nghiêng khoảng 55 O so với xích đạo Bán kính của quỹ đạo GPS là khoảng 26560 Km (độ cao của vệ tinh khoảng 20112 Km so với mặt đất) Chu kỳ quỹ đạo của vệ tinh là 12 giờ
Các vệ tinh GPS phát hai tín hiệu vô tuyến công suất thấp dải L1 và L2 (dải
L là phần sóng cực ngắn của phổ điện từ trải rộng từ 0.39 đến 1.55 GHz) GPS dân sự dùng tần số L1 1575.42 MHz trong dải UHF Tín hiệu truyền trực thị, có nghĩa là chúng sẽ xuyên qua mây, thủy tinh và nhựa nhưng không qua phần lớn các vật cản cứng như núi và nhà
Các vệ tinh GPS bay vòng quanh Trái Đất hai lần một ngày theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu có thông tin xuống Trái Đất Máy thu nhận thông tin và dùng phép tính lượng giác để tính chính xác vị trí người dùng Thực Định vị và theo dõi phương tiện giao thông SVTH: Đinh Công Duy chất, máy thu GPS đo sự sai lệch về thời gian tín hiệu được phát đi từ vệ tinh và thời gian nhận được nó để tính khoảng cách đến vệ tinh Với cách làm như vậy đối với các vệ tinh khác nhau máy thu tìm được vị trí của người dùng Máy thu phải nhận tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để tính ra kinh độ, vĩ độ và theo dõi sự chuyển động Nếu máy thu nhận được tín hiệu của ít nhất bốn vệ tinh thì tính được kinh độ, vĩ độ và độ cao
Một khi vị trí người dùng đã tính được thì máy thu GPS có thể tính các thông tin khác, như tốc độ, hướng chuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hành trình, khoảng cách tới điểm đến…
Hình 2.5: Định vị từ GPS (Nguồn: vi.wikipedia.org) 2.1.4 Độ chính xác của GPS
Các máy thu ngày nay cực kì chính xác, nhờ vào thiết kế nhiều kênh hoạt động song song của chúng Trạng thái của khí quyển và các nguồn gây sai số khác có thể ảnh hưởng tới độ chính xác của máy thu GPS Các máy thu GPS thông thường có độ chính xác trung bình trong vòng 15 mét Định vị và theo dõi phương tiện giao thông SVTH: Đinh Công Duy
Các máy thu mới hơn có khả năng WAAS (Wide Area Augmentation System) có thể tăng độ chính xác trung bình dưới 3m nhờ vào GPS vi sai (Differential GPS-DGPS) Hệ thống vi sai bao gồm một mạng các đài thu tín hiệu GPS và phát các tín hiệu, muốn thu được tín hiệu chính xác người dùng phải có máy thu tín hiệu vi sai và antena GPS
Mỗi vệ tinh GPS liên tục truyền các bản tin định vị với tốc độ 50bit/s bao gồm các thông tin: thời gian trong tuần, số tuần và thông tin trạng thái hoạt động của vệ tinh (tất cả chứa trong phần đầu của bản tin), lịch thiên văn (chứa trong phần thứ 2 của bản tin) và một niên lịch (phần cuối của bản tin) Dữ liệu lịch thiên văn cho biết vệ tinh đang ở vị trí nào trên quỹ đạo ở mỗi thời điểm trong ngày Dữ liệu niên lịch được phát định kỳ chứa thông tin về trạng thái của vệ tinh và ngày giờ hiện tại
Các bản tin được truyền trong các khung, với thời gian truyền là 30 giây cho 1500 bit, 30 giây truyền của khung bản tin được bắt đầu chính xác tại thời điểm tròn phút hoặc giây thứ 30 theo đồng hồ nguyên tử của vệ tinh Mỗi khung có chứa 5 khung con với độ dài 6 giây và chứa 300 bit, mỗi khung con có chứa
10 từ, mỗi từ 0,6 giây và 30 bit
Tất cả các vệ tinh phát bản tin định vị tại cùng hai tần số 1575.42 MHz (tần số L1) và 1227.60 MHz (tần số L2)
2.1.6 Các thành phần cơ bản của GPS
GPS hiện tại gồm 3 phần chính: phần không gian, kiểm soát và sử dụng
2.1.6.1 Phần không gian (Các vệ tinh)
Phần không gian gồm 24 vệ tinh (21 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự phòng) nằm trên các quỹ đạo xoay quanh Trái Đất Chúng cách mặt đất Định vị và theo dõi phương tiện giao thông SVTH: Đinh Công Duy
20112km, bán kính quỹ đạo 26600 Km Chúng chuyển động ổn định, hai vòng quỹ đạo trong khoảng thời gian gần 24 giờ, với vận tốc 7 nghìn dặm một giờ Các vệ tinh trên quỹ đạo được bố trí sao cho các máy thu GPS trên mặt đất có thể nhìn thấy tối thiểu 4 vệ tinh vào bất kì thời điểm nào Các vệ tinh có thể duy trì hoạt động nhờ vào năng lượng Mặt Trời và pin dự phòng để duy trì hoạt động khi chạy khuất vào vùng không có ánh sáng Mặt Trời
2.1.6.2 Phần kiểm soát (Trạm mặt đất)
TỔNG QUAN VỀ GSM
2.2.1 Giới thiệu chung về hệ thống GSM
Hệ thống thông tin di động toàn cầu (tiếng Anh: Global System for Mobile Communication; viết tắt: GSM ) là một công nghệ dùng cho mạng thông tin di động Các mạng thông tin di động GSM cho phép có thể kết nối (roaming) với nhau Do đó, những máy điện thoại di động GSM của các mạng GSM khác nhau có thể được sử dụng nhiều nơi trên thế giới
GSM là chuẩn phổ biến nhất cho điện thoại di động (ĐTDĐ) trên thế giới Khả năng phủ sóng rộng khắp nơi của chuẩn GSM cho phép người sử dụng có thể sử dụng ĐTDĐ của họ ở nhiều vùng trên thế giới GSM được xem như là một hệ thống ĐTDĐ thế hệ thứ hai (sencond generation, 2G) Mạng GSM hoạt động trên 4 băng tần, hầu hết hoạt động ở băng tần 900 MHz và 1800 MHz, vài nước Châu Mỹ sử dụng băng tần 850 MHz và 1900 MHz Ở Việt Nam thường sử dụng phổ biến băng tần 900 MHz và 1800 MHz đối với mạng Mobiphone và Viettel Đối với băng tần 900 MHz truyền dẫn tín hiệu bằng 2 đường uplink (dải tần số từ 890 – 915 MHz) và downlink (dải tần số từ 935– 960 MHz), chia băng tần thành 124 kênh với độ rộng băng thông 25 MHz và khoảng cách mỗi kênh là 200 kHz
Công nghệ GSM được xây dựng trên cơ sở hệ thống mở nên nó dễ dàng kết nối các thiết bị khác nhau từ các nhà cung cấp thiết bị khác nhau Mỗi mạng GSM bất kì bao gồm các phân hệ sau:
- Phân hệ chuyển mạch NSS: Network Swtiching SubSystem
- Phân hệ vô tuyến RSS = BSS + MS: Radio SubSystem
- Phân hệ vận hành và bảo dưỡng OMS: Operation and Maintenance SubSystem Định vị và theo dõi phương tiện giao thông SVTH: Đinh Công Duy
Hình 2.8: Cấu trúc hệ thống GSM (Nguồn: vi.wikipedia.org)
Bảng 2: Các kí hiệu hệ thống GSM
OSS Phân hệ khai thác và hỗ trợ BTS Trạm vô tuyến gốc
AUC Trung tâm nhận thực MS Trạm di động
HLR Bộ ghi định vị thường trú ISDN Mạng liên kết đa dịch vụ
MSC Tổng đài di động PSTN Mạng chuyển mạch điện thoại công cộng BSS Phân hệ trạm gốc
BSC Bộ điều khiển trạm gốc PSPDN Mạng chuyển mạch gói công cộng Định vị và theo dõi phương tiện giao thông SVTH: Đinh Công Duy
OMC Trung tâm khai thác và bảo dưỡng
CSPDN (Circuit Switched Public Data Network)
Mạng số liệu chuyển mạch kênh công cộng
SS Phân hệ chuyễn mạch
VLR Bộ ghi định vị tạm trú PLMN Mạng di động mặt đất công cộng EIR Thanh ghi nhận dạng thiết bị
2.2.2 Đặc điểm của hệ thống GSM
Mọi mạng điện thoại cần một cấu trúc nhất định để định tuyến các cuộc gọi đến tổng đài cần thiết và cuối cùng đến thuê bao bị gọi Ở một mạng di động, cấu trúc này rất quan trọng do tính lưu thông của các thuê bao trong mạng Trong hệ thống GSM, mạng được phân chia thành các phân vùng sau:
Hình 2.9: Phân cấp cấu trúc địa lí mạng GSM Định vị và theo dõi phương tiện giao thông SVTH: Đinh Công Duy
Vùng phục vụ GSM là toàn bộ vùng phục vụ do sự kết hợp của các quốc gia thành viên nên những máy điện thoại di động GSM của các mạng GSM khác nhau có thể sử dụng được nhiều nơi trên thế giới Tất cả các cuộc gọi vào hay ra mạng GSM/PLMN đều được định tuyến thông qua tổng đài vô tuyến cổng G-MSC (Gateway - Mobile Service Switching Center) G-MSC làm việc như một tổng đài trung kế vào cho GSM/PLMN
Vùng phục vụ MSC là một bộ phận của mạng được một MSC quản lý Để định tuyến một cuộc gọi đến một thuê bao di động Mọi thông tin để định tuyến cuộc gọi tới thuê bao di động hiện đang trong vùng phục vụ của MSC được lưu giữ trong bộ ghi định vị tạm trú VLR
Vùng định vị là một vùng mà ở đó thông báo tìm gọi sẽ được phát quảng bá để tìm một thuê bao di động bị gọi Vùng định vị LA được hệ thống sử dụng để tìm một thuê bao đang ở trạng thái hoạt động Hệ thống có thể nhận dạng vùng định vị bằng cách sử dụng nhận dạng vùng định vị LAI (Location Area Identity):
MCC (Mobile Country Code): mã quốc gia
MNC (Mobile Network Code): mã mạng di động
LAC (Location Area Code) : mã vùng định vị (16 bit)
Vùng định vị được chia thành một số ô (cell) mà khi MS di chuyển trong đó thì không cần cập nhật thông tin về vị trí với mạng Cell là đơn vị cơ sở của mạng, là một vùng phủ sóng vô tuyến được nhận dạng bằng nhận đạng ô toàn cầu (CGI) Định vị và theo dõi phương tiện giao thông SVTH: Đinh Công Duy
2.2.3 Các dịch vụ của hệ thống GSM
Các dịch vụ viễn thông của hệ thống GSM rất đa đạng và phổ biến tồn tại cho đến ngày nay bao gồm các nhóm dịch vụ cơ bản sau:
- Dịch vụ thoại: là dịch vụ cơ bản nhất giúp con người có thể trao đổi thông tin với nhau Có nhiều dịch vụ thoại khác như: điện thoại dùng thẻ (cardphone), điện thoại di động tốc độ thấp nội vùng (cityzone), điện thoại đi động (mobile phone)…
- Dịch vụ nhắn tin: cho phép người sử dụng tiếp nhận các tin nhắn, dịch vụ này thuận lợi cho người thường xuyên di chuyển mà vẫn nhận được thông tin với chi phí không lớn
- Dịch vụ cho thuê kênh viễn thông: cung cấp các kênh tần số trong hệ thống phục vụ cho dịch vụ giải trí trên các đài phát thanh và truyền hình…
- Dịch vụ VoIP: dịch vụ này không chỉ truyền thoại mà còn có thể tích hợp cả dịch vụ thoại, truyền hình và dữ liệu…
GIỚI THIỆU VỀ MODULE SIM 908 EASY
2.3.1 Tổng quan về Module SIM908 Easy Được thiết kế cho thị trường toàn cầu, Module SIM908 Easy được tích hợp một bộ GSM/GPRS và một bộ GPS mạnh Bộ GSM/GPRS hoạt động ở 4 băng tần là GSM 850 MHz, EGSM 900 MHz, DCS 1800 MHz và PCS 1900 MHz Module SIM908 hỗ trợ GPRS multi-slot class 10/ class 8 và các mã hóa chương trình CS1, CS2, CS3 và CS4 Bộ GPS của SIM908 cho thời gian khởi động, độ chính xác và độ nhạy tốt nhất
Với việc được đóng gói nhỏ gọn, SIM908 có thể đáp ứng được không gian tốt trong các ứng dụng như M2M (Machine to Machine), Smart phone, PDA, các thiết bị định vị và di động khác Định vị và theo dõi phương tiện giao thông SVTH: Đinh Công Duy
GSM/GPS SIM908 Easy là một sản phẩm do AT-COM phát triển dựa trên các tính năng của Module SIM908 GSM/GPS SIM908 Easy được thiết kế giúp người dùng dễ dàng nghiên cứu và triển khai các ứng dụng liên quan đến GSM, GPRS như điều khiển, giám sát, truyền nhận dữ liệu…và ứng dụng GPS như: định vị toạ độ hiển thị lên bản đồ Google, đo tốc độ , thời gian…với độ chính xác cao
Ngoài ra, sản phẩm còn được tích hợp Battery và bộ sạc Li-ion Battery cung cấp cho người dùng khả năng di động cao và tiện lợi Bên cạnh đó với kích thước nhỏ gọn, ngõ ra dữ liệu tiện dụng, GSM/GPS SIM908 Easy sẽ mang đến những cảm hứng thiết kế hiện đại và tinh tế nhất
Hình 2.10: SIM908 Easy Định vị và theo dõi phương tiện giao thông SVTH: Đinh Công Duy
2.3.2 Đặc điểm kỹ thuật của module SIM908 Easy
Sản phẩm được tích hợp ATCBus Socket với các chân theo thứ tự cho phép người dùng kết nối với các sản phẩm có hỗ trợ ATCBus một cách dễ dàng Tất cả chỉ trong một ATCBus
Board hỗ trợ GSM Antenna Connector, GPS Antenna Connector cho phép kết nối với anten GSM và anten GPS gắn ngoài GSM/GPS SIM908 Easy được thiết kế hỗ trợ cho cả "Active Antenna" và "Passive Antenna" Người dùng có thể chọn sử dụng Active Antenna hoặc Passive Antenna thông qua "Jump Select" Nếu sử dụng Passive Antenna thì Jump Select được để hở, nếu sử dụng Active Antenna thì người dùng hàn mối nối Jump Select Mặc định khi sản xuất GSM/GPS SIM908 Easy được hàn mối nối Jump Select để chọn Active Antenna Ngoài ra, GSM/GPS SIM908 Easy còn hỗ trợ IPX Connector cho cả GSM và GPS Antenna cho phép kết nối anten ngoài đa dạng hơn, tiện dụng tối đa cho người dùng
Hình 2.11: Module và anten GPS
Nút nhấn ON/OFF cho phép khởi động SIM908 bằng tay bên cạnh việc khởi động qua chân PWRKEY trên ATCBus Socket Định vị và theo dõi phương tiện giao thông SVTH: Đinh Công Duy
LED Status hiển thị trạng thái Power on của SIM908
LED Netlight hiển thị trạng thái của mạng điện thoại hiện tại SIM908 đang kết nối
GPS Header với các ngõ: TXD_GPS, RXD_GPS, GND của bộ GPS giúp người dùng lấy tọa độ của SIM908 truyền về trực tiếp không cần thông qua bộ
Tích hợp đế SIM Card trên mạch
Tích hợp connector anten GSM, GPS trên mạch
Tích hợp Battery và bộ sạc Li-on Battery trên mạch
Hỗ trợ giao tiếp vi điều khiển 3.3V
Header 1x3 Pin: GND, RXD_GPS, TXD_GPS
Header ngõ ra ATCBus: 2x9 Pin, 2.54mm
Giao tiếp dữ liệu qua UART
Điều khiển theo tập lệnh AT Command
Nút nhấn ON/OFF để khởi động module SIM908
LED Status và LED Netlight
Hỗ trợ thiết kế với GSM/GPS SIM908 Easy Định vị và theo dõi phương tiện giao thông SVTH: Đinh Công Duy
2.3.3 Sơ đồ kết nối chân
Hình 2.12: Sơ đồ chân Module SIM908 Easy
Tích hợp kết nối anten ngoài cho GSM, GPS
Tích hợp đế SIM Card trên mạch
Tích hợp Transistor kích nguồn và LED Netlight
Nút nhấn ON/OFF: dùng để bật/tắt nguồn cung cấp cho SIM908
LED PWR: LED hiển thị nguồn
LED TX, RX: hiển thị dữ liệu truyền nhận khi giao tiếp qua cổng USB
Cổng kết nối ngoài 16 chân: ON/OFF, SPK1N, SPK1P, MIC1N, MIC1P, VCHG, TEMP-BAT, SDA, SCL, PWM3, PWM2, PWM1, ADC, VRTC, STATUS, LED
Cổng kết nối ngoài 8 chân giao tiếp RS232 cổng GSM: DTR, DCD, RI,
CTS, RTS, TX, RX, GND
Cổng kết nối ngoài 3 chân giao tiếp UART cổng GPS: RX-GPS, TX-GPS, GND Định vị và theo dõi phương tiện giao thông SVTH: Đinh Công Duy
2.3.4 Giao tiếp nối tiếp UART
Sim908 cung cấp hai cổng nối tiếp không đồng bộ không cân bằng Một cổng nối tiếp và một cổng debug Module GSM được thiết kế như một DCE (Data Communication Equipment), đi theo kết nối truyền thống DCE-DTE (Data Terminal Equipment) Module và Client (DTE) được kết nối thông qua tín hiệu tiếp theo Dải tần tự động cho phép từ 1200bps đến 115200bps
TXD: Gởi dữ liệu tới đường tín hiệu RXD của DTE
RXD: Nhận dữ liệu tới đường tín hiệu TXD của DTE
DBG_TXD: Gởi dữ liệu tới đường tín hiệu RXD của DTE
DBG_RXD: Nhận dữ liệu tới đường tín hiệu TXD của DTE
Hình 2.13: Kết nối của giao tiếp nối tiếp Định vị và theo dõi phương tiện giao thông SVTH: Đinh Công Duy
2.3.5 Khảo sát tập lệnh AT Command
Các lệnh AT là các hướng dẫn được sử dụng để điều khiển một modem AT là một cách viết ngắn gọn của chữ Attention Mỗi dòng lệnh của nó bắt đầu với
“AT” hay “at” Đó là lý do tại sao các lệnh modem được gọi là các lệnh AT Nhiều lệnh được sử dụng để điều khiển các modem quay số sử dụng dây mối (wired dial-up modems), chẳng hạn như ATD (Dial), ATA (Answer), ATH (Hool control) và ATO (return to online data state), cũng được hỗ trợ bởi các modem GSM/GPRS và các điện thoại di động
Bên cạnh bộ lệnh AT thông dụng này, modem GSM/GPRS và các điện thoại di động còn được hỗ trợ bởi một số lệnh AT đặc biệt đối với công nghệ GSM Bao gồm các lệnh liên quan tới SMS như AT+CMGS (gửi tin nhắn SMS), AT+CMSS (gửi tin nhắn đến một vùng lưu trữ), và AT+CMGR (đọc tin nhắn SMS)
Ngoài ra, các modem GSM còn hỗ trợ một bộ lệnh AT mở rộng Những lệnh AT mở rộng này được định nghĩa trong các chuẩn của GSM Với các lệnh
AT mở rộng này, có thể làm một số việc như sau:
Đọc, viết, xóa tin nhắn
Kiểm tra chiều dài tín hiệu
Kiểm tra trạng thái sạc pin và mức sạc của pin
Đọc, viết và tìm kiếm các mục danh bạ Định vị và theo dõi phương tiện giao thông SVTH: Đinh Công Duy
TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN
Vi xử lý có các khối chức năng cần thiết để lấy dữ liệu, xử lý dữ liệu và xuất dữ liệu ra ngoài sau khi đã xử lý Và chức năng chính của Vi xử lý chính là xử lý dữ liệu, chẳng hạn như cộng, trừ, nhân, chia, so sánh.v.v Vi xử lý không có khả năng giao tiếp trực tiếp với các thiết bị ngoại vi, nó chỉ có khả năng nhận và xử lý dữ liệu mà thôi Để vi xử lý hoạt động cần có chương trình kèm theo, các chương trình này điều khiển các mạch logic và từ đó vi xử lý xử lý các dữ liệu cần thiết theo yêu cầu Chương trình là tập hợp các lệnh để xử lý dữ liệu thực hiện từng lệnh được lưu trữ trong bộ nhớ, công việc thực hành lệnh bao gồm: nhận lệnh từ bộ nhớ, giải mã lệnh và thực hiện lệnh sau khi đã giải mã Để thực hiện các công việc với các thiết bị cuối cùng, chẳng hạn điều khiển động cơ, hiển thị kí tự trên màn hình đòi hỏi phải kết hợp vi xử lý với các mạch điện giao tiếp với bên ngoài được gọi là các thiết bị I/O (nhập/xuất) hay còn gọi là các thiết bị ngoại vi Bản thân các vi xử lý khi đứng một mình không có nhiều hiệu quả sử dụng, nhưng khi là một phần của một máy tính, thì hiệu quả ứng dụng của Vi xử lý là rất lớn
Vì một số nhược điểm trên nên các nhà chế tạo tích hợp một ít bộ nhớ và một số mạch giao tiếp ngoại vi cùng với vi xử lý vào một IC duy nhất được gọi là Microcontroller-Vi điều khiển (VĐK)
Một số đặc điểm khác nhau giữa VXL và VĐK:
Về phần cứng: VXL cần được ghép thêm các thiết bị ngoại vi bên ngoài như bộ nhớ và các thiết bị ngoại vi khác… để có thể tạo thành một bản mạch hoàn chỉnh Đối với VĐK thì bản thân nó đã là một hệ máy tính hoàn chỉnh với Định vị và theo dõi phương tiện giao thông SVTH: Đinh Công Duy
CPU, bộ nhớ, các mạch giao tiếp, các bộ định thời và mạch điều khiển ngắt được tích hợp bên trong mạch
Về các đặc trưng của tập lệnh: do ứng dụng khác nhau nên các bộ VXL và VĐK cũng có những yêu cầu khác nhau đối với tập lệnh điều khiển Tập lệnh của các VXL thường mạnh về các kiểu định địa chỉ với các lệnh cung cấp các hoạt động trờn cỏc lượng dữ liệu lớn như 1byte, ẵ byte, word, Ở cỏc bộ VĐK, các tập lệnh rất mạnh trong việc xử lý các kiêu dữ liệu nhỏ như bit hoặc một vài bit
Vi điều khiển được ứng dụng trong các dây chuyền tự động loại nhỏ, các robot có chức năng đơn giản, trong máy giặt, ôtô
2.4.2 Cấu trúc vi điều khiển
Là nơi quản lí tất cả các hoạt động của VĐK Bên trong CPU gồm:
ALU (Arithmetic Logic Unit) là bộ phận thao tác trên các dữ liệu
Bộ giải mã lệnh và điều khiển, xác định các thao tác mà CPU thực hiện
Thanh ghi lệnh IR, lưu giữ opcode của lệnh được thực thi
Thanh ghi PC, lưu giữ địa chỉ của lệnh kế tiếp cần thực thi
Một tập các thanh ghi dùng để lưu thông tin tạm thời
ROM là bộ nhớ dùng để lưu giữ chương trình ROM còn dùng để chứa số liệu các bảng, các tham số hệ thống, các số liệu cố định của hệ thống Trong quá trình hoạt động nội dung ROM là cố định, không thể thay đổi, nội dung ROM chỉ thay đổi khi ROM ở chế độ xóa hoặc nạp chương trình
RAM là bộ nhớ dữ liệu Bộ nhớ RAM dùng làm môi trường xử lý thông tin, Định vị và theo dõi phương tiện giao thông SVTH: Đinh Công Duy lưu trữ các kết quả trung gian và kết quả cuối cùng của các phép toán, xử lí thông tin Bộ nhớ RAM cũng dùng để tổ chức các vùng đệm dữ liệu, trong các thao tác thu phát, chuyển đổi dữ liệu
BUS là các đường dẫn dùng để di chuyển dữ liệu Bao gồm: bus địa chỉ, bus dữ liệu, và bus điều khiển
Bộ định thời: được sử dụng cho các mục đích chung về thời gian
ADC: bộ phận chuyển tín hiệu analog sang tín hiệu digital Các tín hiệu bên ngoài đi vào VĐK thường ở dạng analog ADC sẽ chuyển tín hiệu này về dạng tín hiệu digital mà VĐK có thể hiểu được
Arduino thực sự đã gây sóng gió trên thị trường người dùng DIY (Do It Yourself là những người tự chế ra sản phẩm của mình) trên toàn thế giới trong vài năm gần đây Số lượng người dùng cực lớn và đa dạng với trình độ trải rộng từ bậc phổ thông đến đại học là lý do chính cho mức độ phổ biến
Arduino là một nền tảng mã nguồn mở được sử dụng để xây dựng các ứng dụng điện tử Arduino gồm có board mạch có thể lập trình được (thường gọi là vi điều khiển) và các phần mềm hỗ trợ phát triển tích hợp IDE (Integrated Development Environment) dùng để soạn thảo, biên dịch code và nạp chương trình cho board Định vị và theo dõi phương tiện giao thông SVTH: Đinh Công Duy
Hình 2.14: Những người sáng tạo ra Arduino (Nguồn: arduino.cc)
Arduino ngày nay rất phổ biến cho những người mới bắt đầu tìm hiểu về điện tử vì đơn giản, hiệu quả và dễ tiếp cận Không giống như các loại vi điều khiển khác, Arduino không cần phải có các công cụ chuyên biệt để phục vụ việc nạp code Đối với Arduino rất đơn giản, có thể kết nối với máy tính bằng cáp USB Thêm vào đó việc lập trình cho Arduino rất dễ dàng, trình biên dịch Arduino IDE sử dụng phiên bản đơn giản hóa của ngôn ngữ C++
Một hệ thống Arduino có thể cung cấp rất nhiều sự tương tác với môi trường xung quanh:
Hệ thống cảm biến đa dạng về chủng loại (đo đạc nhiệt độ, độ ẩm, gia tốc, vận tốc, cường độ ánh sáng, màu sắc vật thể, lưu lượng nước,…)
Các thiết bị hiển thị (màn hình LCD, đèn LED,…)
Các module chức năng (shield) hỗ trợ các kết nối có dây với các thiết bị khác hoặc các kết nối không dây thông dụng (3G, GPRS, Wifi, Bluetooth,…)
Định vị GPS, nhắn tin SMS Định vị và theo dõi phương tiện giao thông SVTH: Đinh Công Duy
Hình 2.15: Một vài thành viên trong gia đình Arduino (Nguồn: arduino.cc) 2.4.4 Arduino Uno
Nhắc tới dòng mạch Arduino dùng để lập trình, cái đầu tiên thường nói tới là dòng Arduino UNO Hiện dòng này đã phát triển tới thế hệ thứ 3 (R3)
Hình 2.16: Board Arduino Uno R3 (Nguồn: arduino.cc) Định vị và theo dõi phương tiện giao thông SVTH: Đinh Công Duy
Bảng 3: Đặc tính kỹ thuật của Arduino Uno
ATmega328 (họ 8bit) Vi điều khiển
5V – DC (chỉ được cấp qua cổng
USB) Điện áp hoạt động
16 MHz Tần số hoạt động
7-12V – DC Điện áp vào khuyên dùng
6-20V – DC Điện áp vào giới hạn
14 (6 chân PWM) Số chân Digital I/O
6 (độ phân giải 10bit) Số chân Analog
30 mA Dòng tối đa trên mỗi chân I/O
500 mA Dòng ra tối đa (5V)
50 mA Dòng ra tối đa (3.3V)
Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8 bit AVR là ATmega8, ATmega168, ATmega328 Thiết kế tiêu chuẩn của Arduino UNO sử dụng vi điều khiển ATmega328 Bộ não này có thể xử lý những tác vụ đơn giản và phức tạp như điều khiển LED nhấp nháy, xử lý tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một Định vị và theo dõi phương tiện giao thông SVTH: Đinh Công Duy trạm đo nhiệt độ, độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD,…
Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn cung cấp cho người dùng:
32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh lập trình sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ Flash của vi điều khiển Thường thì sẽ có khoảng vài KB trong số này sẽ được dùng cho bootloader
2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị các biến khai báo khi lập trình sẽ lưu ở đây Khai báo càng nhiều biến thì càng cần nhiều bộ nhớ RAM Khi mất điện, dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất
1Kb cho EPROM: đây giống như một chiếc ổ cứng mini, nơi có thể đọc và ghi dữ liệu vào đây mà không phải lo bị mất khi cúp điện giống như dữ liệu trên SRAM
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
Phương án thiết kế
Hệ thống có cấu tạo đơn giản gồm một khối điều khiển trung tâm giao tiếp với Module Sim908 Easy thông qua cổng UART, khối điều khiển trung tâm có nhiệm vụ quan trọng nhất đó là gởi các lệnh yêu cầu SIM908 lấy tọa độ và xử lí chuỗi tọa độ thu được đó, ngoài ra còn kiểm tra yêu cầu tin nhắn mà người dùng nhắn đến thực thi các yêu cầu
Khối Module Sim908 Easy như một cầu nối thu thập dữ liệu GPS và GSM Truyền tải nội dung đến cho người dùng
Khối nguồn nuôi dùng cung cấp nguồn cho toàn hệ thống, khối nguồn với dòng lớn đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định.
Sơ đồ khối và chức năng từng khối
3.2.1 Sơ đồ khối hệ thống
Hệ thống gồm có 3 khối:
Khối vi điều khiển Định vị và theo dõi phương tiện giao thông SVTH: Đinh Công Duy
Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống
Yêu cầu của khối nguồn nuôi là phải đủ mạnh để cấp dòng tải cho toàn hệ thống hoạt động một cách ổn định nhất Ở đây, chọn sử dụng nguồn nuôi với IC nguồn LM2576 –ADJ có khả năng cung cấp dòng tải lên đến 3A, dùng cấp điện trở phân áp cho ra mức điện áp ổn định 3.3V cấp cho SIM908 và khối vi điều khiển
Thiết bị truyền nhận dữ liệu GPS/GSM Sim908: liên tục cập nhật dữ liệu GPS và kiểm tra thông tin điều khiển để thực hiện các chức năng quy định, gởi dữ liệu về khối điều khiển trung tâm khi có yêu cầu Định vị và theo dõi phương tiện giao thông SVTH: Đinh Công Duy
Khối điều khiển trung tâm
Khối điều khiển trung tâm là khối trung tâm trong việc xử lý và điều khiển phần cứng Khối chỉ do một vi điều khiển Arduino Uno đảm nhận và có nhiệm vụ gởi nhận dữ liệu và xử lý phần mềm một cách liên tục Khi Module Sim908 Easy thu tín hiệu GPS và gởi thông tin đến thì khối điều khiển trung tâm sẽ được lập trình để thực thi thông qua điều khiển các chân cổng Vi điều khiển Arduino Uno có nhiệm vụ đọc thông tin từ Module Sim908 Easy, xử lý và gởi thông tin đến điện thoại di động
Điện thoại di động Điện thoại di động có nhiệm vụ soạn thảo và gởi tin nhắn yêu cầu định vị tọa độ hiện tại Hệ thống sẽ gởi tọa độ về điện thoại bao gồm kinh độ và vĩ độ của vị trí hiện tại.
Thiết kế phần cứng
Sơ đồ nguyên lý khối nguồn:
Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn Đầu vào của mạch là nguồn một chiều, qua tụ cầu thành nguồn 1 chiều tương đối ổn định Dòng điện này đi dến IC ổn áp sẽ tạo ra điện áp ổn định 5V cung cấp cho toàn mạch IC LM2576 ổn định điện áp 3.3V cho ứng dụng GPS Định vị và theo dõi phương tiện giao thông SVTH: Đinh Công Duy
Diode làm nguồn từ 5V xuống khoảng 4.5V để cấp nguồn cho SIM908
Sơ đồ nguyên lý Module Sim908 Easy:
Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý mạch Sim908 Easy Định vị và theo dõi phương tiện giao thông SVTH: Đinh Công Duy
Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý Arduino Uno (Nguồn: arduino.cc)
Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý hệ thống
A T M E L www.arduino.cc blogembarcado.blogspot.com
22 GND Định vị và theo dõi phương tiện giao thông SVTH: Đinh Công Duy
Nguyên lý hoạt động
Khối vi điều khiển có nhiệm vụ phân tích và xử lý yêu cầu khi có tin nhắn được gửi đến để ra lệnh cho Module SIM908 Easy lấy tọa độ hoặc gửi tin nhắn trả lời theo yêu cầu
Sử dụng UART để kết nối giữa Arduino Uno và Module SIM908 Easy, UART truyền và nhận chuỗi dữ liệu nhờ TxD và RxD GPS hoạt động liên tục với tốc độ truyền dữ liệu 124 byte truyền dẫn và cài đặt dữ liệu ra tuần hoàn, bao gồm dữ liệu vị trí, dữ liệu ngày giờ, thông tin vệ tinh GPS và thông tin về lỗi
Anten GPS sẽ thu tín hiệu từ vệ tinh GPS gởi đến khối điều khiển trung tâm, khối điều khiển trung tâm có chức năng xử lý gói tin và gởi tọa độ đến điện thoại di động Định vị và theo dõi phương tiện giao thông SVTH: Đinh Công Duy
Hình 3.6: Lưu đồ thuật toán hệ thống
Khởi tạo dữ liệu truyền
Lấy vị trí hiện tại và thực hiện gửi SMS nội dung của chương trình con: position
Lấy vị trí hiện tại và thực hiện gửi SMS nội dung của chương trinh con: luuvitri
Lưu vị trí và sau 30s lấy vi tri mới 1 lần rồi so sánh với vị trí đã lưu
Hai vị trí khác nhau sẽ goi điện báo động
Lấy vị trí hiện tại và thực hiện gửi SMS nội dung trong chương trình con: unlock
Xóa vị trí xe đã lưu Định vị và theo dõi phương tiện giao thông SVTH: Đinh Công Duy
Sơ đồ mạch in
Từ sơ đồ nguyên lý hình 3.5, ta được mạch in khối nguồn và Module
Hình ảnh mạch thực tế
Toàn bộ hệ thống được xây dựng nhằm đáp ứng việc thu nhận dữ liệu từ vệ tinh GPS Đường truyền dữ liệu được sử dụng là đường truyền mạng điện thoại GSM Do đó cần một thiết bị có thể đáp ứng được vấn đề này Dùng Module Sim908 Easy do nhu cầu lấy dữ liệu vệ tinh Định vị và theo dõi phương tiện giao thông SVTH: Đinh Công Duy
Hình 3.8: Mô hình hệ thống định vị GPS
Sau khi kết nối các khối và cấp nguồn cho thiết bị Dữ liệu kinh độ và vĩ độ được thu từ vệ tinh qua vi điều khiển được hiển thị trên màn hình LCD và gởi tin nhắn về điện thoại di động Định vị và theo dõi phương tiện giao thông SVTH: Đinh Công Duy
Hình 3.9: Tin nhắn được trả về từ hệ thống Định vị và theo dõi phương tiện giao thông SVTH: Đinh Công Duy