Đồ án: Ứng dụng module sim vào quản lý hệ thống xe BUS/TAXI

Đồ án ứng dụng module sim548 vào việc quản lý hệ thống xe. Hệ thống gắn trên xe sẽ xác định vị trí xe thông qua GPS được tích hợp trên module sim, sau đó gửi về trung tâm thông qua GPRS. tại trung tâm nhận thông tin và hiển thị vị trí của xe lên bản đồ số.

i

Bộ Giáo dục và Đào tạo Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp HCM

Khoa Cơ khí Chế tạo máy

Bộ môn Cơ Điện Tử

-o0o -

Cộng Hoà Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam Độc lập – Tự do – Hạnh phúc -o0o -

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên : Chu Văn Hiền MSSV : 06111029 Hồ Trọng Hiếu MSSV: 06111034 Phạm Đình Thủy MSSV: 06111100 Lớp 061111B Ngành : Cơ Điện Tử 1.1 ĐẦU ĐỀ LUẬN VĂN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS/GPRS GIÁM SÁT HỆ THỐNG XE BUÝT 1.2 NHIỆM VỤ - Thiết kế, thi công mạch phần cứng định vị GPS và truyền dữ liệu - Xây dựng phần mềm server quản lý, giám sát và điều hành xe buýt 1 Ngày giao nhiệm vụ luận văn:

2 Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

3 Họ và tên giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Trường Thịnh 4 Họ và tên giáo viên phản biện: ThS Nguyễn Thành Chiến Nội dung và yêu cầu LVTN đã thông qua Bộ môn Ngày tháng năm

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN Người duyệt (chấm sơ bộ):

Đơn vị:

Ngày bảo vệ:

Điểm tổng kết:

Nơi lưu trữ dự án:

ii

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Ngày tháng năm Giáo viên hướng dẫn

iii

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Ngày tháng năm Giáo viên phản biện

iv

LỜI CẢM ƠN

Qua một thời gian nghiên cứu và thực hiện, đến nay đồ án tốt nghiệp với đề tài:

“Ứng dụng công nghệ GPS/GPRS giám sát hệ thống xe buýt” do thầy Nguyễn

Trường Thịnh hướng dẫn đã được hoàn thiện Trong suốt thời gian nghiên cứu và thi công đề tài, chúng em đã gặp không ít vướng mắc nhất định và đã nhận được nhiều sự giúp đỡ nhiệt thành và quý báu

Trước tiên, chúng em gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy Nguyễn Trường Thịnh đã tin tưởng giao đồ án, chỉ đạo và hướng dẫn tận tình trong suốt quá trình thực hiện đề tài Chúng em cũng xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo trong khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy, các bạn trên các diễn đàn điện tử, cùng toàn thể các bạn sinh viên lớp Cơ Điện Tử 061111 đã động viên, góp ý, tạo điều kiện thuận lợi nhất giúp cho chúng em được hoàn thành đề tài đúng tiến độ được giao

Do năng lực và thời gian còn hạn chế nên việc tìm thêm nhiều tài liệu làm giàu cho đồ án còn thiếu sót Chúng em rất mong nhận được nhiều hơn nữa ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo, sự chia sẻ tài liệu của các bạn sinh viên để chúng em có thể hoàn thiện hơn kiến thức của mình

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

v

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Nội dung đồ án nghiên cứu về hệ thống quản lý hệ thống xe buýt dựa trên nền công nghệ GPS kết hợp với công nghệ GPRS, hệ thống có nhiệm vụ theo dõi, giám sát

và điều hành hệ thống xe buýt trên địa bàn hoạt động

Trên mỗi xe buýt đều được gắn một thiết bị có nhiệm vụ thu tín hiệu định vị GPS từ vệ tinh, sau đó gửi về Server trung tâm thông qua mạng GPRS với giao thức truyền TCP/IP, thiết bị này được gọi là thiết bị định vị GPS hay gọi tắt là thiết bị định

vị

Ở Server trung tâm được kết nối mạng Internet và sử dụng phần mềm Java lập trình mạng Socket để kết nối với thiết bị định vị, thông qua giao thức TCP/IP, nhằm mục đích truyền nhận dữ liệu giữa 2 bên

Tiếp theo đó Server trung tâm sẽ xử lý dữ liệu GPS nhận được từ thiết bị định

vị, sau đó hiển thị thông số tọa độ vị trí lên bản đồ số của phần mềm trung tâm hoặc Google Map và gửi các lệnh điều khiển cũng như thông báo tới xe buýt và các trạm dừng

vi

ABSTRACT

vii

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN iv

TÓM TẮT ĐỒ ÁN v

ABSTRACT vi

DANH MỤC HÌNH VẼ xii

DANH MỤC BẢNG BIỂU xv

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xvi

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Dẫn nhập 1

1.2 Mục tiêu đề tài 2

1.3 Giới hạn đề tài 2

1.4 Một số mô hình, ứng dụng trong việc quản lý và điều hành các phương tiện 3

1.4.1 Hệ thống thông tin địa lý GIS 3

1.4.2 Quản lý hệ thống xe buýt thông qua bộ đàm 3

1.5 Lựa chọn phương án thực hiện 3

1.6 Thiết kế hệ thống 4

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6

2.1 Tổng quan về GPS 6

2.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển của hệ thống GPS 6

2.1.2 Các thành phần của GPS 8

2.1.2.1 Phần không gian 8

2.1.2.2 Phần điều khiển 9

2.1.2.3 Phần người sử dụng 10

2.1.3 Hoạt động của hệ thống 10

2.1.4 Bộ thu GPS 11

2.1.5 Phương trình xác định tọa độ 13

viii

2.1.6 Hiệu chỉnh đồng hồ của bộ thu 14

2.1.8 Nguồn lỗi của tín hiệu GPS 14

2.1.9 Chuẩn NMEA0183 15

2.1.9.1 Sơ lược về chuẩn NMEA và chuẩn NMEA0183 15

2.1.9.2 Cấu trúc chuỗi NMEA 16

2.2 Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM 18

2.3 Dịch vụ số liệu cải tiến GPRS – General Packet Radio Service 18

2.3.1 Sơ lược 18

2.3.2 Kiến trúc hệ thống GPRS chung 19

2.3.3 Địa chỉ IP 20

2.3.4 Các lớp thiết bị GPRS 22

2.3.5 Thông số chất lượng dịch vụ (QoS) GPRS 22

2.3.6 Các dịch vụ hỗ trợ 23

2.4 GIỚI THIỆU SIM 548 23

2.4.1 Giới thiệu chung 23

2.4.2 Đặc điểm của module SIM548C 24

2.4.3 Sơ đồ chức năng 27

2.5 Giới thiệu về vi điều khiển ATMEGA128 30

2.5.1 Tổng quan về vi điều khiển ATMega128 30

2.5.2.Giao tiếp USART 34

2.5.3 Khối USART trong Atmega128 35

2.5.4 Giao tiếp I2C 40

2.5.4.1 Khái quát TWI và I2C 40

2.5.4.2 TWI trên AVR 41

2.5.5 Giao tiếp SPI 46

2.6 Giới thiệu IC thu phát âm thanh ISD2560 48

ix

2.6.1 Sơ đồ chân ISD2560 49

2.6.2 Sơ đồ khối bên trong của ISD2560 49

2.6.3 Một số thông số cơ bản 50

2.6.4 Mô tả chức năng các chân 50

2.6.5 Mô tả chức năng 54

2.6.5.1 Mô tả chi tiết 54

2.6.5.2 Các MODE vận hành 55

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG PHẦN CỨNG 60

3.1 Sơ đồ khối mạch phần cứng 61

3.2 Thiết kế phần cứng cho khối modul sim 548C 61

3.2.1 Thiết kế phần cứng cho phần GSM/GPRS 61

3.2.2 Thiết kế phần cứng cho phần GPS 66

3.3 Thiết kế phần cứng cho khối vi điền khiển ATMEGA128 69

3.4 Thiết kế phần cứng cho khối vi điền khiển ATMEGA32 71

3.5 Khối nguồn cung cấp 72

3.5.1 Nguồn cung cấp cho phần GSM/GPRS 73

3.5.2 Nguồn cung cấp cho phần GPS và khối ATMega128 75

3.6 Khối hiển thị 75

3.7 Khối tiếng nói 76

CHƯƠNG 4: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 77

4.1 Tập lệnh AT 77

4.2 Tập lệnh AT sử dụng điều khiển module GSM và GPS 79

4.2.1 Cấu hình cho phần cứng: module simcom548 truy cập GPRS 79

4.2.2 Truyền nhận thông báo về tình trạng GPRS 83

4.2.3 Thiết lập kết nối 84

4.2.4 Truyền nhận gói 85

x

4.2.5 Hủy kết nối 86

4.3 Lập trình cho vi điều khiển Atmega 128 87

CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG PHẦN MỀM SERVER 91

5.1 Yêu cầu và mục đích của hệ thống phần mềm 91

5.2.Cấu trúc và sơ đồ giải thuật 92

5.2.1 Cấu trúc 92

5.2.2 Sơ đồ giải thuật 93

5.3 Xây dựng phần mềm server quản lý phương tiện, ứng dụng giao thức TCP/IP 94

5.3.1 Ứng dụng giao thức TCP/IP trong việc liên kết các user qua mạng internet 94

5.3.1.1 Sơ lược về TCP server 94

5.3.1.2 Đơn vị điều khiển socket 94

5.3.1.3 Quy trình tạo một server trên máy tính sử dụng socket 94

5.3.2 Giải pháp ứng dụng của module Sim548 trong việc kết nối server- client 95

5.3.2.1 Đối với server 95

5.3.2.2 Module Sim548 95

5.3.3 Khả năng và mức độ đáp ứng của Server 96

5.3.4 Vấn đề bảo mật của hệ thống 96

5.3.5 Giải pháp GPRS 97

5.4 Xây dựng phần mềm Server dùng Java 98

5.4.1 Java và lịch sử phát triển 98

5.4.2 Các khối chức năng thực hiện yêu cầu đặt ra 99

5.4.3 Các công việc thực hiện để xây dựng phần mềm Server 99

5.4.3.1 Xây dựng bản đồ offline 100

5.4.3.2 Xây dựng thuật toán tính khoảng cách 101

CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 102

6.1 Thực nghiệm đánh giá sai số của hệ thống 102

xi

6.2 Thực nghiệm đánh giá tính ổn định của hệ thống 107

CHƯƠNG 7: CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC, KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 108

7.1 Các kết quả đạt được 108

7.1.1 Thiết kế chế tạo thành công mạch phần cứng, hiển thị các thông số 108

7.1.2 Xây dựng phần mềm server có chức năng giám sát và quản lý 109

7.1.3 Bản đồ offline 110

7.1.4 Ý nghĩa thực tiễn 110

7.2 Kết luận 111

7.2.1 Kết luận 111

7.2.2 Các vấn đề còn chưa được giải quyết 111

7.2.3 Đánh giá 111

7.3 Hướng phát triển của đề tài 112

TÀI LIỆU THAM KHẢO 113

xii

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ thiết kế hệ thống 4

Hình 2.1 Sơ đồ liên quan giữa ba phần của hệ thống định vị toàn cầu 8

Hình 2.2 Chuyển động vệ tinh nhân tạo xung quanh trái đất 9

Hình 2.3 Phần điều khiển của GPS 10

Hình 2.4 Tính toán vị trí của bộ thu GPS trên bề mặt trái đất 12

Hình 2.5 Hệ trục tọa độ máy thu - vệ tinh 13

Hình 2.6 Phương trình xác định tọa độ của máy thu GPS 13

Hình 2.13 Kiến trúc chung của hệ thống GPRS 19

Hình 2.14 Cấp phát địa chỉ IP tĩnh trong GPRS 21

Hình 2.15 Cấp phát địa chỉ IP động trong GPRS 21

Hình 2.16 Sơ đồ chức năng của module SIM548C 28

Hình 2.17 Sơ đồ chân vi điều khiển ATMega128 32

Hình 2.18 Sơ đồ cấu trúc vi điều khiển ATMega128 33

Hình 2.19 Sơ đồ truyền dữ liệu nối tiếp 35

Hình 2.20 Thanh ghi dữ liệu UDR0 36

Hình 2.21 Thanh ghi điều khiển hoạt động UCSRA0 36

Hình 2.22 Thanh ghi điều khiển hoạt động USART0 37

Hình 2.23 Thanh ghi UCSRC 38

Hình 2.24 Cấu trúc hai thanh ghi UBRRL và UBRRH 39

Hình 2.25 Mạng TWI(I2C) và 2 điện trở kéo lên 41

Hình 2.26 Biểu đồ hoạt động tạo ra Start, Stop và Repeat Start 41

Hình 2.27 Các bit trong thanh ghi TWBR 42

Hình 2.28 Các bit trong thanh ghi TWCR 42

Hình 2.29 Các bit trong thanh ghi TWSR 42

Hình 2.30 Các bit trong thanh ghi TWAR 42

xiii

Hình 2.31 Master truyền dữ liệu 44

Hình 2.32 Slave nhận dữ liệu 46

Hình 2.33 Sơ đồ khối truyền nhận SPI 47

Hình 2.34 Sơ đồ kết nối SPI 48

Hình 3.1 Sơ đồ khối mạch phần cứng 61

Hình 3.2 Bật chế độ hoạt động cho phần GSM/GPRS sử dụng nút bấm 62

Hình 3.3 Thời gian bật chế độ hoạt động của phần GSM/GPRS 62

Hình 3.4 Thời gian tắt chế độ hoạt động của phần GSM/GPRS 63

Hình 3.5 Đèn LED chỉ thị cho NETLIGHT và chân STATUS 64

Hình 3.6 Sơ đồ chuyển mức điện áp giữa vi điều khiển ATMega128 với phần GSM/GPRS 65

Hình 3.7 Kích hoạt chế độ hoạt động cùa phần GPS 67

Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lí của khối module SIM548C 69

Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lí của vi điều khiển ATMega128 70

Hình 3.10 Sơ đồ mắc thạch anh với vi điều khiển ATMega128 70

Hình 3.11 Sơ đồ đấu nối với chân Reset của vi điều khiển ATMega128 71

Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lí của vi điều khiển ATMega32 72

Hình 3.13 Sơ đồ nguyên lí giao tiếp cổng COM 72

Hình 3.14 Sự sụt áp đã làm cho dòng tiêu thụ phải tăng lên 2A 73

Hình 3.15 Sơ đồ chân kết nối Pin Li-Ion cung cấp nguồn cho GSM/GPRS 74

Hình 3.16 Nguồn cấp cho chân VRTC trong phần GSM/GPRS của module 74

Hình 3.17 Khối nguồn cung cấp cho phần GPS và ATMega128 75

Hình 3.18 Khối hiển thị LCD 75

Hình 3.19 Nguyên lý khối phát âm thanh LCD 76

Hình 4.1 Lưu đồ thuật toán của vi điều khiển 88

Hình 4.3 Cấu trúc chuỗi tin GPRMC 89

xiv

Hình 4.4 Lưu đồ thuật toán chương trình con nhận dữ liệu GPS 90

Hình 5.1 Sơ đồ hệ thống 92

Hình 5.2 Sơ đồ phần mềm theo lớp 92

Hình 5.3 Sơ đồ giải thuật 93

Hình 5.4 Sơ đồ khối Server 99

Hình 5.5 Tọa độ của đối tượng trên bản đồ 100

Hình 6.1 Biểu đồ tính ổn định của hệ thống 107

Hình 7.1 Mạch sản phẩm hoạt động 108

Hình 7.2 Giao diện phần mềm server 109

Hình 7.3 Giao diện bản đồ offline 110

xv

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.3 Diễn giải của bản tin GPRMC 17

Bảng 2.5 Sơ đồ mã hóa và tốc độ dữ liệu lớn nhất trên giao diện vô tuyến 27

Bảng 2.6 Chức năng chân của module SIM548C 29

Bảng 2.7 Chọn kiểm tra Parity 38

Bảng 2.8 Độ dài dữ liệu truyền 39

Bảng 2.9 Tính tốc độ Baud 40

Bảng 2.10 Chức năng các chân kết nối SPI 48

Bảng 3.1 Bảng trạng thái làm việc của NETLIGHT 63

Bảng 3.2 Mức logic của chân Serial port 65

Bảng 4.1 Bảng phân loại các câu lệnh AT mở rộng 78

Bảng 4.2 Bảng lệnh cấu hình cho Module GPRS truy cập mạng 79

Bảng 4.3 Tập lệnh tra cứu trạng thái GPRS 83

Bảng 4.4 Tập lệnh thiết lập cấu hình TCP 84

Bảng 4.5 Lệnh gửi dữ liệu qua GPRS 85

Bảng 4.6 Tập lệnh hủy kết nối GPRS 87

Bảng 6.1 Kết quả thống kê đo được từ thực tế 102

GPRS General Packet Radio Services Dịch vụ vô tuyến gói chung

GPS Global position systems Hệ thống định vị toàn cầu

GIS Geographic Information System Hệ thống thông tin địa lý

OMC Operation & Maintenance Center Trung tâm điều hành và bảo

dưỡng

OMS Operation and Maintenance

SubSystem

Phân hệ vận hành và sửa chữa

SMS Short Message Service Dịch vụ tin nhắn ngắn

MMS Multimedia messaging service Dịch vụ tin nhắn đa phương tiện

WAP Wireless Application Protocol Giao thức ứng dụng mạng đơn

giản

SGSN Serving GPRS Support Node Là một phần tử trong mạng lõi

GPRS nhằm nối kết giữa mạng truy nhập và gateway

GGSN Gateway GPRS Support Node Là một gateway giữa

mạng GPRS/UMTS và các mạng

ở ngoài (như Internet hoặc các mạng GPRS khác)

VLR Visited Location Register Bộ đăng kí định vị tạm trú

HLR Home Location Register Bộ đăng kí định vị thường trú

xvii

CDMA Code Division Multiple Access Phương thức Đa truy cập phân

chia theo mã

TDMA Time Division Multiple Access Phương thức đa truy cập phân chia

theo thời gian SIM Subscriber Identity Module Thẻ chứa thông tin định dạng W-CDMA Wideband Code Division

Multiple Access

Đa truy nhập theo mã băng rộng

TCP/UDP Transmission Control Protocol/

User Datagram Protocol

Giao thức điều khiển truyền dẫn/ Giao thức dữ liệu gói người sử dụng

IP Internet Protocol Giao thức dùng cho mạng Internet

1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Dẫn nhập

Xuất phát từ nhu cầu thực tế, nhất là trong thời kỳ mở rộng về hoạt động của các hệ thống vấn tải, yêu cầu quản lý chuyên nghiệp, hiệu quả, bài toán quản lý và giám sát phương tiện giao thông công cộng trở nên rất bức thiết

Bài toán này đặt ra cho hệ thống một số yêu cầu sau:

- Giám sát các phương tiện công cộng: xác định vị trí, theo dõi, cập nhật các trạng thái của phương tiện công cộng: bao gồm cả các yếu tố bên trong phương tiện

- Truyền thông báo tới phương tiện công cộng và các trạm dừng

- Độ mở rộng và khả năng phục vụ lớn

Một số giải pháp hiện nay:

- Cắt cử nhân viên theo dõi, ghi nhận các báo cáo bằng văn bản, hoặc đường điện thoại

- Sử dụng các module GPS – Galileo: các module này có chức năng thu tín hiệu từ các hệ thống vệ tinh định vị, qua đó tính toán xác định được vị trí của thiết bị đó theo hệ tọa độ địa lý: bao gồm kinh độ, vĩ độ và độ cao

- GIS: là hệ thống phần mềm địa lý có chức năng tiếp nhận thông tin về vị trí địa lý, sau đó xử lý và hiển thị trên hệ thống bản đồ số Ví dụ như hệ thống quản lý tàu đánh cá thông qua bộ đàm, quản lý taxi…

Các vấn đề tồn tại trong thực tế:

- Đối với việc quản lý bằng các nhân viên cử theo các chuyến xe: tốn kém về nhân lực và chưa hiệu quả Khả năng giám sát và điều khiển chưa chuyên nghiệp

- Việc sử dụng các module xác định vị trí bằng GPS còn đơn giản, các thiết bị hầu hết được nhập khẩu nguyên chiếc, ứng dụng đơn thuần xác định vị trí Bên cạnh đó giá thành còn cao và không chủ động được về mặt kỹ thuật

- Với một số hệ thống quản lý thông tin về bản đồ số như GIS: tuy đã xây dựng theo mô hình hệ thống mức độ phổ biến chưa cao Ứng dụng mang tính chuyên biệt, đặc biệt là mức chi phí đầu tư lớn, chủ động về mặt kỹ thuật bị hạn chế

2

1.2 Mục tiêu đề tài

Xuất phát từ thực tiễn đã nêu, đồ án thực hiện với những mục đích chính sau:

- Đối với nhóm sinh viên, đồ án là bước đầu tìm hiểu, thi công sản phẩm ứng dụng GPS trong thực tế, đồng thời cũng là bước triển khai những kiến thức

đã được học Thông qua việc nghiên cứu và làm việc nghiêm túc để rèn luyện tác phong, tinh thần khoa học, cũng như hoàn thiện phương pháp, tư duy nghiên cứu, giải quyết một vấn đề thực tiễn Quan trọng hơn, đồ án còn

là bước “tổng kết và hoàn thiện” những kỹ năng còn thiếu sót trước khi thực

sự trở thành người kỹ sư

- Về mặt ứng dụng thực tiễn, hệ thống góp phần giúp quản lý các tuyến xe buýt một cách thông minh có hệ thống và thuận lợi, kịp thời đưa ra các thông báo khi có sự cố trên các tuyến đường: kẹt xe, xe hư…Người đi xe buýt dễ dàng trong việc đón xe, tránh được tình trạng lên nhầm hay xuống nhầm trạm do đã có sự thông báo trước

Ngoài ra, đồ án còn có ý nghĩa như những bước đầu chập chững tiếp cận công nghệ GPS đang ngày càng phát triển như vũ bão, góp phần làm “điểm tựa” cho các thế

hệ sau của trường ta đạt được những nấc thang cao hơn của công nghệ GPS nói riêng, của công nghệ và kỹ thuật nói chung

1.3 Giới hạn đề tài

Đối với trường ta, công nghệ GPS là một vấn đề mới, chưa được đưa vào giảng dạy, cũng như có rất ít ứng dụng cụ thể được triển khai Nguyên nhân có thể do đây là ngành khoa học còn nhiều mới mẻ, và khó khăn, giá thành cho thiết bị nghiên cứu khá đắt

Đối với nước ta, ứng dụng GPS chưa nhiều do tính phức tạp, do trình độ công nghệ chưa đủ và do giá thành linh kiện liên quan GPS còn khá đắt Và quan trọng hơn

là vẫn còn thiếu các mô hình hỗ trợ cho việc dạy và học

Do đó yêu cầu thực hiện đề tài được bộ môn, giáo viên hướng dẫn đặt ra cho nhóm sinh viên là: ứng dụng công nghệ GPS/GPRS định vị, giám sát và truyền thông đến tuyến xe buýt và các trạm dừng

dụ như GIS có thể được ứng dụng để quản lý các vùng đất đai và nước bị ô nhiễm, hỗ trợ các nhà hoạch định, chuyên gia ra quyết định kịp thời và đúng đắn trên vùng bị ô nhiễm GIS cũng có thể dùng để thống kê, phân tích, lập bản đồ phân bố khách hàng, các vị trí kinh doanh hay hệ thống bán hàng để hỗ trợ việc ra các quyết định kinh doanh

Thông tin địa lý có thể được truy xuất, truyền tải, chuyển đổi, và hiển thị bằng nhiều ứng dụng phần mềm Trong công nghiệp, các sản phẩm thương mại từ các công

ty như SmallWorld, Manifold System, ESRI, Intergraph, Mapinfo và AutoDesk giữ ưu thế với các bộ công cụ toàn diện Chính phủ và các cơ quan an ninh, quân đội thường

sử dụng các phần mềm riêng, các sản phẩm mã nguồn mở như GRASS và nhiều sản phẩm riêng biệt khác đáp ứng tốt các nhu cầu cụ thể Các công cụ miễn phí để xem tập

dữ liệu GIS, truy cập công cộng các thông tin địa lý được thống trị bởi các nguồn tài nguyên trực tuyến như Google Earth và bản đồ web tương tác

1.4.2 Quản lý hệ thống xe buýt thông qua bộ đàm

Mô tả: trên mỗi chiếc xe buýt của hệ thống được trang bị một chiếc bộ đàm có khả năng liên lạc với trung tâm bằng sóng VHF Trung tâm quản lý có thể giao tiếp trực tiếp với lái xe thông qua kênh thoại Bên cạnh đó có thể dùng bộ ghép nối tín hiệu

để truyền dữ liệu

Hệ thống này rất phổ biến, tuy nhiên tồn tại một số thực trạng: Bị ảnh hưởng của nhiễu lớn, bên cạnh đó là vùng phủ sóng nhỏ, chỉ trong phạm vi vài chục km

1.5 Lựa chọn phương án thực hiện

Để khắc phục các thực trạng trên và tìm ra một giải pháp tối ưu hơn nhóm đã kết hợp giữa công nghệ GPS và mạng di động GSM (cụ thể là công nghệ GPRS) để đưa ra một hệ thống quản lý tối ưu hơn:

- Chi phí đầu tư, chi phí bảo trì và sử dụng thấp

- Có khả năng quản lý hệ thống rộng lớn

4

- Phạm vi quản lý không có giới hạn (khu vực nào có sóng di động là có thể

triển khai được.)

- Sản phẩm bền đẹp, dễ sử dụng…

1.6 Thiết kế hệ thống

Hệ thống bao gồm các module hoàn chỉnh đáp ứng tốt giải pháp quản lý các

tuyến xe buýt: Module phần cứng GPS có nhiều chức năng, có khả năng định vị vị trí,

kết nối với trung tâm, module quang báo hiển thị thông tin bằng hình ảnh, module

thông báo dùng âm thanh, phần mềm giám sát hiệu quả

Hình 1.1 Sơ đồ thiết kế hệ thống

Đồ án thực hiện bao gồm những vấn đề sau:

- Phân tích : các khái niệm ban đầu về được đưa ra trong chương 2 nhằm trình

bày về các kiến thức cơ bản về GPS, vi điều khiển và các lý thuyết có liên

quan, đó chính là phương pháp luận thông suốt đồ án

- Thiết kế mô hình phần cứng: thông qua 3 chương trình bày về thiết kế mô

hình và thi công phần cứng cho module thu thập dữ liệu từ vệ tinh, phần

cứng giao tiếp với module thông báo tại các trạm dừng xe buýt

- Thiết kế phần mềm: thông qua chương 4 và chương 5 Chương 4 trình bày

thiết kế phần mềm cho module điều khiển thu thập dữ liệu và gửi dữ liệu về

6

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về GPS

2.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển của hệ thống GPS

Sự ra đời của những phương tiện vận chuyển như máy bay, và những con tàu

vũ trụ đòi hỏi điều khiển những thiết bị đó trong không gian ba chiều Những phương pháp dẫn đường và những hệ thống dẫn đường vô tuyến điện chỉ xác định được vị trí theo 2 chiều không gian dùng cho việc dẫn dắt các tàu thủy đã trở thành lỗi thời và không còn phù hợp Trước những đòi hỏi về kỹ thuật đó nhiều nhà khoa học đã được chính phủ Mỹ tài trợ để thực hiện nghiên cứu hệ thống dẫn đường dựa trên vũ trụ Bộ Quốc phòng Mỹ là cơ quan thiết kế và điều khiển hệ thống định vị toàn cầu Trong nhóm những người tham gia điều hành dự án GPS của Bộ Quốc Phòng Mỹ cần kể tới

sự đóng góp to lớn của TS Ivan Getting, người sáng lập The Aerospace Corporation,

và TS Bradford Parkinson, chủ tịch hội đồng quản trị của The Aerospace Corporation

Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System - GPS) được Chính phủ

Mỹ thiết lập năm 1995, là hệ thống định vị, dẫn hướng và định thời trên không trung được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay Hệ thống vệ tinh này cung cấp miễn phí các dịch

vụ có liên quan, bao gồm các hoạt động dân sự và quân sự cho người sử dụng trên toàn thế giới Việc áp dụng công nghệ GPS không chỉ phổ biến cho việc sử dụng dân sự, từ ôtô, máy bay đến điện thoại di động, mà cũng là một bộ phận không thể thiếu của hệ thống an ninh và bảo vệ quốc phòng

Hệ thống định vị toàn cầu (GPS-Global Positioning System) là một mạng gồm

24 vệ tinh Navstar quay xung quanh Trái đất tại độ cao 11.000 dặm (17.600 km) Được Bộ Quốc Phòng Mỹ ấn định chi phí ban đầu vào khoảng 13 tỷ USD, song việc truy nhập tới GPS là miễn phí đối với mọi người dùng, kể cả những người ở các nước khác Các số liệu định vị và định thời được sử dụng cho vô số những ứng dụng khác nhau bao gồm hàng không, đất liền và hàng hải, theo dõi các phương tiện giao thông trên bộ và tầu biển, điều tra khảo sát và vẽ bản đồ, quản lý tài sản và tài nguyên thiên nhiên

Với việc khắc phục được những giới hạn về độ chính xác quân sự vào tháng 3/1996, ngày nay GPS có thể chỉ ra chính xác vị trí của các mục tiêu chỉ nhỏ bằng đồng 10 xu ở bất kỳ nơi nào trên bề mặt trái đất

Vệ tinh GPS đầu tiên đã được phóng vào năm 1978 Mười vệ tinh đầu tiên là các vệ tinh ‘mở mang’, gọi là Block 1 (Lô 1) Từ năm 1989 đến năm 1993 có 23 vệ

để dự phòng khi có một chiếc nào bị hỏng

Quỹ đạo bay của hệ thống vệ tinh này cũng được sắp xếp để bất cứ chỗ nào trên trái đất đều nhận thấy ít nhất là 4 vệ tinh đang bay ngang trên trời Nhiệm vụ của thiết

bị GPS là làm sao nhận được tín hiệu phát ra từ các vệ tinh bay ngang trên trời … tối thiểu là từ ba vệ tinh Một khi máy đã nhận được tín hiệu phát ra từ các vệ tinh thì các mạch điện tử trong máy sẽ đo và biết được khoảng cách từ các vệ tinh cũng như tọa độ của nó

Trong vài giây đồng hồ máy sẽ làm bài toán và cho giải đáp ngay đó là tọa độ của máy, phương pháp này trong toán học gọi là TRILATERATION (phép đo 3 cạnh tam giác) Tọa độ này cho bạn biết từ vĩ tuyến cho đến kinh tuyến chính xác đến mức

độ tới từng giây

Một số hệ thống toàn cầu và khu vực khác như hệ thống Galileo do liên minh Châu Âu và Cơ quan vũ trụ Châu Âu thiết lập Hệ thống dẫn hướng trong không trung GLONASS của Nga, Hệ thống QZSS của Nhật Bản và Hệ thống BEIDOU của Trung Quốc hiện đang được xây dựng Sau nghiên cứu đánh giá kỹ lưỡng Chương trình dẫn hướng vệ tinh Galileo, một sáng kiến hợp tác giữa liên minh Châu Âu và Cơ quan Vũ trụ Châu Âu, cuối cùng đã nhận được sự khẳng định để sử dụng và chương trình này rất giống với trọng tâm chính sách của Mỹ Các thực thể quản lý và cơ quan an ninh cũng được yêu cầu phát hiện và bảo vệ chống lại việc sử dụng các hệ thống này một cách phi pháp và cho các mục đích chống đối Nỗ lực duy trì Chương trình GLONASS cho thấy dự định của Nga ủng hộ GNSS riêng của mình Hệ thống do Chính phủ liên bang Nga quản lý bao gồm 21 vệ tinh, có quỹ đạo quay quanh 3 hành tinh khác nhau

Từ sau năm 1995 hệ thống GPS vẫn tiếp tục được duy trì và bảo dưỡng cũng như thay thế những vệ tinh già tuổi Năm 2000, số vệ tinh trong chòm GPS đã tăng lên 28 vệ tinh Những vệ tinh thế hệ GPS-IIR đã và đang được phóng lên để thay thế những vệ tinh già tuổi Vệ tinh được phóng lên ngày 16/9/2005 mang tên GPS-IIR-M1, là vệ tinh đầu tiên thuộc thế hệ 8 chiếc vệ tinh hiện đại nhất GPS-IIR-M Theo website Space-Based Postioning, Navigation and Timing của chính phủ Mỹ, Chính phủ Mỹ cam kết cung cấp tối thiểu 24 vệ tinh GPS hoạt động trên quĩ đạo với 95% thời gian Không lực Mỹ (USA Air Force) phóng các vệ tinh bổ sung có chức năng dự trữ để

8

phòng cho thời gian bảo dưỡng định kỳ các vệ tinh và bảo đảm tính sẳn có của ít nhất

24 vệ tinh hoạt động Từ 28/08/2009, đã có 35 vệ tinh trong chòm GPS, với 30 vệ tinh

‘khỏe mạnh’ cho người sử dụng” Do đó, chòm 30 vệ tinh đang thực sự bay như một chòm 24 vệ tinh

2.1.2 Các thành phần của GPS

Hệ thống vệ tinh GPS chia làm 3 phần:

- Phần không gian (space segment): Các vệ tinh

- Phần điều khiển (control segment ): Trạm mặt đất

- Phần người sử dụng (user segment): Bộ thu tín hiệu

Hình 2.1 Sơ đồ liên quan giữa ba phần của hệ thống định vị toàn cầu

2.1.2.1 Phần không gian

Gồm 28 quả vệ tinh (24 vệ tinh hoạt động và 4 vệ tinh dự trữ khi có một chiếc nào bị hỏng) (tính đến năm 2000) nằm trên các quỹ đạo xoay quanh trái đất Chúng chuyển động ổn định, hai vòng quỹ đạo trong khoảng thời gian gần 24 giờ Các vệ tinh này chuyển động với vận tốc 7 nghìn dặm một giờ Các vệ tinh trên quỹ đạo được bố

9

trí sao cho các máy thu GPS trên mặt đất có thể nhìn thấy tối thiểu 4 vệ tinh vào bất kỳ thời điểm nào

Các vệ tinh được cung cấp bằng năng lượng Mặt Trời Chúng có các nguồn pin

dự phòng để duy trì hoạt động khi chạy khuất vào vùng không có ánh sáng Mặt Trời Các tên lửa nhỏ gắn ở mỗi quả vệ tinh giữ chúng bay đúng quỹ đạo đã định

Hình 2.2 Chuyển động vệ tinh nhân tạo xung quanh trái đất

2.1.2.2 Phần điều khiển

Mục đích trong phần này là kiểm soát vệ tinh đi đúng hướng theo quỹ đạo và thông tin thời gian chính xác Có tất cả 5 trạm kiểm soát được đặt rải rác trên trái đất Bốn trạm kiểm soát hoạt động một cách tự động, và một trạm kiểm soát là trung tâm ở Colorado Springs bang Colarado của Mỹ Bốn trạm này nhận tín hiệu liên tục từ những vệ tinh và gửi các thông tin này đến trạm kiểm soát trung tâm Tại trạm kiểm soát trung tâm, nó sẽ sửa lại dữ liệu cho đúng và kết hợp với hai anten khác để gửi lại thông tin cho các vệ tinh

Phần điều khiển có 5 trạm quan sát có nhiệm vụ như sau:

10

- Giám sát và điều khiển hệ thống vệ tinh liên tục

- Quy định thời gian hệ thống GPS

- Dự đoán dữ liệu lịch thiên văn và hoạt động của đồng hồ trên vệ tinh

- Cập nhật định kỳ thông tin dẫn đường cho từng vệ tinh cụ thể

Hình 2.3 Phần điều khiển của GPS

2.1.2.3 Phần người sử dụng

Phần người sử dụng là khu vực có phủ sóng mà người sử dụng dùng anten và máy thu tín hiệu từ vệ tinh và có được thông tin vị trí, thời gian và vận tốc di chuyển

Các bộ thu GPS của người sử dụng bao gồm anten, bộ xử lý và một đồng hồ có

độ ổn định cao được đặt ở tần số truyền dẫn của các vệ tinh Chúng cũng có thể bao gồm các bộ phận hiển thị để cung cấp các thông tin vị trí, tốc độ, hay bản đồ chỉ đường

Một bộ thu GPS được mô tả với số kênh Nó cho biết số lượng vệ tinh tối đa mà

bộ thu có thể xử lý đồng thời Hiện nay, số kênh của bộ thu GPS thường đạt tới 12 đến

20 kênh

Đa số các bộ thu GPS có thể truyền tải dữ liệu tính toán được tới máy tính hay các thiết bị khác sử dụng giao thức NMEA 0183 hay chuẩn mới hơn và ít sử dụng hơn

là NMEA 2000 Ngoài ra cũng có các giao thức khác như SiRF hay MTK Bộ thu GPS

có thể truyền dữ liệu tới các thiết bị khác thông qua giao tiếp nối tiếp, USB hay BlueTooth

2.1.3 Hoạt động của hệ thống

Với GPS, các tín hiệu từ các vệ tinh sẽ đi tới các vị trí chính xác của người dùng và được đo theo phép tam giác đạc Để thực hiện phép tam giác đạc, GPS đo

11

khoảng cách thông qua thời gian hành trình của bản tin vô tuyến từ vệ tinh tới một máy thu mặt đất Để đo thời gian hành trình, GPS sử dụng các đồng hồ rất chính xác trên các vệ tinh, một khi khoảng cách tới vệ tinh đã được đo thì việc biết trước về vị trí

vệ tinh trong không gian sẽ được sử dụng để hoàn thành tính toán Các máy thu GPS trên mặt đất có một “cuốn niên giám” được lưu trữ trong bộ nhớ máy tính của chúng

để chỉ thị mỗi vệ tinh sẽ có mặt nơi nào trên bầu trời vào bất kỳ thời điểm nào Các máy thu GPS sẽ tính toán các thời gian trễ qua tầng đối lưu và khí quyển để tiếp tục làm chính xác hơn phép đo vị trí

Để bảo đảm chắc chắn vệ tinh và máy thu đồng bộ với nhau, mỗi vệ tinh có bốn đồng hồ nguyên tử chỉ thời gian chính xác tới 3 ns, tức ba phần tỷ giây Nhằm tiết kiệm chi phí, các đồng hồ trong các máy thu dưới đất được làm ít chính xác hơn đôi chút Bù lại, một phép đo tầm hoạt động vệ tinh được trang bị thêm Phép đo lượng giác chỉ ra rằng, nếu ba số đo chính xác định vị được vị trí một điểm trong không gian

ba chiều thì một phép đo thứ tư có thể loại bỏ mọi độ chênh lệch thời gian nào đó Phép đo thứ tư này chỉnh lại sự đồng bộ hoá không hoàn hảo của máy thu

Khối mặt đất thu nhận tín hiệu vệ tinh đi tới với tốc độ bằng tốc độ ánh sáng, với tốc độ như vậy tín hiệu cũng phải mất một lượng thời gian đáng kể để tới được máy thu Sự chênh lệch giữa thời điểm tín hiệu được gửi đi và thời điểm tín hiệu được thu nhận với tốc độ ánh sáng cho phép máy thu tính được khoảng cách tới vệ tinh Để

đo lường chính xác độ cao, kinh độ và vĩ độ, máy thu đo thời gian các tín hiệu từ một

số vệ tinh truyền tới máy thu

GPS sử dụng một hệ tọa độ gọi là Hệ thống Trắc địa học Toàn cầu 1984

(WGS-84 - Worldwide Geodetic System 19(WGS-84) Hệ thống này tương tự như các đường kẻ kinh tuyến và vĩ tuyến quen thuộc thường thấy trên các bản đồ treo tường cỡ lớn Hệ thống WGS - 84 cung cấp một khung tham chiếu gắn sẵn tiêu chuẩn hoá, cho phép các máy thu của bất kỳ hãng sản xuất nào cũng cung cấp đúng cùng một thông tin định vị

2.1.4 Bộ thu GPS

Bộ thu GPS tính toán vị trí của nó bằng việc tính toán và so sánh thời gian truyền tín hiệu từ lúc nó được gửi từ vệ tinh đến khi nhận được tại bộ thu trên mặt đất Mỗi vệ tinh truyền liên tục các bản tin có chứa thời gian bản tin được gửi đi, thông tin quỹ đạo chính xác, tình trạng hệ thống chung Bộ thu GPS đo thời gian truyền của mỗi bản tin gửi từ vệ tinh và tính toán khoảng cách tới vệ tinh đó Phép đo hình học ba cạnh tam giác được sử dụng để kết hợp các khoảng cách này cùng vị trí của các vệ tinh

để xác định vị trí của bộ thu Tuy nhiên trên thực tế, một sai số nhỏ của thời gian nhân

12

với vận tốc rất lớn của ánh sáng (cũng là vận tốc lan truyền của sóng điện từ) sẽ gây ra sai số về khoảng cách đáng kể Do vậy các bộ thu sử dụng thêm một vệ tinh để hiệu chỉnh đồng hồ của chúng Trong một số trường hợp nếu biết một trong các thông số tọa độ không gian, ví dụ như độ cao, chúng ta chỉ cần 3 vệ tinh để xác định được vị trí chính xác

Tính toán được khoảng cách từ bộ thu tới vệ tinh, cho phép xác định vị trí của

bộ thu nằm trên hình cầu có tâm là vệ tinh đó Do vậy, với 4 vệ tinh ta có thể xác định được vị trí của bộ thu ở tại hai miền giao của 4 hình cầu có tâm là vị trí các vệ tinh, bán kính là khoảng cách từ bộ thu tới các vệ tinh đó

Trường hợp không có lỗi, bộ thu GPS sẽ có vị trí tại một điểm giao của 4 bề mặt hình cầu Nếu bề mặt của hai mặt cầu giao nhau tại nhiều hơn một điểm, giao tuyến của chúng sẽ là một hình tròn Giao tuyến này và mặt cầu thứ 3 trong hầu hết các trường hợp sẽ giao nhau tại hai điểm (mặc dù chúng có thể chỉ giao nhau tại một điểm hoặc không giao nhau) Vị trí chính xác của bộ thu GPS là 1 trong hai giao điểm

mà gần với bề mặt trái đất nhất đối với các bộ thu của các phương tiện di chuyển trên hay gần bề mặt trái đất Giao điểm còn lại có thể là vị trí chính xác của một thiết bị khác trong không gian

Hình 2.4 Tính toán vị trí của bộ thu GPS trên bề mặt trái đất

13

2.1.5 Phương trình xác định tọa độ

Hình 2.5 Hệ trục tọa độ máy thu - vệ tinh

Để xác định được tọa độ thì tại vị trí đó cần “nhìn” thấy ít nhất 4 vệ tinh (hình vẽ) Ta có khoảng cách giữa vị trí cần đo và vệ tinh là ρ = c * t, trong đó c là vận tốc ánh sáng và t là khoảng thời gian sóng truyền từ vệ tinh tới vật

Gọi tọa độ vị trí là (X, Y, Z), tại một thời điểm ta có 4 phương trình như sau:

14

Hình 2.6 Phương trình xác định tọa độ của máy thu GPS

Trong đó Δt là thông số để đồng bộ thời gian giữa phía phát và phía thu Giải 4 phương trình 4 ẩn ta thu được tọa độ cần xác định

2.1.6 Hiệu chỉnh đồng hồ của bộ thu

Phương pháp tính toán vị trí trong trường hợp không có lỗi đã được giải thích ở trên Trong thực tế, nguồn gây lỗi đáng kể nhất là đồng hồ của bộ thu GPS Bởi vì tốc

độ lan truyền ánh sáng là rất lớn, do vậy chỉ một sai số nhỏ của thời gian sẽ gây ra sai lệch lớn trong tính toán khoảng cách từ bộ thu tới vệ tinh Muốn vậy bộ thu GPS phải được trang bị một đồng hồ đặc biết chính xác, với giá thành cao Tuy nhiên, các nhà sản xuất mong muốn đưa ra thị trường những thiết bị thu GPS ở mức giá chấp nhận được cho thị trường đa số người dùng, do vậy cách giải quyết sự xung đột này dựa trên cách mà các mặt cầu giao nhau

Hầu hết các khả năng bề mặt của 3 mặt cầu sẽ giao nhau khi đường tròn giao tuyến của hai mặt cầu đầu tiên thường sẽ đủ lớn và sẽ giao với mặt cầu thứ 3 tại hai điểm Tuy vậy, mặt cầu thứ 4 hầu như sẽ không có khả năng giao với hai điểm của ba mặt cầu đầu tiên, do bất kỳ một sự sai số về thời gian khi thực hiện các phép tính trên

bộ thu Tuy nhiên, khoảng cách từ vị trí ước lượng của bộ thu GPS tới bề mặt hình cầu ứng với vệ tinh thứ 4 có thể được sử dụng để hiệu chỉnh sai số đồng hồ Chúng ta đặt khoảng cách từ vị trí ước lượng của bộ thu GPS tới vệ tinh thứ 4 là R4, P4 là giả khoảng cách của vệ tinh thứ 4 Khi đó, khoảng cách Da từ vị trí ước lượng của bộ thu tới bề mặt hình cầu ứng với vệ tinh thứ 4: Da = R4 – P4 Thời gian ước lượng cho sự sai số đồng hồ được tính là B= Da / c (với c là vận tốc ánh sáng) Chúng ta dễ nhận thấy đồng hồ trên bộ thu GPS trễ khi giá trị B là âm và nhanh khi giá trị B là dương

2.1.8 Nguồn lỗi của tín hiệu GPS

Có khá nhiều nguồn có thể gây nhiễu hoặc suy giảm tín hiệu siêu cao tần phát

từ vệ tinh tới các bộ thu Khi đó bộ thu có thể không thực hiện được các phép tính toán

vị trí hay cho kết quả sai lệch:

Sự giữ chậm của tầng đối lưu (do độ ẩm) và tầng điện ly Tín hiệu bị chậm đi khi đi xuyên qua tầng khí quyển, nhất là tầng điện ly Hệ thống GPS sử dụng các mô hình tích hợp sẵn để tính toán độ trễ tín hiệu trung bình và hiệu chỉnh một phần lỗi do nguyên nhân này gây ra

15

Hiệu ứng nhiều đường: xảy ra khi tín hiệu GPS bị phản xạ từ các tòa nhà, các

bề mặt lớn trước khi tới được bộ thu Nguyên nhân này sẽ làm tăng thời gian truyền dẫn tín hiệu GPS

Sai lệch đồng hồ máy thu: Đồng hồ trên máy thu có thể sai lệch so với các đồng

hồ nguyên tử trên vệ tinh, gây ra các phép tính sai về khoảng cách Tuy nhiên trên thực

Che khuất về hình học: Phụ thuộc vào vị trí tương đối của các vệ tinh ở thời điểm bất kỳ Khi các vệ tinh nằm trên một đường thẳng hoặc tạo thành nhóm sẽ gây ra

sự che khuất đối với bộ thu GPS

Sự suy giảm của tín hiệu vệ tinh có chủ ý: Là hành động có mục đích của Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ nhằm ngăn chặn các đối thủ quân sự thu được chính xác tín hiệu định vị Tuy việc này đã được ngừng từ năm 2000, tuy nhiên không có một sự đảm bảo chắc chắn về tính ổn định và chính xác của các bộ thu GPS

2.1.9 Chuẩn NMEA0183

2.1.9.1 Sơ lược về chuẩn NMEA và chuẩn NMEA0183

NMEA (hay NMEA 0183) là sự một chuẩn giao thức cho truyền thông giữa các thiết bị điện tử dùng cho tàu thủy cũng như các thiết bị đo tốc độ gió, la bàn, máy lái

tự động, thiết bị thu GPS và rất nhiều các thiết bị khác được định nghĩa và phát triển bởi Hiệp hội điện tử tàu thủy quốc gia Hoa Kỳ (National Marine Electronics Association)

Chuẩn NMEA 0183 sử dụng các ký tự ASCII, giao thức truyền thông nối tiếp quy định cách một “thiết bị gửi” truyền một câu dữ liệu tới “thiết bị nhận” tại một thời điểm

Ở tầng ứng dụng, chuẩn NMEA quy định nội dung các kiểu câu dữ liệu cho phép thiết bị nhận có khả năng phân tích dữ liệu một cách chính xác Các câu dữ liệu đều bắt đầu bằng ký tự “$” và kết thúc bằng <CR><LF>

RMC: Recommended minimum specific GNSS data

VTG: Course over ground and ground speed

Cấu hình truyền thông nối tiếp (tầng liên kết dữ liệu)

Tốc độ bit: 4800 bps

Số bit dữ liệu: 8

Bít chẵn lẻ: None

Bit dừng: 1 hoặc nhiều hơn

Cơ chế bắt tay thiết bị: không

Hầu hết các máy GPS hiện nay đều giao tiếp dựa trên chuẩn NMEA 0183, một

số thì vẫn có thể dùng được với chuẩn NMEA 0180 và NMEA 0182 với tốc độ truyền

dữ liệu chỉ có 1200bps

2.1.9.2 Cấu trúc chuỗi NMEA

Mỗi câu bắt đầu bằng ký tự “$” 5 ký tự tiếp theo cho phép nhận dạng loại câu

dữ liệu Tất cả các trường dữ liệu theo sau được phân cách bởi dấu “,” Ký tự đầu tiên tiếp theo sau các trường dữ liệu là dấu “*”

Theo sau dấu “*” là hai số checksum biểu diễn dưới dạng hex Checksum được tính bằng cách XOR tất cả các mã ASCII của tất cả các trường giữa 2 dấu “$” và “*”

kể cả mã ASCII của dấu “*”

Các ký tự enter và xuống dòng kết thúc câu dữ liệu Nếu dữ liệu cho một trường nào đó không có thì trường đó trống và dấu “,” ngăn cách giữa các trường vẫn được truyền đi

Ví dụ với câu dữ liệu GPRMC

$GPRMC,225446,A,4916.45,N,12311.12,W,000.5,054.7,191194,020.3,E*68

17

- Bản tin kiểu RMC- (Recommended Minimum Specific GNSS Data)

Ví dụ ta nhận được chuỗi bản tin

$GPRMC,161229.487,A,3723.2475,N,12158.3416,W,0.13,309.62,120598,,*10 Sau đây là diễn giải của bản tin

Bảng 2.3 Diễn giải của bản tin GPRMC

RMC (RMC protocol header) Thời gian (UTC

Time)

giây) hhmmss.sss

2.2 Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM

Hệ thống thông tin di động toàn cầu – GSM là tiêu chuẩn phổ biến nhất trong thông tin di động trên thế giới hiện nay Theo tổ chức sáng lập là hiệp hội GSM ước đoán rằng, 80% thị trường di động toàn cầu đang sử dụng công nghệ này, với hơn 3 tỷ người trên hơn 212 quốc gia Sự phổ biến này giúp cho việc chuyển vùng quốc tế giữa các nhà cung cấp dịch vụ di động trở nên dễ dàng, các thuê bao có thể sử dụng dịch

vụ di động ở nhiều nơi trên thế giới

Ngoài cung cấp dịch vụ cuộc gọi thoại, GSM cũng mở rộng các dịch vụ tiện lợi khác cho người sử dụng như tin nhắn ngắn SMS, được hỗ trợ tốt bởi hầu hết các chuẩn

di động khác Các tiêu chuẩn mới sau này ra đời, như General Packet Radio Service – GPRS (năm 1997) và Enhanced Data Rates for GSM Evolution – EDGE (năm 1999), mang lại các dịch vụ giá trị gia tăng phong phú và các mức cước phí hấp dẫn

2.3 Dịch vụ số liệu cải tiến GPRS – General Packet Radio Service

2.3.1 Sơ lược

GPRS là dịch vụ dữ liệu di động, sử dụng phương thức chuyển mạch gói được phát triển trên nền hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM, cho phép các thiết bị di động gửi và nhận dữ liệu trong mạng GPRS là một bước để phát triển lên hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G)

Tốc độ: GPRS sử dụng phương thức chuyển mạch gói Tốc độ kết nối cao hơn,

có thể đạt tới khoảng 56-118kbps, so với mạng GSM truyền thống chỉ là 9,6kbps Bằng việc kết hợp các khe thời gian chuẩn GSM, tốc độ theo lý thuyết có thể đạt tới 171,2kbps Tuy nhiên, tốc độ 20-50kbps là khả thi hơn trong thực tế

Kết nối liên tục: GPRS là dịch vụ kết nối liên tục, mà không cần phải quay số Đây không phải là một tính năng duy nhất có ở GPRS, nhưng sẽ không có trở ngại nào

để nó trở thành tính năng then chốt khi chuyển tiếp lên 3G Nó giúp cho các thiết bị tiếp nhận các dịch vụ một cách tức thời

19

Các ứng dụng giá trị gia tăng mới và tốt hơn: Kết nối truyền dữ liệu tốc độ cao

và liên tục cho phép các ứng dụng internet và các dịch vụ như hội thoại hình có thể được thực hiện trên các thiết bị di động hay chuyển tới máy PC

Chi phí đầu tư và vận hành: Các nhà cung cấp dịch vụ mạng di động không cần phải bắt đầu từ vạch xuất phát để có thể triển khai GPRS GPRS được nâng cấp từ mạng GSM đã có

Cước phí dịch vụ truyền tải dữ liệu bằng GPRS thường được tính trên lưu lượng truyền tải, trong khi đó phương pháp truyền thống sử dụng chuyển mạch kênh được tính dựa trên thời gian kết nối, không phụ thuộc vào việc người sử dụng đang truyền tải dữ liệu hay ở trạng thái nghỉ

2.3.2 Kiến trúc hệ thống GPRS chung

Hình 2.13 Kiến trúc chung của hệ thống GPRS

GPRS không phải là một mạng hoàn toàn tách biệt với GSM Nhiều thiết bị như trạm thu phát gốc (BTS), bộ điều khiển trạm thu phát gốc (BSC) vẫn được sử dụng Việc triển khai dịch vụ GPRS thường là nâng cấp về phần mềm, phần cứng hoặc cả hai Việc nâng cấp phần mềm hầu như có thể được thực hiện từ xa

Có hay bộ phận chức năng quan trong trong hoạt động của GPRS: Serving GPRS Support Node – SGSN và Gateway GPRS Support Node – GGSN Hai thành phần này là những thay đổi lớn nhất và hoàn toàn mới so với mạng GSM

Dịch vụ dữ liệu GPRS hoạt động song song với dịch vụ thoại trên GSM Trong mạng GSM thường có nhiều trạm điều khiển trạm thu phát gốc (BSC) Khi triển khai dịch vụ GPRS, tại các trạm BSC được bổ sung các bộ đơn vị điều khiển gói tin PCU –

20

Packet Control Unit Bộ phận này sẽ phân biệt dữ liệu của mạng GSM chuẩn (hay chuyển mạch kênh) và dữ liệu của dịch vụ GPRS ( hay chuyển mạch gói) Trong vài trường hợp, PCU có thể là các bộ phận riêng biệt

SGSN chuyển đổi dữ liệu di động thành IP và được kết nối với GGSN qua giao thức đường hầm( tunneling protocol)

- GGSN

Nút hỗ trợ cổng vào GPRS (GGSN) là cổng cuối cùng trong mạng GPRS trước khi kết nối với một ISP hay bộ định tuyến của mạng doanh nghiệp GGSN về cơ bản là một cổng vào (gateway), bộ định tuyến (router) và tường lửa (firewall) kết hợp làm một GGSN cũng làm nhiệm vụ xác nhân chi tiết người dùng với máy chủ RADIUS cho quá trình bảo mật, thường xảy ra trong mạng IP, hay bên ngoài mạng GPRS

- Kết nối giữa SGSN và GGSN

Kết nối giữa hai nút hỗ trợ GPRS sử dụng giao thức gọi là GPRS Tunneling Protocol (GTP) GTP nằm trên TCP/IP và có trách nhiệm thu thập các thông tin tính cước và dàn xếp Trong thực tế hai khối GSN có thể nằm cùng trong một khối đơn

- HLR – Home Location Register

Bộ đăng ký vị trí trung tâm (HLR) là một cơ sở dữ liệu chứa các thông tin thuê bao, khi một thiết bị di động kết nối tới mạng sử dụng số nhận dạng MSISDN, trạng thái của thuê bao, hay đôi khi là địa chỉ IP

2.3.3 Địa chỉ IP

a) Cấp phát địa chỉ IP

Có 3 cách khác nhau để cấp phát địa chỉ IP cho các thiết bị di động

b) Liên lạc giữa SGSN và GGSN

Một thiết bị di động được lập trình với một hay nhiều tên điểm truy cập – Access Point Name (APN) Một APN có chứa một tên máy chủ tên miền DNS Khi

22

thiết bị di động muốn truy cập một địa chỉ web, SGSN tìm kiếm máy chủ tên miền DNS và phân giải tên tới đúng GGSN tương ứng

2.3.4 Các lớp thiết bị GPRS

Có 3 lớp khác nhau của thiết bị GPRS:

- Lớp A: Các thiết bị đầu cuối lớp A có hai bộ thu phát, cho phép gửi/nhận dữ liệu thoại và dữ liệu GPRS đồng thời

- Lớp B: Các thiết bị đầu cuối lớp B có thể gửi/nhận dữ liệu thoại hoăc dữ liệu GPRS nhưng không đồng thời cả hai

- Lớp C: Các thiết bị này chỉ cho phép thực hiện 1 trong 2 kết nối thoại hoặc

b) Giao diện vô tuyến

ETSI đã cho ra đời 3 sơ đồ mã hóa mới cho giao diện vô tuyến Khi thiết bị GPRS liên lạc với trạm thu phát gốc, chúng có thể sử dụng 1 trong 4 sơ đồ Các sơ đồ CS-1 tới CS-3 trong đó CS-1 giống như chuẩn GSM Một cách đơn giản, CS-1 có độ

dư thừa lớn, trong khi CS-2 và CS-3 có ít dư thừa hơn Trong khi CS-4 có ít dư thừa nhất, gỡ bỏ tất các điều khiển lỗi, trong khi đạt khả năng truyền tải lớn nhất Nếu chất lượng sóng vô tuyến thấp, CS-1 được sử dụng, với các điều khiển lỗi giúp tăng chất lượng dịch vụ

c) Các lớp dịch vụ GPRS

Các thiết bị di động có thể yêu cầu các loại truyền tải khác nhau được ưu tiên, trong nỗ lực mang đến cho người sử dụng mức độ kết nối mong muốn Có 4 lớp truyền tải khác nhau:

- Lớp ưu tiên: Một ứng dụng có thể được gán cho một lớp ưu tiên 1, 2 hay 3 Nếu một ứng dụng có độ ưu tiên cao hơn (1) các ứng dụng khác (3) thì quá trình truyền tải của nó sẽ có thứ tự ưu tiên cao hơn

Ngoài ra, các nhân tố khác cũng có thể ảnh hưởng tới QoS, như chất lượng sóng

vô tuyến, nghẽn mạng internet, LAN/WAN, lỗi trong mạng GSM/GPRS, vv…

2.3.6 Các dịch vụ hỗ trợ

Dịch vụ GPRS trên nền GSM cung cấp các dịch vụ mới:

- Dịch vụ tin nhắn đa phương tiện (MMS – Multimedia messaging service)

- Dịch vụ đàm thoại Push to Talk (PTT)

- Các ứng dụng internet trên thiết bị thông minh, qua giao thức ứng dụng không giây (WAP – Wireless Application Protocol)

- Dịch vụ Point to Point (PTP): liên mạng với mạng internet (giao thức IP) GPRS cho phép tăng hiệu quả sử dụng đường truyền và tốc độ truyền dữ liệu Khi sử dụng dịch vụ nhắn tin ngắn SMS bằng GPRS có thể đạt được tốc độ truyền tin

30 bản tin / phút, trong khi với dịch vụ SMS truyền thống trên GSM, tốc độ chỉ đạt được từ 6-10 bản tin / phút

2.4 GIỚI THIỆU SIM 548

2.4.1 Giới thiệu chung

Module SIM548C sử dụng 4 băng tần GSM/GPRS hơn nữa còn được tích hợp sẵn bộ thu GPS, nó được thiết kế nhỏ gọn, khả năng di động rất cao, giá thành tiết kiệm hơn nhiều so với giải pháp đã nói ở trên Nó là sự kết hợp của 2 công nghệ : công nghệ GSM/GPRS và công nghệ GPS Một giải pháp rất tối ưu cho việc truyền dữ liệu GPS về trung tâm thông qua mạng GSM/GPRS