THIẾT kế, CHẾ tạo hệ THỐNG CHỐNG TRỘM TRÊN XE gắn máy sử DỤNG CÔNG NGHỆ CAO

S n phẩm cho phép điều khiển xe máy ằng điện thoại, remote điều khiển từ xa với nhiều tiện ích nh theo dõi vị trí xe, theo dõi lịch sử c a xe, c nh áo ch ng trộm, tìm kiếm cây xăng, điểm

M C L C

Quyết định giao đề tài

Lý lịch cá nhân i

L i cam đoan iii

C m tạ iii

Tóm tắt iv

Mục lục vi

Danh sách các chữ viết tắt ix

Danh sách các hình xi

Danh sách các ng xiv

Ch ng 1 T NG QUAN xiv

1.1Tổng quan về h ớng nghiên c u 1

1.1.1 Giới thiệu 1

1.1.2 Tổng quan kết qu nghiên c u trong và ngoài n ớc 2

1.1.2.1 Các đề tài nghiên c u trong n ớc 2

1.1.2.2 Các đề tài nghiên c u ngoài n ớc 4

1.2 Lý do chọn đề tài 8

1.3 Mục đích nghiên c u c a đề tài 8

1.4 nghĩa khoa học và th c tiễn c a đề tài 9

1.5 Khách thể và đ i t ợng nghiên c u 10

1.6 Nhiệm vụ nghiên c u 10

1.7 Giới hạn c a đề tài 11

1.8 Ph ơng pháp nghiên c u 11

1.9 Kế hoạch th c hiện 11

Ch ng 2 C S Lụ THUY T 14

2.1 D u vân tay và một s đặc tr ng nhận dạng 14

2.2 C m iến nhận dạng vân tay 16

2.2.1 D u vân tay gián tiếp 16

2.2.2 D u vân tay tr c tiếp live scanner fingerprint 17

2.3 C u trúc c a một hệ th ng nhận dạng vân tay 18

2.4 Hệ th ng định vị toàn cầu GPS và các thành phần cơ n 20

2.4.1 Hệ th ng định vị toàn cầu GPS - Global Positioning System) 20

2.4.2 Các thành phần cơ n c a hệ th ng định vị toàn cầu 21

2.5 Hoạt động c a hệ th ng GPS 25

2.6 Nguyên lý định vị và cách xác định vị trí định vị 25

2.6.1 Nguyên lý định vị GPS 25

2.6.2 Xác định kho ng cách gi để định vị 27

2.6.2.1 Định nghĩa kho ng cách gi 27

2.6.2.2 Xác định vị trí từ các kho ng cách gi 27

2.6.2.3 Nguyên tắc xác định vị trí 1 điểm 28

2.6.2.4 Tính vị trí user từ kho ng cách 28

2.7 Thành phần tín hiệu GPS 29

Ch ng 3 GI I THI U CÁC MODULE S D NG TRONG H TH NG 31

3.1 Giao tiếp cổng n i tiếp UART 31

3.1.1 Truyền thông n i tiếp không đồng ộ 31

3.1.2 Định dạng dữ liệu truyền thông n i tiếp không đồng ộ 33

3.1.3 Truyền thông n i tiếp không đồng ộ giữa hai nút 34

3.2 Module nhận dạng vân tay R305 35

3.2.1 Quá trình nhận diện vân tay trong module vân tay 35

3.2.2 Kết n i module với thiết ị 36

3.3 Giới thiệu module GPS NEO - 6m 36

3.4 Module GSM/GPRS SIM900A 37

3.5 Vi xử lý ARM Cortex M3 37

Ch ng 4 THI T K VÀ THI CỌNG MỌ HỊNH 40

4.1 Sơ đồ tổng quát hệ th ng 40

4.2 Hoạt động c a hệ th ng 50

4.3 Thuật toán điều khiển hệ th ng 55

4.3.1 Thuật toán xác định sai lệch tọa độ với GPS 55

4.3.2 Thuật toán điều khiển hệ th ng 56

4.4 Thiết kế ng điện thoại điều khiển hệ th ng 61

Ch ng 5 TH C NGHI M VÀ ĐÁNH GIÁ K T QU 63

5.1 Th c nghiệm 63

5.1.1 Điều kiện th c nghiệm 63

5.1.2 Quá trình th c nghiệm 64

5.2 Đánh giá kết qu 75

Ch ng 6 K T LU N VÀ H NG PHÁT TRI N Đ TÀI 77

6.1 Kết luận 77

6.1.1 Kết qu đạt đ ợc 77

6.1.2 Những v n đề tồn tại 77

6.2 H ớng phát triển c a đề tài 78

TÀI LI U THAM KH O 79

PH L C 80

CCD – Charge Coupled Device

CDI – Capacitor Discharge Ignition

CPU – Central Processing Unit

CTS – Clear To Send

DC – Direct Current

DCE – Data Communication Equipment

DSP – Digital Signal Processing

DTE – Data Terminal Equipment

FBI – Federal Bureau of Investigation

GIS – Geographic Information System

GPS – Global Positioning System

GSM – Global System for Mobile Communications

LED – Light Emitting Diode

LSB – Least Significant Bit

MCU – Micro Control Unit

MSB – Most Significant Bit

MSB – Most Significant Bit

P-code – precision code

PLC – Programmable Logic Device

PRN – Pseudo Random Noise

RF – Radio frequency

RTS – Request To Send

SID – State Identification Number

SIM – Subcriber Identity Module

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1.1: Khóa cửa vân tay c a ADEL 7

Hình 1.2: Hệ th ng ch ng trộm SID trên ô tô 8

Hình 2.1: Vân lồi và vân lõm trên ngón tay 14

Hình 2.2: Vị trí các điểm core trên vân tay 15

Hình 2.3: Các phân lớp chính c a vân tay 15

Hình 2.4: Các đặc tr ng phổ iến trên vân tay 16

Hình 2.5: C m iến vân tay quang học 18

Hình 2.6: C u trúc cơ n c a hệ th ng nhận dạng vân tay 19

Hình 2.7: Mô t về hệ th ng GPS 20

Hình 2.8: Các thành phần cơ n c a hệ th ng định vị toàn cầu GPS 21

Hình 2.9: Sơ đồ trí các vệ tinh trong không gian c a hệ th ng GPS 22

Hình 2.10: Vị trí các trạm trong ộ phận điều khiển c a hệ th ng GPS 23

Hình 2.11: Sơ đ kh i máy thu tín hiệu GPS 24

Hình 2.12: Nguyên tắc định vị toàn cầu tổng quát 26

Hình 2.13: Các dạng sóng nhận từ thiết ị thu tín hiệu GPS 30

Hình 3.1: Tín hiệu truyền ký t A trong truyền thông UART 31

Hình 3.2: Kết n i đơn gi n trong truyền thông n i tiếp 34

Hình 3.3: Kết n i truyền thông n i tiếp dùng tín hiệu ắt tay 34

Hình 3.4: Module nhận dạng vân tay R305 35

Hình 3.5: Module GPS NEO-6M 37

Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý Kit STM32F103C8T6 39

Hình 3.7: Board Kit STM32F103C8T6 39

Hình 4.1: Sơ đồ tổng quát hệ th ng ch ng trộm 40

Hình 4.2: Nguyên lý mạch chuyển điện áp sơ c p sang tín hiệu xung vuông 41

Hình 4.3: Board chuyển tín hiệu điện áp cuộn sơ c p sang xung vuông 42

Hình 4.5: Sơ đồ nguyên lý nút nh n trên giao diện 43

Hình 4.6: Sơ đồ nguyên lý Led hiển thị trên giao diện 43

Hình 4.7: Giao diện hệ th ng ch ng trộm khi hoàn thành 44

Hình 4.8: Sơ đồ nguyên lý kết n i các module với MCU 45

Hình 4.9: Module relay 5V-4 kênh điều khiển ộ ch p hành 45

Hình 4.10: Sơ đồ trí vị trí ch ng trộm trên c m iến vị trí trục khuỷu 46

Hình 4.11: Sơ đồ trí vị trí ch ng trộm trên c m iến góc nghiên 47

Hình 4.12: Sơ đồ trí vị trí ch ng trộm trên c m iến góc nghiên trên xe SH điều khiển qua Engine Stop Relay 48

Hình 4.13: Sơ đồ trí vị trí ch ng trộm trên công tắc chân ch ng cạnh 48

Hình 4.14: Sơ đồ trí vị trí ch ng trộm trên IC đánh lửa dạng AC-CDI 49

Hình 4.15: Sơ đồ trí vị trí ch ng trộm trên IC đánh lửa dạng DC-CDI 50

Hình 4.16: Thuật toán xác định sai lệc tọa độ 55

Hình 4.17: Thuật toán điều khiển ch ơng trình chính 56

Hình 4.18: Thuật toán điều khiển ch ơng trình con trạng thái ch 58

Hình 4.19: Thuật toán điều khiển ch ơng trình con trạng thái sẵn sàng 58

Hình 4.20: Thuật toán điều khiển ch ơng trình con trạng thái hoạt động 59

Hình 4.21: Thuật toán điều khiển ch ơng trình con uzz 60

Hình 4.22: Thuật toán điều khiển ch ơng trình con kt_GPS 60

Hình 4.23: Giao diện chính ng dụng 61

Hình 4.24: Giao diện điều khiển ch c năng chính và đổi mật khẩu hệ th ng 62

Hình 5.1: Lắp đặt hệ th ng ch ng trộm lên xe máy Dream thử nghiệm 63

Hình 5.2: Giao diện hiển thị ch c năng khóa cổ đư ật 64

Hình 5.3: Tin nhắn và kết qu ph n hồi c a hệ th ng với tính năng m nguồn 66

Hình 5.4: Tin nhắn và kết qu n ph n hồi hệ th ng về ch qu n xe với tính năng kiểm tra tình trạng xe 67

Hình 5.5: Giao diện hiển thị ch c năng ch ng dắt đư ật 68

Hình 5.6: Tọa độ xe kiểm tra hiển thị trên google map 68

Hình 5.7: C u trúc tin nhắn và kết qu ph n hồi ch c năng đổi s điện thoại ch

qu n xe 70

Hình 5.8: Ch c năng m nguồn hoạt động hệ th ng ằng vân tay 71

Hình 5.9: Giao diện hiển thị ch c năng đổi vân tay 72

Hình 5.10: ng dụng áo lỗi khi nhập thiếu thông tin và khi tin nhắn gửi thành

công 73

DANH SÁCH CÁC B NG

B ng 3.1: Các chân kết n i module vân tay 36

B ng 5.1: Kết qu thu thập từ thử nghiệm ch c năng ch ng dắt 69

B ng 5.2: Th ng kê kết qu nhận diện vân tay điều khiển hệ th ng 72

B ng 5.3: Công su t t i tiêu thụ trên xe máy Dream 75

C h ng 1

T NG QUAN 1.1 T ng qu n v h ng nghiên c u

1.1.1 Gi i thi u

Ngày nay, công nghệ sinh trắc học đ ợc ng dụng rộng rưi trong đ i s ng

Hệ th ng nhân trắc học đ ợc sử dụng nh : nhận diện vân tay, nhận diện khuôn mặt, nhận diện giọng nói, nhận diện tròng mắt, nhận diện lòng àn tay Trong

đó, công nghệ nhận dạng vân tay là đ ợc ng dụng nhiều nh t Ng i ta nhận

th y các đặc tr ng vân tay không thể dễ dàng ị thay thế, chia sẻ, hay gi mạo,

….Ngoài ra, d u vân tay c a con ng i không ai gi ng ai, kể c là sinh đôi cùng tr ng xác su t trùng l p d u vân tay giữa ng i này với ng i kia gần

nh là 0% (1/1,9 x 1015) [1] và không đổi trong su t cuộc đ i Do vậy, trong việc nhận dạng một ng i, công nghệ này đ ợc xem là đáng tin cậy hơn so với các ph ơng pháp truyền th ng nh : Mật khẩu, mư thẻ

Việc ng dụng công nghệ nhận dạng vân tay đư có từ r t lâu Tuy nhiên, trong kho ng một th i gian dài con ng i chỉ th c hiện việc đ i sánh giữa hai d u vân tay ằng k thuật truyền th ng mang nặng tính th công, các kết qu c a lĩnh v c này gần nh không đ ợc ng dụng trong các lĩnh v c dân

s thông th ng c a đ i s ng mà ch yếu đ ợc sử dụng trong lĩnh v c hình s

và pháp y Với s phát triển ngày càng nhanh chóng c a ngành công nghệ điện toán thì việc sử dụng d u vân tay để nhận dạng đ ợc áp dụng rộng rưi trong

đ i s ng ằng hệ th ng nhận dạng vân tay t động AFIS [8] Cùng với s phát triển mạnh các s n phẩm phần mềm nhúng và một thị tr ng thiết ị nhúng vô cùng to lớn, việc đ a công nghệ Theo cách đ i sánh vân tay truyền

th ng, để kiểm ch ng hai d u vân tay có gi ng nhau hay không thì ph i dùng kính lúp để đ i chiếu từng đ ng vân Nhận dạng vân tay lên các thiết ị nhúng đư mang lại nhiều lợi ích và hiệu qu không những cho nhà phát triển

ng nghệ này lên thiết ị nhúng mà còn cho xư hội Do đó, công nghệ nhân

dạng vân tay đề cập trong luận văn này chính là hệ th ng nhận dạng vân tay t động trên hệ th ng nhúng Công nghệ này không những đ ợc ng dụng trong lĩnh v c hình s mà còn đ ợc ng dụng đa dạng trong lĩnh v c dân s , th ơng mại,…, cụ thể là: việc xác nhận nhân thân c a cá nhân khi truy cập mạng, hồ

sơ cá nhân, khóa ch ng trộm, thẻ ngân hàng, hệ th ng ch m công, hệ th ng

độ c a đ i t ợng c c kỳ đơn gi n

n ớc ta, xe máy là ph ơng tiện giao thông phổ iến nh t hiện nay, đồng th i xe máy cũng là tài s n có giá trị trong mỗi gia đình Ch xe luôn

mu n s hữu một tài s n vừa tiện lợi trong quá trình sử dụng, vừa có kh năng

t o vệ an toàn tuyệt đ i ch ng m t c p, kiểm tra qu n lý tài s n một cách

dễ dàng, thông minh và hiện đại

D ới s h ớng dẫn c a Thầy PGS.TS Đỗ Văn Dũng, học viên quyết định th c hiện đề tài ắThi t k , ch t o h th ng ch ng tr m trên xe g n

máy s d ng công ngh c o” Đề tài là s kết hợp u điểm c a hai công

nghệ trên để cho ra một thiết ị có thể giúp ng i ch ph ơng tiện o vệ và

qu n lý tài s n c a mình một cách dễ dàng và tiện lợi

1.1.2 T ng qu n k t qu nghiên c u trong vƠ ngoƠi n c

1.1.2.1 C c tƠi nghiên c u trong n c

Hiện nay, tình hình nghiên c u trong n ớc về ng dụng vân tay cũng đang phát triển rộng rưi và đang dần đi vào đ i s ng nh máy ch m công điểm danh ằng vân tay

Bộ khoa học hình s Bộ công an đang nghiên c u và ng dụng công nghệ sinh trắc học ằng vân tay trong việc truy nguyên tội phạm qua vân tay

trên ch ng minh nhân dân và d u vân tay tại hiện tr ng hệ th ng C@ FRIS)

S n phẩm do Cục công nghệ tin học (E15) - Tổng cục k thuật - Bộ công an nghiên c u và phát triển [15]

Bên cạnh đó, hệ th ng định vị toàn cầu cũng đ ợc nghiên c u rộng rãi vào các ng dụng th c tế Đặc iệt, các thiết ị kiểm tra giám sát hành trình trên các ph ơng tiện giao thông nh hộp đen ô tô, thiết ị ch ng trộm xe máy…

Hệ th ng ch ng trộm trên xe gắn máy sử dụng điện thoại c a công ty

gi i pháp phần mềm Setech Việt với s n phẩm S-Bike Pro [14] Đây là thiết ị định vị và c nh áo trộm xe máy S n phẩm là s kết hợp giữa hai ph ơng pháp định vị là GPS và Cell-ID c i tiến để tăng độ chính xác khi định vị vị trí

xe S n phẩm tiện dụng có thể gắn tích hợp trên nhiều dòng xe máy khác nhau Thiết ị ch ng trộm xe máy HYPERION sử dụng công nghệ wireless k thuật s , gi i pháp nhận diện ch xe hoàn toàn t động với tính o mật c c cao, tính năng ch ng c ớp xe máy giúp o vệ hoàn h o cho xe máy một cách đơn gi n và an toàn Thiết bị ch ng trộm xe máy HYPERION gồm 2 phần:

Hộp điều khiển gắn trong xe và thẻ nhận diện giữ bên ng i Thiết bị chỉ cho phép xe hoạt động khi ch xe mang theo thẻ và đ ng cách xe 10m, hệ th ng

b o vệ và báo động t động bật lên khi xe bị m khóa trái phép, ng i dùng

chỉ việc giữ thẻ trong ng i mà không cần b t c thao tác gì khác Hệ th ng sẽ

hú còi báo động sau 9 giây và tắt động cơ sau 12 giây nếu xe đang nổ máy mà không tìm th y thẻ nhận diện Do đó, thiết ị phòng ch ng hữu hiệu trong các

tr ng hợp dàn c nh c ớp xe S n phẩm đ ợc nghiên c u và chế tạo tại Công

Ty TNHH MTV Công Nghệ Điện Tử MVS u điểm c a s n phẩm là tiện dụng, hệ th ng t nhận dạng ch xe nh ng nh ợc điểm không tích hợp hệ

th ng định vị nên hệ th ng chỉ ch ng trộm dạng ch động

Trong th i gian gần đây, công ty viễn thông quân đội cho ra đ i thiết ị

c nh áo ch ng trộm Smart Motor điều khiển ằng điện thoại di động Smart

là gi i pháp ch ng trộm và định vị xe máy và giám sát hành trình xe

máy thông minh thông qua mạng di động Viettel và hệ th ng định vị toàn cầu

GPS S n phẩm cho phép điều khiển xe máy ằng điện thoại, remote điều khiển từ xa với nhiều tiện ích nh theo dõi vị trí xe, theo dõi lịch sử c a xe,

c nh áo ch ng trộm, tìm kiếm cây xăng, điểm sửa xe, xác định vị trí xe trong

ưi đỗ, ra lệnh tắt máy xe từ xa Khi ị tác động trái phép, thiết ị Smart Motor

sẽ c nh áo ằng còi, đồng th i áo cho ch xe ằng cách nhắn tin cho iết vị trí xe đang đâu [16] u điểm c a s n phẩm Smart Motor là linh hoạt, tiện dụng, qu n lý xe xác định vị trí xe dễ dàng nh ng khi có thêm ng i khác sử dụng thì hệ th ng m t đi tính linh hoạt, v n đề o mật hệ th ng và thay đổi

ch qu n xe còn hạn chế

1.1.2.2 C c tƠi nghiên c u ngoƠi n c

Con ng i đư iết sử dụng d u vân tay từ r t sớm Vào th i cổ đại, các

th ơng gia Ba ylon đư iết dùng d u vân tay đ ợc in lên viên đ t sét trong trao đổi hàng hóa Trung Qu c, ng i ta cũng đư tìm th y các ngón tay cái

đ ợc in lên các con d u đ t sét Nh ng ắt đầu từ thế kỷ 19, d u vân tay mới

Năm 1892, Francis Galton là ng i đầu chia vân tay thành 3 nhóm: xoáy, móc, sóng Việc sử dụng các nghiên c u khoa học c a d u vân tay thế

kỷ 19 đư làm tiền đề sau này cho việc ng dụng rộng rãi công nghệ nhận dạng

vân tay trong nhiều lĩnh v c c a cuộc s ng [11]

Năm 1924, FBI Federal Bureau of Investigation đư thu thập và l u trữ hơn 250 triệu d u vân tay c a ng i dân để cho việc điều tra tội phạm và nhận dạng những ng i ị giết [11]

N ớc Anh cũng sớm sử dụng iện pháp này và đến năm 1944, họ đư l u trữ tới hơn 90 triệu d u vân tay c a t t c inh lính và những ng i dân Với việc sử dụng d u vân tay để nhận dạng, c nh sát có thể truy tìm tung tích tội phạm, ng i chết, m t thẻ căn c ớc hoặc mắc ệnh tâm thần, …

Năm 1977, ch ơng trình IAI's Certified Latent Print Examiner ra đ i

đ ợc áp dụng để xác nhận phạm nhân trong tòa án Với s phát triển ngày càng nhanh chóng c a khoa học k thuật, cho tới nay các ng dụng công nghệ này đ ợc áp dụng rộng rưi khá thành công trên thế giới Trên máy tính cá nhân, d a vào kích th ớc c a cơ s dữ liệu vân tay ng i ta chia s n phẩm

ng dụng vân tay thành hai loại chính [12]:

Hệ th ng vân tay loại nhỏ: Đặc điểm chung c a những hệ th ng này là chỉ hỗ trợ s vân tay d ới 1000 vân tay Ch ơng trình nhận dạng vân tay trên máy IBM Think Pad T43 cho phép ng i dùng đăng nhập vào windows XP ằng cách đặt ngón tay c a mình vào vùng quét c a máy thay vì ph i đánh mật khẩu

Hệ th ng vân tay loại lớn: Những hệ th ng nhận dạng vân tay loại lớn này th ng có điểm chung là có kích th ớc cơ s dữ liệu vân tay r t lớn, từ vài chục nghìn đến hàng triệu vân tay Đ i t ợng sử dụng là những tập đoàn

đa qu c gia có chi nhánh trên toàn cầu, những chính ph điện tử cao c p Điều này đòi hỏi hệ th ng ph i có năng l c xử lý r t mạnh, có thể đáp ng hàng chục ngàn yêu cầu nhận dạng trong một giây Những hệ th ng này th ng hoạt động trên môi tr ng mạng internet và có kiến trúc client – server, bao gồm một trung tâm xử lý nhận dạng và l u trữ vân tay và nhiều client nằm khắp nơi trên mạng internet toàn cầu làm nhiệm vụ thu nhận d u vân tay Việc

đ a các kết qu nghiên c u c a công nghệ nhân dạng vân tay lên các thiết ị

điều t t yếu nhằm phục vụ cho mục đích tiện dụng, chuyên dụng và

phổ iến hơn trong th c tế Các thiết ị nhúng tiêu iểu ng dụng công nghệ nhận dạng vân tay:

- Lenovo ra mắt máy tính xách tay dòng ThinkPad đầu tiên sử dụng công nghệ o mật c a Utimaco c a Đ c, có thể mã hoá trọn vẹn nội dung trong

ổ c ng chỉ với thao tác duy nh t c a một ngón tay

- Đầu đọc ch m công bằng vân tay BioPointe KFR 72 là thiết ị chuyên nghiệp để qu n lý nhân s , ch m công thích hợp cho t t c các yêu cầu

qu n lý hiện đại các nhà máy, tr ng học, khu công nghiệp, văn phòng,

… nhằm mục đích qu n lý nhân viên chặt chẽ, chính xác và hiệu qu Đầu đọc ch m công ằng vân tay BioPointe KFR 72 sử dụng công nghệ sinh trắc học với các ộ vi xử lý t c độ cao đ m o nhận dạng đ ng vân, hình

nh chính xác kể c trong tr ng hợp đ ng vân tay ị m , ẩn hay m t nét Thiết ị nhận dạng vân tay đ ợc lắp đặt tại cửa cổng công ty, nhà máy, văn phòng… Nhân viên đ ợc lần l ợt đặt ngón tay đư đ ợc đăng nhập vào đầu đọc để ghi lại chính xác th i gian và địa điểm làm việc Từ đó, nhà

qu n lý dễ dàng có đ ợc thông tin chính xác về th i gian làm việc, đi muộn, vắng mặt c a t kỳ nhân viên nào trong công ty, có ch c năng l u trữ 720 vân tay, có thể m rộng tới 4400 vân tay, ộ nhớ l u trữ đ ợc 20.000 s kiện

- Hãng A - DATA đư ng dụng công nghệ nhận dạng vân tay vào s n phẩm USB Flashdrive c a mình, giúp cho dữ liệu l u trên đó đ ợc o vệ an toàn

hơn ao gi hết Khi lần đầu tiên USB đ ợc cắm vào máy tính, máy tính sẽ yêu cầu ng i sử dụng đăng ký vân tay c a mình Những lần sau, khi ng i

sử dụng cắm USB Flash drive vào máy tính, ng i sử dụng sẽ đ ợc yêu cầu nhập vào mật khẩu hay quét d u vân tay Nếu ch a đ ợc ch ng th c ằng mật khẩu hay ằng vân tay thì nội dung ổ USB Flashdrive hoàn toàn vô hình tr ớc mọi ng i

- Công ty FSLocks tung ra loại khoá cửa tích hợp thiết ị nhận dạng vân tay,

đ ợc cho là một trong những loại khóa dành cho gia đình an toàn nh t thế

giới hiện nay Khi mu n m cửa ng i m chỉ cần đặt d u vân tay đư đ ợc đăng ký, thiết ị sẽ t động nhận diện và m cửa khi d u vân tay trùng với

Hình 1.1: Khóa cửa vân tay c a ADEL

- Công ty SID Protect c a M s n xu t loại thiết ị ch ng trộm với tên gọi SID dùng để o vệ các loại xe hơi Thiết ị này dùng d u vân tay c a ch

xe để ch ng trộm Thiết ị SID ng dụng công nghệ vân tay sinh trắc học nhằm đ m o rằng chỉ những ng i đư đ ợc s cho phép c a ch xe mới

có thể kh i động xe Thiết ị có thể l u kho ng 20 d u vân tay khác nhau

Ch xe là ng i duy nh t có quyền quyết định thêm hay ớt ng i dùng chung xe, cài đặt hoặc thay đổi mư s c a thiết ị

Hình 1.2: Hệ th ng ch ng trộm SID trên ô tô

Với tính o mật cao c a nhận dạng vân tay, công nghệ này cũng đ ợc ng dụng trên các dòng điện thoại cao c p với ng dụng Touch ID c a hưng Apple hay Samsung nh : iphone 5S, iPhone 6 plus, iPad air2, Galaxy S5, Galaxy Note 4 Touch ID đ ợc tích hợp vào các thiết ị c a Apple để ng i dùng có thể thao tác nhanh khi đăng nhập vào máy, t i ng dụng Tính năng này đ ợc tích hợp c m iến nhận dạng vân tay trên nút Home c a điện thoại di động Cùng với những ng dụng c a vân tay trong lĩnh v c o mật, trên những hệ th ng o vệ ng i ta còn tích hợp thêm công nghệ định vị toàn cầu GPS và GSM nh hệ th ng khóa và giám sát xe chạy theo th i gian th c sử dụng công nghệ GPS và GSM c a Pravada P.Wankhade và Prof S.O Dahad [16] Hệ th ng này sử dụng hệ th ng nhúng kết n i với điện thoại thông qua GSM Khi xe ị m t, thông tin đ ợc gửi từ ng i sử dụng đến vi điều khiển

d ới dạng SMS và vi điều khiển sẽ đọc tín hiệu từ GPS xác nhận vị trí chính xác c a xe sau đó gửi tọa độ vị trí về cho ng i sử dụng

1.2 Lý do ch n tài

- Nghiên c u, ng dụng công nghệ sinh trắc học vào các lĩnh v c đ i s ng con

ng i d a trên tính t iến và duy nh t c a nó

- ng dụng các k thuật tiên tiến, các thiết ị công nghệ cao trong việc qu n

lý, giám sát và o vệ ph ơng tiện, thiết ị một cách hiệu qu và t i u nh t

1.3 M c ch nghiên c u c tƠi

Mục đích nghiên c u c a đề tài là nghiên c u xây d ng một mô hình hệ

th ng ch ng trộm vừa có kh năng nhận iết d u vân tay c a ng i sử dụng vừa có thể xác định đ ợc chính xác vị trí c a xe d a trên hệ th ng định vị toàn cầu GPS D a trên các thuật toán nhận dạng vân tay đư nghiên c u và lập trình trong ộ nhớ, ộ điều khiển sẽ đ a ra tín hiệu điều khiển cho phép xe hoạt động khi d u vân tay đ ợc kiểm tra trùng với dữ liệu vân tay đư đ ợc đăng ký trong ộ nhớ hoặc ật ch c năng o vệ khi d u vân tay không trùng với dữ liệu đư đ ợc đăng ký đồng th i đ a ra tín hiệu c nh áo hay gửi thông áo về

ch xe thông qua thiết ị điện thoại di động Mặt khác, ch xe mu n iết vị trí

c a xe mình khi cho ng i khác sử dụng hay khi kẻ trộm c tình di chuyển xe, thông qua hệ th ng định vị toàn cầu GPS ch xe có thể xác định vị trí c a xe mình thông qua thiết ị kết n i với internet hay sử dụng thông tin vị trí đ ợc gửi về từ ộ điều khiển trung tâm truy su t vị trí tr c tiếp trên thiết ị di động

1.4 ụ ngh kho h c vƠ th c ti n c tƠi

Hiện nay trên thị tr ng có nhiều thiết ị ch ng trộm trên xe gắn máy từ đơn gi n đến ph c tạp nh khóa tay lái, khóa ánh xe…Hầu hết các thiết ị này th ng chỉ dùng 1 chìa khóa, điều khiển từ xa dùng sóng (RF, hồng ngoại , dùng mật mư Do đó, những ai có đ ợc chìa khóa, ộ điều khiển từ xa hay mật mư đều có thể sử dụng dễ dàng dùng thiết ị để dò mư Với việc sử dụng chìa khóa thì có thể dễ dàng m ằng các thiết ị chuyên dùng vam m khóa) Đ i với các thiết ị điều khiển từ xa thì dễ ị nhiễu i các thiết ị phát sóng khác Hệ th ng ch ng trộm dùng mật mư cũng phổ iến hiện nay nh ng không hiệu qu do khó nhớ, dễ quên và dễ ị đánh c p Trong khi đó với đề tài học viên th c hiện sẽ th c hiện ch c năng o vệ ch ng trộm ch động và ị động cho chiếc xe Tính năng o vệ ch động d a vào tính t iến và cá nhân về vân tay c a mỗi ng i thì hệ th ng ch ng trộm sử dụng nhận dạng vân tay thì chỉ những ng i đư đăng ký d u vân tay trong ộ nhớ thiết ị thì mới có thể kh i động đ ợc xe, khi không ph i những ng i đư đăng ký sử

đặt hay nhận dạng vân tay ị sai v ợt quá s lần quy định thì thì hệ th ng sẽ phát ra tín hiệu c nh áo và khóa toàn ộ hoạt động hệ th ng trên xe Tính năng o vệ ị động khi mu n iết vị trí c a xe tại một th i điểm do ng i khác sử dụng hay khi kẻ trộm c tình di chuyển xe ằng các ph ơng tiện khác

d a trên hệ th ng định vị toàn cầu đ ợc tích hợp sẵn trong hệ th ng Tuy nhiên, hệ th ng không thay thế hoàn toàn cho công tắc máy mà là một thiết ị

hỗ trợ Khi ng i sử dụng không may m t chìa khóa thì vẫn sử dụng vân tay

để điều khiển xe nh ng một s tính năng c a xe sẽ hạn chế

1.5 Kh ch th vƠ i t ng nghiên c u

Đề tài nghiên c u d a trên các kiến th c sau:

- Lý thuyết về sinh trắc học (vân tay) và ph ơng pháp nhận dạng vân tay

- Lý thuyết về truyền thông n i tiếp UART

- Lý thuyết về hệ th ng định vị toàn cầu GPS và ph ơng pháp xác định vị trí

c a thiết ị d a vào hệ th ng GPS

- Lý thuyết xử lý tín hiệu s DSP

- Lý thuyết k thuật nhận dạng vân tay với mạng nơ - ron nhân tạo

- Lập trình C căn n với vi điều khiển ARM, AVR

- Các phần mềm hỗ trợ cho đề tài: Flash Loader Demonstrator, Keil C MDK ARM, Proteus 8.0

- Nghiên c u giao tiếp giữa các module với vi điều khiển thông qua GSM

- Thiết kế và xây d ng mô hình hệ th ng ch ng trộm d a trên các thuật toán

đư xây d ng

- Thử nghiệm và đánh giá ch t l ợng và kh năng ng dụng vào các dòng xe gắn máy trong n ớc

- Nghiên c u, viết ng dụng điều khiển hệ th ng trên điện thoại di động

1.7 Gi i h n c tƠi

Do đề tài có liên quan đến kiến th c tổng hợp c a khá nhiều môn khoa học khác nhau nên đề tài chỉ dừng m c độ tìm hiểu và xây d ng thuật toán nhận dạng vân tay và xác định vị trí c a đ i t ợng d a vào hệ th ng định vị toàn cầu GPS và giao tiếp giữa xe và ng i dùng thông qua GSM Sau đó, học viên th c hiện thiết kế mô hình, tiến hành th c nghiệm nhận dạng vân tay, xác định vị trí d a trên hệ th ng GPS và giao tiếp ng i dùng với ộ điều khiển thông qua thiết ị di động, kiểm tra hoạt động c a hệ th ng để đánh giá ch t

l ợng c a thuật toán Do đó, đề tài chỉ nghiên c u lắp đặt lên xe máy Dream

- Tìm hiểu hoạt động và l a chọn module nhận dạng vân tay phù hợp với đề tài

- Tìm hiểu và phân tích các đặc tr ng c a tín hiệu nhận dạng vân tay c a các module nhận dạng vân tay

- Tìm hiểu các ph ơng pháp định vị trí đ i t ợng d a vào GPS

- Tìm hiểu ph ơng th c giao tiếp giữa vi xử lý với các module

- Xây d ng các thuật toán nhận dạng vân tay d a trên tín hiệu nhận đ ợc từ

c m iến

- Xây d ng mô hình ch ng trộm trên xe gắn máy

- Th c nghiệm đánh giá thuật toán, độ ổn định c a thiết ị

- Kết luận và đánh giá

Tiến độ th c hiện đ ợc cụ thể hóa trong nh sau:

- Nghiên c u đặc tính l a chọn những thiết ị cần thiết cho luận văn

- Kiểm tra hoạt động hệ th ng, đánh giá thuật toán

- Gặp và xin nhận xét c a giáo viên h ớng dẫn

C h ng 2

C S Lụ THUY T 2.1 Dấu vơn t y vƠ m t s ặc tr ng nh n d ng

D u vân tay đ ợc hình thành d ới tác động c a hệ th ng gen di truyền mà thai nhi đ ợc thừa h ng và tác động c a môi tr ng thông qua hệ th ng mạch máu

và hệ th ng thần kinh nằm giữa hạ ì và iểu ì Một d u vân tay đ ợc sao chép lại

từ lớp iểu ì da khi n ngón tay vào một ề mặt phẳng C u trúc c a vân tay là các vân lồi và vân lõm hình 2.1 Vân lồi có màu t i trong khi vân lõm có màu sáng Vân lồi th ng có độ rộng từ 100 mμ đến 300 mμ Độ rộng c a một cặp vân lồi lõm cạnh nhau là 500 mμ Các ch n th ơng nh ỏng nhẹ, mòn da,…không nh h ng đến c u trúc bên d ới c a vân tay, khi da mọc lại c u trúc này khôi phục lại nh cũ

Hình 2.1: Vân lồi và vân lõm trên ngón tay

Các d u vân tay khác nhau không thể phân iệt nhau d a vào các đ ng vân lồi và vân lõm c a chúng mà phân iệt thông qua các điểm t th ng điểm nhận dạng trên đ ng vân.Vân lồi và vân lõm th ng nằm song song với nhau, nh ng đôi lúc chúng tạo thành điểm rẽ nhánh (bifurcation point) hay điểm kết thúc ending point) Điểm kết thúc là những điểm nằm cu i đ ng vân Điểm rẽ nhánh là những điểm nằm vị trí phân chia đ ng vân từ 1 đ ng thành 2 đ ng tại ngư a hình chữ Y m c độ tổng thể, các mẫu vân tay thể hiện các vùng vân khác nhau

mà đó các đ ng vân có hình dạng khác iệt Những vùng này gọi là các vùng

đơn có thể đ ợc phân loại thành các dạng: loop, delta và whorl (hình 2.2) và đ ợc

ký hiệu t ơng ng là Ω Δ ∩ Vùng whorl có thể đ ợc mô t i hai vùng loop đ i diện nhau

Hình 2.2: Vị trí các điểm core trên vân tay

Một vài thuật toán đ i sánh vân tay căn lề nh vân tay theo một điểm trung tâm gọi là điểm core Vào năm 1900, Henrry đư định nghĩa điểm core là “điểm nằm

về phía ắc nh t c a đ ng vân nằm trong cùng nh t” Th c tế, điểm core là điểm trung tâm c a vùng loop nằm về phía ắc nh t Nếu vân tay không ch a các vùng loop hay whorl thì điểm core là điểm mà tại đó độ cong c a đ ng vân là lớn nh t

Một s dạng core th ng dùng để nhận dạng

Hình 2.3: Các phân lớp chính c a vân tay

m c độ cục ộ, các đặc tính quan trọng gọi là các đặc tr ng (minutiae),

đ ợc tìm th y trong các mẫu vân tay Các đặc tr ng là điểm kết thúc, hay điểm rẽ nhánh, … Francis Galton 1822 - 1911) là ng i đầu tiên phân loại đặc tr ng và phát hiện chúng không thay đổi trong su t cuộc đ i c a một cá nhân Vào năm

1986, viện chuẩn qu c gia M đề nghị phân loại đặc tr ng theo n loại gồm: điểm kết thúc, điểm rẽ hai, điểm rẽ ba và điểm không xác định Trong khi đó mô hình đặc

tr ng c a cục điều tra liên ang Mĩ FBI chỉ phân thành hai loại: Điểm kết thúc và điểm rẽ hai Mỗi đặc tr ng đ ợc xác định ằng hệ tọa độ (x, y) và góc tạo i tiếp tuyến c a đ ng vân tại đặc tr ng và trục ngang

Hình 2.4: Các đặc tr ng phổ iến trên vân tay

2.2 C m bi n nh n d ng vân tay

Tùy thuộc vào quá trình l y d u là tr c tiếp hay gián tiếp mà d u vân tay

đ ợc l y từ những cách sau: d u vân tay gián tiếp và d u vân tay tr c tiếp

2.2.1 D ấu vân tay gián ti p

ph ơng pháp này, hình nh d u vân tay đ ợc l y từ vết in c a các ngón tay thông qua vật trung gian là gi y, t m kính, t m phim mỏng

D u lăn m c (Rolled inked fingerprint): Hình nh vân tay thu đ ợc ằng cách lăn các ngón tay trên gi y mềm sao cho một lớp m c mỏng ám trên đầu ngón tay, lăn ngón tay trên gi y trắng để d u m c trên các đ ng vân các ngón tay in lại trên gi y trắng sau đó dùng máy quét quang học hay máy quay để chụp lại hình nh vân tay s hóa nh vân tay

D u vân tay ẩn (latent fingerprint): Đây là một dạng đặc iệt c a ph ơng pháp

l y d u lăn m c Quá trình ài tiết liên tục sẽ sinh ra mồ hôi trên các đ ng vân Trong quá trình tiếp xúc liên tục c a ngón tay lên các ộ phận c a cơ thể hay những vật khác

sẽ để lại 1 lớp hơi ẩm hay m trên ề mặt c a vật thể đó Trong quá trình tiếp xúc với vật thể (kính, phim trong) lớp hơi ẩm sẽ in lại trên vật thể và để lại d u c a vân tay trên

đó D u vân tay này sau đó đ ợc máy quét quang học chụp lại sẽ cho hình nh vân tay

Ph ơng pháp này đ ợc sử dụng rộng rưi trong ngành pháp y

2.2.2 D ấu vân tay tr c ti p (live scanner fingerprint)

D u vân tay tr c tiếp là thuật ngữ dùng để chỉ việc hình nh vân tay đ ợc l y

tr c tiếp từ ngón tay mà không qua vật trung gian cũng nh quá trình s hóa trung gian từ nh lăn vân tay Trong ph ơng pháp này, một s c m iến đ ợc sử dụng để nhận iết vân lồi và vân lõm c a d u vân tay nh c m iến nhiệt độ, c m iến điện dung, c m iến siêu âm, g ơng ph n chiếu 3 chiều Bên trong ao gồm một nguồn phát sáng đèn LED và một camera t c độc cao (CCD) đ ợc đặt đ i điện với t m kính lăn tay

Nguồn sáng chiếu tới t m kính lăn với 1 góc và camera đ ợc đặt vị trí sau cho có thể thu đ ợc nh ph n chiếu từ t m kính Ánh sáng ph n chiếu từ đ ng vân lồi trên t m kính xu t hiện một cách ngẫu nhiên không liên tục trên g ơng ph n chiếu trong khi ánh sáng chiếu tới vân lõm sẽ ị h p thu, kết qu hình nh vân tay

đ ợc camera thu lại

Khi ngón tay đ ợc đặt trên kính lăn mặt c m iến thì các vân lồi sẽ tiếp xúc với ề mặt kính trong khi các vân lõm sẽ không tiếp xúc với kính

Hình 2.5: C m iến vân tay quang học

2.3 C ấu trúc c a m t h th ng nh n d ng vân tay

C u trúc c a một hệ th ng nhận dạng vân tay gồm 4 thành phần cơ n

- Phần ng i dùng user interface : Cung c p cơ chế cho ng i dùng đ a

d u

vân tay c a mình mã hóa vào hệ th ng

- Cơ s dữ liệu system data ase : Dùng để l u trữ các mẫu vân tay c a

ng i dùng vào cơ s dữ liệu

- Phần đăng ký enroll module : Cho phép đăng ký các d u vân tay c a

ng i dùng vào cơ s dữ liệu c a hệ th ng

- Phần xác nhận (authentication module): Cho phép xác nhận một ng i đư

có

đăng ký vào trong một hệ th ng hay ch a

Hình 2.6: C u trúc cơ n c a hệ th ng nhận dạng vân tay

Hệ th ng này ao gồm hai ch c năng chính

- Chức năng 1: Nhập và l u trữ các vân tay c a các đ i t ợng vào hệ th ng

Trong b ớc nhập dữ liệu, hệ th ng sẽ quét hình nh c a các vân ngón tay hoặc quét tr c tiếp từ các ngón tay ng i Tiếp theo, hệ th ng sẽ t động xử lý các

nh vân tay, xác định các điểm đặc tr ng c a vân tay và mư hoá thành các thông tin đặc tr ng cho mỗi vân tay Cu i cùng, các đặc tr ng vân tay đư đ ợc mư hóa này

đ ợc l u trữ lại trong cơ s dữ liệu

- Chức năng 2: Tra c u xác định vân tay c a một ng i xem đư có trong cơ

s dữ liệu ch a Khi đ a d u vân tay c a một ng i mới vào, hệ th ng sẽ th c hiện

đ i chiếu với t t c các d u vân tay đư l u trữ trong hệ th ng nh vào thuật toán đ i sánh matching các điểm đặc tr ng vân tay Sau khi đ i sánh, hệ th ng sẽ tìm ra xem đó có ph i là vân tay c a cùng một ng i hay không

C m iến sinh trắc học Trích xu t đặc tính

Xác nhận vân tay

2.4 H th ng nh v toàn cầu GPS và các thành phần c b n

2.4.1 H th ng nh v toàn cầu (GPS - Global Positioning System)

GPS Glo al Positioning System hay còn đ ợc gọi là NAVSTAR NAVigation Satellite Timing And Ranging là hệ th ng dẫn đ ng vệ tinh dùng để cung c p thông tin về vị trí, t c độ và th i gian cho các máy thu GPS khắp mọi nơi trên trái đ t, trong mọi th i điểm và mọi điều kiện th i tiết Hệ th ng này đ ợc phát triển từ hệ th ng vệ tinh quân s hàng h i c a M (American Military Satellite navigation) đ ợc thử nghiệm thành công vào năm 1960 Để xác định đ ợc các thông s vị trí, kho ng cách, t c độ, hệ th ng GPS sử dụng một nhóm từ 24 - 32 vệ tinh ay theo qu đạo quanh trái đ t phát tín hiệu vô tuyến đến các thiết ị thu Trong cùng một th i điểm, tại một ví trí t kỳ trên trái đ t nếu xác định đ ợc kho ng cách từ vật cần xác định vị trí với t i thiểu 3 vệ tinh thì ta sẽ xác định đ ợc tọa độ c a nó Hệ th ng GPS có thể xác định vị trí với sai s từ vài trăm mét đến vài centimet T t nhiên với độ chính xác càng cao thì c u tạo c a máy thu tín hiệu GPS càng ph c tạp và giá thành càng cao

Hình 2.7: Mô t về hệ th ng GPS

Bên cạnh việc xác định vị trí trong không gian a chiều kinh độ, vĩ độ, độ cao so với mặt n ớc iển GPS còn cung c p các thông tin về t c độ c a ng i quan sát và gi thế giới

Việc thiết lập hệ th ng định vị GPS mang lại s iến đổi mang tính th i đại sâu sắc trong lĩnh v c định vị và dẫn d ng trên mặt đ t, mặt iển, không gian

Một đặc điểm nổi ật c a hệ th ng GPS là t t c mọi ng i đều có quyền khai thác miễn phí tín hiệu GPS mà không cần khai báo hay đăng ký với ng i s n

su t Với u điểm trên, công nghệ sử dụng GPS phát triển mạnh mẽ và nhanh chóng

tr thành chuẩn toàn cầu trong định vị và dẫn đ ng So với các ph ơng tiện đo đạc truyền th ng chẳng hạn nh máy kinh vĩ công nghệ sử dụng GPS mạng lại nhiều u điểm:

- Hệ th ng GPS không đòi hỏi ph i thông h ớng ngắm giữa các điểm đo

- Độ chính xác c a phép đo sử dụng GPS ít ị nh h ng c a th i tiết

- Th i gian đo nhanh hơn so với các ph ơng tiện truyền th ng

- Các kết qu c a phép đo sử dụng công nghệ GPS dều nằm trong hệ tọa độ chuẩn th ng nh t trên tòa thế giới

- S liệu đo đạc từ công nghệ GPS dạng s nên dễ dàng chuyển đổi cho hệ

B phận không gian

Hình 2.9: Sơ đồ trí các vệ tinh trong không gian c a hệ th ng GPS

Bộ phận không gian ao gồm các vệ tinh GPS để truyền tín hiệu về th i gian

và vị trí tới ng i sử dụng Hệ th ng NAVSTAR c a M có 24 vệ tinh chia thành 6

qu đạo ay tạo thành 6 mặt phẳng nghiên 1 góc 550 so với mặt phẳng qu đạo Mỗi

qu đạo ay gồm 4 đ ng ay đ ợc th c hiện i các vệ tinh cơ s , 24 đ ng ay này đ ợc sắp xếp sao cho tại một điểm t kỳ trên hành tinh đều có ít nh t 4 vệ tinh chiếu vào Vệ tinh GPS ay trong qu đạo trái đ t độ cao 20,200 km Mỗi vệ tinh

ay vòng quanh trái đ t 2 vòng một ngày

Equatorial Plane

Inclination

nh ng nó là một phần quan trọng c a hệ th ng định vị GPS Bộ phận điều khiển gồm có 1 trạm điều khiển trung tâm, các trạm giám sát, các trạm truyền và hiệu chỉnh s liệu

Trạm điều khiển trung tâm đặt tại Colorado spring c a m Trạm điều khiển trung tâm th c hiện các ch c năng: Cung c p các mệnh lệnh và điều khiển các vệ tinh GPS tạo và cập nhật các thông áo chuyển h ớng, đ m o độ ổn định và chính xác c a các tín hiệu từ vệ tinh; Nhận các thông tin chuyển h ớng từ các trạm giám sát và sử dụng thông tin này để tính toán vị trí chính xác c a các vệ tinh trong không gian và cập nhật dữ liệu này đến các vệ tinh Ngoài ra, trạm điều khiển trung tâm còn theo dõi thông áo chuyển h ớng và tính toàn vẹn c a hệ th ng, xác định

và đánh giá tình trạng hoạt động c a vệ tinh Trong tr ng hợp vệ tinh h hỏng, trạm điều khiển trung tâm đặt lại vị trí các vệ tinh để đ m o s hoạt động t i u

c a nó

Trạm giám sát theo dõi các vệ tinh GPS khi chúng đi trên cao và chuyển tín hiệu quan sát đ ợc c a chúng về trạm điều khiển trung tâm Hiện nay, thế giới có

16 trạm giám sát đ ợc đặt khắp nơi trên thế giới gồm 6 trạm từ trạm không quân và

10 trạm từ cơ quan d áo địa lý qu c gia (NGA)

B phận người dùng

Bộ phận ng i dùng là những thiết ị thu tín hiệu GPS và ng i sử dụng thiết ị tại đ t liền Thiết ị thu tín hiệu GPS là một máy thu sóng vô tuyến đặc iệt

Nó đ ợc thiết kế để thu nhận tín hiệu sóng vô tuyến và tính toán vị trí c a thiết ị

d a trên các tín hiệu đ ợc truyền từ vệ tinh Máy thu có nhiều kích c , hình dáng khác nhau D a vào kho ng cách cần xác định tọa độ so với vệ tinh, các thiết ị thu phân thành 2 loại: Máy thu 1 tần s và máy thu 2 tần s Các máy thu 1 t n s phát huy tác dụng trong tọa độ tuyệt đ i với độ chính xác 10 cm và tọa độ t ơng đ i với

độ chính xác 1 – 5 cm với kho ng cách không quá 50 km Với kho ng cách lớn hơn

50 km, độ chính xác sẽ gi m.Vì thế, kho ng cách này để đo đ ợc thì cần dùng máy thu 2 tần s để khử nh h ng c a tầng ozon trong khí quyển c a trái đ t

Hình 2.11: Sơ đ kh i máy thu tín hiệu GPS

Tín hiệu GPS từ vệ tinh phát xu ng đ ợc máy thu GPS thu nhận qua ăngten Sau đó, tín hiệu này đ ợc đ a qua ộ lọc d i thông để thu đ ợc tín hiệu có d i thông cần thiết Vì công su t thu đ ợc tại ăngten là r t nhỏ do đó tín hiệu đ ợc

đ a qua đ ợc đ a qua ộ khuếch đại RF Sau khi tín hiệu đ ợc khuếch đại tầng

RF thì đ ợc đ a tới kh i trung tầng để đổi xu ng tần s th p hơn là tần s trung

tần Sau đó, tín hiệu đ ợc s hoá và đ ợc đ a tới kh i tiền xử lý Kh i này có ch c năng thu và bám mã, thu và ám sóng mang, đồng ộ các bit n tin, gi i điều chế

dữ liệu n tin dẫn đ ng, đo kho ng cách gi theo mư và pha, đo kho ng cách gi

Δ, xử lý tín hiệu H/W và S/W Tín hiệu sau khi đ ợc xử lý tại kh i này đ ợc đ a tới

kh i xử lý dẫn đ ng để đ a ra các thông tin về vị trí, vận t c, th i gian c a thuê bao

2.5 Ho t ng c a h th ng GPS

Các vệ tinh c a hệ th ng sẽ ay liên tục trên qu đạo c a nó với vận t c

7000 dặm/gi Qu đạo ay c a nó đ ợc tính toán sao cho tại t kỳ th i điểm nào trong ngày tại một vị trí t kỳ trên trái đ t sẽ nằm trong vùng quan sát c a 4 vệ tinh phía trên nó

Các vệ tinh sẽ liên tục phát tín hiệu d ới dạng sóng điện từ với vận t c ánh sáng cung c p tọa độ, tình trạng vệ tinh th i gian chính xác trên vệ tinh Bộ thu tín hiệu thiết ị nhận GPS nhận tín hiệu vô tuyến từ vệ tinh, chú ý th i gian chính xác

mà sóng truyền tới và sử dụng chúng để tính toán kho ng cách tới mỗi vệ tinh

Nếu một thiết ị thu GPS iết đ ợc kho ng cách từ ít nh t n vệ tinh và sử dụng các quan hệ hình học để xác định vị trí c a nó trên trái đ t trong không gian 3 chiều

2.6 Nguyên lý nh v vƠ c ch x c nh v tr nh v

2.6.1 Nguyên lý nh v GPS

D a trên cơ s hình học, nếu ta iết đ ợc kho ng cách và toạ độ c a ít nh t 4 điểm đến 1 điểm t kỳ thì vị trí c a điểm đó có thể xác định đ ợc một cách chính xác Gi sử rằng kho ng cách từ máy thu đến vệ tinh th nh t là d1, điều y có nghĩa

là máy thu nằm đâu đó trên mặt cầu có tâm là vệ tinh th nh t và án kính mặt cầu đó là d1 T ơng t nếu ta iết kho ng cách từ máy thu đến vệ tinh th 2 là d2 thì

vị trí máy thu đ ợc xác định nằm trên đ ng tròn giao tiếp c a hai mặt cầu Nếu iết đ ợc kho ng cách từ máy thu đến vệ tinh th 3 thì ta có thể xác định đ ợc vị trí máy thu là một trong hai giao điểm c a c a đ ng tròn trên với mặt cầu th 3

Tuy nhiên nếu ta lại iết đ ợc kho ng cách từ máy thu đến một vệ tinh th 4 thì ta

có thể hoàn toàn xác định chính xác vị trí c a máy thu Để xác định kho ng cách từ máy thu đến vệ tinh ta sử dụng công th c sau:

Hình 2.12: Nguyên tắc định vị toàn cầu tổng quát

Các vệ tinh GPS đ ợc đặt trên qu đạo r t chính xác và ay quanh trái đ t một vòng trong 11 gi 58 phút nghĩa là các vệ tinh GPS ay qua các trạm kiểm soát

2 lần trong một ngày Các trạm kiểm soát đ ợc trang ị các thiết ị để tính toán chính xác t c độ, vị trí, độ cao c a các vệ tinh và truyền tr lại vệ tinh các thông tin

đó Khi một vệ tinh đi qua trạm kiểm soát thì t kỳ s thay đổi nào trên qu đạo cũng có thể xác định đ ợc Những nguyên nhân đó chính là s c hút c a mặt tr i, mặt trăng, áp su t c xạ mặt tr i vv Vệ tinh sẽ truyền các thông tin về vị trí c a

nó đ i với tâm trái đ t đến các máy thu GPS cùng với các tín hiệu về th i gian Các máy thu GPS sẽ sử dụng các thông tin này vào trong tính toán để xác định vị

trí, toạ độ c a nó theo các kinh độ và vĩ độ c a trái đ t Mô hình toán học c a trái

đ t đ ợc dùng trong hệ th ng GPS đ ợc gọi là hệ trắc địa toàn cầu WGS-84 (World Geodetic System 1984)

2.6.2 X c nh kho ng cách gi nh v

2.6.2.1 Đ nh ngh kho ng cách gi

Kho ng cách gi là kho ng cách đo đ ợc từ máy thu GPS đến vệ tinh th ng

đ ợc tính ằng mét Trong phần này ta nên hiểu kho ng cách gi t a c ly đồng nghĩa với th i gian, i vì th i gian cần thiết để sóng điện từ lan truyền từ vệ tinh đến máy thu đồng nghĩa với kho ng cách đ ợc tính theo công th c: d = V x Δt V n

đề đây là ph i tính đ ợc th i gian lan truyền chính xác Thuật ngữ “t a c ly”

đ ợc sử dụng i vì phép đo kho ng cách có sai s Để th i gian đ ợc xác định chính xác giữa hai vị trí thì các đồng hồ ph i đ ợc đồng ộ với nhau Các đồng hồ giữa các vệ tinh đ ợc đồng ộ nên kho ng cách giữa chúng là kho ng cách thật,

nh ng đồng hồ c a máy thu không đ ợc đồng ộ với đồng hồ c a vệ tinh Điều này gây ra một sai s và chỉ có thể gi i quyết đ ợc ằng các ph ơng pháp toán học

2.6.2.2 X c nh v trí t các kho ng cách gi

Gi sử rằng đồng hồ máy thu đ ợc đồng ộ với đồng hồ trên vệ tinh và không có độ trễ tín hiệu tầng điện ly, tầng đ i l u và không có sai sót trong đo đạc thì việc xác định kho ng cách từ máy thu tới vệ tinh sẽ r t đơn gi n Nh vậy chúng

ta có thể xác định đ ợc vị trí c a máy thu đó là điểm nằm trên mặt cầu có tâm là vệ tinh và có án kính là kho ng cách đo đ ợc

Từ gi sử đồng hồ c a máy thu luôn đ ợc đồng ộ với các đồng hồ c a vệ tinh, nh ng gi thiết đó không thể x y ra trong th c tế Khi máy thu GPS đ ợc ật lên thì đồng hồ c a nó đư m t đồng ộ với đồng hồ trên vệ tinh Hơn nữa các đồng

hồ nguyên tử trên vệ tinh luôn đ ợc đồng ộ với nhau theo một hệ th i gian chuẩn gọi là th i gian GPS Máy thu th c hiện việc đo kho ng cách sẽ ị chậm vì đồng hồ

c a máy thu và đồng hồ c a vệ tinh có sai s do đó kho ng cách đo đ ợc là gi Với sai s về th i gian là 1ms thì sai s kho ng cách đo đ ợc là 300 km Điều này không thể ch p nhận đ ợc Do vậy, ng i khai thác hệ th ng ph i có nhiệm vụ

(2.3)

đồng ộ các đồng hồ vệ tinh ằng cách th ng xuyên chuyển cho chúng các lệnh hiệu chỉnh từ mặt đ t Máy thu GPS từ mặt đ t sử dụng các giá trị hiệu chỉnh này để hiệu chỉnh lại kho ng cách gi đo đ ợc

2.6.2.3 Nguyên t c x c nh v tr 1 i m

Gi sử ta iết kho ng cách từ 1 điểm đến 3 điểm đư iết trong không gian Ta cần xác định vị trí c a điểm ch a iết thông qua 3 kho ng cách đư iết Để th c hiện điều đó ng i ta xây d ng hệ tọa độ không gian 3 chiều OXYZ và đ a các điểm vào hệ tọa độ để tính toán Gi sử có a điểm đư iết có tọa độ là: r1 (x1, y1,

z1), r2 (x2, y2, z2), r3 (x3, y3, z3 và một điểm ch a iết là r0 (x0, y0, z0)

Kho ng cách từ a diểm đư iết tới điểm cần xác định đ ợc tính ằng các iểu th c sau:

√ √

Trong các iểu th c này , , và là các iến; x0, y0, z0 và b0 là các giá trị đư iết ằng cách gi thuyết giá trị đầu cho chúng Từ những giá trị này ta tính đ ợc , , và Những giá trị này dùng để tính tiếp giá trị kh i đầu

x0, y0, z0 và b0để tìm ra đáp án mới Quá trình th c hiện tiếp tục cho đến khi các giá trị , , và r t nhỏ nằm trong giới hạn cụ thể cho tr ớc Giá trị x0, y0, z0

và b0 cu i cùng là đáp án mong đợi Ph ơng pháp này gọi là ph ơng pháp lặp

2.7 Thành ph ần tín hi u GPS

Mỗi vệ tinh GPS phát tín hiệu radio với tần s r t cao, ao gồm 2 tần s sóng mang đ ợc điều chế i 2 loại mư mư C/A và mư P - code và thông tin định vị Hai sóng mang đ ợc phát ra với tần s 1,575.42 MHz sóng mang ăng tần L1) và 1,227.60 MHz (sóng mang ăng tần L2) B ớc sóng c a nó x p xỉ 19 cm và 24,4

cm Việc sử dụng 2 loại sóng mang này cho phép sửa lỗi chính trong hệ th ng GPS

đó là s trễ trong tầng khí quyền, điều này đ ợc gi i thích rõ ràng hơn trong phần sửa lỗi hệ th ng T t c các vệ tinh GPS phát chung tần s sóng mang L1 và L2 Tuy nhiên mư điều chế thì khác nhau cho mỗi vệ tinh khác nhau Hai loại mư đ ợc dùng là mã C/A (Coarse/Acquisition) và mã P - code precision code Mỗi mư ao gồm một nhóm s nhị phân 0 và 1 gọi là các it Các mư thông th ng đ ợc iết đến là mư PRN - Pseudo Random Noise mư nhiễu gi ngẫu nhiên gọi là nh vậy

vì chúng đ ợc tao ra một cách ngẫu nhiên và tín hiệu gi ng nh các tín hiệu ồn,

nh ng th c tế chúng đ ợc phát ra từ các gi i thuật toán học Hiện nay mư C/A chỉ

đ ợc điều chế ăng tần L1 còn mư P-code đ ợc đ ợc điều chế c 2 ăng tần L1

và L2 Việc điều chế này gọi là điều chế l ỡng pha vì pha c a chúng dịch 1800

khi giá trị mư thay đổi từ 0 1 hay từ 10 Mư C/A là 1 luồng ít nhị phân c a 1023

s nhị phân và lặp lại n thân chúng trong mỗi giây Điều này có nghĩa là t c độ chip c a mư C/A là 1.023 Mbps Hay theo cách khác, chu kỳ c a một it x p xỉ 1

ms hay t ơng đ ơng với 300 m Việc đo đạc sử dụng mã C/A là kém chính xác so với mư P - code nh ng nó ít ph c tạp và đ ợc cung c p cho t t c ng i sử dụng

Mã P - code là 1 một chuỗi dài các s nhị phân, nó lặp lại n thân nó sau 266 ngày

gian lặp lại n thân nó sau 266 ngày để cho ra t c độ 10,23 Mbps suy ra mã

P - code là một luồng gồm 2,35 x 1014 chip mư dài 266 ngày đ ợc chia ra 38 đoạn; Mỗi đoạn là 1 tuần, 32 đoạn đ ợc phân chia tới các vệ tinh khác nhau Mỗi vệ tinh phát ra đoạn 1 tuần c a mã P - code, chúng đ ợc kh i tạo vào nửa đêm nằm giữa th 7 và ch nhật hàng tuần, 6 đoạn còn lại để dành riêng cho mục đích sử dụng khác Mã P - code đ ợc thiết kế ch yếu sử dụng cho mục đích quân s Nó

đ ợc cung c p cho ng i sử dụng vào ngày 31/1/1994 th i điểm đó mư P-code

đ ợc mư hóa ằng việc thêm vào nó 1 loại mư W - code Và kết qu c a việc thêm vào loại mư code này là mư Y - Code và nó có t c độ chíp gi ng với mư P - code

Hình 2.13: Các dạng sóng nhận từ thiết ị thu tín hiệu GPS

Ch ng 3

GI I THI U CÁC MODULE S D NG

TRONG H TH NG

3.1 Giao ti p c ng n i ti p UART

3.1.1 Truy n thông n i ti p không ng b

Thiết ị ngoại vi truyền nhận không đồng ộ UART: The Universal Asynchronous Receiver/Transmitter d a trên tiêu chuẩn công nghiệp TL16C550

về phần tử truyền thông không đồng ộ, là một ch c năng nâng c p c a TL16C450 UART có thể đặt trong chế độ hoạt động luân phiên FIFO Điều này làm gi m ớt

s quá t i phần mềm c a CPU ằng các ộ đệm truyền và nhận Chế độ truyền và nhận FIFO l u trữ lên tới 16 yte ao gồm a it trạng thái lỗi trên mỗi yte cho chế độ nhận FIFO UART th c hiện chuyển đổi từ n i tiếp sang song song trên dữ liệu nhận từ một thiết ị ngoại vi và từ song song sang n i tiếp với dữ liệu nhận từ CPU CPU có thể đọc trạng thái UART tại t kỳ th i điểm nào UART ao gồm tính năng điều khiển và hệ th ng ngắt đ ợc thiết kế để gi m thiểu qu n lý phần mềm c a các liên kết truyền

Khái niệm UART th ng để chỉ thiết ị phần c ng không chỉ một chuẩn giao tiếp UART cần kết hợp với một thiết ị chuyển đổi để tạo ra một chuẩn giao tiếp Tín hiệu UART th ng theo m c TTL: m c logic high là 5, m c low là 0V