Thiết kế bộ điều khiển định vị giám sát cho các phương tiện giao thông

Giới thiệu chung về hệ thống GPS Hệ thống định vị toàn cầu GPS NAVSTAR GPS - Navigation Satellite Timing and Ranging Global Poritioning System là một hệ thống các vệ tinh có khả năng xá

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN

Đề tài Thiết kế bộ điều khiển định vị giám sát cho các phương tiện giao thông

tập trung nghiên cứu vào những nội dung chính sau:

- Tìm hiểu về công ngệ GPS và GSM

- Tìm hiểu về ngôn ngữ lập trình C cho Arduino, phần mềm Arduino IDE

- Tìm hiểu về module Sim 908, cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11, LCD 16x2 _ I2C, Arduino Uno R3

- Thiết kế và thi công thiết bị định vị giám sát cho các phương tiện giao thông với các tính năng như sau: Xác định vị trí của phương tiện lắp đặt thiết bị khi có tin nhắn được soạn theo cú pháp đặt trước tới số điện thoại được gắn trên Module sim, thì sẽ có tin nhắn phản hồi tới thuê bao đăng kí trước với nội dung cho biết tọa độ của thiết bị,

từ thông số này cho phép xác định được vị trí phương tiện trên Google map Hiển thị nhiệt độ, độ ẩm lên màn hình LCD nơi gắn thiết bị đồng thời hai dữ liệu này còn được gửi kèm tin nhắn trả về khi có yêu cầu

LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo trong trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông và các thầy cô trong bộ môn Công nghệ Điện tử Truyền thông khoa Công nghệ Điện tử và Truyền thông đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho em kiến thức trong thời gian qua Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn cô giáo

ThS.Nguyễn Thùy Dung đã trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành đề tài này

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, các thầy cô luôn tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất cũng như động viên tinh thần, giúp đỡ em trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài

Em xin chân thành cảm ơn !

Thái nguyên, Tháng 06 Năm 2016

Tạ Quang Tuyên

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan toàn bộ nội dung của báo cáo này do em tự tìm hiểu và nghiên

cứu dưới sự hướng dẫn và định hướng của cô giáo Thạc sỹ Nguyễn Thùy Dung Nội

dung báo cáo này không sao chép và vi phạm bản quyền từ bất kỳ công trình nghiên cứu nào

Nếu những lời cam đoan trên không đúng, em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm trước pháp luật

Thái nguyên, Tháng 06 Năm 2016

Tạ Quang Tuyên

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN 1

LỜI CẢM ƠN 2

LỜI CAM ĐOAN 3

MỤC LỤC 4

DANH MỤC HÌNH 6

LỜI NÓI ĐẦU 8

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 9

1.1 Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài 9

1.1.1 Giới thiệu chung về hệ thống GPS 9

1.1.2 Tổng quan về mạng GSM 16

1.1.3 Trên thế giới 22

1.1.4 Trong nước 23

1.2 Tính cấp thiết của đề tài 25

1.3 Phạm vi nghiên cứu 25

1.4 Mục tiêu của đề tài 25

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH BÀI TOÁN 27

2.1 Yêu cầu bài toán 27

2.2 Giải pháp thiết kế 27

2.2.1 Sơ đồ khối thiết bị 27

2.2.2 Phân tích chức năng các khối 27

2.3 Phân tích và lựa chọn linh kiện 28

2.3.1 Cấu trúc phần cứng và thông số kỹ thuật Arduino UNO 28

2.3.2 ModuleGSM/GPS SIM908 Easy 33

2.3.3 Arduino UNO Easy shield 38

2.3.4 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 40

2.3.5 Khối hiển thị LCD 16x2 43

2.3.6 Nguồn pin 45

CHƯƠNG 3 NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH VÀ PHẦN MỀM PHỤ TRỢ 46

3.1 Giới thiệu môi trường lập trình Arduino IDE 46

3.2 Cấu trúc của một chương trình lập trình Arduino 48

3.3 Một số ví dụ lập trình các ứng dụng 49

3.3.1 Lập trình Điều khiển led 49

3.3.2 Lập trình gửi dữ liệu ra cổng truyền thông nối tiếp 50

3.4 Một số lệnh AT giao tiếp với module Sim908 51

3.5 Ứng dụng của Arduino 51

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ VÀ THỰC THI 54

4.1 Thiết kế phần cứng 54

4.2 Thiết kế phần mềm 55

4.3 Một số hình ảnh của sản phẩm 57

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

PHỤ LỤC 61

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Sơ đồ liên quan giữa ba phần của GNSS (GPS) 11

Hình 1.2 Chuyển động vệ tinh nhân tạo xung quanh trái đất 11

Hình 1.3 Vị trí các trạm điều khiển và giám sát hệ thống GPS 12

Hình 1.4 Các thế hệ vệ tinh 15

Hình 1.5 Kiến trúc vô tuyến mạng GSM theo kĩ thuật TDMA và FDMA 18

Hình 1.6 Tổng quan hệ thống GSM .19

Hình 1.7 Thiết bị GPS tracker 22

Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống định vị giám sát cho các phương tiện giao thông 27

Hình 2.2 Board cơ bản Arduino Uno 29

Hình 2.3 Hình mặt trên của Arduino Uno 30

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý Arduino 31

Hình 2.5 Module GSM/GPS SIM908 Easy 33

Hình 2.6 Hình ảnh chân module GSM/GPS SIM908 Easy 34

Hình 2.7 Kết nối GSM/GPS SIM908 Easy 35

Hình 2.8 Sơ đồ kết nối GSM/GPS SIM908 Easy 36

Hình 2.9 Mạch khởi động Sim 908 36

Hình 2.10 Sơ đồ chân và chức năng Sim 908 37

Hình 2.11 Modul Arduino UNO Easy shield 38

Hình 2.12 Modul Arduino UNO Easy shield và sơ đồ chân 39

Hình 2.13 IC ổn định nguồn tích hợp trên Arduino UNO Easy Shield 39

Hình 2.14 Switch chọn chế độ 40

Hình 2.15 Cảm biến DHT11 40

Hình 2.16 Kết nối vi xử lý 41

Hình 2.17 Gửi tín hiệu Start 41

Hình 2.18 Đọc giá trị bit 0 42

Hình 2.19 Đọc giá trị bit 1 42

Hình 2.20 Màn hình LCD 16x2 43

Hình 2.21 Kết nối Text LCD 44

Hình 2.22 Pin LI-Ion 45

Hình 3.1 Link download phần mềm Arduino .46

Hình 3.2 Cài đặt Arduino IDE 46

Hình 3.3 Giao diện lập trình Arduino 47

Hình 3.4 Chức năng các Menu chính 47

Hình 3.5 Mở ứng dụng mẫu trong Arduino .48

Hình 3.6 Ví dụ điều khiển led .49

Hình 3.7 Kết quả thu được trên màn hình Serial 50

Hình 3.8 Máy in 3D .51

Hình 3.9 Robot .52

Hình 3.10 Máy bay không người lái 52

Hình 3.11 Lập tình game tương tác .53

Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý 54

Hình 4.2 Lưu đồ thuật toán điều khiển hệ thống 56

Hình 4.3 Hình ảnh thực tế sản phẩm khi hoàn thành 57

Hình 4.4 Dữ liệu thiết bị GPS gửi về cho điện thoại qua SMS 57

Hình 4.5 Vị trí của thiết bị được hiển thị lên google map và ảnh vệ tinh 58

LỜI NÓI ĐẦU

Trong lịch sử ngành vận tải thế giới, việc tìm ra giải pháp quản lý và trao đổi thông tin giữa xe, tài xế với trung tâm điều hành chưa bao giờ là công việc dễ dàng Hiện nay nhờ có sự phát triển của công nghệ thông tin cùng với những bước tiến mạnh

mẽ của ngành viễn thông đã giúp đơn giản hóa đi rất nhiều những khó khăn trên thông qua hệ thống định vị toàn cầu GPS

Cùng với thời gian công nghệ GPS ngày càng phát triển hoàn thiện theo chiều hướng chính xác, hiệu quả và thuận tiện hơn

Với mục đích nghiên cứu một nhánh phát triển mới của công nghệ GPS trong lĩnh

vực giám sát và quản lý phương tiện giao thông, nên em đã chọn đề tài “THIẾT KẾ

BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH VỊ GIÁM SÁT CHO CÁC PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG” Thiết bị này sẽ giúp chúng ta xác định được vị trí cả vật thể một cách cụ

thể, ngoài vị trí ra nó còn thu thập được cả thông số nhiệt độ độ ẩm của môi trường xung quanh Nội dung nghiên cứu của đề tài gồm các chương như sau:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Phân tích bài toán

Chương 3: Ngôn ngữ lập trình và phần mềm phụ trợ

Chương 4: Thực thi và thiết kế

Qua một thời gian nghiên cứu và tìm hiểu, em đã xây dựng hoàn thành đề tài Tuy nhiên trong quá trình hoàn thành đề tài còn nhiều sai sót và hạn chế Vì vậy, em rất mong nhận được sự đánh giá và chỉ bảo của các thầy cô và bạn bè để đề tài có thể hoàn thiện hơn và áp dụng thành công trong thực tiễn

Thái nguyên, Tháng 06 Năm 2016

Tạ Quang Tuyên

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài

1.1.1 Giới thiệu chung về hệ thống GPS

Hệ thống định vị toàn cầu GPS (NAVSTAR GPS - Navigation Satellite Timing and Ranging Global Poritioning System) là một hệ thống các vệ tinh có khả năng xác định vị trí trên toàn cầu với độ chính xác khá cao được phát triển bởi bộ quốc phòng Hoa Kỳ trong khoảng đầu 1970 Đầu tiên, GPS được xây dựng để phục vụ cho các mục đích quân sự, tuy nhiên sau này cho phép sử dụng cả trong lĩnh vực dân sự Hiện nay, hệ thống này được truy nhập bởi cả hai lĩnh vực quân sự và dân sự Từ đó các nhà khoa học của nhiều nước phát triển đã lao vào cuộc chạy đua để đạt được những thành quả cao nhất trong lĩnh vực sử dụng hệ thống vệ tinh chuyên dụng GPS Những thành tựu này cho kết quả trong hai hướng chủ đạo là chế tạo các máy thu tín hiệu

và thiết lập các phần mềm để chế biến tín hiệu cho các mục đích khác nhau

Cho tới năm 1988, các máy thu GPS do 10 hãng trên thế giới sản xuất đã đạt được trình độ cạnh tranh trên thị trường Vì lý do trên, giá máy đã giảm xuống tới mức hợp lý mang tính phổ cập Mười hãng trên thế giới sản xuất máy thu GPS bao gồm các hãng chính như: TRIMBLE NAVIGATION (Mỹ), ASHTECH (Mỹ), WILD (Thụy sĩ), SEGSEL (Pháp), MINI MAX (Tây Đức) Theo dư luận thị trường hiện nay máy thu của hãng TRIMBLE NAVIGATION đang được đánh giá cao nhất

Về phương diện phần mềm của hệ thống GPS, chúng ta sẽ thấy tính đa dạng hơn của nó Giá trị đo thu được chỉ có một loại, đó là tín hiệu vệ tinh phát ra Chế biến các tín hiệu này bằng các phương pháp khác nhau, thuật toán khác nhau chúng ta có được các tham số hình học và vật lý khác nhau của trái đất Chúng ta có thể nói khả năng phần mềm là vô tận Với các tín hiệu thu được chúng ta có thể tính được tọa độ không gian tuyệt đối (với độ chính xác 10 m và có thể tới 1 m nếu sử dụng lịch vệ tinh chính xác), số gia tọa độ không gian (độ chính xác từ 1 cm tới 5 cm), số gia tọa độ địa lý (độ chính xác từ 0.7 đến 4 cm), số gia độ cao (độ chính xác từ 0.4 cm đến 2 cm), và số gia trọng lực (độ chính xác 0.2 mgl) Ngoài ra còn có thể có những tham số khác đang được nghiên cứu

GPS bao gồm một mạng lưới 24 vệ tinh hoạt động Mạng lưới này chính thức hoàn thành vào ngày 8-12-1993 Để đảm bảo vùng phủ sóng liên tục trên toàn thế giới,

các vệ tinh GPS được sắp xếp sao cho 4 vệ tinh sẽ nằm cùng nhau trên 1 trong 6 mặt phẳng quỹ đạo Với cách sắp xếp này sẽ có 4 đến 10 vệ tinh được nhìn thấy tại bất kỳ điểm nào trên trái đất với góc ngẩng là 100 nhưng thực tế chỉ cần 4 vệ tinh là có thể cung cấp đầy đủ các thông tin về vị trí

Các quỹ đạo vệ tinh GPS là những đường vòng, có dạng elip với độ lệch tâm cực đại là 0.01, nghiêng khoảng 550 so với đường xích đạo Độ cao của các vệ tinh so với

bề mặt trái đất là khoảng 20.200 km, chu kỳ quỹ đạo các vệ tinh GPS khoảng 12 giờ (11 giờ 58 phút) Hệ thống GPS được chính thức tuyên bố có khả năng đi vào hoạt động vào ngày 17-7-1995 với việc đảm bảo có tối thiểu 24 vệ tinh hoạt động Trong thực tế, để GPS có khả năng hoạt động tốt, số lượng vệ tinh trong mạng lưới GPS phải luôn luôn nhiều hơn 24 vệ tinh

 Cấu trúc hệ thống GPS

GPS gồm 3 phân vùng:

- Phần không gian (space segment)

- Phần điều khiển (control segment)

- Phần người sử dụng (user segment)

 Phần không gian (space segment)

Phần không gian của GPS bao gồm 24 vệ tinh bay trên quỹ đạo có độ cao đồng nhất 20200 km, chu kỳ 12 giờ, phân phối đều trên 6 mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với xích đạo một góc 55o Việc bố trí này nhằm mục đích để tại mỗi thời điểm và mỗi vị trí trên trái đất đều có thể quan sát được 4 vệ tinh Mỗi vệ tinh phát 2 tần số sóng mang với tần số cao L1=1575.42 MHz và L2=1227.60MHz Loại sóng này phát trên cơ sở dãy số tựa ngẫu nhiên bao gồm các số 0 và 1 Mã này được gọi tên là mã P (Precise) Bên cạnh mã P sóng còn mang đi mã C/A (Clear/Acquisition) trong sóng L1 Mã C/A được phát với 2 tần số 10.23 MHz và 1.023 MHz Ngoài 2 mã trên vệ tinh còn phát mã phụ có tần số 50Hz chứa các thông tin về lịch vệ tinh Các vệ tinh đều được trang bị đồng hồ nguyên tử với độ chính xác cao Các vệ tinh NAVSTAR có 2 trạng thái: "hoạt động khỏe" (Healthy) và "hoạt động không khoẻ ( Unhealthy) Hai trạng thái của vệ tinh này được quyết định do 4 trạm điều khiển mặt đất Chúng ta có thể sử dụng tín hiệu của các vệ tinh ở cả hai trạng thái "hoạt động khỏe" và "hoạt động không khỏe" Hình1.2- minh họa chuyển động của vệ tin xung quanh trái đất

Hình 1.1 Sơ đồ liên quan giữa ba phần của GNSS (GPS)

Hình 1.2 Chuyển động vệ tinh nhân tạo xung quanh trái đất

Từ khi phóng vệ tinh GPS đầu tiên được phóng vào năm 1978, đến nay đã có bốn thế hệ vệ tinh khác nhau Thế hệ đầu tiên là vệ tinh Block I, thế hệ thứ hai là Block II, thế hệ thứ ba là Block IIA và thế hệ gần đây nhất là Block IIR Thế hệ cuối của vệ tinh

Block IIR được gọi là Block IIR-M Những vệ tinh thế hệ sau được trang bị thiết bị hiện đại hơn, có độ tin cậy cao hơn, thời gian hoạt động lâu hơn

 Phần điều khiển (control segment)

Phần điều khiển là để duy trì hoạt động của toàn bộ hệ thống GPS cũng như hiệu chỉnh tín hiệu thông tin của vệ tinh hệ thống GPS Phần điều khiển có 5 trạm quan sát

có nhiệm vụ như sau: 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 Có một trạm điều khiển chính (Master Control Station) ở Colorado Springs bang Colarado của Mỹ và 4 trạm giám sát (monitor stations) và ba trạm ăng ten mặt đất dùng để cung cấp dữ liệu cho các vệ tinh GPS Bản đồ trong Hình 1.3- cho biết vị trí các trạm điều khiển và giám sát hệ thống GPS Gần đây có thêm một trạm phụ ở Cape Cañaveral (bang Florida, Mỹ) và một mạng quân sự phụ (NIMA) được sử dụng để đánh giá đặc tính và

dữ liệu thời gian thực

Hình 1.3 Vị trí các trạm điều khiển và giám sát hệ thống GPS

 Phần người sử dụng (user segment)

Phần người sử dụng bao gồm các máy thu tín hiệu vệ tinh và phần mềm xử lý tính toán số liệu, máy tính thu tín hiệu GPS, có thể đặt cố định trên mặt đất hay gắn trên các phương tiện chuyển động như ô tô, máy bay, tàu biển, tên lửa vệ tinh nhân tạo tuỳ theo mục đích của các ứng dụng mà các máy thu GPS có thiết kế cấu tạo khác nhau cùng với phần mềm xửlý và quy trình thao tác thu thập số liệu ở thực địa

Mỗi vệ tinh GPS phát tín hiệu radio với tần số rất cao, bao gồm 2 tần số sóng mang được điều chế bởi 2 loại mã (mã C/A và mã P-code) và thông tin định vị Hai sóng mang được phát ra với tần số 1,575.42MHz (sóng mang băng tần L1) và 1,227.60MHz (song mang băng tần L2) Tức là bước sóng xấp xỉ 19cm và 24.4cm Việc sử dụng 2 loại sóng mang này cho phép sửa lỗi chính trong hệ thống GPS đó là

sự trễ trong tầng khí quyền, điều này được giải thích rõ ràng hơn trong phần sửa lỗi hệ thống Tất cả các vệ tinh GPS phát chung tần số sóng mang L1 và L2, Tuy nhiên mã điều chế thì khác nhau cho mỗi vệ tinh khác nhau Hai loại mã được dùng là mã C/A (Coarse/Acquisition) và mã P-code (precision code) Mỗi mã bao gồm mộtnhóm số nhị phân 0 và 1 gọi là các bit Các mã thông thường được biết đến là mã PRN –P seudo RandomNoise (mã ồn giả ngẫu nhiên) gọi là như vậy vì chúng được tao ra một cách ngẫu nhiên và tín hiệu giống như các tín hiệu ồn, nhưng thực tế chúng được phát

ra từ các giải thuật toán học Hiện nay mã C/A chỉ được điều chế ở băng tần L1 còn

mã P-code được được điều chế ở cả 2 băng tần L1 và L2 Việc điều chế này gọi là điều chế lưỡng pha vì pha của chúng dịch 180 độ khi giá trị mã thay đổi từ 0 ->1 hay từ1-

>0.Mã C/A là 1 luồng bít nhị phân của 1023 số nhị phân và lặp lại bản thân chúngtrong mỗi giây Điều này có nghĩa là tốc độ chip của mã C/A là 1.023Mbps Hay theo cách khác,chu kỳ của một bit xấp xỉ 1ms hay tương đương với 300m Việc đo đạc

sử dụng mã C/A là kém chính xác so với mã P-code nhưng nó ít phức tạp và được cung cấp cho tất cả người sử dụng Mã P-code là 1 một chuỗi dài các số nhị phân ,nó lặp lại bản thân nó sau 266 ngày Nó cũng nhanh hơn 10 lần so với mã C/A( tốc độ là 10.23MBps) Nhân với thời gian lặp lại bản thân nó sau 266 ngày để cho ra tốc độ 10.23Mbps suy ra mã P-code là một luồng gồm 2.35x10 14 chip mã dài 266 ngày được chia ra 38 đoạn; mỗi đoạn là 1 tuần 32 đoạn được phân chia tới các vệ tinh khác nhau Mỗi vệ tinh phát ra đoạn 1-tuần của mã P-code,chúng được khởi tạo vào nửa đêm nằm giữa thứ 7 và chủ nhật hàng tuần 6 đoạn còn lại để dành riêng cho mục đích

sử dụng khác Mã P-code được thiết kế chủ yếu sử dụng cho mục đích quân sự Nó được cung cấp cho người sử dụng vào ngày 31/1/1994 Ở thời điểm đó mã P-code được mã hóa bằng việc thêm vào nó 1 loại mã W-code Và kết quả của việc thêm vào loại mã code này là mã Y-Code và nó có tốc độ chíp giống với mã P-code

 Các thế hệ vệ tinh

Việc hình thành mạng lưới vệ tinh GPS được bắt đầu với một loạt 11 vệ tinh gọi là Block I Vệ tinh đầu tiên trong các vệ tinh này (và cũng là đầu tiên trong hệ thống GPS) được phóng vào ngày 22-2-1978, vệ tinh cuối cùng được phóng vào ngày 9-10-

1985 Vệ tinh Block I được phóng với mục đích chủ yếu là để thử nghiệm Góc nghiêng các mặt phẳng quỹ đạo của các vệ tinh này so với đường xích đạo là 630 (góc nghiêng này được thay đổi trong các thế hệ vệ tinh kế tiếp) Mặc dù thời gian tồn tại được thiết kế của vệ tinh Block I là 4,5 năm nhưng một số vệ tinh tồn tại hơn 10 năm

Vệ tinh Block I cuối cùng chấm dứt hoạt động vào ngày 18-11-1995 Thế hệ thứ hai của vệ tinh GPS gọi là các vệ tinh Block II/IIA Block IIA là phiên bản nâng cấp của

vệ tinh Block II với việc tăng cường khả năng lưu trữ dữ liệu (thông điệp dẫn đường)

từ 14 ngày ở Block II lên 180 ngày ở Block IIA Điều này có nghĩa là các vệ tinh Block II/IIA có thể hoạt động liên tục mà không cần sự hỗ trợ từ mặt đất trong khoảng thời gian từ 14 ngày (Block II) đến 180 ngày (Block IIA) Có tổng cộng 28 vệ tinh Block II/IIA được phóng trong khoảng thời gian từ tháng 2-1989 đến tháng 11- 1997 Không giống như Block I, mặt phẳng quỹ đạo của Block II/IIA nghiêng 55o so với đường xích đạo Thời gian tồn tại của vệ tinh Block II/IIA theo thiết kế là 7,5 năm Để đảm bảo tính bảo mật, một số tính năng bảo mật gọi là Selective Availability (SA) và antispoofing được thêm vào vệ tinh Block II/IIA

Một thế hệ mới của vệ tinh GPS gọi là Block IIR hiện đang được phóng Các vệ tinh bổ sung này có tính tương thích ngược với Block II/IIA, nghĩa là sự thay đổi này

là hoàn toàn trong suốt đối với user Block IIR gồm 21 vệ tinh với thời gian tồn tại theo thiết kế là 10 năm Ngoài đạt được độ chính xác cao hơn như mong đợi, vệ tinh Block IIR có khả năng vận hành tự động tối thiểu 180 ngày mà không cần sự hiệu chỉnh từ mặt đất và không làm giảm độ chính xác Thêm vào đó, dữ liệu đồng hồ và lịch thiên văn được dự báo trước 210 ngày được upload từ phân vùng điều khiển ở mặt đất để hỗ trợ cho việc vận hành tự động

Một thế hệ nối tiếp Block IIR gọi là Block IIF, bao gồm 33 vệ tinh Thời gian tồn tại của vệ tinh này là 15 năm Vệ tinh Block IIF có nhiều khả năng mới thông qua chương trình hiện đại hóa GPS nhằm cải thiện vượt bậc độ chính xác của việc địnhvị GPS tự động Vệ tinh Block IIF được phóng đầu tiên vào năm 2007

Hình 1.4 Các thế hệ vệ tinh

Mạng lưới GPS hiện tại (kể từ tháng 7-2001) bao gồm 5 vệ tinh Block II, 18 vệ tinh Block IIA và 6 vệ tinh Block IIR Điều này làm tổng số vệ tinh trong mạng lưới lên 29, vượt quá mạng lưới 24 vệ tinh theo chuẩn là 5 vệ tinh Tất cả các vệ tinh Block

II không còn hoạt động nữa Các vệ tinh GPS nằm trong 6 mặt phẳng quỹ đạo, được đặt tên từ A đến F Do hiện tại mạng lưới có hơn 24 vệ tinh nên mỗi mặt phẳng quỹ đạo có thể chứa 4 hoặc 5 vệ tinh Theo bảng 1, tất cả các mặt phẳng quỹ đạo đều gồm

5 vệ tinh ngoại trừ mặt phẳng quỹ đạo C gồm 4 vệ tinh

 Hoạt động của GPS

Các vệ tinh GPS bay vòng quanh Trái Đất hai lần trong một ngày theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu có thông tin xuống Trái Đất Về bản chất máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu được phát đi từ vệ tinh với thời gian nhận được chúng Sai lệch về thời gian cho biết máy thu GPS ở cách vệ tinh bao xa Rồi với nhiều quãng cách đo được tới nhiều vệ tinh máy thu có thể tính được vị trí của người dùng và hiển thị lên bản đồ điện tử của máy Máy thu phải nhận được tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh

để tính ra vị trí hai chiều (kinh độ và vĩ độ) và để theo dõi được chuyển động Khi nhận được tín hiệu của ít nhất 4 vệ tinh thì máy thu có thể tính được vị trí ba chiều (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, quãng cách tới điểm đến, thời gian Mặt trời mọc, lặn

Các máy thu GPS ngày nay cực kì chính xác, nhờ vào thiết kế nhiều kênh hoạt động song song của chúng Các máy thu 12 kênh song song (của Garmin) nhanh chóng khóa vào các quả vệ tinh khi mới bật lên và chúng duy trì kết nối bền vững, thậm chí trong tán lá rậm rạp hoặc thành phố với các toà nhà cao tầng 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 có độ chính xác trung bình trong vòng 15 mét Các máy thu

mới hơn với khả năng WAAS (Wide Area Augmentation System) có thể tăng độ chính

xác trung bình tới dưới 3 mét Không cần thêm thiết bị hay mất phí để có được lợi điểm của WAAS Người dùng cũng có thể có độ chính xác tốt hơn với GPS vi

sai (Differential GPS, DGPS) sửa lỗi các tín hiệu GPS để có độ chính xác trong

khoảng 3 đến 5 mét Cục Phòng vệ Bờ biển Mỹ vận hành dịch vụ sửa lỗi này Hệ thống bao gồm một mạng các đài thu tín hiệu GPS và phát tín hiệu đã sửa lỗi bằng các máy phát hiệu Để thu được tín hiệu đã sửa lỗi, người dùng phải có máy thu tín hiệu vi sai bao gồm cả ăn-ten để dùng với máy thu GPS của họ

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 tới 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, thuỷ tinh và nhựa nhưng không qua phần lớn các đối tượng cứng như núi và nhà L1 chứa hai mã "giả ngẫu nhiên"(pseudo random), đó là mã Protected (P)

và mã Coarse/Acquisition (C/A) Mỗi một vệ tinh có một mã truyền dẫn nhất định, cho phép máy thu GPS nhận dạng được tín hiệu Mục đích của các mã tín hiệu này là để tính toán khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu GPS Tín hiệu GPS chứa ba mẩu thông tin khác nhau – mã giả ngẫu nhiên, dữ liệu thiên văn và dữ liệu lịch Mã giả ngẫu nhiên đơn giản chỉ là mã định danh để xác định được quả vệ tinh nào là phát thông tin nào Có thể nhìn số hiệu của các quả vệ tinh trên trang vệ tinh của máy thu Garmin để biết nó nhận được tín hiệu của quả nào Dữ liệu thiên văn cho máy thu GPS biết quả vệ tinh ở đâu trên quỹ đạo ở mỗi thời điểm trong ngày Mỗi quả vệ tinh phát dữ liệu thiên văn chỉ ra thông tin quỹ đạo cho vệ tinh đó và mỗi vệ tinh khác trong hệ thống Dữ liệu lịch được phát đều đặn bởi mỗi quả vệ tinh, chứa thông tin quan trọng về trạng thái của vệ tinh (lành mạnh hay không), ngày giờ hiện tại Phần này của tín hiệu là cốt lõi để phát hiện ra vị trí

Dịch vụ dữ liệu: truyền thông giữa các máy tính và các lưu lượng chuyển mạch

gói (giới hạn ở mức 1, 2 và 3 của mô hình kết nối mở OSI) Dữ liệu truyền có thể ở mode trong suốt (tức là thông tin hầu như không bị mất mát khi GSM cung cấp mã kênh tiêu chuẩ cho dữ liệu người dùng) hoặc mode không trong suốt (khi GSM dùng

mã đặc biệt dựa trên giao diện dữ liệu cụ thể) Ngoài 2 dịch vụ cơ bản trên GSM còn

có các dịch vụ bổ xung như: chuyển hướng cuộc gọi, nhận biết người gọi, bản tin ngắn SMS (SMS có trang tin giới hạn 60 ký tự 7 bit ASCII)

Đặc điểm của hệ thống GSM được người sử dụng ưa thích là:

Sử dụng SIM là một chíp nhớ chứa các thông tin người sử dụng, các dịch vụ đăng ký,… Có thể dễ dàng tháo lắp SIM để sử dụng trên máy khác cùng tiêu chuẩn khi người dùng muốn đổi máy

Thông tin các cuộc liên lạc được bảo mật trên đường truyền

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 làm cho nó trở nên phổ biến trên thế giới, cho phép người sử dụng có thể sử dụng ĐTDĐ của họ ở nhiều vùng trên thế giới GSM khác với các chuẩn tiền thân của nó về cả tín hiệu và tốc độ, chất lượng cuộc gọi Nó được xem như là một hệ thống ĐTDĐ thế hệ thứ hai (second generation, 2G) GSM là một chuẩn mở, hiện tại nó được phát triển bởi 3rd Generation Partnership Project (3GPP) Đứng về phía quan điểm khách hàng, lợi thế chính của GSM là chất lượng cuộc gọi tốt hơn, giá thành thấp và có dịch vụ tin nhắn Thuận lợi đối với nhà điều hành mạng là khả năng triển khai thiết bị từ nhiều người cung ứng GSM cho phép nhà điều hành mạng có thể sẵn sàng dịch vụ ở khắp nơi, vì thế người sử dụng có thể sử dụng điện thoại của họ ở khắp nơi trên thế giới

Hiện nay, GSM sử dụng 2 phương pháp truy cập kênh vật lý:

 FDMA (Đa truy cập phân chia theo tần số): Phục vụ các cuộc gọi theo các kênh tần số khác nhau

 TDMA (Đa truy cập phân chia theo thời gian): Phục vụ các cuộc gọi theo các khe thời gian khác nhau

Hình 1.5 Kiến trúc vô tuyến mạng GSM theo kĩ thuật TDMA và FDMA

GSM sử dụng kết hợp hai phương pháp đa truy cập là FDMA và TDMA Dải tần

890 – 915MHz được sử dụng cho đường lên và 935 – 960MHz cho đường xuống (GSM 900) Dải thông tần một kênh là 200KHz, dải tần bảo vệ ở biên 200KHz nên tổng số kênh trong FDMA là 124 Một dải thông TDMA là một khung có 8 khe thời gian, một khe dài 0.577ms, một khung kéo dài trong (8 x0.577) = 4.616ms Khung đường lên trễ 3 khe thời gian so với khung đường xuống, nhờ trễ này mà MS có có thể

sử dụng một khe thời gian có cùng số thứ tự ở cả đường lên lẫn đường xuống để truyền tin bán song công Để cho các kênh lân cận không gây nhiễu cho nhau mỗi BTS phủ một ô của mạng phải sử dụng các tần số cách xa nhau và các ô chỉ được sử dụng lại tần số ở khoảng cách cho phép

Truyền dẫn vô tuyến ở GSM được chia thành các cụm Burst (chứa 148 bit: là một đơn vị phát của GSM) Mỗi cụm được phát đi trong một khe thời gian 577μs ở trong một kênh tần số có độ rộng 200KHz nói trên Mỗi một kênh tần số cho phép tổ chức các khung thâm nhập theo thời gian, mỗi khung bao gồm 8 khe thời gian từ TS0 đến TS7

 Cấu trúc mạng điện thoại di động GSM

Để hiểu rõ hơn về quá trình gửi tin nhắn vị trí cũng như quá trình tương tác của người sử dụng với module sim trên mạch định vị thông qua mạng GSM, ta cần tìm hiểu cấu trúc mạng điện thoại di động GSM

Hệ thống GSM có thể chia thành các hệ thống con như sau

- Hệ thống con chuyển mạch – SS Hệ thống con chuyển mạch bao gồm chức năng chuyển mạch chính của mạng GSM cũng như việc lưu trữ các cơ sở dữ liệu cần thiết về số liệu và quản lý di động của thuê bao Chức năng chính của SS là quản lý thông tin giữa những người sử dụng mạng GSM với nhau và với mạng khác

- Hệ thống con trạm gốc – BSS Hệ thống con trạm gốc BSS được hiểu như hệ thống vô tuyến: cung cấp và quản lý đường truyền vô tuyếng giữa máy di động và tổng đài MSC

- Hệ thống con khai thác và hỗ trợ – OSS OSS gồm một hay một số OMC dùng

để theo dõi và bảo trì hoạt động của MSC, BTS, BSC

EIR: Thanh ghi nhận dạng thiết bị

BSS: Hệ thống con thu phát gốc (phân hệ trạm gốc)

PSPDN: Mạng chuyển mạch số công cộng theo gói

CSPDN: Mạng chuyển mạch số công cộng theo mạch

PLMN: Mạng di động mặt đất công cộng

Chức năng của MSC: thực hiện nhiệm vụ điều khiển, thiết lập cuộc gọi đến những người sử dụng mạng GSM với nhau và với mạng khác Thực hiện giao diện với hệ thống con BSS và giao diện với các mạng ngoài MSC thực hiện giao diện với mạng ngoài gọi là MSC cổng (GMSC) Để kết nối MSC với một số mạng khác cần phải tương thích các đặc điểm truyền dẫn của GSM với các mạng khác được gọi là chức năng tương tác IWF (InterWorking Functions) IWF cho phép GSM kết nối với các mạng ISDN, PSTN, PSPDN, CSPDN, PLMN

Chức năng của BSC: BSC có nhiệm vụ quản lý tất cả các giao diện vô tuyến

thông qua các lệnh điều khiển từ xa giữa BTS và MS Các lệnh này chủ yếu là các lệnh được ấn định, giải phóng kênh vô tuyến và quản lý chuyển giao Một phần của BSC nối với các BTS còn phần kia được nối với MSC Trong thực tế BSC là một tổng đài nhỏ có khả năng thực hiện tính toán đáng kể Vai trò chủ yếu của nó là quản lý các kênh ở giao diện vô tuyến và chuyển giao Một BSC trung bình có thể quản lý được vài chục BTS phụ thuộc vào lưu lượng của các BTS này Giao diện giữa BSC với MSC được gọi là giao diện A, còn giao diện giữa BTS và BSC là giao diện A bis Chức năng của BTS: BTS là thiết bị trung gian giữa mạng GSM và thuê bao di động (hay trạm di động - MS), trao đổi thông tin với MS thông qua giao diện vô tuyến

Um BTS bao gồm các thiết bị như: Anten thu phát, thiết bị xử lý tín hiệu đặc thù cho giao diện vô tuyến Một BTS có thể gồm một hay vài máy thu phát vô tuyến TRx BTS dưới sự điều khiển của một BSC có thể kết nối theo nhiều đường khác nhau Cơ bản là các cấu hình hình sao, vòng hoặc chuỗi nhỏ, nhưng cũng có thể kết hợp các cấu hình

đó lại với nhau

Chức năng của HLR: HLR lưu trữ mọi thông tin liên quan đến việc cung cấp các dịch vụ viễn thông, kể cả vị trí hiện thời của MS HLR thường là một máy tính đứng

riêng có khả năng quản lý hàng trăm nghìn thuê bao nhưng không có khả năng chuyển mạch Một chức năng nữa của HLR là nhận dạng thông tin do AUC cung cấp

Chức năng của VLR: là cơ sở dữ liệu thứ hai trong mạng GSM Nó được nối với một hay nhiều MSC và có nhiệm vụ lưu giữ tạm thời số liệu của các thuê bao hiện đang nằm trong miền phục vụ của MSC và đồng thời lưu trữ số liệu về vị trí của các thuê bao trên ở mức độ chính xác hơn HLR Các chức năng VLR thường được liên kết với MSC

Trung tâm nhận thực AUC lưu giữ về nhận thực thuê bao, thông qua khóa nhận thực (Ki), kiểm tra cho tất cả các thuê bao trong mạng Nó chịu trách nhiệm xử lý nhận thực và tạo biện pháp bảo mật trong các cuộc gọi AUC là bộ nhận phần cứng trong HLR, cho phép bám và ghi lại các cuộc gọi, chống nghe trộm, nó được thay đổi riêng cho từng thuê bao

Thanh ghi nhận dạng thiết bị EIR được nối với một MSC thông qua một đường báo hiệu riêng, nó cho phép MSC kiểm tra sự hợp lệ của thiết bị di động, hay EIR lưu trữ thông tin về IMEI và tổ chức danh sách IMEI như sau Danh sách trắng: gồm các IMEI hợp lệ Danh sách xám: gồm các IMEI bị mất cắp Danh sách đen: gồm các IMEI của các di động bị lỗi hoặc không kết nối được với mạng GSM hiện tại

Bộ chuyển đổi mã thích ứng tốc độ TRAU là thiết bị mà quá trình mã hoá và giải

mã đặc thù riêng cho mạng GSM được tiến hành, ở đây cũng thực hiện việc tương thích tốc độ trong trường hợp truyền số liệu Nó kết hợp các đường dữ liệu 13kbps thành đường PCM 64kbps và ngược lại TRAU là một bộ phận của BTS, nhưng cũng

có thể đặt nó cách xa BTS và thậm chí trong nhiều trường hợp nó được đặt giữa BSC

và MSC

Máy cầm tay là thiết bị viễn thông liên lạc có thể sử dụng trong không gian rộng, phụ thuộc vào nơi phủ sóng của nhà cung cấp dịch vụ.Chất lượng sóng phụ thuộc vào thiết bị mạng và phần nào địa hình nơi sử dụng máy chứ ít khi bị giới hạn về không gian Tại thời kỳ phát triển hiện nay điện thoại di động là một thiết bị không thể thiếu trong cuộc sống Mỗi máy di động cầm tay khi liên lạc, nhà quản lý điều hành mạng sẽ quản lý theo hai mã số

Một bộ phận quan trọng của mạng GSM là modul nhận dạng thuê bao, còn được gọi là thẻ SIM SIM là 1 thẻ nhỏ, được gắn vào máy di động, để lưu thông tin thuê bao

và danh bạ điện thoại.Các thông tin trên thẻ SIM vẫn được lưu giữ khi đổi máy điện

thoại.Người dùng cũng có thể thay đổi nhà cung cấp khác, nếu đổi thẻ SIM.Số SIM đây là mã nhận dạng di động thuê bao quốc tế, dựa vào mã số này mà nhà quản lý có thể quản lý được các cuộc gọi và dịch vụ gia tăng khác

Số IMEI đây là số nhận dạng di động Quốc tế, số này được nạp vào bộ nhớ ROM khi điện thoại được xuất xưởng, mỗi máy điện thoại có một số IMEI duy nhất, ở các nước trên thế giới - số IMEI được các nhà cung cấp dịch vụ quản lý, vì vậy ở nước ngoài nếu một điện thoại di động bị đánh cắp thì cũng không thể sử dụng được

Ngoài ra còn các thành phần khác như là mạng điện thoại cố định PSTN, tổng đài điện thoại di động MSC, trạm thu phát vô tuyến BSC và anten thu phát BTS

bề mặt Trái đất Tổng thống V Putin đã yêu cầu hệ định vị toàn cầu này phải hoàn tất vào năm 2010 và cuối năm 2006, Bộ trưởng Quốc phòng Nga đã thông báo trong tương lai GLONASS sẽ được ứng dụng cho dân sự

Như vậy GPS của Mỹ hiện vẫn là hệ thống duy nhất được sử dụng khá phổ biến trên ôtô làm phương tiện dẫn đường ở các nước châu Âu, châu Mỹ và Úc Hệ thống dẫn đường trên ôtô sử dụng một màn hình, một thiết bị thu phát sóng, một bản đồ số

với đầy đủ thông tin dữ liệu đường phố, nhà cửa, cầu đường, sông ngòi, kênh rạch, rừng núi xây dựng từ những khảo sát thực tế và kết hợp phần mềm xử lý để thể hiện sống động hình ảnh con đường, giúp người sử dụng xác định được vị trí xe trên bản

đồ, biết lộ trình đường đi đến điểm được chọn, thông báo rõ số km cách điểm đến, vận tốc đang đi và vận tốc trung bình, báo đường cấm, đường một chiều

Thông qua một trạm quản lý trung tâm các lái xe còn được thông báo điểm kẹt xe,

có hỏa hoạn hay tai nạn gần đó không để tránh Hiện nay, hãng GM đang nghiên cứu phát triển hệ thống giao tiếp giữa xe và xe, sử dụng GPS để các xe bắt tín hiệu với nhau, nhận biết khi có xe đến gần trong phạm vi nào đó Hệ thống này sẽ hỗ trợ tốt cho

xe khi chuyển làn đường, đỗ xe và di chuyển tại nơi đông đúc để tránh va chạm

1.1.4 Trong nước

Tại Việt Nam, hệ thống định vị toàn cầu GPS từ lâu đã được ứng dụng cho các công việc kiểm lâm, cứu nạn Các thiết bị thu phát sóng vệ tinh được sử dụng là Tomtom (Đan Mạch), Garmin, Holux (Đài Loan) , tuy nhiên chỉ dừng ở mức độ thu nhận thông tin về kinh độ, vĩ độ và cao độ vì chưa được tích hợp bản đồ số Việt Nam Thời gian gần đây, việc tạo lập bản đồ số đã có kết quả và trên thị trường xuất hiện một số thiết bị dẫn đường dành cho ôtô trong giai đoạn vừa thăm dò vừa hoàn thiện sản phẩm

Cách đây hơn hai năm, khi còn là sinh viên khoa Công nghệ thông tin trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Nguyễn Tư Triều đã bắt tay xây dựng phần mềm bản đồ số ứng dụng trên máy PDA để làm đề tài tốt nghiệp Xuất phát từ mong muốn Việt Nam cũng phải có sản phẩm hữu ích đó do chính người Việt làm, anh đã bỏ công sức và tâm huyết cho đề tài này và tiếp tục phát triển nó sau khi ra trường

Anh đưa toàn bộ sản phẩm của mình chia sẻ miễn phí trên mạng và được nhiều người quan tâm tìm hiểu Một phiên bản mới của anh vào năm ngoái đã ứng dụng được trên ôtô, ngoài việc tìm địa điểm, địa danh, tìm lộ trình ngắn nhất còn đo được vận tốc xe đang chạy và chống trộm

Cũng trong thời gian đó, Công ty Vietmap đã kêu gọi những người am hiểu cùng cộng tác phát triển bản đồ số cũng với mục đích tạo nên một thiết bị Car Navigator tại Việt Nam Họ đã xây dựng một lực lượng kỹ thuật nhiệt tình xông pha trên khắp tuyến đường để ngày nay đã có trong tay một bản đồ khá hoàn chỉnh của 64 tỉnh thành

Sau thời gian dài chịu đựng không lợi nhuận, tháng 12-2006, công ty đã tung ra hai sản phẩm Vietmap-GPSmile52 (sử dụng cầm tay hoặc gắn trên ôtô) và Vietmap-GPSr12 (Phần mềm cài đặt cho PPC) Tiếp tục vừa phát triển bản đồ trong điều kiện khó khăn khi hệ thống giao thông liên tục thay đổi, hiện nay Vietmap đã có phiên bản Vietmap-GPSmile53 và bộ sản phẩm mới Vietmap GPS Pro tích hợp phần mềm điều khiển bao gồm bản đồ số vào màn hình DVD đã có sẵn trên xe

Các sản phẩm này có chức năng định vị, tìm đường ngắn nhất, hướng dẫn lộ trình

và tự động tìm lại lộ trình khi đi sai đường, báo đường cấm, đường một chiều, giúp tìm địa điểm nhà hàng, khách sạn, ngân hàng không thua kém gì sản phẩm có ở nước ngoài

Hạn chế duy nhất của thiết bị này là do chưa có trạm quản lý trung tâm bao quát được tình hình giao thông trên toàn quốc tại mọi thời điểm nên không thể thông báo điểm kẹt xe, đoạn đang nguy hiểm sắp đến Các chỉ dẫn được thể hiện rõ trên màn hình và thông qua giọng nói bằng tiếng Anh, Việt hoặc Hàn, trong tương lai có thể sẽ

có thêm tiếng Nhật

GPSmile gồm thiết bị thu sóng hiệu Holux có màn hình cảm ứng nhỏ 3,5 inch, giá

đỡ, sạc điện nguồn và sạc trong ôtô GPS Pro gồm loa ngoài, bộ điều khiển không dây

và hộp xử lý GPS và sử dụng màn hình DVD có sẵn trên xe để hiển thị Trang web của công ty (vietmap.vn) luôn cập nhật phần mềm bản đồ mới cho khách hàng download, ngoài ra nhân viên bán hàng đều có thể đến tận nơi cập nhật miễn phí cho khách hàng hàng tháng Giá bán của GPSmile khoảng 450 USD và GPS Pro là 500 USD khi mua tại các đại lý cũng như tại chính Công ty Vietmap

Đối với những xe đời mới như Audi, Lexus, Mazda, BMW X5 đã lắp sẵn màn hình DVD Navigation bạn có thể phải lắp thêm hộp giải mã (giá khoảng 300 USD) để dùng với bộ GPS Pro Cũng có một số nơi chuyên sửa xe có thể giải quyết được vấn đề

mà không cần đến hộp giải mã

Hiện nay, diễn đàn otosaigon.com là nơi có nhiều phản hồi nhất của người sử dụng về chất lượng GPS đang được sử dụng thử ở Việt Nam Các thành viên đã làm những chuyến đi xa và kiểm tra khả năng tìm kiếm, chỉ dẫn của bản đồ Kết quả là có sai sót ở những nơi khá xa trung tâm các tỉnh, ở một số nơi chỉ dẫn lộ trình có thể dài hơn một chút so với thực tế, tuy nhiên tọa độ tìm kiếm khá chính xác và khả năng xác định lộ trình khá nhanh

Bản đồ hiện vẫn được công ty hoàn thiện, sửa chữa những điểm chưa chính xác và cập nhật những thông tin thay đổi đường cấm, đường một chiều, hệ thống biển báo Vietmap đang cố gắng hoàn thiện chương trình và sẽ quảng cáo rộng rãi đến người dùng khi thật sự hài lòng về sản phẩm Tuy nhiên những ích lợi rõ ràng của thiết bị đã thu hút nhiều người quan tâm và sử dụng

1.2 Tính cấp thiết của đề tài

Hệ thống GPS Tracker cho phép người sử dụng thông qua máy tính hoặc điện thoại quan sát gần như trực tuyến các thông số của đội xe đang di chuyển trên đường như vị trí, vận tốc, hướng di chuyển, tình trạng quá tốc độ, nhiệt độ, đường nguy hiểm phía trước…trên bản đồ, ngoài ra hành trình của xe còn được lưu lại để mô phỏng lại

về sau hoặc tạo lập các báo cáo phân tích thống kê, phục vụ cho công tác giám sát và quản lý phương tiện giao thông của các chủ doanh nghiệp

Sản phẩm còn giúp chúng ta hiểu hơn về quá trình hoạt động của hệ thống định vị toàn cầu GPS và cách thức hoạt động của mạng thông tin di đông GSM từ đó có thể

áp dụng trong học tập, nghiên cứu, thực hành và giảng dạy Sản phẩm giúp cho việc giám sát cũng như kiểm soát phương tiện giao thông nói riêng và các hệ thống gắn thiết bị nói chung được chủ động, hỗ trợ cho công tác cứu hộ, phòng chống mất trộm, hay tìm đường

Do vậy việc thực hiện đề tài Thiết kế bộ điều khiển định vị giám sát cho các phương tiện giao thông đảm bảo tính cấp thiết, quan trọng trong sự phát triển của thế giới hiện đại

1.3 Phạm vi nghiên cứu

Đề tài “ Thiết kế bộ điều khiển định vị giám sát cho các phương tiện giao thông“

tập chung nghiên cứu một nhánh nhỏ của hệ thống định vị toàn cầu GPS trong lĩnh vực giám sát và quản lý phương tiện giao thông Đề tài có thể ứng dụng trong thực tiễn trong lĩnh vực giao thông, hàng hải Khi thiết bị GPS tracker được gắn lên một phương tiện bất kì ta có thể giám sát và theo dõi vị trí, các thông số của môi trường xung quanh như nhiệt độ, độ ẩm của phương tiện thông qua một chiếc điện thoại

1.4 Mục tiêu của đề tài

Trong sự nghiệp xây dựng và phát triển đất nước công nghiệp hóa hiện đại hóa Ngành giao thông vận tải là một trong những ngành phát triển hàng đầu vì vậy một thiết bị thông minh ra đời giúp chúng ta giám sát và xác định chính xác vị trí của các

phương tiện là rất hữu ích Đề tài “Thiết kế bộ điều khiển định vị giám sát cho các phương tiện giao thông“ được thực hiện với các mục tiêu:

+ Xác định vị trí của phương tiện lắp đặt thiết bị khi có tin nhắn được soạn theo cú pháp đặt trước tới số điện thoại được gắn trên Module sim, thì sẽ có tin nhắn phản hồi tới thuê bao đăng kí trước với nội dung cho biết tọa độ của thiết bị, từ thông số này cho phép xác định được vị trí phương tiện trên Google map

+ Hiển thị nhiệt độ, độ ẩm lên màn hình LCD nơi gắn thiết bị đồng thời hai dữ

liệu này còn được gửi kèm tin nhắn trả về khi có yêu cầu

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH BÀI TOÁN

2.1 Yêu cầu bài toán

Đề tài tập trung nghiên cứu các vấn đề cơ bản về GPS và GSM và Thiết kế, thi công Thiết bị thực hiện nhiệm vụ định vị tọa độ tại vị trí sau đó gửi tin nhắn về một đầu số thuê bao nào đó và thu thập thông số môi trường như nhiệt độ độ ẩm rồi hiển thị lên LCD

2.2 Giải pháp thiết kế

2.2.1 Sơ đồ khối thiết bị

Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống định vị giám sát cho các phương tiện giao thông

2.2.2 Phân tích chức năng các khối

Thiết bị bộ định vị định vị giám sát cho các phương tiện giao thông bao gồm 5 khối chính:

Khối Nguồn: Sử dụng nguồn đầu vào 9-12V cấp cho các khối, trên mỗi khối đã

được tích hợp các IC ASM1117 ổn định điện áp 3.3V lấy từ điện áp ngõ vào Vin và có thể nâng dòng tải cho mức điện áp này lên đến 1A giúp board Arduino thực hiện một

số ứng dụng cần dòng cao ở mức 3.3V

Khối Vi Xử Lý: Với Module Arduino UNO lập trình trở lên dễ dàng hơn nhiều

cho các phép toán phức tạp, vi xử lý AVR Atemega 328 giao tiếp với Module Sim908 qua hai chân TX-RX để truyền nhận dữ liệu GPS và GSM để xử lý, tách dữ liệu thô

GPS gửi về

Khối Module Sim 908: SIM908 kết hợp công nghệ GPS để dẫn đường vệ tinh

Thiết kế nhỏ gọn tích hợp GPRS và GSM sẽ tiết kiệm đáng kể thời gian và chi phí để phát triển các ứng dụng Module Sim 908 có nhiệm vụ lấy dữ liệu tọa độ GPS về cho

vi xử lý, sau đó khi có tọa độ chuẩn thì sử dụng GSM truyền tọa độ đến đầu số thuê

bao qua nội dung bản tin nhắn

Khối Cảm Biến: Khối cảm biến sử dụng module cảm biến DHT11 để đo thông số

môi trường bao gồm nhiệt độ, độ ẩm Khối này sẽ gửi các thông số đo được từ môi

trường về cho khối vi xử lý để xử lý rồi gửi tín hiệu lên khối hiển thị

Khối Hiển Thị: Khối này sử dụng mà hình LCD 16x2 để hiển thị thông số nhiệt

độ, độ ẩm mà khối cảm biến đo được

2.3 Phân tích và lựa chọn linh kiện

2.3.1 Cấu trúc phần cứng và thông số kỹ thuật Arduino UNO

Vi xử lý ATMEGA328 thuộc dòng AVR được tích hợp trên module ARDUINO UNO.Môi trường Arduino được thiết kế đơn giản cho người mới bắt đầu sử dụng Không phải phần mềm hay các thiết bị điện tử thực nghiệm, với Arduino bạn có thể xây dựng một dự án đáp ứng được các yêu cầu về điều khiển ánh sáng, âm thanh, chuyển động một cách thông minh tự động… Arduino được sử dụng để tạo ta rất nhiều thứ tuyệt vời như nhạc cụ, robot, điêu khắc ánh sáng, trò chơi, đồ nội thất tương tác

thậm chí là quần áo thông minh có khả năng tương tác với cơ thể

Arduino được sử dụng rất nhiều trong các chương trình giáo dục trên toàn thế giới, đặc biệt đối với các nhà thiết kế và nghệ sĩ những người muốn tạo ra những cái mới độc đáo mà không cần am hiểu sâu về vấn đề của kỹ thuật Bởi vì Arduino được thiết kế sử dụng cho những người không am hiểu về kỹ thuật, phần mềm Arduino có rất nhiều ví dụ được cung cấp bởi nhà phát triển nên rất dễ dàng để tiếp cận và sử

dụng

Mặc dù dễ dàng sử dụng nhưng Arduino có phần cứng được thiết kế rất tinh tế nên các kỹ sư có thể dễ dàng nhúng nó vào trong các ứng dụng nhúng Những người đã sử dụng và phát triển các ứng dụng nhúng bằng vi điều khiển cũng bị thu hút bởi Arduino

do khả năng phần cứng tốt và và phần mềm tiện dụng dễ dàng cho việc giải quyết các

ý tưởng

Arduino được biết đến nhiều nhất là phần cứng của nó, nhưng phải có phần mềm

để lập trình phần cứng Cả phần cứng và phần mềm gọi chung là “Arduino’’ Sự kết

hợp đó cho phép bạn tạo ra các dự án có ý nghĩa và kiểm soát thế giới vật chất Các phần mềm là tự do, mã nguồn mở thông qua một nền tảng Các board bạn có thể mua với giá rẻ hoặc bạn có thể tự thiết kế với mã nguồn schematic mở Ngoài ra, có một số hoạt động liên quan tới Arduino được giải đáp bởi diễn đàn Arduino trên toàn thế giới

và Wikimedia gọi chung là sân chơi Arduino

Phần mềm Arduino: được gọi là sketches, được tạo ra trên máy tính có tích hợp môi trường phát triển(IDE) IDE cho phép bạn viết, chỉnh sửa code và chuyển đổi sao cho phần cứng có thể hiểu IDE dùng để biên dịch và nạp vào Arduino ( quá trình sử lý

này gọi là UPLOAD)

Phần cứng Arduino: là các board Arduino nơi thực thi các chương trình lập trình Các board này có thể điều khiển hoặc đáp trả các tín hiệu điện, vì vậy các thành phần được ghép trực tiếp vào nó để tương tác với thế giới thực để cảm nhận hoặc truyền thông.Ví dụ các cảm biến bao gồm các thiết bị chuyển mạch, cảm biến siêu âm, gia

tốc Các thiết bị truyền động bao gồm đèn , motor, loa và các thiết bị hiển thị

Hầu hết các board Arduino sử dụng kết nối kiểu USB dùng để cấp nguồn và

upload dữ liệu cho board Arduino

Hình 2.2 Board cơ bản Arduino Uno

Arduino Uno sử dụng 2 vi điều khiển trên board để xử lý tất cả các kết nối USB Chíp dán nhỏ (ATmega8U2) nằm gần cổng cắm dây kết nối kiểu USB.Cho phép nạp chương trình và quản lý các thiết bị USB khác cắm vào.Chíp ATMega328 chứa chương trình nạp để thực thi chương trình đã được lập trình.Trên hầu hết các board Arduino đều sử dụng 1 chip FTDI cung cấp giải pháp cho vấn đề kết nối với cổng nối

tiếp của máy tính Ngoài Arduino Uno ra nhà sản xuất cung cấp nhiều board khác như: Arduino Fio, Arduino Nano, Arduino Mega 2560 Với tùy vào ứng dụng có thể chọn các loại board nhỏ hoặc board hỗ trợ nhiều chân TX và RX như Arduino 2560

Hình 2.3 Hình mặt trên của Arduino Uno

Trên board có cổng USB connector để cắm vào máy tính, đèn báo nguồn màu xanh Có công tắc Reset, các pin giao tiếp, LED ở chân 13 và các led báo truyền nhận nối tiếp Ngoài ra còn có các cổng đọc tín hiệu số và tín hiệu tương tự và các chân chức năng PWM và truyền nhận dữ liệu nối tiếp Các chân giao tiếp I2C phục vụ giao tiếp hai dây SDA và SCL, dưới đây là thông số kỹ thuật chính của Arduino:

 Vi điều khiển ATMega328

 Điện áp hoạt động 5V

 Đầu vào diện áp 7-12V

 Điện áp đầu vào tới hạn 6-20V

 Chân vào ra số là 14 chân( trong đó có 6 chân băm xung PWM)

 Chân đầu vào tương tự có 6 chân

 Dòng DC vào ra trên chân là 40mA

 Dòng đầu ra ở chân 3.3V là 50mA

 Bộ nhớ Flash 32KB(ATMega328) trong đó 0.5KB sử dụng cho bootloader

 SRAM là 2KB(ATMega328)

 EEPROM là 1KB(ATMega328)

 Tần số 16MHz

31

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý Arduino

Trong mạch sử dụng 2 chíp vi điều khiển là ATMega328 và ATMega16U2 với các chức năng như sau: ATMega16U2 được kết nối với cổng USB chứa chương trình bootloader để nạp chương trình, ATMega 328 chứa chương trình lập trình để thực thi ứng dụng

Nguồn nuôi: Arduino có thể được hỗ trợ thông qua kết nối USB hoặc với một nguồn cung cấp điện bên ngoài Các nguồn năng lượng được lựa chọn tự động, hệ thống vi điều khiển có thể hoạt động bằng một nguồn cung cấp bên ngoài từ 6V đến 20V nên cung cấp lớn hơn 7V Tuy nhiên nếu thể cung cấp ít hơn 5V hệ thống vi điều khiển có thể không ổn định Nếu sử dụng nhiều hơn 12V bộ chuyển đổi điện áp có thể nóng mạnh, phạm vi khuyến nghị là 7V đến 12V

 Chân Vin: Điện áp đầu vào Arduino khi chúng ta dùng nguồn điện bên ngoài (khác với nguồn 5V lấy từ USB hoặc nguồn thông qua jack cắm nguồn riêng) Chúng

ta có thể cung cấp nguồn thông qua chân này

 Chân 5V: Cung cấp nguồn vi điều khiển và các bộ phận khác trên bo mạch và cung cấp nguồn cho các thiết bị ngoại vi khi kết nối tới bo mạch

 Chân 3V3: Cung cấp nguồn cho các thiết bị cảm biến

 Chân GND : Chân nối đất

 Chân giao tiếp đầu vào và đầu ra

Trong số 14 chân tín hiêu số chúng ta có thể cấu hình để làm chân nhận dữ liệu vào từ các thiết bị ngoại vi hoặc làm chân để truyền tín hiệu ra các thiết bị ngoại vi Bằng cách sử dụng các chức năng pinMode(), digitalWrite() và digitalRead() hoạt động ở điện áp 5V Mỗi chân có thể cung cấp hoặc nhận một dòng điện tối đa 50mA

và có một điện trở kéo nội (ngắt kết nối theo mặc định) 20-50 kOhms Ngoài ra có một

số chân có chức năng khác

 Chân 0 (Rx) : Chân được dùng để nhận dữ liệu nối tiếp

 Chân 1 (Tx) : Chân được dùng để truyền dữ liệu nối tiếp

 Chân 2 và 3: Chân ngắt ngoài

 Chân 3, 5, 6, 9, 10 và 11: Chân để điều chế độ rộng xung PWM

 Chuẩn giao tiếp SPI: Sử dụng chân 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK)

 Chuẩn giao tiếp I2C: Sử dụng chân đầu vào tương tự A4 (SDA) và A5 (SCL)

 Chân Aref : Tham chiếu điện áp đầu vào analog

Ứng dụng của Arduino:

Trong thực tế Arduino có rất nhiều ứng dụng bởi khả năng xử lý linh hoạt, phần cứng dễ dàng tích hợp vào hệ thống khác Do đó có thể ứng dụng trong hầu hết các hệ thống điều khiển tự động từ đơn giản từ các thiết bị báo cháy báo ga, đo các thông số môi trường (nồng độ khí, nhiệt đô, độ ẩm, ánh sáng ), hay phức tạp hơn là xử lý máy

in 3D Ngoài ra Arduino còn được ứng dụng trong công nghệ giải trí như thiết kế robot

dò đường, tay cầm điều khiển Arduino còn có thể kết hợp ghép nối với các thiết bị điện tử khác như kết nối với máy tính nhúng raspberry thu thập dữ liệu gửi lên mạng internet, hay có thể ghép nối với các board mở rộng như WiFi, Ethernet Shield …

2.3.2 ModuleGSM/GPS SIM908 Easy

Module SIM908 được tích hợp một bộ GSM/GPRS và một bộ GPS mạnh mẽ Bộ GSM/GPRS hoạt động ở 4 băng tần là GSM 850MHz, EGSM 900MHz, DCS 1800MHz and PCS 1900MHz 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, Smart phone, các thiết bị định vị và di dộng khác…

Hình 2.5 Module GSM/GPS SIM908 Easy

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