THIẾT KẾ CHẾ TẠO KHÓA ĐIỆN TỬ THÔNG MINH GIÁM SÁT HÀNH TRÌNH XE TẢI

Thiết kế, chế tạo thân khóa với cơ cấu đóngmở dùng thẻ RFID Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển. Xây dựng thuật toán điều khiển cho khóa với các chức năng: + Xác định vị trí hiển thị trên Google Map. + Xác định thời gian di chuyển. + Xác định vận tốc + Giám sát từ xa qua tin nhắn SMS. Kết quả Chế tạo thân khóa với cơ cấu đóngmở dùng thẻ RFID Xác định vị trí hiển thị trên Google Map. Xác định thời gian di chuyển. Xác định vận tốc Giám sát từ xa qua tin nhắn SMS

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ CHẾ TẠO KHÓA ĐIỆN TỬ THÔNG MINH GIÁM

Trang 2

THIẾT KẾ CHẾ TẠO KHÓA ĐIỆN TỬ THÔNG MINH GIÁM SÁT

Trang 3

LỜI CẢM TẠ

Trong suốt thời gian học tập và rèn luyện tại Trường Đại học Nông Lâm ThànhPhố Hồ Chí Minh, bản thân em đã học được rất nhiều điều không chỉ kiến thức, kỹnăng chuyên môn mà cả kinh nghiệm của cuộc sống, luôn nhận được sự quan tâmchỉ dạy và sự giúp đỡ tận tình của các thầy các cô Qua khóa luận này, em xin đượcbày tỏ lòng biết ơn chân thành đến:

 Ban Giám hiệu Trường Đại Học Nông Lâm Tp.HCM

 Ban Chủ nhiệm Khoa Cơ Khí – Công Nghệ

 Bộ môn Cơ Điện Tử Trưởng Đại Học Nông Lâm Tp.HCM

 Quý thầy cô đã tận tình chỉ dạy chúng em trong thời gian học tập tại trường

 Thầy Th.S Nguyễn Đăng Khoa– người trực tiếp theo dõi, tận tình hướng dẫn

và giúp đỡ em thực hiện đề tài này

Em cũng xin được cảm ơn quý thầy, quý cô, các anh, các bạn ở lớp DH13CD đãgiúp đỡ chúng em trong thời gian thực hiện đề tài

Em muốn nói lời cảm ơn đến ba mẹ và mọi người trong gia đình đã quan tâm,

lo lắng, động viên chúng em trong thời gian học tập và trong cuộc sống

Tp.Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2017

Sinh viên thực hiện

Phạm Ngọc Nam

Trang 4

TÓM TẮT

Đề tài “Thiết Kế Chế Tạo Khóa Điện Tử Thông Minh Giám Sát Hành Trình

Xe Tải” Được tiến hành tại xưởng thực tập CK01 thuộc khoa Cơ Khí - Công NghệTrường Đại Học Nông Lâm TP HCM, thời gian thực hiện đề tài từ 14/02/2017 đếntháng 04/06/2017

Nội dung nghiên cứu của đề tài

- Thiết kế, chế tạo thân khóa với cơ cấu đóng/mở dùng thẻ RFID

- Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển

- Xây dựng thuật toán điều khiển cho khóa với các chức năng:

+ Xác định vị trí hiển thị trên Google Map

+ Xác định thời gian di chuyển

+ Xác định vận tốc

+ Giám sát từ xa qua tin nhắn SMS

Kết quả

- Chế tạo thân khóa với cơ cấu đóng/mở dùng thẻ RFID

- Xác định vị trí hiển thị trên Google Map

- Xác định thời gian di chuyển

- Xác định vận tốc

- Giám sát từ xa qua tin nhắn SMS

Trang 5

MỤC LỤC

TRANG TỰA i

LỜI CẢM TẠ ii

TÓM TẮT iii

MỤC LỤC iv

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC HÌNH vii

DANH MỤC CÁC BẢNG i

Chương 1: 1

MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

Hình 1.1: Ứng dụng của GPS 1

1.2 Mục đích của đề tài 2

Chương 2: 3

TỔNG QUAN 3

2.1 Sơ lược về công nghệ GPS 3

2.1.1 Hệ thống định vị toàn cầu 3

2.1.2 Các thế hệ vệ tinh GPS 5

2.1.3 Hoạt động của GPS 6

2.1.4 Độ chính xác của GPS 7

2.1.5 Tín hiệu định vị 7

2.1.6 Tín hiệu GPS 8

2.1.7 Các thành phần cơ bản của GPS 8

2.1.8 Các nguồn sai số trong định vị vệ tinh GPS: 10

2.2 Những ứng dụng nổi trội của hệ thống định vị toàn cầu GPS 14

2.2.1 Ứng dụng trong quân sự 14

2.2.2 Ứng dụng trong đo đạc khảo sát và thi công công trình 15

2.2.3 Ứng dụng trong giao thông 15

2.2.4 Các ứng dụng giao thông đường biển 15

Trang 6

2.2.5 Ứng dụng cho cá nhân 16

2.3 Khảo sát khóa container thông minh của ICDREC 16

2.4 Đề xuất nhiệm vụ 19

2.5 Tổng quan về GMS 19

2.6 Vi điều khiển 20

2.7 Module Sim808 23

2.8 Chốt cửa điện từ 24

2.9 Modul RFID và thẻ 25

2.10 Nguồn 26

2.11 Mạch nguồn LM 2596 27

Chương 3: 30

NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 30

3.1 Vật liệu 30

3.2 Nội dung của đề tài 30

3.3 Phương pháp nghiên cứu 30

3.3.1 Phương pháp lý thuyết 30

3.3.2 Phương pháp điều khiển 30

Chương 4: 32

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 32

4.1 Thiết kế mô hình 32

4.2 Thiết kế, xây dựng sơ đồ khối, lưu đồ thuật toán và mạch nguyên lí cho mô hình 34

4.2.1 Sơ đồ khối xử lý và điều khiển 34

4.2.2 Lưu đồ thuận toán tổng quát 34

4.2.3 Sơ đồ của board điều khiển 36

4.3 Kết quả khảo nghiệm 37

Chương 5: 43

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 43

5.1 Kết luận 43

Trang 7

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AT Attention command

GPRS General Packet Radio Service

GPS Global Positioning System

GSM Global System for Mobile CommunicationsSIM Subcriber Identity Module

UART Universal Asynchronous Receiver –TransmittePIN Personal Identity Number

Trang 8

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Ứng dụng của GPS 1

Hình 2.1 Hệ thống định vị toàn cầu là gì? 3

Hình 2.2 Chòm sao 24 vệ tinh GPS 4

Hình 2.3 Ba dạng quỹ đạo cơ bản của vệ tinh 4

Hình 2.4 Hình phủ sóng toàn cầu của 3 vệ tinh 5

Hình 2.5 Các thế hệ vệ tinh GPS 6

Hình 2.6 Định vị từ GPS 7

Hình 2.7 Các trạm điều khiển GPS trên thế giới 10

Hình 2.8 Các nguồn sai số trong định vị vệ tinh 11

Hình 2.9 Ứng dụng nổi trội của định vị GPS 14

Hình 2.10 Ứng dụng trong giao thông 15

Hình 2.11 Công bố sản phẩm của ICDREC 16

Hình 2.12 Xác định vị trí của xe len google của ICDREC 17

Hình 2.13 Khóa container thông minh của ICDREC 17

Hình 2.14 Cấu trúc mạng GSM 20

Hình 2.15 Arduino Uno và sơ đồ nguyên lý 21

Hình 2.16 ModuleSIM808 23

Hình 2.17 Chốt cửa điện từ 24

Hình 2.18 RFID và Ăngten 25

Hình 2.19 Các thành phần của RFID 26

Hình 2.20 Pin lipo 26

Hình 2.21 Mạch nguồn LM 2596 28

Hình 4.1 Ổ khóa 32

Hình 4.2 Bản vẽ phân rã ổ khóa 33

Hình 4.3 Sơ đồ khối điều khiển 34

Hình 4.4 Mạch nguyên lý 36

Hình 4.5 Ổ khóa sau khi hoàn thiện 37

Trang 9

Hình 4.7 Biểu đồ thời gian 41 Hình 4.8 Biểu đồ vận tốc 41 Hình 4.9 Đường đi của xe được hiển thị trên Google Map 42

Trang 10

DANH MỤC CÁC BẢBảng 2.1: Thông số Arduino Uno 22

Bảng 4.1: Bảng khảo nghiệm thời gian 40

Bảng 4.2: Bảng khảo nghiệm vận tốc 41Y

Trang 11

Chương 1:

MỞ ĐẦU1.1 Đặt vấn đề

Ngày nay, thế giới thông tin ngày càng phát triển một cách đa dạng và phongphú Nhu cầu về thông tin liên lạc trong cuộc sống càng tăng cả về số lượng và chấtlượng, đòi hỏi các dịch vụ của ngành viễn thông cần mở rộng Trong những năm gầnđây thông tin vệ tinh trên thế giới đã có những bước tiến vượt bậc đáp ứng nhu cầu đòisống, đưa con người nhanh chóng tiếp cận với các tiến bộ khoa học kĩ thuật Sự ra đờicủa nhiều loại phương tiện tiên tiến như máy bay, tàu vũ trụ đòi hỏi một kĩ thuật màcác hệ thống cũ không thể đáp ứng được đó là định vị trong không gian 3 chiều, vànhư vậy hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) ra đời

Việc ứng dụng công nghệ GPS trong các bài toán quản lý phương tiện giaothông đang trở nên phổ biến trên thế giới Với sự hỗ trợ của công nghệ thông tin, GPSngày càng được ứng dụng rộng rãi và hiệu quả, mang lại giá trị gia tăng cao dựa trênnền tảng của các dịch vụ viễn thông

Hình 1.1 Ứng dụng của GPS

a) Ứng dụng của GPS trong tìm người và thiết bị

b) Ứng dụng của GPS trong dẫn đường

Trang 12

Ở Việt Nam, các ứng dụng của GPS đã bắt đầu được thử nghiệm trong các lĩnhvực lâm nghiệp, thủy lợi, giao thông…tuy nhiên các ứng dụng của GPS mang tính tíchhợp hệ thống, phục vụ các nhu cầu đặc thù xã hội vẫn chưa được phổ biến Đặc biệt,việc áp dụng công nghệ GPS trong việc quản lí và hành trình của các tàu đánh bắt cá

xa bờ đang trở thành nhu cầu câp thiết, phục vụ yêu cầu quản lý của các cơ quan nhànước, hỗ trợ công tác tìm kiếm cứu nạn và cảnh báo thiên tai trên biển

Hiện nay ngành vận tải phát triển mạnh, nhu cầu để an toàn cho lái xe và ít rủi

ro trong hành trình thì hệ thống định vị toàn cầu GPS giúp ta cảnh báo hiệu quả giữ antoàn cho lái xe mỗi khi nhân viên chạy quá tốc độ, chạy liên tục nhiều giờ, chạy quáthời gian chạy mỗi ngày, tốc độ chạy ổn định hay không và để giải quyết nhu cầu trên

em đã chọn đề tài “ Thiết kế chế tạo khóa điện tử thông minh giám sát hành trình xe

+ Xác định vận tốc

+ Giám sát từ xa qua tin nhắn SMS

Trang 13

Chương 2:

TỔNG QUAN2.1 Sơ lược về công nghệ GPS

2.1.1 Hệ thống định vị toàn cầu

Hệ thống định vị toàn cầu GPS do bộ quốc phòng Mỹ phát triển và điều hành.Trong cùng một thời điểm, tọa độ của một điểm trên mặt đất sẽ được xác định nếu xácđịnh được khoảng cách từ điểm đó đếm ít nhất ba vệ tinh GPS là các chữ cái đầu:Global Positioning System

Hình 2.1 Hệ thống định vị toàn cầu là gì?

Hệ thống định vị GPS gồm một chòm sao với 24 vệ tinh, được đặt trên quỹ đạokhông gian Hệ thống hoàn thành vào năm 1994 Để đảm bảo tính toàn cầu thì các vệtinh này bao phủ toàn bộ trái đất một cách liên tục, các vệ tinh sẽ được sắp xếp trên 6mặt phẳng quỹ đạo có từ 4 vệ tinh trở lên Với sự bố trí này sẽ có khoảng từ 4 đến 10

vệ tinh luôn hiện hữu bất cứ nơi nào trên Trái Đất Ta chỉ cần 3 vệ tinh để định vị hoặc

4 vệ tinh để cung cấp sự định vị bao gồm cả độ cao

Trang 14

Hình 2.2 Chòm sao 24 vệ tinh GPS

– Vệ tinh bay xung quanh Trái Đất có 3 dạng quỹ đạo và có 2 quy luật chi phốiquyết định vệ tinh dang bay ở dạng nào là:

– Mặt phẳng quỹ đạo bay của vệ tinh phải cắt ngang tâm trái đất

– Trái Đất phải là trung tâm của bất kì quỹ đạo nào của vệ tinh

Hình 2.3 Ba dạng quỹ đạo cơ bản của vệ tinh

Từ một vị trí trong không gian một vệ tinh có thể quan sát, phủ sóng khoảng42% bề mặt quả đất, vùng này là gọi là vùng phủ sóng vô tuyến điện có thể truyền lantính hiệu điện từ từ vệ tinh xuống mặt đất gọi là “ dấu in” toàn cầu của vệ tinh Vớimột vệ tinh có thể phủ sóng được 42% bề mặt quả đất, để thông tin toàn cầu phải có ítnhất ba vệ tinh đặt ở ba vị trí thích hợp trên quỹ đạo địa tĩnh Như vậy, chúng ta sống ởbất kỳ vị trí nào trên trái đất đều có thể kết nối thông tin với nhau thông qua ít nhất 03

Trang 15

Hình 2.4 Hình phủ sóng toàn cầu của 3 vệ tinh 2.1.2 Các thế hệ vệ tinh GPS

Ban đầu GPS gồm 11 vệ tinh gọi là những Khối I Ngày 22/02/1978, vệ tinhđầu tiên trong chuỗi này bắt đầu hoạt động Vệ ttinh cuôi cùng hoạt động ngày09/10/1985 Góc nghiêng mặt phẳng quỹ đạo của những vệ tinh này so với đường xíchđạo là 630 , và được sửa đổi trong những thế hệ vệ tinh theo sau Vệ tinh khối I cuốicùng được rút ra khỏi hệ thống dịch vụ vào ngày 18/11/1995

Thế hệ thứ 2 gọi là những vệ tinh Khối II/IIA Khối IIA là phiên bản của Khối

II nhưng ở mức cao hơn, bởi khả năng lưu trữ dữ liệu thông điệp từ 14 ngày (Khối II)đế 180 ngày (Khối IIA) Do đó, Khối II và Khối IIA có thể thực hiện chức năng mộtcách liên tục mà không cần sự hỗ trợ từ mặt đất, từ 14 đến 180 ngày, tương ứng lầnlượt với hai hệ thống Tổng cộng có 28 vệ tinh Khối II/IIA Mặt phẳng quỹ đạo củanhững vệ tinh này có góc nghiêng là 550 so với mặt phẳng xích đạo Một vài tính năngđược bảo mật vì bảo đảm an ninh quốc gia gồm: khả năng có thể lựa chọn (SA-selective availability) và chống lừa đảo và được thêm vào cấu trúc tín hiệu của những

vệ tinh khối II/IIA

Ngoài ra, Khối IIR được biết là thế hệ mới của những vệ tinh GPS và đangđược thi hành Khối IIR có khả năng tương thích với Khối II/IIA Do đó, người sửdụng có thể nắm bắt được những thay đổi trong Khối IIR Khối IIR có 21 vệ tinh.Chúng có khả năng hoạt động độc lập trong ít nhất 180 ngày mà không cầu sự điều

Trang 16

chỉnh từ mặt đất hoặc thoái hóa độ chính xác,có khả năng sắp xếp lẫn nhau Hơn nữa,

để hỗ trợ định vị tự vị của các vệ tinh, dữ liệu thời gian và lịch thiên văn được cập nhậtđịnh kỳ trong 210 ngày bởi phân đoạn điều khiển mặt đất Những tính năng này chỉ có

ở 12 vệ tinh cuối cùng của Khối IIR

Theo sau Khối IIR là Khối IIF (flow-on) gồm 33 vệ tinh Chúng có khả năngmới nhờ vào chương trình hiện đại nhoa1GPS, cải thiện thật ấn tượng tính chính xáctrong chế độ định vị GPS tự trị

Hình 2.5 Các thế hệ vệ tinh GPS 2.1.3 Hoạt động của GPS

Các vệ tinh GPS bay vòng quanh Trái Đất hai lần một ngày theo một quỹ đạorất chính xác và phát tín hiệu có thông tin xuống Trái Đất Máy thu nhận thông tin vàdùng phép tính lượng giác để tính chính xác vị trí người dùng Thực chất, máy thuGPS đo sai lệch về thời gian tín hiệu được phát đi từ vệ tinh và thời gian nhận được nó

để tính khoảng cách đến vệ tinh Với cách làm như vậy đối với các vệ tinh khác nhaumáy thu tìm được vị trí của người dùng Máy thu phải nhận tín hiệu của ít nhất ba vệtinh để tính ra kinh độ, vĩ độ và theo dõi sự chuyển động Nếu máy thu nhận được tínhiệu của bốn vệ tinh thì tính được kinh độ, vĩ độ và cao độ

Một khi vị trí của người dùng đã tính được thì máy thu GPS có thể tính cácthông tin khác, như tốc độ, hướng chuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hành trình,khoảng cách tới điểm đến, thời gian mặt trời lặn mọc

Trang 17

Hình 2.6 Định vị từ GPS 2.1.4 Độ chính xác của GPS

Các máy thu GPS ngày nay cực kì chính xác, nhờ vào thiết kế nhiều kênh hoạtđộng song song của chúng Các máy thu 12 kênh song song nhanh chóng khóa vào cácquả vệ tinh khi mới bật lên và chúng duy trì kết nối bền vững, thậm chí trong tán lárậm rạp hoặc thành phố với các tòa nhà cao tầng Trạng thái của khí quyền và cácnguồn gây sai số khác có thể ảnh hưởng tới độ chính xác của máy thu GPS Các máythu GPS có độ chính xác trung bình trong vòng 15 mét

Các máy thu mới hơn có khả năng WAAS (Wide Area Augmentation System)

có thể tăng độ chính xác trung bình dưới 3 mét nhờ vào GPS vi sai (Differential DGPS) Hệ thống vi sai bao gồm một mạng các đài thu tín hiệu GPS và phát các tínhiệu, muốn thu được tín hiệu chính xác phải có máy thu tín hiệu vi sai và anten GPS

Trang 18

truyền trong các khung, với thời gian truyền là 30s cho 1500 bit, 30s truyền của khungbản tin được bắt đầu chính xác tại thời điểm tròn phút hoặc nửa phút theo đồng hồnguyên tử của vệ tinh Mỗi khung có chứa 5 khung con với độ dài 6s và chứa 300bit,mỗi khung con chứa 10 từ, mỗi từ 0,6s và 30 bit.

2.1.6 Tín hiệu GPS.

Các vệ tinh GPS phát hai tín hiệu vô tuyến công suất thấp dài L1 và L2 (dài L

là phần sóng cực ngắn của phổ điện từ trải rộng từ 0,39 tới 1,55 GHz) GPS dân sựdùng tần số L1 1575,42 MHz trong dải UHF Tín hiệu truyền trực thị, có nghĩa làchúng sẽ xuyên qua mây, thủy tinh và nhựa nhưng phần lớn không qua phần lớn cácđối tượng cứng như núi và nhà

L1 chứa hai mã “giả ngẫu nhiên” (pseudo random), đó là mã protected (P) vàmã Coarse/Acquisition (C/A) Mỗi một vệ tinh có một mã truyền dẫn nhất định, chophép máy thu GPS nhận dạng được tín hiệu Mục đích của các mã tín hiệu này là đểtính toán khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu GPS

Tín hiệu GPS chứa ba mẫu thông tin khác nhau – mã giả ngẫu nhiên, dữ liệuthiên văn và dữ liệu lịch Mã giả ngẫu nhiên chỉ đơn giản là mã định danh để xác địnhđược quả vệ tinh nào là phát thông tin Có thể nhìn số hiệu 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 quĩ đạo ở mỗithời điểm trong ngày Mỗi quả vệ tinh phát dữ liệu thiên văn chỉ ra thông tin quỹ đạocho 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 trọngvề trạng thái của vệ tinh, ngày giờ hiện tại Phần này của tín hiệu là cốt lõi để phát hiện

ra vị trí

2.1.7 Các thành phần cơ bản của GPS

GPS hiện tại gồm 3 phần chính: phần không gian, kiểm soát và sử dụng Khôngquân Hoa Kỳ phát triển, bảo trì và vận hành các phần không gian và kiểm soát Các vệtinh GPS truyền tín hiệu từ không gian, và các máy thu GPS sử dụng các tín hiệu này

Trang 19

để tính toán các vị trí trong không gian 3 chiều (kinh độ, vĩ độ, cao độ) và thời gianhiện tại.

2.1.7.1 Phần không gian:

Gồm 24 vệ tinh (21 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự phòng) nằm trên các quỹđạo xoay quanh trái đất Chúng cách mặt đất 20.200km, bán kính quỹ đạo 26.600km(Hình 1.1).Chúng chuyển động ổn định và quay hai vòng quỹ đạo trong khoảngthời gian gần 24 giờ với vận tốc 7 nghìn dặm một giờ Các vệ tinh trên quỹ đạo đượcbố trí sao cho các máy thu GPS trên mặt đất có thể nhìn thấy tối thiểu 4 vệ tinh vào bất

kỳ thời điểm nào Các vệ tinh hoạt động bằng năng lượng mặt trời và có trang bị đồnghồ nguyên tử có độ chính xác đến nano giây

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

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

2.7.1.2 Phần kiểm soát:

Mục đích là kiệm soát vệ tinh đi đúng hướng theo quỹ đạo và thông tin thờigian chính xác Có 5 trạm kiểm soát trên Trái Đất Bốn trạm kiểm soát hoạt động mộtcách tự động, và một trạm kiểm soát là trung tâm Bốn trạm kiểm soát này nhận tínhiệu liên tục từ những vệ tinh và gửi các thông tin này đến trạm kiểm soát trung tâm.Tại trạm kiểm soát trung tâm, nó sẽ sửa lại dữ liệu cho đúng và kết hợp với haiantenna khác để gửi lại thông tin cho các vệ tinh Ngoài ra, còn một trạm kiểm soáttrung tâm dự phòng và sáu trạm quan sát chuyên biệt Phần kiểm soát có 5 trạm quansát và nhiệm vụ:

– Gám sát 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 đổng hồ trên vệ tinh

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

Trang 20

Hình 2.7 Các trạm điều khiển GPS trên thế giới 2.1.7.3 Phần sử dụng:

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

Bộ GPS gổm anten, bộ xử lí và một đồng hồ có độ ổn định cao được đặt ở tầnsố truyền dẫn của các vệ tinh Chúng cũng có thể bao gồm các bộ phận hiển thị đểcung cấp các thông tin vị trí, tốc độ, hay bản đồ chỉ đường

Một bộ thu GPS được mô tả với số kênh, nó cho biết số lượng vệ tinh tối da màbộ thu có thể xử lí đồng thời Hiện nay, số kênh của bộ thu GPS thường đạt tới 12 đến

20 kênh

2.1.8 Các nguồn sai số trong định vị vệ tinh GPS:

Trong định vị vệ tinh, các nguồn sai số được chia thành 3 nhóm: sai số do vệtinh, sai số do sự lan truyền tín hiệu và sai số liên quan đến máy thu Ngoài 3 nhómnguồn sai số này còn có các sai số do người đo ảnh hưởng đến kết quả đo GPS như:cân bằng máy, đo cao anten, đặt nhầm điểm… Các nguồn sai số trên đều có thể đượckhắc phục để đảm bảo độ chính xác cho kết quả đo GPS Sau đây chúng ta sẽ tìm hiểuchi tiết hơn về các nguồn sai số trong định vị vệ tinh và cách khắc phục các nguồn saisố gây ra

Trang 21

Hình 2.8 Các nguồn sai số trong định vị vệ tinh 2.1.8.1 Sai số do vệ tinh

Sai số đồng hồ vệ tinh: Sai số đồng hồ vệ tinh trực tiếp gây ra sai số trong xácđịnh thời gian Trong đo khoảng cách bằng sóng ánh sáng hay sóng điện từ, sai số thờigian ảnh hưởng đáng kể đến độ chính xác khoảng cách đo

Cách khắc phục:

Đối với định vị tuyệt đối khoảng cách giả, sai số đồng hồ vệ tinh được hiệuchỉnh vào khoảng cách giả trước khi sử dụng chúng để giải bài toán định vị Sai sốđồng hồ vệ tinh được xác định nhờ vào đa thức đồng hồ vệ tinh được cung cấp theolịch vệ tinh, do đó tính được số hiệu chỉnh của đồng hồ vệ tinh

Trong định vị tương đối, để loại bỏ ảnh hưởng do sai số đồng hồ vệ tinh gây ra,người ta sử dụng phương trình sai phân bậc nhất của các trị đo pha từ hai trạm quan sátđến cùng một vệ tinh

Sai số do quỹ đạo vệ tinh: Sai số do quỹ đạo vệ tinh gây ra được hiểu là khi tatính được tọa độ của vệ tinh nhưng lại không đúng với tọa độ thật của nó (chứa sai sốkhoảng 2,5m) đó chính là sai số quỹ đạo vệ tinh hay sai số lịch vệ tinh

Trang 22

Trong định vị tuyệt đối, sai số này gần như ảnh hưởng trọn vẹn đến kết quảđịnh vị vệ tinh tuyệt đối Trong định vị tương đối sai số này được giảm thiểu đáng kể

do ảnh hưởng của sai số do quỹ đạo vệ tinh gây ra là như nhau nên có thể loại trừ

Ảnh hưởng của nhiễu cố ý SA: Nhiễu cố ý SA được tạo ra nhằm giảm độ chínhxác định vị tuyệt đối bằng cách làm sai lệch đồng hồ vệ tinh và tác động vào việc lậplịch vệ tinh Song từ ngày 20/5/2000, Mỹ đã chính thức bỏ chế độ nhiễu cố ý SA

2.1.8.2 Sai số phục thuộc vào môi trường lan truyền tín hiệu:

Tín hiệu vệ tinh truyền đến máy thu trên mặt đất phải xuyên qua khí quyển gồmnhiều tầng, trong đó có tầng điện ly và tầng đối lưu là hai tầng ảnh hưởng nhiều nhấttới sự lan truyền tín hiệu từ vệ tinh, đó được gọi là hiệu ứng khí quyển ảnh hưởng đếntín hiệu vệ tinh Ngoài ra do hiện tượng phản xạ, tín hiệu vệ tinh GPS đến máy thu cóthể bị ảnh hưởng của đa đường dẫn

Ảnh hưởng của tầng điện ly: Ảnh hưởng của tầng điện ly đến khoảng cách đo

có giá trị trung bình trong khoảng 5-10m, lớn nhất có thể đến 50m

Trong định vị tương đối khoảng cách ngắn (nhỏ hơn 10km), ảnh hưởng do tầng điện ly

và tầng đối lưu cơ bản được loại bỏ vì ảnh hưởng này được coi là như nhau đối với haimáy thu đặt gần nhau Ở khoảng cách trên 10km, để làm giảm ảnh hưởng của tầngđiện ly đến kết quả đo, người ta sử dụng máy thu hai tần số

Ảnh hưởng của tầng đối lưu

Tầng đối lưu là tầng khí quyển tính từ mặt đất độ cao khoảng 50km Trong tầng đốilưu chứa nhiều hơi nước và bụi khí quyển Ảnh hưởng của tầng đối lưu đến tín hiệuđiện từ không phụ thuộc vào tần số sóng tải, được chia thành ảnh hưởng của phần khô(trên cao) và ảnh hưởng của phần ướt (dưới thấp)

Trang 23

Để khắc phục ảnh hưởng của tầng đối lưu, người ta nghiên cứu xây dựng môhình khí quyển để dựa vào đó tính toán hiệu chỉnh trị đo nhằm loại bỏ hoặc giảm thiểunguồn sai số.

Ảnh hưởng của tầng đối lưu đến tín hiệu còn phụ thuộc vào góc cao E của vệtinh Góc E cao càng nhỏ thì đường truyền tín hiệu trong tầng điện ly và tầng đối lưucàng lớn Chính vì vậy, trong quá trình đo đạc, để giảm bớt sai số này người ta loại bỏtín hiệu của vệ tinh có góc cao E < 15º (gọi là góc cao giới hạn hay góc ngưỡng).Ảnh hưởng đa đường dẫn

Hiện tượng đa đường dẫn là do tín hiệu vệ tinh đến máy thu qua nhiều đườngkhác nhau do phản xạ tín hiệu Nếu tín hiệu phản xạ đủ mạnh, máy thu ghi nhận cả tínhiệu truyền thẳng từ vệ tinh đến máy thu và cả tín hiệu phản xạ khi va đập vào các vật(nhà cửa, hàng rào, cột điện…) trên đường đi

Cách tốt nhất loại bỏ sai số này là sử dụng anten máy thu có khả năng giảmthiểu tín hiệu đa đường dẫn như loại anten gồm các vòng xoáy tròn Một cách khác làbố trí trạm đo GPS phải xa các vật dễ phản xạ tín hiệu như vật liệu kim loại, bê tông…

2.1.8.3 Sai số liên quan tới máy thu

Sai số đồng hồ máy thu

Tinh thể thạch anh được dùng để chế tạo ra bộ tạo dao động của đồng hồ máy thuGPS Sai số đồng hồ máy thu gây ra sẽ gây ra sai số trong các kết quả đo GPS

Trang 24

Khi chế tạo máy thu GPS, người ta chế tạo sao cho tâm điện tử của anten trùng vớitâm hình học của nó, nhưng trên thực tế hai tâm này không trùng nhau và gây ra sai sốlệch tâm anten.

Trong khi thao tác đo GPS, đặt máy tại điểm đo luôn quay logo máy thu về hướng Bắcvới sai số trong khoảng 5º sẽ giảm bớt sai số lệch tâm pha anten

Sai số do nhiễu tín hiệu

Máy thu GPS là một thiết bị bao gồm phần cứng và phần mềm, do vậy trong quá trìnhlàm việc có thể gặp tình trạng máy thu làm việc không ổn định Trong môi trường lantruyền tín hiệu luôn có các nguồn sóng điện từ phát ra sẽ gây nhiễu tín hiệu

Người sử dụng cần nắm bắt được tình trạng của máy thu thông qua số liệu đo được xử

lý đánh giá để có biện pháp khắc phục, sửa chữa máy thu GPS

2.2 Những ứng dụng nổi trội của hệ thống định vị toàn cầu GPS

2.2.1 Ứng dụng trong quân sự

Dùng để dẫn đường cho tên lửa, và các cuộc hành quân Các ứng dụng trongthám hiểm không gian: Định vị và định hướng bay của các phương tiện không giankhác có mang theo những máy thu phát

Hình 2.9 Ứng dụng nổi trội của định vị GPS

Trang 25

2.2.2 Ứng dụng trong đo đạc khảo sát và thi công công trình

Trắc địa: Đo vẽ bản đồ địa hình và địa chính; lập lưới khống chế tọa độ quốcgia; bố trí và kiểm tra bố trí các loại công trình; quan trắc biến dạng công trình…

Thủy đạc: Đo vẽ bản đồ đường sông, biển; nghiên cứu thủy văn; thi công cáccông trình thủy, dầu khí, hàng hải…

2.2.3 Ứng dụng trong giao thông

Các ứng dụng giao thông đường bộ: Sử dụng định vị vệ tinh cho các phươngtiện giao thông như ô tô, xe gắn máy cho biết vị trí chính xác của các phương tiện này;ngoài ra còn cho biết lộ trình, kiểm soát được tốc độ, cảnh báo khi bạn vượt quá tốc độhoặc đi vào vùng giới hạn Ứng dụng này vô cùng hữu ích trong việc giám sát quản

lý vận tải, theo dõi vị trí, tốc độ, hướng di chuyển, theo dõi định vị cho các ứng dụnggiao hàng GPS

Hình 2.10 Ứng dụng trong giao thông 2.2.4 Các ứng dụng giao thông đường biển

Hệ thống định vị vệ tinh đã trở thành một công cụ dẫn đường hàng hải lý tưởngtrên biển Định vị vị trí cho tàu thuyền, công trình biển… Ứng dụng quan trọng chocông tác cứu hộ cứu nạn và an ninh trên biển…

Các ứng dụng giao thông hàng không là tạo ra hệ thống dẫn đường bay ICAO– Tổ chức hàng không dân dụng quốc tế đã quy định sử dụng hệ thống GPS trong dẫnđường cất và hạ cánh

Trang 26

2.2.5 Ứng dụng cho cá nhân

Ngày nay thì các phần mềm ứng dụng sử dụng hệ thống định vị vệ tinh đượctích hợp trên điện thoại thông minh, máy tính bảng, laptop đã không còn xa lạ với mọingười Những ứng dụng này cung cấp cho người dùng các thông tin hữu ích về định vị

vị trí, chỉ dẫn đường đi… Những phần mềm ứng dụng tiêu biểu như là Google Maps,Locale, Places Directory…

2.3 Khảo sát khóa container thông minh của ICDREC

2.3.1 Giới thiệu về khóa container thông minh

Ngày 1-8-2014, nhóm nghiên cứu của Trung tâm Nghiên cứu và Đào tạo Thiếtkế vi mạch (ICDREC) và Trung tâm Nghiên cứu triển khai Khu Công nghệ caoTPHCM (SHTPLABS) đã công bố nghiên cứu chế tạo thành công hệ thống giám sátcontainer CTS-01 (khóa điện tử thông minh) nhằm giám sát quá trình vận chuyển hànghóa cho tất cả các loại xe container

Hình 2.11 Công bố sản phẩm của ICDREC

Hệ thống CTS-01 được thiết kế trên nền tảng sử dụng Chip vi xử lý thương mạiSG8V1 và "chìa khóa" là thẻ HF RFID của ICDREC Sản phẩm được gia công, sảnxuất theo một quy trình hợp tác nghiên cứu khép kín giữa ICDREC và SHTPLABS

CTS-01 là một hệ thống giám sát và quản lý container từ xa với server và cơ sở

dữ liệu tập trung Người chủ lô hàng trong container hoặc chủ các phương tiện vận

Trang 27

tốc khi thùng container di chuyển; điều khiển và giám sát quá trình đóng mở khóa màngười lái xe container không thể can thiệp được như những khóa thông thường hiệnnay Để mở khóa phải dùng 1 thẻ RFID đã được khai báo trước, thiết bị gửi dữ liệu vềtrung tâm qua mạng GSM.

Hình 2.12 Xác định vị trí của xe len google của ICDREC

Các tính năng của hệ thống này đặc biệt hữu dụng cho công tác quản lý và giámsát container hàng hóa, điển hình là hàng hóa tạm nhập tái xuất Bên cạnh đó là cáctính năng phục vụ cho nhu cầu điều hành, quản lý của các doanh nghiệp vận tải

Hình 2.13 Khóa container thông minh của ICDREC

Trang 28

2.3.2 Lưu đồ thuật toán tổng quát của khóa container thông minh

2.3.3 Ưu điểm

Trang 29

– Hệ thống khóa điện tử do Trung tâm Nghiên cứu và Đào tạo Thiết kế vi mạchnghiên cứu chế tạo sẽ giúp chủ hàng giải tỏa phần nào nỗi lo mất cắp hàng hóatrên đường vận chuyển

– Giám sát liên tục và chính xác với sever và dữ liệu tập trung

– Thiết bị hoạt động tốt trong môi trường ngoài trời vì được thiết kế đảm bảochống bụi và nước

2.4 Đề xuất nhiệm vụ

– Thiết kế, chế tạo thân khóa với cơ cấu đóng/mở dùng thẻ RFID

– Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển

– Xây dựng thuật toán điều khiển cho khóa với các chức năng:

có thể roaming vớinhau do đó những máy điện thoại di động GSM của các mạng GSMkhác nhau ở có thể sử dụng được nhiều nơi trên thế giới

GSM là chuẩn phổ biến nhất cho điện thoại di động (ĐTDĐ) trên thế giới Khảnăng phú sóng rộng khắp nơi của chuẩn GSM làm cho nó trở nên phổ biến trên thếgiới, 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 đượcxem như là một hệ thống ĐTDĐ thế hệ thứ hai (second generation, 2G) GSM

là một chuẩn mở, hiện tại nó đượcphát triển bởi 3rd Generation Partnership Project(3GPP) Đứng về phía quan điểm khách hàng, lợi thế chính củaGSM là chất lượngcuộc gọi tốt hơn, giá thành thấp và dịch vụ tin nhắn Thuận lợi đối với nhà điều hành

Trang 30

mạng là khả năng triển khai thiết bị từ nhiều người cung ứng GSM cho phép nhà điềuhành mạng có thể sẵn sàng dịch vụ ở khắp nơi, vì thế người sử dụng có thể sử dụngđiện thoại của họ ở khắp nơi trên thế giới Mạng GMS hoạt động trên 4 băng tần, hầuhết hoạt động ở băng tần 900MHz và 1800MHz, vài nước Châu Mỹ sử dụng băng tần

850 MHz và 1900 MHz

Ở Việt Nam thường sử dụng phổ biến băng tần 900 MHz và 1800 MHz đối vớimạng Mobiphone và Viettel Đối với băng tần 900 MHz truyền dẫn tín hiệu bằng 2dường uplink (dải tần số từ 890-915 MHz) và dowlink (dải tần số 935-960 MHz) Chiabăng tần thành 124 kênh với độ rộng băng thông 25 MHzvà khoảng cách mỗi kênh là

200 MHz

Công nghệ GMS được xây dựng trên cơ sở hệ thống mở nên nó dễ dàng kết nốicác thiết bị khác nhau từ các nhà cung cấpthiết bị khác nhau Mỗi mạng GMS bất kìbao gồm các phân hệ sau:

– Phân hệ chuyển mạch NSS: Network Swtichinh Subsystem

– Phân hệ vô tuyến RSS = BSS + MS: Radio Subsystem

– Phân hệ vận hành và bảo dưỡng OMS: Operation and Maintenance Subystem

Hình 2.14 Cấu trúc mạng GSM

Trang 31

2.6 Vi điều khiển

Arduino là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tácvới nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn Có khả năng tương tác với môitrường thông qua các cảm biến và các cơ cấu chấp hành

Về phần cứng: Ardunio là một bo mạch in mà trên đó có sẵn chip vi xử lý(thường là vi xử lý họ AVR của hãng Atmel) được liên kết đầy đủ với một số linh kiệnthường dùng như giắc cắm nguồn, liên kết cổng COM với máy tính qua chuẩn RS232,các chân Digital (tín hiệu số), Analog (tín hiệu tương tự) và PWM (tín hiệu xung) cùngcác linh kiện để giữ ổn định tín hiệu

Về phần mềm: Arduino tích hợp cả môi trường lập trình, trình biên dịch và nạpmã cho chip vi xử lý Arduino cũng như truyền-nhận dữ liệu từ bo mạch Arduino quacổng COM Người dùng viết các chương trình cho Aduino bằng ngôn ngữ C hoặc C++

Các board Arduino hiện nay sử dụng phổ biến bao gồm: Arduino Nano,Arduino Uno, Arduino Mega, Arduino Pro Mini, Arduino Enthernet

Arduino Uno và 1 số thông số cơ bản:

Hình 2.15 Arduino Uno và sơ đồ nguyên lý.

Các chân năng lượng:

GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino Uno Khi bạn dùngcác thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối vớinhau

Trang 32

– 5V: cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA.

– 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA.– Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino Uno, nối cực dương củanguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND

– IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino Uno có thể được đo ởchân này Và dĩ nhiên nó luôn là 5V Mặc dù vậy không được lấy nguồn 5V từchân này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp nguồn

Bảng 2.1 Thông số Arduino Uno

Vi điều khiển Atmega328Điện áp hoạt động 5V – DC (chỉ được cấp qua cổng USB)

Điện áp đầu 16 MHzDòng tiêu thụ 30mAĐiện áp vào khuyên dùng 7-12V – DC

Điện áp vào giới hạn 6-20V – DC

Số chân Digital I/O 32

Số chân Input Analog 14

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 20mA

Dòng ra tối đa (5V) 500 mA

Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA

Bộ nhớ flash 32KBSRAM 8 KB (ATmega328)EEPROM 4 KB (ATmega328)Chiều dài 68,6mmBề rộng 53,4mm

Trang 33

2.7 Module Sim808

Module Sim808 là Module GSM/GPS, xây dựng dựa trên Sim808 củaSIMCOM, hỗ trợ GSM/GPRS với 4 băng tần và công nghệ định vị vệ tinh GPS Ngoài

2 chức năng chính GSM/GPS, Module Sim808 còn hỗ trợ thêm tính năng Bluetooth

Module sim808 có GPS với độ nhạy cao với 22 kênh theo dõi và 66 kênh tiếpnhận Bên cạnh đó, nó cũng hỗ trợ công nghệ A-GPS, giúp cho việc định vị đượcchính xác hơn, ngay cả khi ở thiết bị ở trong nhà

Module được thiết kế tối ưu, loại bỏ đi như tính năng không cần thiết để giảmgiá thành và phục vụ chủ yếu cho việc giám sát, điều khiển các thiết bị từ xa thông quaGMS/GPRS/GPS

Có thể sử dụng được được với mạch Arduino hoặc Raspberry Pi

Hình 2.16 ModuleSIM808.

Thông số kỹ thuật:

– Hoạt động ở 4 băng tần Quad-band 850/900/1800/1900MHz

– Hỗ trợ GPRS multi-slot class 12

– Điều khiển bằng tập lệnh AT

– Nguồn hoạt động trong dải 3.7 – 4.5V

Trang 34

– GND nối với chân GND của board Arduino.

– TX nối với chân 51/2 của board Arduino MEGA/UNO

– RX nối với chân 50/3 của board Arduino MEGA/UNO

– PWR: Đây là chân bật tắt modul sim900a

– SPK: Chân này cần kết nối nếu bạn muốn xuất âm thanh ra loa thoại

– MIC: Chân này cần kết nối nếu bạn muốn tạo mic để đàm thoại

2.8 Chốt cửa điện từ

Chốt cửa điện từ là một dụng cụ được tạo ra bởi một vòng dây dẫn điện quấntheo dạng hình trụ Khi cho dòng điện chạy qua dây thì sẽ xuất hiện từ trường khá đềutrong lòng ống Cường độ từ trường sinh ra phụ thuộc vào cường độ dòng điện đi quadây, số vòng dây trên một đơn vị đo chiều dài của ống dây và phụ thuộc vào kíchthước của ống dây

Chốt cửa điện từ là nam châm điện được làm bằng một cuộn dây đồng lớn vớimột phần tử (một con sên kim loại) ở giữa Khi cuộn dây được kích hoạt, sên được kéovào giữa cuộn dây Điều này làm cho solenoid có thể kéo (từ một đầu) hoặc đẩy

Thông số kỹ thuật:

– Họat động 12DC

– Đẩy hoặc kéo loại với 5,5 mm ném

– DC cuộn kháng: 100 ohms

– 5 lực khởi động Newton (12VDC)

Hình 2.17 Chốt cửa điện từ

Trang 35

2.9 Modul RFID và thẻ

RFID là viết tắt của Radio Frequency Identification là công nghệ nhận dạng đốitượng bằng sóng vô tuyến Hai thiết bị này hoạt động thu phát sóng điện từ cùng tần sốvới nhau Các tần số thường được sử dụng trong hệ thống RFID là 125Khz hoặc900Mhz.Sử dụng hệ thống không dây thu phát sóng radio Không sử dụng tia sáng nhưmã vạch

Hệ thống RFID gồm những thành phần cơ bản sau:

– Thẻ RFID (RFID Tag, còn được gọi là transponder): là một thẻ gắn chíp +Anten, Passive tags: Không cần nguồn ngoài và nhận nằng lượng từ thiết bịđọc Khoảng cách đọc ngắn

– Reader hoặc sensor (cái cảm biến): để đọc thông tin từ các thẻ, có thể đặt cốđịnh hoặc lưu động

– Antenna: Là thiết bị liên kết giữa thẻ và thiết bị đọc Thiết bị đọc phát xạ tínhiệu sóng để kích họat và truyền nhận với thẻ

– Server: nhu nhận, xử lý dữ liệu, phục vụ giám sát, thống kê, điều khiển

Hình 2.18 RFID và Ăngten .

Định dạng
Số trang	70
Dung lượng	4,81 MB
File đính kèm	Ph_m Ng_c Nam.rar (5 MB)