Tài liệu Hộ thống định tuyến và giám sát đối tượng dịch chuyển trong phạm vi rộng

ðại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA -------------------- PHÙNG THẾ VŨ HỆ THỐNG ðỊNH TUYẾN VÀ GIÁM SÁT ðỐI TƯỢNG DỊCH CHUYỂN TRONG PHẠM VI RỘNG Chuyên ngành : KỸ THUẬT ðIỆN TỬ LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2009 CÔNG TRÌNH ðƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA ðẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS. Lê Tiến Thường Ký tên : Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS. ðẶNG THÀNH TÍN Ký tên : Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. LƯU THANH TRÀ Ký tên : Luận văn thạc sĩ ñược bảo vệ tại HỘI ðỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 15 tháng 07 năm 2009 TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA PHÒNG ðÀO TẠO SðH CỘNG HÒA Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ðỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC Tp. HCM, ngày 01 tháng 07 năm 2009 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Phùng Thế Vũ ............................................... Phái: Nam....................... Ngày, tháng, năm sinh: 01-08-1983 ......................................... Nơi sinh: Khánh Hoà ...... Chuyên ngành: Kỹ Thuật ðiện Tử ........................................... MSHV: 01407367 .......... I- TÊN ðỀ TÀI: HỆ THỐNG ðỊNH TUYẾN VÀ GIÁM SÁT ðỐI TƯỢNG DỊCH CHUYỂN TRONG PHẠM VI RỘNG II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tìm hiểu lý thuyết công nghệ ñịnh vị toàn cầu GPS và mạng thông tin di ñộng GSM. - ðưa ra phương pháp ñịnh tuyến và giám sát ñối tượng dịch chuyển trong phạm vi rộng. - Xây dựng hệ thống phần cứng và phần mềm. - Chạy thực nghiệm hệ thống và ñánh giá kết quả ñạt ñược. III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02-02-2009 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 03-07-2009 V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS. Lê Tiến Thường ................................................ ........................................................................................................................................ CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Học hàm, học vị, họ tên và chữ ký) CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH LỜI CẢM ƠN ðầu tiên, xin chân thành gởi lời cảm ơn ñến người Thầy tận tâm PGS.TS.Lê Tiến Thường ñã giúp ñỡ tận tình trong quá trình thực hiện luận văn này. Cách hướng dẫn và hỗ trợ của thầy tạo nhiều ñộng lực cho em trong việc hoàn thành tốt luận văn này. Em cũng xin cảm ơn các Thầy Cô trong trường ðại Học Bách Khoa ñã truyền ñạt và hướng dẫn cho em về các vấn ñề lý thuyết kỹ thuật cũng như các ứng dụng thực tế của ngành vô tuyến ñiện tử em ñang theo học. ðồng thời, em cũng xin cảm ơn các bạn bè, anh em trong lớp ñã tư vấn và hỗ trợ trong lúc thực hiện ñề tài. Xin cảm ơn gia ñình và người thân luôn giúp ñỡ và ủng hộ trong quá trình học tập và trong cuộc sống. Một lần nữa, xin cảm ơn tất cả mọi người ñã giúp ñỡ em trong quá trình học tập, tìm hiểu các vấn ñề kỹ thuật cũng như trong cuộc sống. TP HCM, ngày 01 tháng 07 năm 2009 Trân Trọng Phùng Thế Vũ LỜI MỞ ðẦU Sự phát triển vượt bậc trong công nghệ ñịnh vị toàn cầu GPS trong vài năm trở lại là nền tảng thúc ñẩy phát triển nhiều ứng dụng ñịnh vị và dẫn ñường như hệ thống ñường băng của máy bay giúp cho máy bay có thể hạ cánh an toàn, hệ thống dẫn ñường trên biển giúp các tàu vượt ñại dương mà không bị lạc, cho ñến các hệ thống tự ñộng như máy bay không người lái… bằng cách sử dụng kết hợp công nghệ ñịnh vị toàn cầu GPS và mạng thông tin di ñộng GSM có thể xây dựng nên một hệ thống hoàn chỉnh về ñịnh tuyến và giám sát nhằm cung cấp nhu cầu về mặt thông tin ñịa lí và dẫn ñường tự ñộng. Mô hình hệ thống ñịnh tuyến và giám sát có thể trong các lĩnh vực như Robotics, một robot có thể tự ñiều chỉnh hướng ñi dựa vào sự hỗ trợ của hệ thống ñịnh vị GPS, ứng dụng giám sát các phương tiện vận chuyển... Luận văn này xây dựng mô hình ứng dụng thực tế của một hệ thống ñịnh tuyến và giám sát ñối tượng dịch chuyển trong phạm vi rộng. Hệ thống có khả năng ñịnh tuyến và giám sát dịch chuyển của phương tiện, con người hoặc robots… ở môi trường ngoài trời dựa vào hệ thống ñịnh vị toàn cầu GPS và mạng thông tin di ñộng GSM. Một thiết bị theo dõi hỗ trợ công nghệ GPS-eMD3620 của công ty AT&S và công nghệ GSM-GM862 của công ty Telít, ñược ñiều khiển bởi vi xử lí trung tâm LM3S2965 dựa trên lõi ARM Cortex M3 32bit thế hệ mới, ñồng thời sử dụng cảm biến la bàn YAS529 của công ty Yamaha và cảm biến gia tốc KXSC7-2050 của công ty Koinix ñể xác ñịnh hướng di chuyển của ñối tượng dịch chuyển. Hệ thống này hoạt ñộng bằng cách thu thập các bản tin ñịnh vị từ máy thu GPS, sau ñó gửi về trung tâm giám sát bằng các dịch vụ gửi tin nhắn SMS hoặc GPRS. Trung tâm giám sát ñược trang bị một kít phát triển hỗ trợ công nghệ GSM-WMP100 của công ty WaveCom, kết hợp với bản ñồ số Google Map, ñể hiển thị chính xác vị trí của ñối tượng dịch chuyển trên bản ñồ. Luận văn này trước tiên sẽ giới thiệu về hướng nghiên cứu sẽ thực hiện, các nền tảng kỹ thuật chính. Tiếp theo ñó, mô hình hệ thống triển khai thực tế sẽ ñược trình bày cùng với các thiết bị phần cứng ñược sử dụng trong mô hình. Cuối cùng là chạy thực nghiệm và ñánh giá khả năng của hệ thống. Từ khoá: ARM Cortex M3, GPS, GSM, Google Map, Wavecom-WMP100, YAS529, KXSC7-2050. Luận văn tốt nghiệp cao học GVHD: PGS.TS Lê Tiến Thường Mục Lục Mục Lục ....................................................................................................................... 1 Danh sách các hình ..................................................................................................... 3 Chương 1...................................................................................................................... 7 GIỚI THIỆU ðỀ TÀI................................................................................................. 7 1.1 Hướng nghiên cứu............................................................................................... 7 1.2 Khó khăn và thách thức ...................................................................................... 7 1.3 Mục tiêu của ñề tài .............................................................................................. 8 1.4 Nội dung và phạm vi nghiên cứu ........................................................................ 9 Chương 2.................................................................................................................... 11 LÝ THUYẾT VỀ GPS VÀ GSM ............................................................................. 11 2.1 Hệ thống ñịnh vị toàn cầu GPS ......................................................................... 11 2.1.1 Mô hình hệ thống ñịnh vị toàn cầu GPS .................................................... 12 2.1.1.1 Mảng người sử dụng ........................................................................... 13 2.1.1.2 Mảng không gian ................................................................................ 13 2.1.1.3 Mảng ñiều khiển ................................................................................. 15 2.1.2 Các thế hệ vệ tinh của hệ thống GPS ......................................................... 16 2.1.2.1 Thế hệ vệ tinh thứ nhất ....................................................................... 16 2.1.2.2 Thế hệ vệ tinh thứ hai ......................................................................... 16 2.1.2.3 Thế hệ vệ tinh mới .............................................................................. 16 2.1.2.4 Thế hệ vệ tinh tiếp theo Block IIR ...................................................... 17 2.1.3 Cách tính tọa ñộ bộ thu dựa theo hình học ................................................ 28 2.2 Mạng thông tin di ñộng GSM ........................................................................... 32 2.2.1 Vài nét lịch sử về mạng GSM .................................................................... 32 2.2.2 Các chỉ tiêu kỹ thuật của mạng GSM ........................................................ 34 2.2.3 Cấu trúc hệ thống GSM ............................................................................. 35 2.2.4 Các dịch vụ của GSM ............................................................................... 36 2.2.4.1 Dịch vụ thoại ....................................................................................... 36 2.2.4.2 Dịch vụ số liệu .................................................................................... 36 2.2.4.3 Dịch vụ nhắn tin ngắn SMS ................................................................ 37 2.2.4.4 Dịch vụ WAP ...................................................................................... 37 2.2.4.5 Các dịch vụ mới của GSM 2,5G ......................................................... 37 Chương 3.................................................................................................................... 39 PHƯƠNG PHÁP ðỊNH TUYẾN VÀ GIÁM SÁT ................................................ 39 3.1 Mô hình hệ thống ñịnh tuyến và giám sát ......................................................... 39 3.2 Phân tích ñịnh dạng và mã hoá dữ liệu GPS ..................................................... 40 3.2.1 Một số thông ñiệp chuẩn NMEA ............................................................... 41 3.2.1.1 GGA .................................................................................................... 41 3.2.1.2 GLL ..................................................................................................... 42 Trang 1 HVTH: Phùng Thế Vũ Luận văn tốt nghiệp cao học GVHD: PGS.TS Lê Tiến Thường 3.2.1.3 RMC.................................................................................................... 42 3.2.2 Mã hoá dữ liệu GPS trong gói tin SMS ..................................................... 43 3.2.3 Giao thức truyền lệnh từ trung tâm giám sát xuống ñối tượng dịch chuyển ............................................................................................................................. 47 3.3 Phương pháp tính hướng và khoảng cách giữa hai vị trí GPS .......................... 48 3.3.1 Phương pháp tính khoảng cách ngắn ......................................................... 51 3.3.2 Phương pháp tính khoảng cách trung bình ................................................ 52 3.3.3 Phương pháp tính khoảng cách xa ............................................................. 56 3.4 Phân tích tiến trình hoạt ñộng của các thành phần chính.................................. 58 3.4.1 Trung tâm giám sát .................................................................................... 58 3.4.2 ðối tượng dịch chuyển:.............................................................................. 60 Chương 4.................................................................................................................... 64 XÂY DỰNG HỆ THỐNG PHẦN CỨNG & PHẦN MỀM ................................... 64 4.1 Mô tả ñặc ñiểm kỹ thuật của phần cứng ........................................................... 64 4.1.1 Module GPS-eMD3620 ............................................................................. 64 4.1.2 Kít phát triển GSM-WMP100 .................................................................... 67 4.1.3 Bo mạch ñiều khiển gắn trên ñối tượng dịch chuyển ................................ 69 4.1.3.1 LM3S2965 .......................................................................................... 70 4.1.3.2 GSM-GM862 ...................................................................................... 74 4.1.3.2 Cảm biến la bàn YAS529 ................................................................... 74 4.2 Mô hình phần mềm của hệ thống ñịnh tuyến và giám sát ................................ 77 4.2.1 Giao thức truyền thông nối tiếp bất ñồng bộ (UART) ............................... 77 4.2.2 Giao thức truyền thông nối tiếp ñồng bộ (I2C).......................................... 78 4.2.3 Mô hình phần mềm của trung tâm giám sát............................................... 80 4.2.4 Mô hình phần mềm của thiết bị gắn trên ñối tượng dịch chuyển .............. 86 Chương 5.................................................................................................................... 91 THỰC NGHIỆM VÀ ðÁNH GIÁ KẾT QUẢ ....................................................... 91 5.1 Chương trình ứng dụng ......................................................................................... 91 5.2 Chạy thực nghiệm hệ thống ñịnh tuyến và giám sát ............................................ 93 5.3 ðánh giá kết quả .................................................................................................. 94 5.4 Hướng phát triển của ñề tài ................................................................................... 95 Tài liệu tham khảo .................................................................................................. 141 Trang 2 HVTH: Phùng Thế Vũ Luận văn tốt nghiệp cao học GVHD: PGS.TS Lê Tiến Thường Danh sách các hình Hình 1: Chòm sao vệ tinh GPS ................................................................................... 11 Hình 2: Các mảng của hệ thống GPS.......................................................................... 12 Hình 3: Các thế hệ vệ tinh GPS .................................................................................. 17 Hình 4: Minh họa vị trí bộ thu của người sử dụng và vệ tinh ..................................... 28 Hình 5: Mô hình hệ thống GSM ................................................................................. 36 Hình 6: Mô hình hệ thống ñịnh tuyến và giám sát ñối tượng dịch chuyển ngoài trời 39 Hình 7: Mô hình nhận dữ liệu từ thiết bị thu GPS ...................................................... 41 Hình 8: ðịnh dạng khung dữ liệu vị trí truyền về trung tâm giám sát ........................ 44 Hình 9 : ðịnh dạng khung dữ liệu vị trí trong gói tin SMS truyền từ trung tâm giám sát trong chế ñộ ñịnh tuyến ......................................................................................... 44 Hình 10: Bảng chân trị và bảng kết của phép toán XOR hai bit ................................. 45 Hình 11: Hàm tính kiểm tổng chuỗi dữ liệu dựa trên phép toán XOR ....................... 46 Hình 12: Hàm kiểm tổng một chuỗi dữ liệu dựa trên phép toán XOR ....................... 47 Hình 13: Bảng chân trị (true table) và bảng kết của phép toán XOR hai bit .............. 47 Hình 14: Bảng trân trị và bảng kết của phép toán XOR hai bit .................................. 48 Hình 15: Hàm chuyển ñổi tọa ñộ sang ñộ ................................................................... 49 Hình 16: Cách phân chia kinh ñộ trên bề mặt trái ñất ................................................ 50 Hình 17: Cách phân chia vĩ ñộ trên bề mặt trái ñất .................................................... 50 Hình 18: Hình chiếu dx, dy của ñoạn thẳng d lên phương kinh ñộ và vĩ ñộ .............. 51 Hình 19: Hàm tính khoảng cách ngắn giữa hai ñiểm trên bề mặt trái ñất .................. 52 Hình 20: Biểu diễn một ñiểm trên bề mặt trái ñất trong không gian ba chiều dựa vào vĩ ñộ, kinh ñộ và bán kính trái ñất. ............................................................................. 53 Hình 21: Biểu diễn khoảng cách thực của hai ñiểm trên bề mặt trái ñất là một cung tròn .............................................................................................................................. 55 Hình 22: Hàm tính khoảng cách trung bình của hai ñiểm trên bề mặt trái ñất ........... 55 Hình 23: Tam giác tạo thành từ cực bắc và hai ñiểm tính toán .................................. 56 Hình 24: Mặt phẳng chứa tâm trái ñất và hai ñiểm cần tính toán ............................... 57 Hình 25: Mô hình trung tâm xử lí dữ liệu và ñịnh vị .................................................. 58 Hình 26: Mô hình phần cứng của thiết bị theo dõi gắn trên ñối tượng dịch chuyển .. 60 Hình 27: Mô hình phần cứng của thiết bị theo dõi gắn trên ñối tượng dịch chuyển .. 61 Hình 28: Kít phát triển của module GPS-Emd3620 ................................................... 64 Hình 29: Sơ ñồ mạch của kít phát triển GPS-eMD3620............................................. 65 Hình 30: Sơ ñồ khối của module eMD3620 ............................................................... 65 Hình 31: Kít phát triển WMP100................................................................................ 67 Hình 32: Bo mạch ñiều khiển gắn trên ñối tượng dịch chuyển .................................. 69 Hình 33: Modem GSM-GM862 ñược kết nối với bo mạch ñiều khiển ...................... 69 Hình 34: Kít phát triển LM3S2965[4] ........................................................................ 70 Hình 35: Hình dạng ñóng gói của chip LM3S2965 .................................................... 70 Hình 36: Sơ ñồ khối chức năng của chip LM3S2965 ................................................. 71 Hình 37: Modem GM862 với ñầy ñủ anten GSM, GPS ............................................. 74 Hình 38: Mô hình cấu tạo bên trong của cảm biến la bàn YAS529 ........................... 75 Hình 39: Mô hình cấu tạo bên trong của cảm biến gia tốc……….................. 65 Trang 3 HVTH: Phùng Thế Vũ Luận văn tốt nghiệp cao học GVHD: PGS.TS Lê Tiến Thường Hình 40: Giao thức truyền nối tiếp bất ñồng bộ………………………………66 Hình 41: Mô hình truyền dữ liệu theo chuẩn RS232…………………………67 Hình 42: Mô hình truyền dữ liệu theo chuẩn I2C…………………………….67 Hình 43: Mô hình truyền dữ liệu theo chuẩn I2C…………………………….68 Hình 44: Lưu ñồ giải thuật của chương trình ứng dụng chạy trên máy tính…69 Hình 45: Mô hình phần mềm của thiết bị theo dõi gắn trên ñối tượng dịch….75 Hình 46: Giao diện ñiều khiển của trung tâm giám sát ở chế ñộ satellite .................. 91 Hình 47: Giao diện ñiều khiển của trung tâm giám sát xem ở chế ñộ ........................ 91 Hình 48: Kết quả thực nghiệm của hệ thống ñịnh tuyến và giám sát xem ở chế ñộ hybrid .......................................................................................................................... 93 Trang 4 HVTH: Phùng Thế Vũ Luận văn tốt nghiệp cao học GVHD: PGS.TS Lê Tiến Thường Một số từ viết tắt AMPS Advanced Mobile Phone Service BSS Base Station Subsystem CCITT International Telegraph and Telephone Consultative Committee DCS Digital Cellular System ECEF Earth Centred Earth Fixed ETSI Europe Telecommunication Standard Institute GIF Graphics Interchange Format GIS Geographic Information System GLCD Graphic Liquid Crystal Display GPRS General Packet Radio Service GPS Global Positioning System GSM Global System for Mobile Communication ISDN Integrated Services Digital Network JPEG Joint Photographic Experts Group MCS Master Control Station MMS Multimedia Messaging System MS Mobile Station NMEA National Marine Electronic Association NMT Nordic Mobile Telephone OCS Operational Control System OSS Operation Subsystem PC Personal Computer PDOP Position Dilution of Precision PPS Precise Positioning Service PRN The Pseudo-Random Noise PSTN Public Switched Telephone Network Trang 5 HVTH: Phùng Thế Vũ Luận văn tốt nghiệp cao học GVHD: PGS.TS Lê Tiến Thường SA Selective Available SCL Serial Clock SDA Serial Data SMS Short Message Service SPS Standard Positioning Service SS Switching Subsystem TACS Total Access Communication System UART Universal Asynchronous Receiver Transmitter WAP Wireless Application Protocol XOR Exclusive Or Trang 6 HVTH: Phùng Thế Vũ Luận văn tốt nghiệp cao học GVHD: PGS.TS Lê Tiến Thường Chương 1 GIỚI THIỆU ðỀ TÀI 1.1 Hướng nghiên cứu Sự phát triển vượt bậc trong công nghệ ñịnh vị toàn cầu GPS là nền tảng thúc ñẩy phát triển một mô hình cho ứng dụng ñịnh tuyến và giám sát ñối tượng dịch chuyển trong phạm vi rộng bằng cách sử dụng kết hợp công nghệ GPS (dùng ñể xác ñịnh vị trí của ñối tượng) và mạng thông tin di ñộng GSM (truyền thông dữ liệu giữa ñối tượng dịch chain và trung tâm giám sát). Ứng dụng này không chỉ giới hạn việc theo dõi ñối tượng dịch chuyển trong phạm vị rộng mà còn có thể dùng cho các ứng dụng môi trường trong nhà. Ví dụ, trong lĩnh vực Robotics, một robot có thể tự ñiều chỉnh hướng ñi dựa vào sự hỗ trợ của hệ thống ñịnh vị GPS, ứng dụng giám sát các phương tiện vận chuyển... Giám sát vị trí của ñối tượng dịch chuyển: nói ñến một quá trình thu thập dữ liệu vị trí của một ñối tượng di ñộng trong phạm vi rộng. Một hệ thống ñược triển khai ñể ñịnh tuyến và giám sát vị trí ñối tượng chuyển ñộng dựa trên công nghệ GPS và GSM sẽ mang lại nhiều ứng dụng hữu ích trong thực tế.. Ngày nay, với những cải tiến về mặt kỹ thuật công nghệ, tăng thêm ñộ chính xác và tin cậy cho hệ thống ñịnh vị GPS, ngày càng có thêm nhiều hệ thống và thiết bị di ñộng hỗ trợ GPS ñã ñược ñưa vào thương mại hoá. 1.2 Khó khăn và thách thức ðộ chính xác của hệ thống ñịnh tuyến và giám sát tuỳ thuộc nhiều vào công nghệ GPS hiện nay, trên thị trường hiện có những thiết bị thu GPS thế hệ mới, xác ñịnh vị trí với sai số trong vòng bán kính vài mét. Giống như môi trường trong nhà, chịu những thách thức về việc phát hiện vị trí do ảnh hưởng của truyền sóng ña ñường, và tác ñộng truyền dẫn phụ thuộc vật liệu xây dựng...Nhất là trong các thành phố lớn, mật ñộ các vật cản cao ví dụ như mật ñộ các công trình xây dựng cao, trong thành phố có nhiều cây cối… dẫn ñến Trang 7 HVTH: Phùng Thế Vũ Luận văn tốt nghiệp cao học GVHD: PGS.TS Lê Tiến Thường việc xác ñịnh vị trí sẽ có sai số cao hơn so với những nơi trống trải. Như vậy, một sự hiểu biết tốt hệ thống ñịnh vị GPS và mạng thông tin di ñộng GSM là rất cần thiết cho việc thiết kế và triển khai mô hình ñịnh tuyến và giám sát ñối tượng dịch chuyển trong phạm vi rộng một cách có hiệu quả. 1.3 Mục tiêu của ñề tài Mục tiêu cần ñạt ñược của ñề tài: 1. Tìm hiểu lý thuyết về mô hình hệ thống ñịnh vị toàn cầu GPS, mạng thông tin di ñộng GSM, và các chuẩn giao thức truyền thông NMEA 0183 dùng trong hệ thống ñịnh vị GPS, các dịch vụ truyền tin của mạng GSM như gửi SMS, GPRS... 2. Tìm hiểu cảm biến la bàn YAS529 và cảm biến gia tốc KXSC7-2050 kết hợp với dữ liệu vị trí ñịnh tuyến gửi từ trung tâm giám sát xuống thiết bị ñiều khiển gắn trên ñối tượng dịch chuyển ñể xác ñịnh hướng ñi cho ñối tượng. 3. Xây dựng nền tảng phần cứng, và phần mềm tương thích với mô hình ñịnh tuyến và giám sát cho ñối tượng dịch chuyển trong phạm vi rộng. 4. Nghiên cứu phương pháp hiệu quả ñể truyền dữ liệu giữa trung tâm và thiết bị di ñộng, ñể ñảm bảo dữ liệu nhận ñược là chính xác, ñồng thời ñưa ra công thức tính toán chính xác khoảng cách và hướng giữa hai ñiểm khi biết ñược vị trí GPS của chúng, nâng cao ñộ chính xác trong ñịnh tuyến và giám sát. 5. Xây dựng hệ thống thử nghiệm có khả năng ñịnh tuyến và giám sát vị trí của ñối tượng dịch chuyển trong một phạm vi rộng có ñộ chính xác cao. Trang 8 HVTH: Phùng Thế Vũ Luận văn tốt nghiệp cao học GVHD: PGS.TS Lê Tiến Thường 1.4 Nội dung và phạm vi nghiên cứu ðề tài sẽ nghiên cứu những nội dung sau: 1. Nền tảng kĩ thuật ñể xây dựng mô hình hệ thống ñịnh tuyến và giám sát ñối tượng dịch chuyển trong một phạm vi rộng: i. Tìm hiểu hệ thống ñịnh vị toàn cầu GPS. a. Cấu trúc của bản tin GPS theo chuẩn NMEA0183. b. Các yếu tố ảnh hưởng ñến ñộ chính xác của thiết bị thu GPS. ii. Tìm hiểu giao thức NMEA 0183 ñược sử dụng trong các module GPS ñang có trên thị trường hiện nay. iii. Tìm hiểu mạng thông tin di ñộng GSM. iv. Tìm hiểu các dịch vụ truyền tin SMS, GPRS dựa trên nền tảng mạng GSM. 2. Nghiên cứu và xây dựng mô hình phần cứng phù hợp với yêu cầu bài toán ñịnh tuyến và giám sát ñối tượng dịch chuyển trong một phạm vi rộng. i. Tìm hiểu ñặc ñiểm các giao diện truyền thông của vi xử lí ARM Cortex 32bit-LM3S2965 ñược sử dụng cho việc thiết kế phần cứng như: cổng truyền thông nối tiếp bất ñồng bộ (UART), giao thức truyền thông nối tiếp ñồng bộ (I2C)… ii. Tìm hiểu giao diện truyền thông I2C, ñể thiết kế giao tiếp giữa vi xử lí LM3S2965 với cảm biến la bàn YAS529. iii. Tìm hiểu cảm biến la bàn ba trục YAS529 và cảm biến gia tốc KXSC7-2050 ba trục, ñể thiết kế giao tiếp hai cảm biến thông qua giao tín hiệu diện tượng tự. Trang 9 HVTH: Phùng Thế Vũ Luận văn tốt nghiệp cao học iv. GVHD: PGS.TS Lê Tiến Thường Tìm hiểu giao diện truyền thông nối tiếp bất ñồng bộ (UART) ñể thiết kế giao tiếp vi xử lí LM3S2965 với modem GSM-GM862, và module GPS-eD3620. v. Tìm hiểu module GSM-WMP100 của Wavecom. 3. Nghiên cứu và viết phần mềm tương thích với hệ thống phần cứng i. Tìm hiểu tập lệnh AT và cách khởi tạo, ñăng nhập mạng GSM của modem GM862 ñể truyền dữ liệu vị trí của ñối tượng dịch chuyển thu thập ñược từ module GPS về trung tâm xử lí qua ñường GPRS hoặc SMS dựa trên mạng thông tin di ñộng GSM của nhà cung cấp dịch vụ di ñộng trong nước. ii. Tìm hiểu và thực thi phương pháp tính khoảng cách và hướng giữa hai ñiểm trên bề mặt trái ñất. iii. Lập trình ứng dụng trên máy tính, giao tiếp qua cổng COM, dùng ñể giao tiếp với module GSM-WMP100 bằng tập lệnh AT, ñể truyền và nhận dữ liệu vị trí qua ñường SMS hoặc GPRS của ñối tượng cần ñược ñịnh tuyến và giám sát. 4. Xây dựng mô hình hệ thống gồm trung tâm giám sát và thiết bị di ñộng ñược gắn trên ñối tượng dịch chuyển, trung tâm giám sát có thể thu thập và xử lí dữ liệu truyền về từ ñối tượng dịch chuyển qua mạng GSM, ñồng thời có thể truyền dữ liệu vị trí ñịnh tuyến xuống thiết bị di ñộng. 5. Nghiên cứu giải pháp nhúng dữ liệu vị trí thu thập ñược vào bản ñồ số Google, và vẽ lại hành trình của ñối tượng trên bản ñồ số Google. Trang 10 HVTH: Phùng Thế Vũ Luận văn tốt nghiệp cao học GVHD: PGS.TS Lê Tiến Thường Chương 2 LÝ THUYẾT VỀ GPS VÀ GSM Hệ thống ñịnh tuyến và giám sát ñối tượng dịch chuyển trong một phạm vi rộng dựa trên nền tảng công nghệ ñịnh vị toàn cầu GPS và mạng thông tin di ñộng GSM. 2.1 Hệ thống ñịnh vị toàn cầu GPS Hệ thống ñịnh vị toàn cầu GPS(Trang 1÷2 [1]) là hệ thống xác ñịnh vị trí dựa vào các vệ tinh nhân tạo. ðược thiết kế và quản lý từ ñầu những năm 1970 bởi Bộ Quốc Phòng Hoa Kỳ, ban ñầu GPS chỉ dành cho các mục ñích quân sự, nhưng từ năm 1980 chính phủ Hoa Kỳ cho phép phục vụ cho cả mục ñích quân sự lẫn dân sự. Hệ thống GPS hoạt ñộng từ năm 1993 cung cấp thông tin ñịnh vị liên tục 24 giờ một ngày ở mọi nơi trên thế giới dưới bất kỳ ñiều kiện thời tiết nào. Các vệ tinh GPS bay vòng quanh trái ñất hai lần trong một ngày (mỗi chu kỳ quỹ ñạo mất khoảng 11 giờ 58 phút) theo một quỹ ñạo rất chính xác và phát tín hiệu mang thông tin xuống trái ñất. Các bộ thu GPS nhận thông tin này và bằng phép tính lượng giác tính ñược chính xác vị trí của mình. Hình 1: Chòm sao vệ tinh GPS(Trang 2 [1]) Hệ thống GPS gồm một chòm sao 24 vệ tinh chủ ñạo và một vài vệ tinh dự trữ ñược phân bố trên 6 quỹ ñạo gần tròn với ñường kính 20138km và có góc nghiêng 55o so với mặt phẳng xích ñạo. ðể ñảm bảo bao phủ khắp mọi nơi trên Trang 11 HVTH: Phùng Thế Vũ Luận văn tốt nghiệp cao học GVHD: PGS.TS Lê Tiến Thường trái ñất, các vệ tinh GPS ñược sắp xếp sao cho mỗi quỹ ñạo có 4 vệ tinh phân bố ñều. Về mặt hình học, bất kỳ ñiểm nào trên trái ñất cũng thấy ñược từ 4 ñến 10 vệ tinh trong chòm sao vệ tinh GPS. Hệ thống ñịnh vị GPS ñược phát triển qua nhiều thập kỷ, dựa trên các vệ tinh do con người ñã phóng vào không gian với nhiều mục ñích khác nhau, trong ñó có mục ñích cho việc ñịnh vị. Một ñối tượng khi cần biết vị trí của mình, sẽ gửi tín hiệu tới các vệ tinh(ít nhất là 3 vệ tinh), sau ñó sẽ nhận ñược tín hiệu phản hồi từ vệ tinh, cho biết thông tin về kinh ñộ, vĩ ñộ của ñối tượng, dựa vào hệ thống GIS (là hệ thống thông tin ñịa lý) ñể xác ñịnh và hiển thị vị trí trên bản ñồ. Các vệ tinh ñược nuôi bằng năng lượng mặt trời và có các nguồn pin dự phòng ñể duy trì hoạt ñộng khi chạy khuất vào vùng không có ánh sáng. Các tên lửa nhỏ gắn ở mỗi quả vệ tinh giữ chúng bay ñúng quỹ ñạo ñã ñịnh. 2.1.1 Các mảng của hệ thống GPS Phần này sẽ giới thiệu về 3 mảng thành phần chính tạo nên một hệ thống ñịnh vị toàn cầu GPS(Trang 2÷3 [1] và thông tin trên mạng). Gồm có: • Mảng người sử dụng (User Segment). • Mảng không gian (Space Segment). • Mảng ñiều khiển (Control Segment). Hình 2: Các mảng của hệ thống GPS Trang 12 HVTH: Phùng Thế Vũ Luận văn tốt nghiệp cao học GVHD: PGS.TS Lê Tiến Thường 2.1.1.1 Mảng người sử dụng Mảng người sử dụng bao gồm người sử dụng và GPS ghi nhận. GPS ghi nhận là một máy thu tín hiệu sóng vô tuyến ñặc biệt. Nó ñược thiết kế ñể nghe tín hiệu sóng vô tuyến ñược truyền từ các vệ tinh và tính toán vị trí dựa trên thông tin ñó. GPS ghi nhận có nhiều kích cỡ khác nhau, hình dáng và giá cả khác nhau. Tính chất và giá cả của GPS ghi nhận nói chung lệ thuộc vào chức năng mà bộ phận thu nhận có ý ñịnh. Bộ phận thu nhận dùng cho ngành hàng hải và hàng không thường sử dụng cho tính năng giao diện với thẻ nhớ chứa bản ñồ ñi biển. Bộ phận thu nhận dùng cho bản ñồ khả năng chính xác rất cao và có giao diện người sử dụng cho phép ghi nhận dữ liệu nhanh chóng. Có 2 loại dịch vụ mà Bộ Quốc Phòng Mỹ ñưa vào các ứng dụng dân sự là dịch vụ ñịnh vị cơ bản SPS và dịch vụ ñịnh vị chính xác PPS. Trong ñó dịch vụ SPS có ñộ chính xác tối thiểu khoảng 100m cho chiều ngang và 156m cho chiều cao, còn dịch vụ PPS có ñộ chính xác khoảng 10m cho chiều ngang và 15m cho chiều cao. Dịch vụ SPS có ñộ chính xác thấp hơn dịch vụ PPS là do tín hiệu GPS sử dụng dịch vụ SPS có trộn thêm một số sai số gọi là sai số SA. Sau ngày 1/5/2000, Bộ Quốc Phòng Mỹ quyết ñịnh không sử dụng sai số SA nữa và ñộ chính xác của 2 dịch vụ SPS và PPS không còn cách nhau quá xa. 2.1.1.2 Mảng không gian Bộ phận không gian gồm các vệ tinh GPS mà nó truyền thời gian và vị trí tới người sử dụng. Tập hợp tất cả các vệ tinh này ñược gọi là “chòm sao”, chòm sao này gồm 24 vệ tinh, mỗi vệ tinh phát tín hiệu gồm 2 sóng sin (ñược gọi là các tần số sóng mang), 2 mã số và bản tin ñịnh vị. Dùng các sóng mang và mã ñể xác ñịnh khoảng cách từ bộ thu GPS của người sử dụng ñến các vệ tinh GPS. Bản tin ñịnh vị chứa tọa ñộ của các vệ tinh là hàm thời gian. Các tín hiệu phát từ vệ tinh ñược ñiều khiển bởi ñồng hồ ñiện tử có ñộ chính xác cao trên vệ tinh. Hiện nay trên thế giới có 2 hệ thống vệ tinh của Mỹ và Nga. Trang 13 HVTH: Phùng Thế Vũ Luận văn tốt nghiệp cao học i. GVHD: PGS.TS Lê Tiến Thường Hệ thống NAVSTAR (Mỹ) Hệ thống NAVSTAR gồm 24 vệ tinh với 6 quỹ ñạo bay. Các vệ tinh này hoạt ñộng ở quỹ ñạo có ñộ cao 20.200 km (10,900 nm) ở góc nghiêng 55 ñộ và với thời gian 12 giờ/quỹ ñạo. Quỹ ñạo bay không gian của các vệ tinh ñược sắp xếp ñể tối thiểu 5 vệ tinh sẽ ñược người sử dụng nhìn thấy bao phủ toàn cầu, với vị trí chính xác hoàn toàn(PDOP) của 6 vệ tinh hoặc ít hơn. Mỗi vệ tinh truyền trên 2 band tần số L, L1 có tần số 1575.42 MHz và L2 có tần số 1227.6 MHz. Mỗi vệ tinh truyền trên cùng tần số xác ñịnh; tuy nhiên, tín hiệu mỗi vệ tinh thì thay ñổi theo thời gian ñến người sử dụng. L1 mang mã P (precise (P) code) và mã C/A (coarse/acquisition (C/A) code). L2 chỉ mang mã P (P code). Thông tin dữ liệu hàng hải ñược thêm các mã này. Thông tin dữ liệu hàng hải giống nhau ñược mang cả 2 band tần số. Mã P thì thường ñược mã hoá vì thế chỉ mã C/A thì có sẵn ñến người sử dụng bình thường; tuy nhiên, một vài thông tin có thể nhận ñược từ mã P. Khi mã hoá, mã P ñược hiểu như mã Y. Mỗi vệ tinh có 2 số nhận dạng. ðầu tiên là số NAVSTAR với nhận dạng trên thiết bị vệ tinh ñặc biệt. Thứ hai là số sv (the space vehicle (sv) number). Số này ñược ấn ñịnh ñể ra lệch phóng vệ tinh. Thứ ba là số mã tiếng âm thanh (PRN). ðây chỉ là số nguyên mà nó ñược sử dụng ñể mã tín hiệu từ các vệ tinh ñó. Một vài máy ghi nhận nhận biết vệ tinh mà chúng ñang ghi nhận từ mã SV, hoặc mã khác từ mã PRN. ii. Hệ thống GLONASS (Nga) Hệ thống GLONASS gồm 24 vệ tinh, 8 vệ tinh cho một quỹ ñạo bay gồm 3 quỹ ñạo. Các vệ tinh hoạt ñộng với quỹ ñạo có ñộ cao 19,100 km orbits ở góc nghiêng 64.8 ñộ và 11 giờ 15 phút/ quỹ ñạo. Mỗi vệ tinh truyền trên 2 nhóm tần số L. Nhóm L1 là tâm ở tần số 1609 MHz trong Trang 14 HVTH: Phùng Thế Vũ Luận văn tốt nghiệp cao học GVHD: PGS.TS Lê Tiến Thường khi nhóm L2 ñược ñăng ký ở tần số 1251MHz. Mỗi vệ tinh truyền trên một cặp tần số duy nhất. Tín hiệu GLONASS mang cả mã P (precise (P) code) và mã C/A (coarse/acquisition (C/A) code). Mã P ñược mã hoá cho quân ñội sử dụng trong khi ñó mã C/A thì có sẵn cho công dân sử dụng. 2.1.1.3 Mảng ñiều khiển Bộ phận ñiều khiển gồm toàn bộ thiết bị trên mặt ñất ñược sử dụng ñể giám sát và ñiều khiển các vệ tinh. Bộ phận này thường người sử dụng không nhìn thấy, nhưng ñây là bộ phận quan trọng của hệ thống. Bộ phận ñiều khiển NAVSTAR, ñược gọi là hệ thống ñiều khiển hoạt ñộng(OCS) gồm các trạm giám sát, một trạm ñiều khiển chính(MCS) và anten quay. Mảng ñiều khiển trong thực tế gồm một trạm ñiều khiển chủ MCS, 5 trạm monitor và 3 trạm ñiều khiển mặt ñất. Trạm MCS ñặt gần Colorado Springs (Colorado, Mỹ) có nhiệm vụ giám sát toàn bộ hệ thống GPS. 5 trạm monitor ở Colorado Springs, Hawaii, Kwajalein, Diego Garcia và Ascension Island ñược trang bị bằng các bộ thu GPS chất lượng cao và bộ tạo dao ñộng cesium nhằm mục ñích theo vết (tracking) liên tục tất cả các vệ tinh GPS. Riêng 3 trạm monitor ở Kwajalein, Diego Garcia và Ascension Island ñược trang bị bằng các antenna mặt ñất ñể tải thông tin lên các vệ tinh GPS. Tất cả các trạm monitor và trạm ñiều khiển mặt ñất ñược ñiều khiển từ xa bởi MCS. Nhiệm vụ chính của mảng ñiều khiển là xác ñịnh và dự báo các dữ liệu ñịnh vị vệ tinh. Các trạm monitor theo vết liên tục các vệ tinh GPS và phát các giám sát ñã thu thập ñược ñến MCS ñể xử lý. Kết quả xử lý gồm các vị trí vệ tinh là hàm thời gian, tình trạng hệ thống, các thông số ñồng hồ vệ tinh, dữ liệu áp suất, niên lịch vệ tinh, ... Dữ liệu ñịnh vị tươi này ñược MCS gửi ñến 1 trong các trạm ñiều khiển mặt ñất ñể trạm ñiều khiển mặt ñất tải lên các vệ tinh GPS qua dải băng tần S. Trang 15 HVTH: Phùng Thế Vũ