Luận văn Thiết kế và thi công thiết bị định vị GPS, giám sát trực tuyến phương tiện giao thông (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Thiết kế và thi công thiết bị định vị GPS, giám sát trực tuyến phương tiện giao thông (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG THIẾT BỊ ĐỊNH VỊ GPS, GIÁM SÁT TRỰC TUYẾN PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG GVHD: TS. NGUYỄN VĂN THÁI SVTH: TRƯƠNG MINH DƯƠNG MSSV: 12141040 SVTH: PHẠM VŨ HẢO MSSV: 12141074 S K L 0 0 4 3 5 1 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2016
2. LỜI CAM ĐOAN Đề tài này là do tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó. Nếu không đúng sự thật, chúng tôi xin chịu mọi trách nhiệm trước nhà trường. Người thực hiện đề tài Trƣơng Minh Dƣơng Phạm Vũ Hảo
3. LỜI MỞ ĐẦU Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật nói chung và kỹ thuật điện tử nói riêng,đã có rất nhiều phát minh,công nghệ cũng như sản phẩm điện tử được ứng dụng vào trong thực tiễn hiệu quả . Trong những thành quả ấy, Công nghệ định vị toàn cầu (GPS) là một trong những phát minh xuất sắc của nhân loại. Chúng đang ngày càng phát triển và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực trong cuộc sống như: quân sự, giao thông,viễn thông Đề tài “Thiết kế và thi công hệ thiết bị định vị GPS, giám sát trực tuyến phƣơng tiện giao thông” được hình thành từ nhu cầu xây dựng một hệ thống quản lý và giám sát hành trình của các phương tiện giao thông một cách chuyên nghiệp, chính xác, tiện lợi và có tính bảo mật cao. Sau một thời gian nghiên cứu và phát triển , nhóm đã xây dựng được một hệ thống quản lý và giám sát hành trình hoàn chỉnh gồm server quản lý và giám sát, ứng dụng giám sát hành trình chạy trên hệ điều hành android và module định vị được gắn trên phương tiện giao thông. Tuy đề tài đã được hoàn thành tương đối hoàn chỉnh nhưng do thời gian có hạn nên chắc chắn không tránh khỏi được những thiếu sót,kính mong quý Thầy/Cô và các bạn sinh viên thông cảm. Nhóm đề tài cũng rất mong muốn nhận được những ý kiến đóng góp quý giá của quý Thầy/Cô và các bạn sinh viên để đề tài có thể hoàn chỉnh hơn nữa. Người thực hiện đề tài PHẠM VŨ HẢO TRƢƠNG MINH DƢƠNG
4. LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Nguyễn Văn Thái đã trực tiếp hướng dẫn tận tình và tạo điều kiện thuận lợi để nhóm hoàn thành tốt đề tài. Em xin chân thành cảm ơn những thầy cô giáo đã giảng dạy em trong bốn năm qua,những kiến thức mà em tiếp thu được không chỉ giúp em hoàn thành đề tài mà còn là hành trang quý giá khi làm việc ở trong tương lai. Em cũng muốn gửi lời cảm ơn đến các anh chị và các bạn trong nhóm, lớp đã giúp đỡ và đóng góp nhưng lời khuyên bổ ích để hoàn thành đồ án một cách khách quan và đúng hạn Cuối cùng, em muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc đến tất cả bạn bè, và đặc biệt là cha mẹ những người thân luôn kịp thời động viên và giúp đỡ em vượt qua những khó khăn trong cuộc sống. Xin chân thành cảm ơn! Người thực hiện đề tài PHẠM VŨ HẢO TRƢƠNG MINH DƢƠNG
5. NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN Tp. HCM, ngày tháng năm 2016 Giáo viên hướng dẫn TS. Nguyễn Văn Thái
6. NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Tp. HCM, ngày tháng năm 2016 Giáo viên phản biện
7. MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ. 1 1.2 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI. 1 1.4 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU. 2 1.5 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU. 2 1.6 BỐ CỤC ĐỀ TÀI. 3 1.7 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI. 3 Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5 2.1 TỔNG QUAN VỀ GPS. 5 2.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển của hệ thống GPS. 5 2.1.2 CÁC THÀNH PHẦN CỦA GPS. 5 2.1.3 Hoạt động của hệ thống GPS. 7 2.1.4 Độ chính xác của thiết bị GPS . 8 2.1.5 Nguồn lỗi của bộ thu GPS. 8 2.2 DỊCH VỤ SỐ CẢI TIẾN GPRS. 9 2.2.1 Sơ lược về GPRS. 9 2.2.2 Đặc điểm của hệ thống GPRS. 10 2.2.3 CÁC LỚP THIẾT BỊ GPRS. 11 2.3 BOARD ARDUINO ATMEGA 2560. 14 2.3.1 Giới thiệu. 14 2.3.2 Đặc điểm 15 2.3.3 Truyền thông nối tiếp USART. 17 2.3.4 Khối USART trong Atmega2560. 19 2.3 GIỚI THIỆU MODULE SIM 900A. 24 2.4 GIỚI THIỆU MODULE GPS UBLOX NEO-6M. 29 2.5 Ngôn ngữ lập trình. 30 2.6 Web Sever. 32 2.7 Cơ sở lý thuyết hệ thống. 32 Chƣơng 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 33 3.1 BÀI TOÁN THIẾT KẾ. 33 3.2 YÊU CẦU ĐẶT RA CHO TỪNG KHỐI. 34 3.2.1 Web server. 34 3.2.2 Thiết bị giám sát. 34 3.3 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG. 34 3.3.1 Chức năng từng khối. 35 3.3.2 Thiết kế phần cứng Module SIM900. 35 3.3.5 Phần cứng module NEO-6M. 41 3.3.6 Phần cứng module nguồn LM2596. 42 3.3.7 Thiết kế Web map. 43 Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG 46 4.1 THI CÔNG HỆ THỐNG. 46 4.1.1 Thi công bo mạch. 46 4.1.2 Lắp ráp và kiểm tra. 46 4.2 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH. 48 4.2.1 Đóng gói bộ điều khiển. 48 4.2.2 Thi công mô hình 49 4.3 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG. 51 4.3.1 Lưu đồ giải thuật. 51 a. Viết chương trình hệ thống. 54
8. 4.3.3 Phần mềm Webserver. 63 4.4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG. 65 4.4.1 Hình ảnh tiền xử lý. 65 4.4.2 Kết quả thống kê. 65 4.5 HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC 66 4.5.1 Hướng dẫn sử dụng 66 Chƣơng 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ 67 5.1 Module GPS NEO6M. 67 5.2 Module SIM900A. 67 5.3 Board ardunio atmega 2560. 68 5.4 Web server. 68 5.5 Kết quả thi công. 69 5.6 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG. 69 5.6.1 Kết quả thống kê. 70 Chƣơng 6. KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 72 6.1 KẾT LUẬN. 72 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN. 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO 73
9. MỤC LỤC HÌNH ẢNH. Hình 2.1. Các thành phần của hệ thống GPS. 5 Hình 2.2. Trạm vệ tinh không gian 6 Hình 2.3. Phần kiểm soát trên mặt đất. 7 Hình 2.4. Thiết bị nhận tín hiệu vệ tinh GPS. 7 Hình 2.5. Board Arduino ATMega 2560 14 Hình 2.6. Cấu trúc board Arduino 15 Hình 2.7 Sơ đồ truyền dữ liệu nối tiếp. 18 Hình 2.8 Sơ đồ khối USART trong Atmega2560 20 Hình 2.9 Thanh ghi dữ liệu UDRn. 20 Hình 2.10 Thanh ghi điều khiển hoạt động UCSRnA. 21 Hình 2.11 Thanh ghi điều khiển hoạt động UCSRnB. 21 Hình 2.12 Thanh ghi UCSRnC. 22 Hình 2.13 Cấu trúc hai thanh ghi UBRRnL và UBRRnH. 24 Hình 2.14: Ảnh thực tế Breakout SIM900A 25 Hình 2.15: Module Ublox Neo-6M 30 Hình 3.1. Sơ đồ khối của hệ thống 33 Hình 3.2. Sơ đồ thiết kế phần cứng của thiết bị giám sát. 34 Hình 3.3. Sơ đồ chân của module Sim900 35 Hình 3.4. Bật chế độ hoạt động cho phần GSM/GPRS sử dụng nút nhấn. 36 Hình 3.5. Bật nguồn cho hoạt động bằng phần mềm lập trình. 36 Hình 3.6. Thời gian bật chế độ hoạt động của phần GSM/GPRS. 37 Hình 3.7. Thời gian tắt chế độ hoạt động của phần GSM/GPRS. 38 Hình 3.8. Sơ đồ kết nối giữa module sim và đèn NETLIGHT 38 Hình 3.9. Mạch giao tiếp SIM Card Holder. 39 Hình 3.10. Sơ đồ giao tiếp giữa Arduino Mega2560 và Module SIM900A trực tiếp 40 Hình 3.11 . Hình ảnh Module NEO-6M. 41 Hình 3.12. Sơ đồ giao tiếp giữa Arduino Mega2560 và Module NEO-6M trực tiếp 42 Hình 3.13 Module nguồn LM2596 43 Hình 3.14 cấu trúc dữ liệu trong database. 43 Hình 3.15 Giao diện đăng nhập. 44 Hình 3.16 hình giao diện phần mềm xử lý web. 44 Hình 3.17. Giao diện web khi hoạt động. 45 Hình 4.1 Layout cho board mạch ghép các module. 46 Hình 4.2 Module nguồn LM2596 47 Hình 4.3.Module SIM900 sau khi lắp vào board mạch ardunio 47 Hình 4.4. Module NEO-6M sau khi lắp vào board mạch ardunio 48 Hình 4.5 Kích thước chi tiết bản vẽ hộp điều khiển 48 Hình 4.6 Mô hình 3D của hộp điều khiển. 49 Hình 4.7.Mô hình thiết bị sau khi lắp ráp 49 Hình 4.8 Mô hình sau khi đặt vào hộp 50 Hình 4.9. Lưu đồ chương trình chính 51 Hình 4.10. Lưu đồ GPRS 52 Hình 4.11 Lưu đồ GPS 53 Hình 4.12 Lưu đồ cập nhật dữ liệu của GPS .53 Hình 4.13 Lưu đồ wed server. 54 Hình 4.23 Kết quả hiển thị. 64 Hinh 4.24. Hình ảnh tín hiệu GPS không ổn định 65 Hình 4.25. Hình ảnh đường truyền GPS ổn định 65
10. Hình 5.1. Hình ảnh bản tin GPRMC 67 Hình 3.11 Giao diện đăng nhập. 68 Hình 4.5 Hình web map 68 Hình 5.2. Thiết bị sau khi hoàn thiện 69 Hình 5.3 Hình ảnh kết quả thực tế 70 Hình 5.4. Hình ảnh lúc test và thực tế xử lý trên google map 70 Hình 5.6 Hình ảnh khi dữ liệu GPS truyền về tốt xác định được tọa độ. 71
11. MỤC LỤC BẢNG. Bảng 2.1.Các định dạng loại bản tin theo giao thức NMEA. 12 Bảng 2.2 Diễn giải của bản tin GPS: $GPRMC 14 Bảng 2.3. Cấu hình của Board Arduino ATMega 2560. 16 Bảng 2.4 Các mode Parity. 23 Bảng 2.5 Thiết lập độ dài dữ liệu truyền. 23 Bảng 2.6 Cách tính tốc độ Baud. 24 Bảng 2.7 Cách thông số cơ bản của SIM. 26 Bảng 2.8: Thông số kỹ thuật chính của Module Ublox Neo-6M. 30 Bảng 3.1. Bảng trạng thái làm việc của NETLIGHT. 38 Bảng 3.2 Chức năng các chân của Module NEO-6M 42 Bảng 3.3 Bẳng tính toán dòng tiêu thụ của toàn mạch 43 Bảng 4.1. Danh sách các linh kiện. 46
12. CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ. Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật đã đưa ra rất nhiều ứng dụng có hiệu quả trong cuộc sống, góp phần làm cho cuộc sống ngày càng tiện ích hơn. Đặc biệt phải kể đến là sự phát triển của kỹ thuật điện tử. Trong nhiều năm qua, Công nghệ định vị toàn cầu (GPS) đã trở nên khá phổ biến ở nhiều quốc gia trên thế giới trong đó có Việt Nam. Chúng được tích hợp trên những chiếc điện thoại thông minh, tablet, smart watch Sự có mặt của GPS đã giúp ích rất nhiều ở các lĩnh vực trong cuộc sống như : giao thông vận tải, viễn thông,quân sự Ở các công ty vận tải ,nếu có một thiết bị định vị được gắn trên mỗi chiếc xe thì sẽ giúp quản lý và giám sát hoạt động kinh doanh của họ hiệu quả và tránh được thất thoát từ đó gia tăng lợi nhuận cho công ty. Nhiều năm trở lại đây, vấn nạn trộm cắp xe đang trở nên nhức nhối. Trước thực trạng này, việc lắp đặt thiết bị định vị GPS trong xe là giải pháp thiết yếu. Một thiết bị theo dõi được gắn trên xe và liên tục phát ra tín hiệu tọa độ sẽ giúp bạn có thể biết chính xác vị trí của chiếc xe ở mọi thời điểm khi bạn truy cập vào hệ thống giám sát. Hơn thế nữa, tiến bộ công nghệ đã tạo ra những thiết bị theo dõi xe rất nhỏ gọn và dễ dàng để cài đặt riêng. Chúng cho phép bạn tìm các tuyến đường khác nhau và giúp đỡ bạn trong việc truy tìm địa điểm nếu bạn bị lạc. 1.2 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI. Với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật, công nghệ GPS cũng đang phát triển mạnh mẽ và đang được áp dụng trong nhiều lĩnh vực trong cuộc sống hằng ngày. Cùng với sự phát triển không ngừng của các phương tiện giao thông vận tải như máy bay, ô tô, xe máy, đòi hỏi chủ phương tiện phải sở hữu hệ thống có khả năng giám sát phương tiện. Nhu cầu đi lại, du lịch của con người ở các đất nước khác đòi hỏi cần có một hệ thống có khả năng chỉ dẫn đường hiệu quả và nhanh chóng Nhận thấy một số nhược điểm của các đề tài tốt nghiệp trước tại trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật TP.HCM khi phát triển thiết bị định vị GPS cùng với mong muốn tìm hiểu BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 1
13. CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN nghiên cứu các công nghệ mới do đó nhóm đã quyết định thực hiện đề tài “Thiết kế và thi công hệ thiết bị định vị GPS, giám sát trực tuyến phƣơng tiện giao thông” nhằm mang lại một hệ thống quản lý và giám sát hành trình tiện lợi,chính xác , chuyên nghiệp và có mức chi phí hợp lý. 1.3 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI. Thiết kế một hệ thống quản lý và giám sát hành trình để giám sát phương tiện giao thông. Một hệ giống quản lý và giám sát hành trình chính xác, tiện lợi và chuyên nghiệp. Với server quản lý giúp người sử dụng có thể đăng nhập để giám sát cũng như xem lại hành trình đồng bộ cơ sở dữ liệu, với server sẽ giúp người dùng giám sát phương tiện tiện ích, mọi lúc mọi nơi với chi phí thấp. 1.4 ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU. - Module Sim 900A - Board ardunio ATMega 2560 - Module Ublox NEO-6M - Webserver, ngôn ngữ lập trình web ASP.NET và phần mềm visual studio 1.5 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU. Đề tài được chia thành 3 phần chính sau: Phần module định vị: Thiết kế và thi công mạch tạo module định vị. Gắn module định vị vào đối tượng cần giám sát, module có nhiệm vụ định vị vị trí đối tượng và gửi thông tin vị trí: kinh độ, vĩ độ, tốc độ hiện tại của đối tượng tới cơ sở dữ liệu quản lý trên internet bằng GPRS. Phần server quản lý và giám sát: Nhận và xử lý dữ liệu từ module định vị. Lưu trữ và truy xuất dữ liệu tương ứng với tài khoản người sử dụng đăng nhập. Hệ thống có thể giám sát được nhiều đối tượng và hiển thị trên google map được tích hợp trên web. Xem lại lịch sử các địa điểm đã đi qua và hiển thị trên google map được lưu trữ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 2
14. CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN Phần ứng dụng : Đồng bộ cơ sở dữ liệu trên server quản lý Lấy thông tin tọa độ,tốc độ,quãng đường đi từ server và hiển thị lên google map bằng GPRS hoặc 3G. Cân chỉnh hệ thống 1.6 BỐ CỤC ĐỀ TÀI. Chƣơng 1: Tổng Quan Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nôi dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án. Chƣơng 2: Cơ Sở Lý Thuyết. Tìm hiểu và phân tích: Các khái niệm, cơ sở lý thuyết ban đầu về các vấn đề liên quan đến công nghệ GPS, phân tích cấu trúc module SIM900, board Arduino Atmega 2560, ngôn ngữ lập trình web ASP.NET và phần mềm visual studio. Chƣơng 3: Thiết Kế và Tính Toán Thiết kế và thi công hệ thống: Trình bày về sơ đồ khối hệ thống, thiết kế khối nguồn cung cấp cho mạch hoạt động, thiết kế module thu nhận dữ liệu GPS từ vệ tinh, thiết kế khối vi điều khiển gửi dữ liệu qua GPRS,cảm biến Đồng thời tính toán, phân tích những khó khăn và cách khắc phục chi tiết cho từng khối thiết kế. Chƣơng 4: Thi công hệ thống Tiến hành lắp ráp thi công hệ thống hoàn chỉnh. Chƣơng 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá Kết quả nghiên cứu thực hiện: Trình bày những kết quả của đồ án đã thực hiện được, đánh giá và so sánh kết quả với thực nghiệm. Chƣơng 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển Kết luận và hướng phát triển đề tài: nêu bật những ưu, khuyết điểm của đề tài, những kiến thức và kinh nghiệm đã thu được trong quá trình thực hiện đề tài. 1.7 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI. Do ảnh hưởng của thời tiết nên có thể bị mất định vị GPS . Thời gian nhận dữ liệu trên Server có thể kéo dài hơn do quá trình gửi thất bại Có sai số giữa các thông số tọa độ,tốc độ so với thông số thực tế. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 3
15. CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN Do nguồn thời gian hạn chế nên nhóm thực hiện đề tài chỉ thực hiện việc cập nhật dữ liệu lên website, và hiện vị trí hiện tại của phương tiện trên bản đồ của Google, xây dựng một website với đầy các tính năng quản lý thông thường. Trong đề tài này chúng tôi ứng dụng và tạo ra một hệ thống bao gồm: Module GPS Ublox Neo-6M để thu tín hiệu GPS và truyền đến vi điều khiển. Vi điều khiển ATMEGA2560 làm nhiệm vụ xử lý chính việc truyền nhận giữa các module. Dữ liệu được gửi đến web server qua mạng GPRS tích hợp trong module Sim900 của hãng SIMCOM. Việc còn lại là xây dựng webserver bằng code ASP.NET kết hợp với các hàm API được viết bằng Java Script do Google cung cấp để hiện vị trí của phương tiện trên bản đồ số Google map. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 4
16. CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TỔNG QUAN VỀ GPS. 2.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển của hệ thống GPS. Hệ thống định vị toàn cầu (GPS) là một hệ thống định vị thông qua vệ tinh được hình thành từ những năm 1970. Sau đó, nó được phát triển hoàn thiện và được quản lý bởi Bộ quốc phòng Mỹ(DoD). Vệ tinh GPS đầu tiên được phóng vào tháng 2/1978 và từ đầu những năm 1990, GPS được bắt đầu sử dụng trong dân sự. Chính phủ Mỹ dành riêng mức định vị chính xác cao nhất cho quân đội, tuy nhiên họ cũng đã phát triển mã thu thô C/A cho mục đích dân dụng. 2.1.2 CÁC THÀNH PHẦN CỦA GPS. GPS hiện tại gồm 3 phần chính: phần không gian, kiểm soát và sử dụng. Không quân Hoa Kỳ phát triển, bảo trì và vận hành các phần không gian và kiểm soát. Các vệ tinh GPS truyền tín hiệu từ không gian, và các máy thu GPS sử dụng các tín hiệu này để tính toán vị trí trong không gian 3 chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao) và thời gian hiện tại Hình 2.1. Các thành phần của hệ thống GPS. a) PHẦN KHÔNG GIAN – SPACE SEGMENT. Phần không gian gồm 27 vệ tinh (24 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự phòng) nằm trên các quỹ đạo xoay quanh trái đất. Chúng cách mặt đất 20.200 km, bán kính quỹ đạo 26.600 km. Chúng chuyển động ổn định vá quay hai vòng quỹ đạo trong khoảng thời gian BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 5
17. CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT gần 24 giờ với vận tốc 7 nghìn dặm một giờ. Các vệ tinh trên quỹ đạo được bố trí sao cho các máy thu GPS trên mặt đất có thể nhìn thấy tối thiểu 4 vệ tinh vào bất kỳ thời điểm nào. Các vệ tinh được cung cấp bằng năng lượng Mặt Trời. Chúng có các nguồn pin dự phòng để duy trì hoạt động khi chạy khuất vào vùng không có ánh sáng Mặt Trời. Các tên lửa nhỏ gắn ở mỗi quả vệ tinh giữ chúng bay đúng quỹ đạo đã định. Hình 2.2. Trạm vệ tinh không gian b) Phần kiểm soát – Control segment. Mục đích trong phần này là kiểm soát vệ tinh đi đúng hướng theo quỹ đạo và thông tin thời gian chính xác. Có 5 trạm kiểm soát đặt rải rác trên trái đất. Bốn trạm kiểm soát hoạt động một cách tự động, và một trạm kiểm soát là trung tâm. Bốn trạm này nhận tín hiệu liên tục từ những vệ tinh và gửi các thông tin này đến trạm kiểm soát trung tâm. Tại trạm kiểm soát trung tâm, nó sẽ sửa lại dữ liệu cho đúng và kết hợp với hai an-ten khác để gửi lại thông tin cho các vệ tinh. Ngoài ra, còn một trạm kiểm soát trung tâm dự phòng và sáu trạm quan sát chuyên biệt. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 6
18. CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.3. Phần kiểm soát trên mặt đất. c) Phần sử dụng – User Segment. Phần sử dụng là thiết bị nhận tín hiệu vệ tinh GPS và người sử dụng thiết bị này. Hình 2.4. Thiết bị nhận tín hiệu vệ tinh GPS. Dưới đây là một số thông tin đáng chú ý về các vệ tinh GPS (còn gọi là NAVSTAR, tên gọi chính thức của Bộ Quốc phòng Mỹ cho GPS): - ;Vệ tinh GPS đầu tiên được phóng năm 1978. - Hoàn chỉnh đầy đủ 24 vệ tinh vào năm 1994. - Mỗi vệ tinh được làm để hoạt động tối đa là 15 năm. - Vệ tinh GPS có trọng lượng khoảng 1500 kg và dài khoảng 17 feet (5 m) với các tấm năng lượng Mặt Trời mở (có độ rộng 7 m²). - Công suất phát bằng hoặc dưới 50 watts. 2.1.3 Hoạt động của hệ thống 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. Các máy thu GPS nhận thông tin này và bằng phép tính lượng giác tính được chính xác vị trí của người dùng. Về bản BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 7
19. CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 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 và nhiều thứ khác nữa. 2.1.4 Độ chính xác của thiết bị 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. Các máy thu GPS nhận thông tin này và bằng phép tính lượng giác tính được chính xác vị trí của người dùng. 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 và nhiều thứ khác nữa. 2.1.5 Nguồn lỗi của bộ thu GPS. Những yếu tố có thể làm giảm tín hiệu GPS và vì thế ảnh hưởng tới chính xác bao gồm: - Giữ chậm của tầng đối lưu và tầng ion – Tín hiệu vệ tinh bị chậm đi khi xuyên qua tầng khí quyển. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 8
20. CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT - Tín hiệu đi nhiều đường – Điều này xảy ra khi tín hiệu phản xạ từ nhà hay các đối tượng khác trước khi tới máy thu. - Lỗi đồng hồ máy thu – Đồng hồ có trong máy thu không chính xác như đồng hồ nguyên tử trên các vệ tinh GPS. - Lỗi quỹ đạo – Cũng được biết như lỗi thiên văn, do vệ tinh thông báo vị trí không chính xác. - Số lượng vệ tinh nhìn thấy – Càng nhiều quả vệ tinh được máy thu GPS nhìn thấy thì càng chính xác. Nhà cao tầng, địa hình, nhiễu loạn điện tử hoặc đôi khi thậm chí tán lá dày có thể chặn thu nhận tín hiệu, gây lỗi định vị hoặc không định vị được. Nói chung máy thu GPS không làm việc trong nhà, dưới nước hoặc dưới đất. - Che khuất về hình học – Điều này liên quan tới vị trí tương đối của các vệ tinh ở thời điểm bất kì. Phân bố vệ tinh lí tưởng là khi các quả vệ tinh ở vị trí tạo các góc rộng với nhau. Phân bố xấu xảy ra khi các quả vệ tinh ở trên một đường thẳng hoặc cụm thành nhóm. 2.2 DỊCH VỤ SỐ CẢI TIẾN GPRS. 2.2.1 Sơ lƣợc về GPRS. GPRS (General Packet Radio Service) là công nghệ chuyển mạch gói được phát triển trên nền tảng công nghệ thông tin di động toàn cầu (GSM : Global System for Mobile) sử dụng đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA : Time Division Multiple Access). GPRS là một bước để phát triển lên hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G). GPRS có thể được dùng cho những dịch vụ như truy cập giao thức ứng dụng không dây (WAP), dịch vụ tin nhắn ngắn (SMS), dịch vụ nhắn tin đa phương tiện (MMS), và với các dịch vụ liên lạc Internet như email và truy cập World Wide Web. Kết nối liên tục: GPRS là dịch vụ kết nối liên tục, mà không cần phải quay số. Đây không phải là một tính năng duy nhất có ở GPRS, nhưng sẽ không có trở ngại nào để nó trở thành tính năng then chốt khi chuyển tiếp lên 3G. Nó giúp cho các thiết bị tiếp nhận các dịch vụ một cách tức thời. GPRS sử dụng phương thức chuyển mạch gói nên tốc độ kết nối cao hơn, có thể đạt tới khoảng 56-118kbps, so với mạng GSM truyền thống chỉ là 9,6kbps. Bằng việc kết hợp các khe thời gian chuẩn GSM, tốc độ theo lý thuyết có thể đạt tới 171,2kbps. Tuy nhiên, tốc độ 20-50kbps là khả thi hơn trong thực tế. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 9
21. CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chi phí đầu tư và vận hành: các nhà cung cấp dịch vụ mạng di động không cần phải bắt đầu từ vạch xuất phát để có thể triển khai GPRS. GPRS được nâng cấp từ mạng GSM đã có. 2.2.2 Đặc điểm của hệ thống GPRS. - Sử dụng công nghệ chuyển mạch gói: Với việc sử dụng công nghệ chuyển mạch gói, một thiết bị có thể luôn luôn được kết nối và sẵn sàng gửi một thông tin mà không cần chiếm dụng một kênh riêng trong suốt thời gian truyền số liệu và kênh có thể được chia sẻ cho nhiều người dùng khác nhau. Điều này mạng chuyển mạch kênh không thể làm được. Ngoài ra, trong GPRS nếu một lỗi được phát hiện trong một khung dữ liệu thu được trong BSS thì khung sẽ được yêu cầu phát lại cho đến khi chính xác trước khi gửi qua mạng lõi GPRS. - Cho phép kết hợp nhiều khe thời gian để truyền dữ liệu:GPRS sử dụng cùng một sóng mang với băng thông 200 KHz và 8 khe thời gian như GSM. Tuy nhiên trong GPRS có thể kết hợp các khe trong số 8 khe thời gian để truyền dữ liệu nên số gói dữ liệu truyền đi trong mỗi khung truyền tăng lên. Kết hợp việc cấp phát tài nguyên động nên hiệu quả sử dụng băng tần tăng lên đáng kể. - Kết nối tức thời và tính cước thuận lợi: GPRS dễ dàng kết nối tức thời và người dùng có thể thiết lập luôn kết nối mà không chiếm dụng tài nguyên, do đó thông tin có thể gửi hoặc nhận tức thời ngay khi có nhu cầu. Tức thời là một ưu điểm của GPRS khi so sánh với số liệu chuyển mạch kênh GSM vì nó đáp ứng được các ứng dụng có tính cấp bách. Trong chuyển mạch kênh thì việc tính cước là toàn bộ thời gian chiếm dụng kênh mặc dù có những khoảng thời gian không có dữ liệu được gửi đi. Với GPRS chỉ tính cước theo dung lượng được gửi đi. Điều này thuận lợi cho việc kết nối trực tuyến với mạng trong thời gian dài. - Hỗ trợ các dịch vụ băng rộng: Cũng như Internet, GPRS sử dụng công nghệ chuyển mạch gói và các giao thức trong họ TCP/IP nên tất cả các ứng dụng như email, truy cập Web tin nhanh và truyền file đều có thể thực hiện qua mạng GPRS. Tốc độ truyền số liệu nhanh hơn cho phép GPRS chứa đựng các ứng dụng băng rộng vốn không thích hợp với các kết nối quay số chậm hơn như GSM. - Tính bảo mật cao hơn: GPRS cho phép thêm vào các giao thức sử dụng cho nhận thực trước khi thuê bao được phép truy cập vào Internet hoặc các mạng số liệu khác. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 10
22. S K L 0 0 2 1 5 4