Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống giám sát xe đặc chủng,luận văn thạc sĩ chuyên ngành tự động hóa

Bộ giáo dục v đo tạo Trờng đại học giao thông vận tảI TRẦN ANH TUẤN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG GIÁM SÁT XE ĐẶC CHỦNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT TP Hồ Chí Minh - 2011 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG GIÁM SÁT XE ĐẶC CHỦNG Chuyên ngành: Tự Động Hóa Mã số: 60.52.60 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI THỰC HIỆN: TRẦN ANH TUẤN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN THANH HẢI TP HỒ CHÍ MINH - 2011 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn thân nhận nhiều giúp đỡ từ phía quan, đồn thể cá nhân Tôi xin chân thành cảm ơn: - Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải – Cơ Sở 2, Phòng Đào Tạo Sau Đại Học, Khoa Điện-Điện Tử Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải - Tổng cục Hậu cần – Kỹ thuật Bộ Công an - Cục trinh sát ngoại tuyến kỹ thuật (C51) – Tổng cục Cảnh sát phịng chống tội phạm Bộ Cơng an - Cục Cảnh sát Giao thông đường - đường sắt – Tổng cục Cảnh sát Quản lý hành Trật tự an tồn xã hội Bộ Cơng an - Cục Đăng kiểm xe giới – Bộ Giao thơng Vận tải - Phịng kỹ thuật nghiệp vụ công ty: Toyota Lý Thường Kiệt, Toyota Bến Thành, Western Ford v.v… Và xin gửi lời cảm ơn trân trọng sâu sắc đến Thầy TS Nguyễn Thanh Hải – người tận tình giúp đỡ, trực tiếp hướng dẫn cho tơi suốt q trình nghiên cứu thực đề tài: “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG GIÁM SÁT XE ĐẶC CHỦNG” Xin chân thành cảm ơn chia sẻ niềm vui với gia đình, bạn bè – người ln giúp đỡ, động viên tạo điều kiện thuận lợi để tơi học tập, nghiên cứu hồn thành luận văn Dù có nhiều cố gắng, song luận văn chắn tránh khỏi thiếu sót hạn chế Mong nhận ý kiến đóng góp chia sẻ quý Thầy bạn để giúp cho đề tài hoàn thiện thiết thực Tác giả Trần Anh Tuấn CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ GIÁM SÁT HÀNH TRÌNH 1.1 Khái quát chung hệ thống GPS Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) NAVSTAR (NAVigation Satellite Timing and Ranging) hệ thống định vị dựa sở vệ tinh triển khai Bộ quốc phịng Mỹ Cơng việc hệ thống bắt đầu vào năm 1973 phối hợp chương trình TIMATION Hải quân Mỹ đề án 621B lực lượng Không quân Mỹ Cả hai chương trình xây dựng khoảng năm 1960 để triển khai hệ thống dẫn hướng hàng hải phép đo cự ly Hình 1.1 Cấu trúc hệ thống định vị vệ tinh GPS Hệ GPS bao gồm ba phần phần khơng gian, phần người sử dụng phần điều khiển Phần không gian gồm có 24 vệ tinh làm việc số vệ tinh dự phòng Các vệ tinh phóng gần loại Block II, loại cải tiến hệ Block I Các vệ tinh xếp sáu mặt phẳng quỹ đạo nghiêng góc 550 so với mặt phẳng xích đạo Mỗi vệ tinh bay quĩ đạo riêng độ cao danh nghĩa 20183km Khoảng thời gian cần thiết để vệ tinh bay quanh quĩ đạo vòng 12 tinh, tương đương với nửa thời gian quay trái đất Các vệ tinh trang bị hệ đồng hồ xác để vệ tinh phát tín hiệu mang thơng điệp thời gian Mỗi vệ tinh phát hai tần số vơ tuyến phục vụ mục đích định vị: tín hiệu L1 tần số 1575,42 MHz L2 tần số 1227,6MHz Các tần số sóng mang điều biên hai mã giả-ngẫu nhiên (pseudo-random) Phần điều khiển bao gồm bốn trạm giám sát phân bố quanh bề mặt trái đất Diego Garcia (Ấn độ dương), đảo Ascension, Kwajalein Hawaii trạm điều khiển bố trí trung tâm điều hành không gian tập trung Colorado Springs, tiểu bang Colorado, Mỹ Mục đích phần điều khiển hiển thị hoạt động vệ tinh, xác định quỹ đạo chúng, xử trí đồng hồ nguyên tử truyền thông điệp cần phổ biến lên vệ tinh Cả năm trạm trạm giám sát theo dõi tín hiệu GPS để dùng vào việc kiểm soát vệ tinh dự đoán quĩ đạo chúng Công việc theo dõi thực máy thu hai tần số có trang bị dao động ký Cesium Các thơng số khí tượng thu thập để đánh giá cách xác thời gian trễ tầng đối lưu Vị trí quan sát trạm xác định với độ xác cao Ba số trạm (Diego Garcia (Ấn độ dương), đảo Ascension, Kwajalein) có khả chuyển số liệu lên vệ tinh, bao gồm lịch thiên văn mới, số liệu hiệu chỉnh đồng hồ số liệu thông điệp cần phát đồng thời lệnh điều khiển từ xa Chỉ có trạm Colorado Springs trạm điều khiển Ngày dễ dàng nhận thấy diện công nghệ định vị vệ tinh GPS mặt đời sống xã hội Nghiên cứu ứng dụng GPS lĩnh vực giao thông vận tải cho thấy giao thông hàng không, 100% máy bay thương mại quân sử dụng hệ thông dẫn đường tự động GPS Trong giao thông đường biển, hệ thống GPS trang bị tất tàu biển viễn dương, tàu quân đại Trong giao thông đường bộ, hệ thống giám sát dẫn đường điều khiển giao thông khai thác tuyệt đối mạnh công nghệ GPS GPS trở thành hợp phần thiếu công nghiệp ô tô, thấy có mặt hệ thống định vị dẫn đường GPS thương hiệu xe tiếng MERCEDES, BMW, PORSCHE, MAY BACH, CADILAC, AUDI, ROLL ROYCE… Có thể nói, kết hợp cơng nghệ thơng tin, hệ thống đồ số thiết bị định vị vệ tinh GPS tạo thành hệ thống dẫn đường lý tưởng cho phương tiện giao thông vận tải Nhận rõ tầm quan trọng, tính tiện ích việc khai thác, sử dụng hệ thống định vị GPS, Bộ Giao thông Vận tải ban hành Nghị định 91/2009/NĐ-CP Thông tư 14/2010/TT-BGTVT quy định trang bị, lắp đặt thiết bị giám sát hành trình xe thiết bị định vị vệ tinh GPS 1.2 Hệ thống giám sát hành trình quản lý xe đặc chủng lực lượng Cơng an Nhân dân Trong q trình đổi đất nước, bước đầu đạt thành tựu quan trọng Cùng với trình đổi mới, mở cửa, hội nhập với giới, nước ta đứng trước vận hội lớn có thách thức mới, là: lực thù địch lợi dụng việc đổi mới, mở cửa để xâm nhập phá hoại an ninh trị, an ninh kinh tế; mặt trận bảo vệ trật tự an toàn xã hội xuất nhiều loại tội phạm mới, với quy mơ, tính chất ngày phức tạp Vì vậy, lực lượng Công an Nhân dân phải đồng thời giải vấn đề lớn: vừa đảm bảo an ninh trật tự, vừa đảm bảo an toàn cho mội trường đầu tư, tạo thuận lợi cho việc hợp tác, đầu tư phát triển kinh tế, xã hội Để đáp ứng u cầu nghiệp cơng nghiệp hóa, đại hóa nay, lực lượng Cơng an Nhân dân ngồi việc phải nâng cao trình độ chun mơn nghiệp vụ, cần phải trang bị thêm kiến thức khoa học kỹ thuật, công nghệ với trang thiết bị phương tiện đại, cơng nghệ cao đáp ứng yêu cầu bảo vệ an ninh trật tự tình hình Việc ứng dụng cơng nghệ định vị qua vệ tinh (GPS) kết hợp với công nghệ GSM/GPRS GIS giúp giám sát xe từ xa theo thời gian thực mang lại hiệu cao lợi ích thiết thực công tác quản lý, giám sát điều hành xe đặc chủng lực lượng Công an Nhân dân, đảm bảo phục vụ nhanh chóng kịp thời yêu cầu cơng tác đấu tranh giữ gìn an ninh trị đảm bảo trật tự an tồn xã hội Mỗi xe đặc chủng lực lượng Công an Nhân dân cần giám sát, quản lý trang bị thiết bị thiết bị đầu cuối (GPS Trancking Unit) Modunle GPS thiết bị đầu cuối bắt tín hiệu GPS từ vệ tinh để định vị vị trí xe Vị trí xe đặc chủng với thơng số khác gửi trung tâm huy (đặt Công an tỉnh, thành phố đơn vị nghiệp vụ lực lượng Công an) qua đường truyền GSM/GPRS tự động sau khoảng thời gian định trước, nhỏ 15 giây theo yêu cầu Với công nghệ GIS, máy tính kết nối vào trung tâm huy qua internet giám sát, điều hành quản lý xe theo thời gian thực đồ số chi tiết 65 tỉnh thành Việt Nam Sử dụng công nghệ GPS, trung tâm huy, lực lượng CAND quản lý, giám sát điều hành hoạt động xe đặc chủng với chức sau: - Quản lý, điều hành hay nhiều xe lúc thời điểm - Kiểm tra lại lộ trình xe chạy theo khoảng thời gian tốc độ tùy chọn - Kiểm soát việc xe đặc chủng vào địa điểm trọng yếu (doanh trại, kho tàng, khu vực cấm, trại giam giữ, mục tiêu trọng điểm an ninh ) - Kiểm tra, điều hành tốc độ, quãng đường di chuyển xe - Kiểm soát thao tác vận hành xe: dừng, khởi động, tắt máy - Theo dõi quản lý, phân tích tốc độ - Theo dõi quản lý sử dụng xe 1.3 Các yêu cầu kỹ thuật chung hệ thống giám sát hành trình 1.3.1 Kết cấu thiết bị giám sát hành trình: Thiết bị giám sát hành trình bao gồm phần cứng (bộ vi xử lý, phận ghi, lưu giữ, truyền phát liệu, đồng hồ đo thời gian thực, phận nhận tín hiệu định vị tồn cầu GPS, phận thu nhận thông tin lái xe, cổng kết nối, phận thông báo trạng thái hoạt động thiết bị, …) phần mềm phân tích liệu 1.3.2 Yêu cầu thông tin tối thiểu cần ghi, xử lý, lưu giữ truyền phát thiết bị giám sát hành trình: Thiết bị giám sát hành trình phải có tính liên tục ghi, lưu giữ truyền phát qua mạng Internet máy tính quản lý để lưu trữ theo quy định thông tin tối thiểu trình khai thác, vận hành xe sau đây: - Thông tin xe lái xe; - Hành trình xe; - Tốc độ vận hành xe; - Số lần thời gian dừng, đỗ xe; - Số lần thời gian đóng, mở cửa xe; 1.3.3 Điều kiện làm việc Thiết bị giám sát hành trình phải nhỏ gọn, có vỏ bọc cứng, đảm bảo mơi trường làm việc xe phải hoạt động bình thường, không làm hay thay đổi liệu ghi, lưu trữ thiết bị giám sát hành trình 1.3.4 Chức tự động xác nhận trạng thái hoạt động thiết bị Khi bắt đầu hoạt động, thiết bị giám sát hành trình phải tiến hành tự kiểm tra có tín hiệu thơng báo trạng thái hoạt động thiết bị 1.3.5 Dung lượng nhớ: Dung lượng nhớ thiết bị giám sát hành trình phải đảm bảo ghi lưu giữ liệu tối thiểu liên quan xe thời gian tối thiểu 30 ngày 1.3.6 Đồng thời gian GPS: Khi vận hành, tất số liệu liên quan đến thời gian lưu trữ phải đồng với thời gian GPS hiệu chỉnh theo Việt Nam Khi tín hiệu GPS, phải tự động chuyển sang sử dụng đồng hồ thời gian thiết bị đồng với đồng hồ GPS trước đó; 1.3.7 Phần mềm phân tích liệu Phần mềm phân tích liệu thiết bị giám sát hành trình phải đáp ứng yêu cầu tối thiểu sau đây: - Phải có khả tìm, truy cập, lưu trữ, thống kê, lập bảng, biểu đồ liệu, … thông tin tối thiểu liên quan q trình khai thác - Phải có giao diện kết hiển thị tiếng Việt (có dấu khơng có dấu) tiếng Anh; - Có khả cài đặt sử dụng với hệ điều hành thông dụng; - Đối với thông tin nhận dạng xe lái xe: (số VIN, biển số xe, tên lái xe số giấy phép lái xe, …), hệ thống phần mềm phân tích liệu truy cập mà khơng thể thay đổi xóa bỏ 1.3.8 Tính an tồn liệu - Các liệu ghi lưu giữ thiết bị giám sát hành trình phải đảm bảo khơng xóa thay đổi suốt thời gian lưu trữ theo quy định; - Phải có chế lưu liệu, để đảm bảo trường hợp thiết bị giám sát hành trình bị hư hỏng, liệu lưu trữ thiết bị giám sát hành trình bảo tồn sử dụng thơng qua thiết bị khác 1.3.9 Nguồn điện sử dụng Thiết bị giám sát hành trình sử dụng nguồn điện xe ô tô Mức điện áp danh định thiết bị giám sát hành trình phải phù hợp với mức điện áp danh định xe có khả chịu cắm ngược cực quy định bảng Bảng 1: Điện áp danh định điện áp thử nghiệm thiết bị giám sát hành trình Điện áp danh định (V) Điện áp thử nghiệm cắm ngược cực (V) 12 14 ± 0,1 24 28 ± 0,2 26 42 ± 0,2 Khi thử nghiệm cắm ngược cực với điện áp thử nghiệm quy định Bảng thời gian phút, phận tự động ngắt nguồn điện phải tự ngắt nguồn điện sau thiết bị giám sát hành trình phải làm việc bình thường (các chức tự động kiểm tra, ghi, lưu giữ truyền phát liệu phải hoạt động bình thường) 1.4 Các yêu cầu kỹ thuật cụ thể thiết bị giám sát hành trình Yêu cầu kỹ thuật cụ thể thiết bị giám sát hành trình, cụ thể sau: 1.4.1 Nhập liệu ban đầu (thông tin nhận dạng xe lái xe) Thiết bị giám sát hành trình phải ghi lại thời gian, địa điểm lần nhập liệu ban đầu xe lái xe Thông qua cổng kết nối, trực tiếp từ phím thao tác, thiết bị thực việc ghi nhận, lưu giữ truyền qua mạng máy tính trung tâm liệu ban đầu sau đây: dùng, cho biết người dùng khai thác chức gì, truy xuất thơng tin gì, có can thiệp vào hoạt động hệ thống hay khơng… - Nhóm lưu trữ liệu GPS: bao gồm bảng GPS devices, GPS data, GPS Status, Satellite Status Nhóm lưu trữ thơng tin kết định vị - Nhóm lưu trữ thông tin chế độ hoạt động phần mềm: gồm bảng Operate Mode Operate History - Nhóm lưu trữ thơng tin Topo mạng lưới giao thơng bao gồm bảng cịn lại Nhóm lưu trữ thơng tin phục vụ chức tìm đường dẫn đường 67 Hình 3.19 Cơ sở liệu hệ thống Giao thức truyền thông Dữ liệu thiết bị thu GPS gửi web server bao gồm phần: thông tin chứng thực thiết bị liệu GPS Thông tin chứng thực thiết bị bao gồm mã số (được lưu trữ trường device_id CSDL) password đăng nhập hệ thống thiết bị Mã số thiết bị phần thơng tin bắt buộc phải có web server cần thông tin để xác định cho phép người dùng biết vị trí Password phần tùy chọn, sử dụng để chống giả mạo thơng tin Hình 3.20 Cấu trúc gói liệu máy thu GPS gửi WEB Server 68 CHƯƠNG ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ GIÁM SÁT HÀNH TRÌNH 4.1 Đặc điểm kỹ thuật thiết bị giám sát hành trình cho xe đặc chủng Hình 4.1 Hình ảnh thiết bị chế tạo Thiết bị chế tạo có đặc điểm kỹ thuật sau: - Xác định vị trí (kinh độ, vĩ độ) phương tiện di chuyển với độ xác 10m điều kiện hoạt động bình thường (khơng bị che chắn) - Xác định tốc độ phương tiện di chuyển với độ xác 0.1 km/h Cho phép ghép nối cổng phát xung đồng hồ tốc độ xe - Xác định thời gian thực đồng với đồng hồ hệ thống định vị GPS - Kết nối với cảm biến xác định trạng thái đóng mở cửa xe thông qua cổng vào số - Truyền liệu (tọa độ, tốc độ, thời gian, trạng thái đóng mở cửa xe) trung tâm điều hành qua kênh truyền GSM/GPRS - Cho phép cài đặt tham số thiết bị thông qua cổng RS232 69 - Ghi liệu vào thẻ nhớ dung lượng 1GB cho phép thời gian lưu trữ đến 30 ngày - Nguồn cấp 12 đến 24VDC, dòng điện tiêu thụ