Nghiên cứu xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển báo hiệu hàng hải từ xa thông qua mạng di động gsm phục vụ bảo đảm an toàn hàng hải

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TỔNG CÔNG TY BẢO ĐẢM AN TOÀN HÀNG HẢI MIỀN NAM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ NĂM 2011 NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN BÁO HIỆU HÀNG HẢI TỪ XA THÔNG QUA MẠNG ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG GSM PHỤC VỤ BẢO ĐẢM AN TOÀN HÀNG HẢI Chủ nhiệm đề tài ThS Phạm Tuấn Anh 9491 Vũng Tàu, 2012 LỜI NÓI ĐẦU Báo cáo kết trình thực đề tài Nghiên cứu Khoa học “Nghiên cứu xây dựng hệ thống giám sát điều khiển báo hiệu hàng hải từ xa thông qua mạng điện thoại di dộng GSM phục vụ bảo đảm an toàn hàng hải” đăng ký năm 2010 ThS Phạm Tuấn Anh làm chủ nhiệm, Tổng Cơng ty Bảo đảm An tồn Hàng hải Miền Nam chủ trì Báo cáo gồm có chương phụ lục: • Chương 1: trình bày sơ lược mạng thông tin di động (GSM) điều kiện sở hạ tầng mạng GSM Việt Nam từ đưa đến tiền đề phát triển đề tài • Chương 2: đề cập đến sở thiết kế, mơ hình thiết kế mơ hình triển khai hệ thống • Chương 3: hệ thống hóa lý thuyết truyền sóng, phương pháp tính tốn độ lệch vị trí giải vấn đề suy hao tích hợp hai module GSM GPS thiết bị • Chương 4: trình bày thiết kế thiết bị phần cứng đặt hải đăng • Chương 5: trình bày thiết kế thiết bị phần cứng đặt hải phao • Chương 6: trình bày thiết kế thiết bị phần cứng đặt trung tâm • Chương 7: mơ tả phần mềm quản lý tồn hệ thống • Chương 8: kết đạt hướng phát triển • Phụ lục: mã chương trình phần mềm quản lý hệ thống Tôi xin gởi cảm ơn chân thành đến Bộ Giao Thông Vận Tải, Cục Hàng Hải hướng dẫn tạo điều kiện để hồn thành đề tài Tơi xin chân thành Cảm ơn Tổng Cơng ty Bảo đảm An tồn Hàng hải Miền Nam, Phịng An tồn Hàng Hải, Cơng ty TNHH MTV Thiết bị Báo hiệu Hàng hải Miền Nam tạo điều kiện thuận lợi mặt thời gian sở vật chất để thử nghiệm thiết bị hệ thống thời gian qua Tôi gởi lời cảm ơn chân thành đến đồng nghiệp hỗ trợ tơi q trình thực luận án vừa qua Tp Vũng Tàu, 12/2010 Chủ nhiệm đề tài ThS Phạm Tuấn Anh MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MẠNG GSM VÀ CƠ SỞ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Lịch sử mạng GSM 1.3 Giao tiếp radio 1.4 Cấu trúc mạng GSM 1.5 Hạ tầng mạng GSM Việt Nam sở phát triển hệ thống CHƯƠNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG 2.1 Cơ sở thiết kế 2.2 Mơ hình hệ thống 2.3 Định hướng kỹ thuật công nghệ 2.3.1 Mơ hình đa lớp khả xử lý 2.3.2 Mơ hình triển khai 10 2.3.3 Công nghệ 11 2.3.4 Công nghệ triển khai 11 2.4 Phần mềm/Hệ thống giám sát kiểm soát báo hiệu từ xa 11 2.4.1 Giới thiệu 11 2.4.2 Qui trình nghiệp vụ 12 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THUẬT TOÁN 15 3.1 Mạng GSM công nghệ GPRS 15 3.1.1 Tổng quan 15 3.1.2 Các kiểu chuyển mạch 16 3.1.2.1 Chuyển mạch kênh 16 3.1.2.2 Chuyển mạch gói 16 3.1.3 Đặc điểm hệ thống GPRS .16 3.1.4 Kiến trúc mạng GPRS 17 3.1.4.1 TE .18 3.1.4.2 GPRS BSS 18 3.1.4.3 MSC (Mobile Services Switching Center) .19 3.1.4.4 GMSC (Gateway Mobile Services Switching Center) 19 3.1.4.5 HLR (Home Location Register) .19 3.1.4.6 VLR (Visistor Location Register) 20 3.1.4.7 Mạng lõi 20 3.1.5 Mã hóa kênh GPRS 23 3.1.6 Kết nối IP GPRS .24 3.1.6.1 Địa IP công cộng địa riêng 25 3.1.6.2 Địa IP động địa tĩnh 26 3.1.6.3 Các phần kết nối IP GPRS 27 3.2 GPS ứng dụng 27 3.2.1 Ứng dụng GPS tính tốn độ dịch chuyển 27 3.2.1.1 Trị đo GPS 27 3.2.1.2 Định vị GPS 29 3.2.1.3 Phương pháp tính tốn độ dịch chuyển giám sát sai lệch tọa độ 31 3.2.2 WebGIS 36 3.2.2.1 Công nghệ MapServer 37 3.2.2.2 Công nghệ GeoServer .37 3.2.2.3 Công nghệ Sharpmap .38 3.2.2.4 Công nghệ Google map 38 3.3 Tích hợp GSM, GPS bo mạch giải pháp khắc phục nhiễu 38 3.3.1 Ảnh hưởng can nhiễu đến tín hiệu thu GPS 38 3.3.1.1 Tổng quan 38 3.3.1.2 Giảm can nhiễu dải tần 39 3.3.1.3 Sự can nhiễu dải tần 40 3.3.1.4 Giảm thiểu can nhiễu tăng độ lợi thu GPS .41 3.3.2 Mô LNA dùng HSPICE 42 3.3.2.1 Giới thiệu HSPICE 42 3.3.2.2 Khai báo linh kiện 43 3.3.2.3 Khai báo nguồn .46 3.3.2.4 Các kiểu phân tích 50 3.3.2.5 Kết mô 51 CHƯƠNG IV KHỐI THIẾT BỊ KIỂM SOÁT ĐẶT LÊN HẢI ĐĂNG 54 4.1 Tính khối 54 4.2 Sơ đồ khối 54 4.3 Chức khối 55 4.3.1 Khối vi xử lý 55 4.3.2 Khối GSM/GPRS 57 4.3.3 Khối cảm biến đọc chu kỳ đèn chính./phụ 58 4.3.4 Khối cảm biến dịng đèn chính./phụ 59 4.3.5 Khối cảm biến acquy 60 4.3.6 Khối cảm biến Serial Eeprom 61 4.3.7 Led status 62 CHƯƠNG V KHỐI THIẾT BỊ KIỂM SOÁT ĐẶT LÊN PHAO 63 5.1 Tính khối 63 5.2 Sơ đồ khối 63 5.3 Chức khối 64 5.3.1 Khối vi xử lý 64 5.3.2 Khối GPS 66 5.3.3 Khối GSM 67 5.3.4 Nguồn cấp 69 5.3.5 Memory storage 70 5.3.6 Cảm biến phát trộm 71 5.3.7 Cảm biến dòng 72 5.3.8 Led status 74 5.3.9 Light disk 75 5.3.10 Khối Light disk control 75 5.3.11 Khối Clash sensor 76 5.3.12 Khối Out current sensor 77 5.3.13 Khối Accu Voltage sensor 77 5.3.14 Khối Accu Charge Control 78 CHƯƠNG VI KHỐI THIẾT BỊ TRUNG TÂM 79 6.1 Tính khối 79 6.2 Sơ đồ khối 79 6.3 Chức khối 80 6.3.1 Khối vi xử lý 80 6.3.2 Khối GSM/GPRS 81 6.3.3 Khối Serial Eeprom 82 6.3.4 Khối Ethernet 83 6.3.5 Led status 83 6.3.6 Khối chuông báo động 84 6.3.7 Khối PC 84 CHƯƠNG VII CHƯƠNG TRÌNH QUẢN LÝ CHO HỆ THỐNG 85 7.1 Flowchart khối điều khiển cảm biến 85 7.2 Flowchart khối điều khiển nhận thông tin 87 7.3 Cấu trúc liệu thu phát thông tin thiết bị 89 7.3.1 Cấu trúc tin nhắn thiết bị gởi trung tâm 89 7.3.2 Cấu trúc tin nhắn thiết bị gởi đến cài đặt thiết bị giám sát 90 7.3.3 Đáp ứng từ thiết bị giám sát nhận tin nhắn 90 7.3.3.1 Ứng với thao tác T1 91 7.3.3.2 Ứng với thao tác khác 92 7.3.4 Cấu trúc tin nhắn thiết bị giám sát gởi cảnh báo 93 7.4 Phần mềm giám sát kiểm soát báo hiệu từ xa 93 7.4.1 Giới thiệu 93 7.4.2 Quy trình nghiệp vụ tính hệ thống 95 7.4.2.1 Quy trình nghiệp vụ 95 7.4.2.2 Tính giám sát, kiểm sốt 96 7.4.2.2.1 Đăng nhập hệ thống 96 7.4.2.2.2 Quản lý thông tin 98 7.4.2.2.3 Giám sát trực tuyến 100 7.4.2.2.4 Báo cáo 103 7.4.2.2.5 Cấu hình 104 7.5 Kết 104 7.5.1 Phạm vi phương pháp thử nghiệm 105 7.5.2 Kết 107 7.5.2.1 Về mặt định tính 108 7.5.2.2 Về mặt định lượng 108 CHƯƠNG VIII KẾT QUẢ ĐỀ TÀI VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 111 8.1 Kết luận án 111 8.2 Hướng phát triển 111 PHỤ LỤC 112 Một số hình ảnh phao hải đăng Sourcecode phát triển hệ thống TÀI LIỆU THAM KHẢO 131 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MẠNG GSM VÀ CƠ SỞ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG 1.1 Giới thiệu chung GSM, gọi mạng thơng tin di động tồn cầu, cụm từ viết tắt cũa Global System for Mobile communication Đây công nghệ mạng điện thoại di động phổ biến giới Cho đến cơng nghệ có gần tỷ th bao sử dụng phạm vi 212 quốc gia vùng lãnh thổ Do có mặt khắp nơi giới nên nhà cung cấp dịch vụ thực việc ký kết roaming với nhờ mà thuê bao GSM dể dàng sử dụng máy điện thoại GSM cũa nơi đâu Mặt thn lợi cũa cơng nghệ GSM ngồi việc truyền âm với chất lượng cao cho phép thuê bao sử dụng cách giao tiếp khác rẻ tiền tin nhắn SMS Ngồi để tạo thuận lợi cho nhà cung cấp dịch vụ cơng nghệ GSM xây dựng sở hệ thống mở nên dễ dàng kết nối thiết bị khác từ nhà cung cấp thiết bị khác Nó cho phép nhà cung cấp dịch vụ đưa tính roaming cho thuê bao cũa với mạng khác tồn giới Và cơng nghệ GSM phát triển thêm tính truyền liệu GPRS sau truyền tốc độ cao họ sử dụng EGDE 1.2 Lịch sử mạng GSM Vào đầu năm 1980 châu Âu người ta phát triển mạng điện thoại di động sử dụng vài khu vực Sau vào năm 1982 chuẩn hóa CEPT (European Conference of Postal and Telecomunications Administrations) tạo Groupe Special Mobile (GSM) với mục đích sử dụng chung cho toàn châu Âu Mạng điện thoại di động sử dụng công nghệ GSM xây dựng đưa vào sử dụng nhà khai thác Radiolinja Finland   Vào năm 1989 công việc quản lý tiêu chuẩn phát triển mạng GSM chuyển cho viện viễn thong châu Âu (European Telecommunications Standards Institute (ETSI)), tiêu chuẩn, đặc tính phase công nghệ GSM công bố vào năm 1990 Đến cuối năm 1993 có triệu thuê bao sử dụng mạng GSM 70 nhà cung cấp dịch vụ 48 quốc gia 1.3 Giao tiếp Radio GSM mạng điện thoại di động máy điện thoại di động kết nối với mạng cách tìm kiếm, kết nối với cell gần Các mạng di động GSM hoạt động băng tần Hầu hết hoạt động băng tần 900Mhz 1800Mhz Vài nước Châu Mỹ sử dụng băng tần 850Mhz 1900Mhz băng 900Hhz 1800Mhz nơi bị sử dụng trước Và có mạng sử dụng tần số 400Mhz hay 450Mhz có Scandinavia sử dụng băng tần khác bị cấp phát cho việc khác Các mạng sử dụng băng tần 900Mhz đường uplink sử dụng tần số dãi 890915Mhz đường downlink sử dụng tần số dãi 935-960 Mhz Họ chia băng tần thành 124 kênh với độ rộng băng thong 25Mhz, mổi kênh cách khoảng 200Khz Sử dụng công nghệ phân chia theo thời gian TDM (Time Division Multiplexing) để chia kênh full rate hay 16 kênh haft rate Có khe thời gian gộp lại gọi thành khung TDMA Tốc độ truyền liệu kênh 270.833Kbit/s khoảng thời gian khung 4.615ms Công suất phát máy điện thoại giới hạn tối đa watts băng GSM 850/900Mhz tối đa watts băng GSM 1800/1900Mhz Mạng GSM sử dụng kiểu mã hóa âm để nén tín hiệu âm 3.1 Khz mã hóa 13 Kbps gọi Full rate (13 Kbps) Haft rate (6 Kbps) Để nén họ sử dụng hệ thống có tên Linear Predictive Coding (LPC) Vào năm 1997 họ cải tiến thêm cho mạng GSM mã GSM-ERR sử dụng full rate 12.2 kbps   Có tất kích thước cell site mạng GSM marco, micro, pio umbrella Vùng phủ sóng mổi cell phụ thuộc nhiều vào mơi trường Macro cell lắp cột cao tòa nhà cao tầng, micro cell lại lắp khu thành thị, khu dân cư, pico cell tầm phủ song khoảng vài chục mét trở lại thường lắp để tiếp sóng nhà Umbrella lắp bổ sung vào vùng bị che khuất hay vùng trống cell Bán kính phủ sóng cell tùy thuộc vào độ cao anten, độ lợi anten từ vài trăm mét tới vài chục km Trong thực tế khả phủ sóng xa trạm GSM 32 km (22 dặm) Một số khu vực nhà mà anten ngồi trời khơng thể phủ sóng tới nhà ga, sân bay, siêu thị… người ta dung trạm Pico để chuyển tiếp sóng từ anten trời vào 1.4 Cấu trúc mạng GSM Mạng GSM bao gồm thành phần sau: • Trạm gốc phần điều khiển BSS (Base Station Subsytem) • Mạng hệ thống chuyển mạch NSS (Network Station Subsytem) • Phần mạng GPRS (Global Packet Radio Service) • Một số phần khác cung cấp dịch vụ cho GSM gọi, nhắn tin SMS (Short Message Service) • Thẻ SIM (Subscribe Identity Module)   Hệ số ổn định (Stability Factor) mạch tần số 1.575 GHz 1.73 dB giá trị lớn tầm 1G ÷ 2G, điều nói lên LNA bền vững vùng tần số gần 1.575G Hình 4.8: Hệ số ổn định mạch lọc tần số 1.57 GHz CHƯƠNG KHỐI THIẾT BỊ KIỂM SOÁT ĐẶT LÊN HẢI ĐĂNG 5.1 Tính khối • Kiểm sốt đèn: • Kiểm sốt lượng: • Kiểm soát thiết bị khác (RACON: Radar Beacon) 5.2 Sơ đồ khối 31   Hình 5.1 Sơ đồ khối thiết bị kiểm soát đặt lên hải đăng CHƯƠNG KHỐI THIẾT BỊ KIỂM SỐT ĐẶT LÊN PHAO 6.1 Tính khối • Kiểm sốt vị trí: • Kiểm sốt đèn: • Kiểm sốt nguồn lượng: • Kiểm sốt thiết bị khác (RACON: Radar Beacon) 6.2 Sơ đồ khối 32   Từ tính thiết bị mơ hình chức năng, ta có sơ đồ khối chi tiết thiết bị giám sát phao: Hình 6.1 Sơ đồ khối thiết bị giám sát phao CHƯƠNG KHỐI THIẾT BỊ TRUNG TÂM 7.1 Chức Thiết bị trung tâm có hai chức chính: • Tiếp nhận thơng tin từ thiết bị giám sát đặt phao/hải đăng thông qua SMS/GPRS cung cấp để phần mềm/hệ thống xử lý • Truyền thơng tin từ người quản lý đến thiết bị kiểm sốt thơng qua SMS/GPRS 7.2 Sơ đồ khối 33   Từ tính thiết bị mơ hình chức năng, ta có sơ đồ khối chi tiết thiết bị giám sát phao: PC (software) Ethernet (option) COM1 Serial Eeprom MCU Leds Status GSM/GPRS Chng báo động (option) Simcard Connector Hình 7.1 Sơ đồ khối thiết bị trung tâm CHƯƠNG CHƯƠNG TRÌNH QUẢN LÝ CHO HỆ THỐNG Sau phần cứng hồn tất phần cịn lại phải viết chương trình để hệ thống thực theo ý định người thiết kế Sau phần flowchart dự kiến khối điều khiển cảm biến khối điều khiển nhận thông tin 8.1 Flowchart khối điều khiển cảm biến • Flowchart module truyền nhận GSM khối cảm biến 34   Hình 8.1 Flowchart module truyền nhận GSM khối cảm biến • Flowchart CPU module điều khiển khối điều khiển cảm biến 35   Hình 8.2 Flowchart CPU module điều khiển khối điều khiển cảm biến 8.2 Flowchart khối điều khiển nhận thơng tin 36   • Flowchart module truyền nhận GSM khối điều khiển nhận thơng tin: Hình 8.3 Flowchart module truyền nhận GSM khối điều khiển nhận thơng tin • Flowchart CPU module báo động-hiển thị 37   Hình 8.4 Flowchart CPU module báo động-hiển thị 8.3 Cấu trúc liệu thu phát thông tin thiết bị giám sát 8.4 Phần mềm giám sát kiểm soát báo hiệu từ xa 8.4.1 Giới thiệu 38   Phần mềm xây dựng để giám sát hoạt động tất phao trải dài từ Quảng Ngãi đến Cà Mau, nhiên, theo đặc thù phân chia khu vực để quản lý VMSS nên phần mềm xây dựng phân quyền theo chức quản lý, mơ hình phân quyền thể sau: Tổng Cơng ty Simcard  Connector Xí nghiệp 201 Hình 8.5: Mơ hình phân quyền phần mềm quản lý Gồm có mức quản lý chính: • Mức Tổng cơng ty: cho phép giám sát hoạt động báo hiệu phạm vi xí nghiệp mức cao tồn phạm vi Tổng cơng ty • Mức Xí nghiệp: giám sát hoạt động báo hiệu phạm vi quản lý xí nghiệp 8.4.2 Quy trình nghiệp vụ tính giám sát, kiểm sốt 8.4.2.1 Quy trình nghiệp vụ Qui trình xử lý phần mềm gồm bước sau: Bước 1: tiếp nhận thông tin từ thiết bị giám sát gởi hình thức SMS/GPRS định dạng file mã hóa theo cấu trúc mô tả phần 3.2 Bước 2: giải mã file thông tin gởi để nhận thông tin cần thiết Bước 3: tính tốn, xử lý thơng tin nhận để cung cấp liệu cho nghiệp vụ cấn thiết bước 39   Hình 8.6: Qui trình nghiệp vụ Bước 4: Tổ chức xếp liệu theo cấu trúc yêu cầu qui trình nghiệp vụ, đảm bảo liệu truy xuất nhanh chóng Bước 5: Thực qui trình nghiệp vụ để cung cấp chức kiểm soát giám soát cần thiết cho người quản lý Bước 6: Thể chức giám sát kiểm soát thơng qua giao diện người sử dụng 8.4.2.2 Tính giám sát, kiểm soát 8.4.2.2.1 Đăng nhập hệ thống 8.4.2.2.2 Quản lý thông tin 40   8.4.2.2.3 Giám sát trực tuyến 8.4.2.2.4 Báo cáo 8.4.2.2.5 Cấu hình 8.5 Kết 8.5.1 Phạm vi phương pháp thử nghiệm Kết thực đề tài áp dụng thử nghiệm vào VMSS, đến thời điểm này, cho triển khai thử nghiệm 10 báo hiệu giám sát để chạy thử tích hợp vào hệ thống giám sát Sử dụng thông lịch sử hoạt động báo hiệu gởi về, so sánh đối chiếu với kết đo thủ cơng, sau tiến hành so sánh đối chiếu kết 8.5.2 Kết Kết vận hành hệ thống cho thấy: • Thiết bị phần cứng: hoạt động ổn định, chức thiết kết hoạt động tương đối xác, tỷ lệ sai số thơng số thiết bị gởi đạt thực tế nằm giới hạn cho phép (