Thiết kế hệ thống quan trắc tự động bằng GSM

1 LỜI NÓI ĐẦU Cuộc sống ngày phát triển kéo theo tiến khơng ngừng khoa học kỹ thuật Là sinh viên khoa Điện - Điện Tử chúng em dành nhiều quan tâm đến lĩnh vực cơng nghệ sống Song song với phát triển cơng nghệ máy tính phát triển mạnh mẽ công nghệ viễn thông Dễ dàng nhận thấy thay đổi chóng mặt thiết bị viễn thơng phát triển công nghệ tiên tiến kèm với phần mềm ngày thân thiện tiện dụng Nếu trước điện thoại di động có hình hiển thị với số biết đến sản phẩm đa truyền thông tích hợp đủ loại phần mềm Đi với phát triển công nghệ mạng viễn thơng ta cịn bắt gặp phát triển vũ bão dịch vụ triển khai Mạnh mẽ phát triển dịch vụ hệ thống mạng viễn thông dịch vụ triển khai hệ thống SMS Nắm bắt phát triển công nghệ lợi ích to lớn khả áp dụng thực tế cao mà ứng dụng triển khai hệ thống SMS đem lại, chúng em, sinh viên khoa Điện - Điện Tử định “THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUAN TRẮC TỰ ĐỘNG BẰNG GSM” ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, hàng loạt khu công nghiệp đời, bên cạnh tạo việc làm cho người dân mà cịn gây tình trạng ô nhiễm môi trường sông, khu vực lân cận khu công nghiệp Vì vậy, cần hệ thống quan trắc để đánh giá tác động môi trường PHẠM VI, ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU - Phạm vi nghiên cứu đề tài địa bàn tỉnh Đồng Nai - Đối tượng nghiên cứu nước thải công ty, nhà máy hệ thống quan trắc tự động, liên tục NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu tổng hợp điều kiện Địa lý tự nhiên, kinh tế, xã hội tỉnh Đồng Nai - Nghiên cứu khái niệm, quy định lĩnh vực môi trường (cơ sở pháp lý, kỹ thuật quan trắc, nguyên lý hoạt động loại đầu dị, ngun lý truyền thơng tin) Đề xuất mơ hình hệ thống quan trắc tn thủ nước thải tự động, liên tục công ty, nhà máy PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Phương pháp chuyên gia: tham khảo ý kiến chuyên gia môi trường, chuyên gia điện tử, tin học - Thu thập số liệu: + Thu thập số liệu địa lý, kinh tế, xã hội, kết đề tài khoa học triển khai + Thu thập tài liệu trạng hệ thống quan trắc, sở pháp lý, giải pháp kỹ thuật quan trắc Trung tâm Quan trắc Kỹ thuật Môi trường Đồng Nai - Khảo sát thực địa: tiến hành khảo sát thực địa cống thải tập trung công ty, nhà máy địa bàn Tp Biên Hoà, huyện Nhơn Trạch - Xử lý số liệu thu thập lập đồ: xử lý số liệu thống kê nguồn thải lập đồ bố trí nguồn thải đồ vị trí quan trắc nước thải tự động, liên tục DỰ KIẾN KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC - Có tài liệu điều kiện Địa lý, kinh tế xã hội tỉnh Đồng Nai cập nhật - Thu thập tài liệu lĩnh vực môi trường - Nắm bắt nguyên lý hoạt động đầu dò phân tích mơi trường ngun tắc truyền thơng tin (truyền kết quan trắc trạm Trung tâm) - Đề xuất mơ hình hệ thống quan trắc tuân thủ nước thải, tự động, liên tục phù hợp với điều kiện tỉnh Đồng Nai KẾ HOẠCH THỰC HIỆN - Tháng 7/2009 đến tháng 10/2009: thu thập tài liệu, số hoá Sơ đồ, Bản đồ liên quan - Tháng 10/2009 đến tháng 11/2009: khảo sát thực địa - Tháng 11/2009 đến 12/2009: Tổng hợp kết - viết báo cáo CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GSM 1.1 Cơ hệ thống mạng GSM 1.1.1, Tìm hiểu sơ lược mạng GSM GSM viết tắt cụm từ Global System for Mobile Communications (tiếng Anh) Groupe Spécial Mobile (tiếng Pháp) tạm dịch hệ thống thơng tin di động tồn cầu 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 chuyển vùng với mà thuê bao GSM dễ dàng sử dụng máy điện thoại GSM nơi đâu Mặt thuận lợi to lớn công nghệ GSM ngồi việc truyền âm với chất lượng cao cịn 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 chuyển vùng cho th bao với mạng khác tồn giới Ngồi cơng nghệ GSM phát triển thêm tính truyền liệu GPRS, sau truyền với tốc độ cao họ sử dụng EGDE Hình 1.1: Logo cơng nghệ GSM GSM tiêu chuẩn hệ thống tế bào hệ thứ phát triển để giải vấn đề “phân mảnh” hệ thống tế bào hệ Châu Âu GSM hệ thống tế bào giới định rõ việc điều chế số, kiến trúc dịch vụ cấp độ mạng Hình 1.2: Mơ hình hệ thống GSM Trước GSM, quốc gia Châu Âu sử dụng tiêu chuẩn tế bào khác toàn lục địa điều cản trở khách hàng muốn sử dụng đơn vị thuê bao toàn Châu Âu GSM phát triển để phục vụ mạng tế bào toàn Châu Âu hứa hẹn nhiều dịch vụ mạng thông qua mạng số liên kết dịch vụ ISDN PSTN Sự thành công mạng GSM vượt mong đợi người chuẩn phổ biến giới cho thiết bị liên lạc cá nhân vô tuyến tế bào Nhiệm vụ xác định rõ hệ thống thông tin liên lạc di động chung cho Châu Âu băng tần 900 MHz đảm nhiệm Uỷ ban CEPT (Conference of European Postal and Telecommunications Administrations - Hội nghị quan quản lý Viễn thơng Bưu Châu Âu) Việc thiết lập tiêu chuẩn cho mạng GSM thực ETSI (European Telecommunications Standard Institute) Mạng GSM chia thành hệ thống Hệ thống chuyển mạch Hệ thống trạm gốc Mỗi hệ thống lại chứa số đơn vị chức năng, nơi thực chức hệ thống Các chức thực thiết bị phần cứng 1.1.2, Lịch sử phát triển mạng GSM Vào đầu thập niên 1980 châu Âu người ta phát triển mạng điện thoại di động sử dụng vài khu vực Sau vào năm 1982 chuẩn hố CEPT tạo Groupe Spécial Mobile 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 Radiolinja Phần Lan Vào năm 1989 công việc quản lý tiêu chuẩn phát triển mạng GSM chuyển cho viện viễn thơng châu Âu Và tiêu chuẩn, đặc tính phase công nghệ GSM công bố vào năm 1990 Vào cuối năm 1993, có triệu thuê bao sử dụng mạng GSM 70 nhà cung cấp dịch vụ 48 quốc gia Cho đến cơng nghệ có gần tỷ th bao sử dụng phạm vi 212 quốc gia vùng lãnh thổ Và tương lai dự kiến số lượng thuê bao tiếp tục tăng 1.1.3, Giao tiếp Radio mạng GSM GSM mạng điện thoại di động thiết kế gồm nhiều tế bào máy điện thoại di động kết nối với mạng cách tìm kiếm cell gần Các mạng di động GSM hoạt động băng tần Hầu hết hoạt động băng 900 Mhz 1800 Mhz Vài nước Châu Mỹ sử dụng băng 850 Mhz 1900 Mhz băng 900 Mhz 1800 Mhz nơi bị sử dụng trước.Và có mạng sử dụng tần số 400 Mhz hay 450 Mhz có Scandinavia sử dụng băng tần khác bị cấp phát cho việc khác Các mạng sử dụng băng tần 900 Mhz đường uplink sử dụng tần số dải 890-915 MHz đường downlink sử dụng tần số dải 935-960 MHz Các băng tần chia thành 124 kênh với độ rộng băng thông 25 Mhz, kênh cách khoảng 200 Khz 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 khung TDMA Tốc độ truyền liệu kênh 270.833 kbit/s khoảng thời gian khung 4.615 ms Công suất phát máy điện thoại giới hạn tối đa watt băng GSM 850/900 Mhz tối đa watt băng GSM 1800/1900 Mhz Mạng GSM sử dụng hai kiểu mã hoá âm để nén tín hiệu âm 3,1 Khz mã hoá 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-EFR sử dụng full rate 12,2 kbps Có tất bốn kích thước cell site mạng GSM macro, micro, pico umbrella Vùng phủ sóng cell phụ thuộc nhiều vào mơi trường Macro cell lắp cột cao nhà cao tầng, micro cell lại lắp khu thành thị, khu dân cư Pico cell tầm phủ sóng 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 tuỳ thuộc vào độ cao anten, độ lợi anten thường 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 thề phủ sóng tới nhà ga, sân bay, siêu thị người ta dùng trạm pico để chuyển tiếp sóng từ anten ngồi trời vào 1.1.4, Những thành phần mạng GSM Một mạng GSM để cung cấp đầy đủ dịch vụ cho khách hàng phức tạp sau chia thành phần sau: Trạm gốc phần điều khiển Base Station Subsystem (BSS) Mạng hệ thống chuyển mạch Network and Switching Subsystem (phần gần giống với mạng điện thoại cố định) Đơi người ta cịn gọi mạng lõi (core network) Phần mạng GPRS (GPRS care network) Phần phần lắp thêm để cung cấp dịch vụ truy cập Internet Và số phần khác phục vụ việc cung cấp dịch vụ cho mạng GSM gọi, hay nhắn tin SMS Máy điện thoại - Mobile Equipment Thẻ SIM (Subscriber identity module) Hình 1.3: Cấu trúc hệ thống mạng GSM Trạm di động (Mobile Station-MS) Trong mạng GSM, có khác biệt thiết bị vật lý đăng kí thuê bao Phần thiết bị vật lý cài đặt phương tiện (ví dụ xe hơi…), xách tay (portable) cầm tay (hand-hold) Các phần tách biệt với đơn vị gọi modul nhận dạng thuê bao (Subscriber Identity Module- SIM) chứa đăng kí thuê bao SIM thiết bị di động kết hợp với để cấu thành trạm di động Moblile Station (MS) Khơng có module nhận dạng th bao Moblile Station khơng thể truy xuất tới mạng GSM, ngoại trừ trường hợp khẩn cấp Việc đăng kí thuê bao liên kết với SIM card với thiết bị di động, thuê bao sử dụng thiết bị di động khác mà khơng có trở ngại Điều dẫn tới vấn đề MS bị cắp khơng có biện pháp ngăn chặn đăng kí th bao với thiết bị bị cắp Chúng ta cần có sở liệu chứa số nhận dạng phần cứng thiết bị gọi ghi nhận dạng thiết bị (Equipment Identity Register- EIR) Bộ ghi nhận dạng thiết bị EIR nối với MSC thông qua đường báo hiệu mà cho phép MSC kiểm tra hợp lệ thiết bị Bằng cách ta cấm trạm di động không phù hợp Cần nhớ việc nhận thực thuê bao thực thông số từ AUC Cell Hệ thống xem mạng lưới cell vô tuyến cạnh Các cell kết hợp với để đảm bảo cho việc phủ sóng tồn vùng phục vụ Trạm vơ tuyến gốc (Base Transceiver Station -BTS) Mỗi cell có trạm vô tuyến gốc BTS hoạt động tập kênh vô tuyến Các kênh vô tuyến cell khác với kênh vô tuyến cell bên cạnh để tránh tượng can nhiễu Bộ điều khiển trạm gốc (Base Station Controller - BSC) Một nhóm trạm vơ tuyến gốc BTS điều khiển điều khiển trạm gốc BSC Bộ điều khiển trạm gốc BSC có nhiệm vụ quản lý chức chuyển giao (handover) điều khiển công suất Tổng đài di động (Mobile Switching Centre-MSC) Một số điều khiển trạm gốc BSC phục vụ tổng đài di động MSC Tổng đài di động MSC có chức kiểm sốt gọi tới từ mạng điện thoại hệ thống liên lạc liệu khác chẳng hạn mạng chuyển mạch công cộng PSTN, mạng số liên kết dịch vụ ISDN, mạng di động mặt đất công cộng PLMN mạng liệu công cộng mạng cá nhân khác Cơ sở liệu (Databases) Tất đơn vị chức đề cập liên quan đến việc thiết lập gọi trạm di động MS thuê bao khác, ví dụ thuê bao mạng PSTN, mạng cố định Nếu thực gọi tới MS, ta không cần thiết bị Vấn đề nảy sinh ta muốn thực gọi tới MS, người khởi đầu gọi khơng xác định vị trí MS Do ta cần số sở liệu mạng để theo dõi MS, từ biết vị trí thời MS Thành phần quan trọng sở liệu Bộ ghi định vị thường trú (Home Location Register-HLR) Khi người mua đăng kí thuê bao từ hãng khai thác mạng GSM người đăng kí HLR hãng khai thác Bộ ghi định vị thường trú chứa đựng thông tin thuê bao, chẳng hạn dịch vụ phụ trợ (Supplementary Services) thông số nhận thực Ngồi cịn có thơng tin vị trí thời MS, có nghĩa vùng MSC mà MS có mặt Thơng tin thay đổi MS di động MS gởi thơng tin vị trí (thơng qua MSC/VLR) tới Bộ ghi định vị thường trú HLR mình, đảm bảo phương tiện để thu gọi Một đơn vị gọi Trung tâm nhận thực (Authentication Centre- AUC) kết nối tới Bộ ghi định vị thường trú HLR Chức AUC cung cấp cho HLR thông số nhận thực khối mật mã để sử dụng cho mục đích bảo mật Bộ ghi định vị tạm trú (Visitor Location Register-VLR) sở liệu chứa thơng tin MS có mặt vùng MSC quản lý Ngay MS lưu động vào vùng MSC VLR mở kết nối với MSC đó, yêu cầu HLR cung cấp liệu MS Đồng thời HLR thơng báo cho biết vị trí MS nằm vùng MSC quản lý Sau đó, MS muốn thực gọi Bộ ghi định vị tạm trú VLR có đầy đủ thông tin cần thiết cho việc thiết lập gọi mà không cần phải truy xuất tới HLR ... Châu Âu) Việc thiết lập tiêu chuẩn cho mạng GSM thực ETSI (European Telecommunications Standard Institute) Mạng GSM chia thành hệ thống Hệ thống chuyển mạch Hệ thống trạm gốc Mỗi hệ thống lại chứa... Radio mạng GSM GSM mạng điện thoại di động thiết kế gồm nhiều tế bào máy điện thoại di động kết nối với mạng cách tìm kiếm cell gần Các mạng di động GSM hoạt động băng tần Hầu hết hoạt động băng... giải vấn đề “phân mảnh” hệ thống tế bào hệ Châu Âu GSM hệ thống tế bào giới định rõ việc điều chế số, kiến trúc dịch vụ cấp độ mạng Hình 1.2: Mơ hình hệ thống GSM Trước GSM, quốc gia Châu Âu sử