Nghiên cứu và hiện thực hệ thống xác định định vị đối tượng

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA VÕ TẤN PHƯƠNG NGHIÊN CỨU VÀ HIỆN THỰC HỆ THỐNG XÁC ĐỊNH/ĐỊNH VỊ ĐỐI TƯỢNG Chuyên ngành: Khoa Học Máy Tính LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2010 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: TS TRẦN VĂN HOÀI TS ĐINH ĐỨC ANH VŨ Cán chấm nhận xét 1: Cán chấm nhận xét 2: Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày năm 2010 tháng Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo Tp HCM, ngày tháng năm 2010 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Võ Tấn Phương Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 29-04-1985 Nơi sinh: Bình Định Chun ngành: Khoa học máy tính MSHV: 00708752 1- TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu thực hệ thống xác định/định vị đối tượng 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: Nghiên cứu công nghệ nhận dạng đối tượng sóng vơ tuyến (Radio Frequency Identification - RFID), cơng nghệ định vị đối tượng hệ thống định vị toàn cầu (Global PositionSystem - GPS) Hiện thực hệ thống quản lý đối tượng di động phạm vi rộng dựa vào thơng tin định dạng thơng tin vị trí đối tượng môi trường web 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : tháng 2/2010 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : tháng 7/2010 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi đầy đủ học hàm, học vị ): Tiến sĩ Trần Văn Hoài, Tiến sĩ Đinh Đức Anh Vũ Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Đinh Đức Anh Vũ TS Trần Văn Hoài cung cấp tài liệu tận tình hướng dẫn suốt trình thực tập hồn thành luận văn tốt nghiệp Tơi xin cảm ơn đến thầy cô khoa trường dạy, cung cấp kiến thức tảng quý báu Để có kết ngày hôm nay, ghi nhớ công ơn gia đình, biết ơn động viên người thân bạn bè Bên cạnh đó, tơi xin cảm ơn giúp đỡ nhiệt tình anh chị, bạn câu lạc phần cứng Mặc dù cố gắng hoàn thành thực tập phạm vi khả cho phép chắn khơng tránh khỏi thiếu sót Tơi mong nhận thơng cảm, góp ý tận tình bảo quý thầy cô bạn Tp Hồ Chí Minh tháng năm 2010 i TĨM TẮT LUẬN VĂN Ngày nhu cầu tự động hóa quản lý nói chung tự động hóa quản lý đối tượng di động nói riêng ngày lớn Nhu cầu hệ thống quản lý tàu biển, quản lý container, quản lý xe ví dụ Xuất phát từ nhu cầu thực tế quản lý đối tượng di động, đề tài “Nghiên cứu thực hệ thống xác định/định vị đối tượng” tiến hành Đề tài chia làm hai phần, phần thứ nghiên cứu công nghệ xác định/định vị đối tượng, từ lựa chọn cơng nghệ xác định/định vị đối tượng phù hợp cho việc xây dựng hệ thống xác định/định vị đối tượng Các cơng nghệ chọn cơng nghệ nhận dạng đối tượng sóng vơ tuyến (Radio Frequency Identification - RFID), công nghệ định vị đối tượng hệ thống định vị toàn cầu (Global PositionSystem - GPS), công nghệ truyền liệu sử dụng dịch vụ vơ tuyến gói tổng hợp (General Packet Radio Service - GPRS) để kết nối Internet Phần thứ hai xây dựng hệ thống quản lý đối tượng di động phạm vi rộng dựa vào thông tin định dạng thơng tin vị trí đối tượng Báo cáo luận văn tổ chức thành ba phần, phần đầu (chương một) giới thiệu tổng quan hệ thống xác định/định vị đề nghị Phần (gồm chương: hai, ba, bốn, năm) trình bày cơng nghệ chọn Phần cuối (chương 6) trình bày thực hệ thống xác định/định vị đề nghị ii Mục Lục -x y LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT LUẬN VĂN ii CHƯƠNG 1.1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG XÁC ĐỊNH/ĐỊNH VỊ ĐỐI TƯỢNG Các công nghệ xác định đối tượng 1.1 Các công nghệ định vị đối tượng 1.2 Các ứng dụng liên quan đến đề tài 10 1.3 Hệ thống xác định/định vị đối tượng đề nghị .11 CHƯƠNG TỔNG QUAN HỆ THỐNG RFID 13 2.1 Các thành phần hệ thống RFID 13 2.2 Phân loại thẻ RFID 15 CHƯƠNG TỔNG QUAN HỆ THỐNG GPS 17 3.1 Giới thiệu GPS 17 3.2 Cấu trúc hệ thống GPS 17 3.3 Phương pháp xác định tọa độ sử dụng thông tin GPS 21 3.4 Phương pháp xác định vận tốc sử dụng thông tin GPS .23 3.4.1 Phương pháp cổ điển 23 3.4.2 Phương pháp sử dụng hiệu ứng Doppler 23 3.5 Máy thu GPS .24 3.6 Tín hiệu GPS .26 3.7 Cấu trúc tín hiệu GPS 29 3.8 GPS Time 30 CHƯƠNG 4.1 GPS ENGINE ET-332 VÀ CHUẨN NMEA-0183 33 GPS Engine ET-332 33 4.1.1 Giao thức truyền nhận liệu 33 4.1.2 Mô tả chân giao tiếp 34 4.1.3 Đặc tính kỹ thuật 35 4.2 Chuẩn giao tiếp NMEA 0183 .36 4.2.1 Giới thiệu chuẩn giao tiếp NMEA 0183 36 4.2.2 Cấu trúc câu NMEA 36 4.2.3 Các câu NMEA GPS Engine ET-332 hỗ trợ 37 CHƯƠNG MODEM GSM SIM508 VÀ TẬP LỆNH AT 46 5.1 Modem GSM SIM508 46 5.1.1 Giới thiệu 46 5.1.2 Sơ đồ khối chức SIM508 48 5.2 Giới thiệu tập lệnh AT 49 5.3 Các câu lệnh AT 50 5.3.1 Cú pháp chung lệnh AT 50 5.3.2 Các lệnh AT 50 5.4 Cách gửi nhận tin nhắn sử dụng câu lệnh AT 57 5.4.1 Gửi tin nhắn 57 5.4.2 Nhận tin nhắn 58 5.4.3 Xóa tin nhắn 59 CHƯƠNG HIỆN THỰC HỆ THỐNG XÁC ĐỊNH/ĐỊNH VỊ ĐỐI TƯỢNG 60 6.1 RFID Reader .60 6.2 Tracking module 70 6.3 Web Server 80 CHƯƠNG KẾT LUẬN 82 Tài liệu tham khảo .84 Mục Lục Hình -x y Hình 1-1: Tổng quan hệ thống nhận dạng đối tượng tự động (Auto ID) Hình 1-2: Cấu tạo thẻ xử lý Hình 1-3: Mơ hình hệ thống xác định/định vị đối tượng đề nghị 11 Hình 2-1: Ba thành phần hệ thống RFID 13 Hình 3-1: Các thành phần hệ thống GPS 18 Hình 3-2: Các vệ tinh hệ thống GPS 18 Hình 3-3: Các trạm điều khiển GPS (năm 1994) 20 Hình 3-4: Một thiết bị thu GPS 20 Hình 3-5: Hai mặt cầu cắt tạo thành đường tròn 21 Hình 3-6: Mặt cầu cắt đường tròn hai điểm 22 Hình 3-7: Sơ đồ cấu tạo máy thu GPS 25 Hình 3-8: Khối antenna, tiền khuếch đại xử lý trung tâm máy thu GPS 26 Hình 3-9: Nhiễu ngẫu nhiên 28 Hình 3-10: Cấu trúc tín hiệu GPS 29 Hình 4-1: GPS Engine ET-332 33 Hình 4-2: Sơ đồ bố trí chân ET-332 34 Hình 5-1: Modem GSM SIM508 46 Hình 5-2: Sơ đồ khối chức SIM508 47 Hình 5-3: Gửi tin nhắn SMS 57 Hình 5-4: Nhận tin nhắn 58 Hình 6-1: Mơ hình hệ thống xác định/định vị đối tượng đề nghị 60 Hình 6-2: Sơ đồ khối đầu đọc thẻ RFID 61 Hình 6-3: Bản mẫu đầu đọc thẻ RFID 125KHz 61 Hình 6-4: Thẻ RFID với chuẩn EM4100 62 Hình 6-5: Tốc độ liệu (bit rate) 62 Hình 6-6: Sơ đồ khối thẻ EM4100 63 Hình 6-7: Tổ chức liệu bên EM4100 64 Hình 6-8: Mã hóa Manchester 65 Hình 6-9: Khối xử lý 65 Hình 6-10: Khối thu phát tín hiệu 66 Hình 6-11: Khối giao tiếp 67 Hình 6-12: Lưu đồ giải thuật chương trình 68 Hình 6-13: Sơ đồ khối module theo dõi 70 Hình 6-14: Bản mẫu module theo dõi 71 Hình 6-15: Khối ổn áp 71 Hình 6-16: Khối điều khiển nguồn 72 Hình 6-17: Khối vi điều khiển IO 73 Hình 6-18: Khối SIM508 74 Hình 6-19: Khối nhớ 75 Hình 6-20: Lược đồ chương trình điều khiển 76 Hình 6-21: Cấu trúc liệu thông tin GPS 77 Hình 6-22 Giản đồ giải thuật phân tích liệu GPS 78 Hình 6-23: Sơ đồ máy trạng thái phân tích NMEA 79 Hình 6-24: Hiển thị thông tin đối tượng Google Map 80 Hình 6-25: Lược đồ xử lý theo dõi đối tượng trực quan 81 Mục Lục Bảng -x y Bảng 4-1: Các chân giao tiếp Board ET-332 35 Bảng 4-2: Câu GPGGA 39 Bảng 4-3: Câu GPRMC 41 Bảng 4-4: Câu GPGSA 43 Bảng 4-5: Câu GPGSV 44 Bảng 4-6: Câu PSRF100 45 Bảng 5-1: Các câu lệnh khởi động AT Command 51 Bảng 5-2: Các câu lệnh tổng quát AT Command 52 Bảng 5-3: Các câu lệnh AT gửi nhận tin nhắn 54 Bảng 5-4: Các câu lệnh điều khiển gọi 55 Bảng 5-5: Các câu lệnh điều khiển card liệu 55 Bảng 5-6: Các câu lệnh điều khiển điện thoại 56 Chương 1: Tổng quan hệ thống hệ thống xác định/định vị đối tượng CHƯƠNG TỔNG QUAN HỆ THỐNG XÁC ĐỊNH/ĐỊNH VỊ ĐỐI TƯỢNG Quản lý đối tượng cách tự động yêu cầu thiết yếu tổ chức nhân Một hệ thống quản lý đối tượng bao gồm phận đặt trưng hoá đối tượng (phân biệt đối tượng với đối tượng khác), phận nhận dạng đối tượng dựa vào thuộc tính phận đặt trưng hố đối tượng, phận thu thập xử lý liệu từ phận nhận dạng Các đối tượng cần quản lý đa dạng bao gồm vật dụng nhà, cơng cụ lao động tài sản xí nghiệp, hàng hố siêu thị, động vật hoang dã, vật ni, phương tiện lại, người … Thông thường đối tượng cần phải gắng phận đặt trưng hoá Tuy nhiên dựa vào đặt trưng sẵn có đối tượng, chẳng hạng dấu vân tay, giọng nói người Bộ phận đặt trưng hố gán cho đối tượng dãy số theo định dạng Các dạng số hố đối tượng thường dùng mã vạch (barcode), thẻ từ, thẻ RFID (Radio Frequency Identification) Bộ phận nhận dạng đối tượng tương ứng với đặt trưng đối tượng: đầu đọc dấu vân tay, máy đọc mã vạch, đầu đọc thẻ từ, đầu đọc thẻ RFID…Dữ liệu từ phận nhận dạng đối tượng xử lý chỗ (ví dụ: kiểm soát đối tượng vào ra) hay tập hợp đưa vào chương trình phân tích, tổng hợp Các chương trình quản lý đối tượng có khả di chuyển thường cần thêm thơng tin khác thơng tin vị trí đối tượng Ví dụ, hệ thống quản lý phao biển quản lý thông tin mã số phao, thơng tin tình trạng tốt xấu phao thơng tin vị trí tọa độ phao bị thay đổi Hệ thống xác định/định vị đối tượng đề cập đề tài hệ thống quản lý đối tượng di động phạm vi rộng 1.1 Các công nghệ xác định đối tượng Barcode: barcode mã nhị phân mã hóa thành khoảng trống vạch có hình dạng song song Chúng sếp theo qui tắc xác định trước nhằm biểu diễn thành phần liệu ký tự Chuỗi vạch khoảng trống với độ rộng hẹp khác Chương 1: Tổng quan hệ thống hệ thống xác định/định vị đối tượng dịch thành số hay ký tự Đối tượng quản lý dán mã vạch có mã quy định trước cho đối tượng Optical Charater Recognition (OCR): phương pháp xác định đối tượng cách sử dụng font đặt biệt để mã hóa kiểu ký tự liệu Do đọc cách tư nhiên người hay tự động hóa máy móc OCR dùng lĩnh vực sản xuất, dịch vụ, quản trị đặc biệt phổ biến ngân hàng với việc số hóa đơn đăng ký tài khoản, chi trả ngân phiếu Biomatric procedure: cách dùng phận thể người vân tay, đồng tử mắt, ADN, giọng nói, khn mặt cho việc xác định đối tượng người Hai ứng dụng quang trọng sử dụng hiệu phương pháp dùng giọng nói (Voice identfication) phương pháp dùng dấu vân tay (Fingerprint procedure) để nhận diện đối tượng Hình 1-1: Tổng quan hệ thống nhận dạng đối tượng tự động (Auto ID) Smart card: thẻ thông minh hệ thống lưu trữ liệu điện tử với khả tính tốn đóng gói vào thẻ nhựa có kích thước thẻ tín dụng ngân hàng Các đầu đọc thẻ thơng minh tiếp xúc điện trực tiếp với thẻ thông minh Thẻ thông minh cung cấp Chương 1: Tổng quan hệ thống hệ thống xác định/định vị đối tượng lượng xung đồng hồ thông qua bề mặt tiếp xúc từ đầu đọc Dữ liệu truyền qua lại thẻ đầu đọc thông qua chân truyền nối tiếp hai chiều Thẻ thơng minh có hai loại thẻ lưu trữ (memory card) thẻ xử lý (microprocessor card) Radio Frequency Identification (RFID): hệ thống RFID giống hệ thống thẻ thông minh Giống hệ thống thẻ thông minh, liệu lưu trữ thiết bị điện tử gọi transponder Tuy nhiên transponder đầu đọc không tiếp xúc trực tiếp với nhau, lượng cho transponder hoạt động liệu trao đổi thông qua trường điện từ từ trường RFID cơng nghệ với nhiều đặc tính vượt trội so với hệ thống nhận dạng khác RFID công nghệ lựa chọn đề tài Hệ thống RFID mơ tả chương Hình 1-2: Cấu tạo thẻ xử lý 1.1 Các công nghệ định vị đối tượng Các kỹ thuật định vị đối tượng phạm vi rộng (phạm vi tòa nhà, phạm vi thành phố, phạm vi quốc gia hay phạm vi toàn cầu) thực theo hai cách: tự định vị (selfpositioning) định vị xa (remote positioning) Theo phương pháp tự định vị, trạm di động sử dụng tín hiệu truyền từ trạm phát (có thể mặt đất vệ tinh nhân tạo) để tính tốn vị trí Cụ thể hơn, trạm di động đo đạt vị trí đến trạm phát thơng qua đặt tính tín hiệu nhận từ trạm phát để xác định vị trí Các tín hiệu truyền nhận sóng vơ tuyến hay sóng siêu âm Trong phương pháp này, hệ thống định vị toàn cầu (GPS) ví dụ điển hình GPS hệ thống định vị toàn cầu gồm 24 vệ tinh nhân tạo Các Chương 1: Tổng quan hệ thống hệ thống xác định/định vị đối tượng vệ tinh nhân tạo phát thơng điệp định vị để module thu dựa vào để xác định vị trí Đề tài sử dụng công nghệ định vị GPS để xác định vị trí đối tượng Kỹ thuật thứ hai gọi định vị xa Theo phương pháp này, trạm cố định xác định vị trí đối tượng di động dựa vào việc đo đạt tín hiệu liên lạc đối tượng di động với tập trạm cố định Cụ thể hơn, trạm cố định đo đạt tín hiệu từ đối tượng di động, kết đo đạt trạm cố định tập hợp lại để xác định khoảng cách hướng di chuyển từ đối tượng đến trạm, sau vị trí đối tượng tính tốn từ quan hệ hình học biết trước trạm cố định Cell Identification (Cell-ID) ví dụ điển hình cho phương pháp Phương pháp Cell-ID dựa khả xác định vị trí xấp xỉ điện thoại dựa vào vị trí cell giao tiếp với điện thoại thời điểm mạng di động 1.2 Các ứng dụng liên quan đến đề tài Các nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài tập trung vào xây dựng ứng dụng dựa công nghệ xác định/định vị đối tượng; vấn đề an tồn tính riêng tư hệ thống xác định/định vị đối tượng; cải tiến tốc độ xác định/định vị đối tượng, đảm bảo quản lý thông suốt áp dụng quản lý đối tương diện rộng Các ứng dụng quản lý đối tượng hàng hố, cơng cụ lao động dần chuyển từ việc sử dụng mã vạch sang việc sử dụng RFID để số hoá đối tượng Việc chuyển đổi công nghệ mã vạch sang công nghệ RFID dựa ưu điểm RFID so với mã vạch: thẻ RFID có khả chứa nhiều thơng tin hơn, khả đọc ghi thông tin, khả quét đồng thời nhiều thẻ, khoảng giao tiếp xa hơn, chi phí ngày giảm Các cơng trình nghiên cứu động vật hoang dã sử dụng công nghệ GPS (Global Positioning System) RFID để thu thập liệu tập quán di cư, nơi Các vật gắng thẻ RFID module GPS để gửi liệu vị trí, thời gian trung tâm xử lý liệu Trong giao thông, nhiều hệ thống quản lý phương tiện giao thông đời dựa công nghệ xác định/định vị đối tượng Hệ thống thu phí cầu đường tự động (Electronic Toll Collection System) sử dụng công nghệ RFID xác định xe thu phí, phí trừ cách tự động tài khoản chủ xe đăng ký, thủ tục chi trả nhanh, giảm đáng kể thời gian thu phí Hệ 10 Chương 1: Tổng quan hệ thống hệ thống xác định/định vị đối tượng thống giám sát theo dõi phương tiện giao thông (Vehicle Tracking System) sử module GPS Module cung cấp thông tin vị trí, vận tốc xe Dữ liệu lưu lại hay truyền định kỳ đến server thu thập liệu thông qua kết nối GSM/GPRS (Global System for Mobile communications/General Packet Radio Service) hiển thị trực quan vị trí mà xe đồ số 1.3 Hệ thống xác định/định vị đối tượng đề nghị Hình 1-3: Mơ hình hệ thống xác định/định vị đối tượng đề nghị Sau q trình nghiên cứu cơng nghệ xác định/định vị đối tượng, công nghệ RFID, công nghệ GPS công nghệ GPRS lựa chọn để xây dựng hệ thống xác định/định vị đối tượng Hệ thống xác định/định vị đối tượng gồm có thiết bị gắn đối tượng module theo dõi (tracking module) đầu đọc thẻ RFID (RFID reader) chương trình quản lý đối tượng xây dựng thực thi môi trường web Module theo dõi bao gồm vi điều khiển giao tiếp với module GPS module GSM/GPRS Module theo dõi có khả kết nối nhận liệu từ đầu đọc thẻ RFID Module GPS nhận thông tin vị trí từ hệ thống vệ tinh GPS truyền cho vi điều khiển theo giao thức NMEA (National Marine Electronic Association) Vi điều khiển phân 11 Chương 1: Tổng quan hệ thống hệ thống xác định/định vị đối tượng tích liệu nhận từ module GPS để có thơng tin kinh độ, vĩ độ, vận tốc, thời gian đối tượng Mỗi module GSM/GPRS có số định dạng IMEI (International Mobile Equipment Identity) phạm vi tồn cầu, số IMEI làm số định dạng cho đối tượng Khi đầu đọc thẻ RFID kết nối với module theo dõi, vi điều khiển đóng gói thơng tin nhận từ đầu đọc thẻ RFID thơng tin vị trí, vận tốc, thời gian từ module GPS để gửi lên webserver thông qua kết nối GPRS cung cấp từ module GSM/GPRS Chương trình webserver lưu thơng tin nhận từ module theo dõi vào sở liệu Người dùng đăng nhập vào webserver để theo dõi, quản lý đối tượng Thơng tin vị trí đối tượng hiển thị trực quan đồ Với phần cứng đầu đọc thẻ RFID module theo dõi, tùy biến kết hợp với cấu hình sau: • Đối tượng gắn đầu đọc thẻ RFID: Lúc đối tượng trở thành trạm đầu cuối quản lý đối tượng khác có gắn thẻ RFID Các ứng dụng hệ thống kiểm soát bãi giữ xe, hệ thống kiểm soát nhân viên vào ra, hệ thống kiểm soát hàng hóa nhà kho… • Đối tượng gắn module theo dõi: Lúc đối tượng xác định thông qua số nhận dạng module theo dõi, đối tượng xác định vị trí nhờ thơng tin vị trí lấy từ máy thu GPS Các ứng dụng hệ thống quản lý xe taxi, hệ thống quản lý xe cứu hỏa/cứu thương, hệ thống quản lý tàu biển, hệ thống thu phí xe tự động, hệ thống thông báo bến đỗ tự động cho xe buýt… • Đối tượng gắn module theo dõi có gắn đầu đọc thẻ RFID: Lúc liệu từ đầu đọc thẻ RFID đưa vào module theo dõi Hệ thống quản lý đối tượng có số nhận dạng đối tượng (chính số nhận dạng module theo dõi), vị trí đối tượng (thơng tin vị trí lấy từ máy thu GPS) liệu từ đầu đọc thẻ RFID Các ứng dụng hệ thống quản lý xe bt có kèm tính phí hành khách tự động, hệ thống quản lý tàu lửa… 12 Chương 2: Tổng quan hệ thống RFID CHƯƠNG TỔNG QUAN HỆ THỐNG RFID 2.1 Các thành phần hệ thống RFID Hệ thống RFID gồm có thành phần chính: • Thẻ (transponder/tag) gồm có antenna, chip có nguồn ni (battery) • Bộ phận đọc (reader) bao gồm antenna, module xử lý RF module điều khiển, giao tiếp với ứng dụng • Ưng dụng (controller/application) điều khiển quản lý sở liệu Hình 2-1: Ba thành phần hệ thống RFID Thẻ phận đọc giao tiếp với thông qua sóng radio Khi thẻ vào vùng giám sát phận đọc, thẻ truyền thông tin lưu trữ Thơng tin thẻ bao gồm số nhận dạng (serial number), mốc thời gian, lệnh cấu hình…Khi phận đọc nhận liệu từ thẻ, thơng tin truyền lên cho ứng dụng Ứng dụng sử dụng thơng tin với nhiều mục đích khác nhau, chẳng hạn kiểm tra số nhận dạng có sở liệu hay không Một hệ thống RFID bao gồm nhiều phận đọc kết nối thành mạng nối vào máy chạy ứng dụng Một đọc giao tiếp đồng thời với nhiều thẻ khác Với cơng nghệ tại, giao tiếp đồng thời với tốc độ 1000 thẻ giây 13 Chương 2: Tổng quan hệ thống RFID Thẻ mức độ đơn giản gồm antenna kết nối với chip đóng gói dạng thẻ sử dụng Chip chứa nhớ lưu trữ thông tin thẻ, nhớ đọc hay vừa đọc vừa ghi Thẻ chia làm hai loại thẻ bị động (passive tag) thẻ chủ động (active tag) tùy theo thẻ khơng có nguồn ni hay có nguồn ni Bộ đọc thể đóng vai trị cầu nối thẻ ứng dụng Bộ đọc thẻ có chức bản: • Đọc nội dung liệu từ thẻ • Ghi liệu vào thẻ • Truyền nhận thơng tin từ ứng dụng • Cung cấp lượng cho thẻ (thẻ bị động) Ngoài đọc thẻ cịn có chức phụ: • Chống đụng độ giao tiếp với nhiều thẻ lúc, hay giao thoa sóng với phận đọc khác • Xác thực thẻ (authentication) chống truy cập bất hợp lệ vào hệ thống • Mã hóa liệu đảm bảo tính bảo mật liệu Ứng dụng điều khiển phận đọc toàn hệ thống, cung cấp thông tin quản lý cấp cao cho người sử dụng hệ thống Một yếu tố quan trọng hệ thống RFID tần số sóng radio sử dụng khoảng cách giao tiếp thẻ phận đọc Hệ thống RFID sử dụng băng tầng số thấp băng tầng số cao Băng tầng thấp: • Low frequency: 125-134KHz • High frequency: 13.56MHz 14 Chương 2: Tổng quan hệ thống RFID Băng tầng cao: • Ultra-high frequency: 860-960MHz • Microwave: 2.5GHz Băng tầng thấp khoảng cách giao tiếp phận đọc thẻ bị động nhỏ 0.5m Băng tầng cao khoảng cách giao tiếp lớn từ 1m đến 10m 2.2 Phân loại thẻ RFID Các thẻ RFID phân loại dạng: thụ động, bán thụ động (hay bán tích cực), tích cực Thẻ thụ động Các thẻ RFID thụ động nguồn cung cấp bên Dịng điện cảm biến bên anten từ tín hiệu tần số vơ tuyến đến đủ cung cấp cơng suất cho mạch tích hợp CMOS thẻ để phát đáp ứng Hầu hết thẻ thụ động nhận tín hiệu nhờ tín hiệu sóng mang tán xạ ngược lại từ đọc thẻ Điều có nghĩa anten phải thiết kể để vừa nhận cơng suất từ tín hiệu đến truyền tín hiệu tán xạ Đáp ứng thẻ thụ động RFID không số nhận dạng ID (GUID); chíp thẻ chứa nhớ EEPROM để lưu trữ liệu Do khơng có nguồn cung cấp gắn liền mạch nên thẻ có kích thước nhỏ: sản phẩm thương mại sẵn có gắn lớp da Kích thước thiết bị khoảng 0.15 mm x 0.15 mm, mỏng độ dày trang giấy (7.5 µm) Thêm vào anten tạo cho thẻ có kích thước thay đổi từ kích thước tem bưu điện đến kích thước thẻ bưu Các thẻ thụ động có khoảng cách đọc thực tế khoảng mm lên đến vài mét tuỳ thược vào tần số vơ tuyến lựa chọn kích thước/ thiết kế anten Nhờ đơn giản thiết kế mà anten thích hợp để sản xuất Các thẻ thụ động RFID không yêu cầu nguồn nhỏ với thời gian tồn không giới hạn Các thẻ silicon làm từ chất bán dẫn polime phát triển số cơng ty tồn cầu Năm 2005, PolyIC (Đức) Philips (Hà Lan) hợp tác thử nghiệm in thẻ polime hoạt động 15 Chương 2: Tổng quan hệ thống RFID băng tần 13.56MHz Nếu thương mại hố thành cơng, thẻ polime trở nên dễ in, giống tờ tạp chí có chi phí thẻ silicon Loại thẻ bán thụ động Các thẻ RFID bán thụ động giống với thẻ thụ động ngoại trừ chi tiết pin nhỏ Loại pin cho phép IC thẻ cấp nguồn lượng không đổi, loại bỏ nhu cầu thiết kế anten để lấy nguồn từ tín hiệu đưa đến Vì anten tối ưu với tín hiệu bị tán xạ Do thẻ RFID bán thụ động đáp ứng nhanh ổn định không hiệu thẻ tích cực Loại thẻ tích cực Khơng thẻ thụ động, thẻ RFID tích cực có nguồn cấp bên để cung cấp cho IC tạo thành tín hiệu đầu Các thẻ tích cực thường ổn định (ít lỗi hơn) thẻ thụ động khả kết nối "phiên" với đầu đọc Nhờ có nguồn cung cấp onboard nên thẻ tích cực phát cơng suất cao thẻ thụ động, cho phép chúng hoạt động hiệu mơi trường có "tần số vơ tuyến thay đổi" (người, gia xúc) nước, kim loại nặng (xe tải, container trở hàng) khoảng cách xa Nhiều thẻ tích cực có khoảng cách hoạt động vài trăm mét thời gian pin nên tới 10 năm Một số thẻ tích cực cịn bao gồm cảm biến (sensor) cảm biến nhiệt độ dùng để giám sát độ chín giám sát nhiệt độ sản phẩn dễ bị hỏng Các cảm biến khác gắn với thẻ RFID tích cực như: độ ẩm, va đập/biến động, ánh sáng, phóng xạ, nhiệt độ khơng khí etylen Các thẻ tích cực thường có dải hoạt động dài (xấp xỉ khoảng 300 feet) nhớ lớn thẻ thụ động lưu trữ thêm thông tin từ phát đáp Hiện tại, thẻ tích cự nhỏ có kích thước tương đương đồng xu bán với giá vài đôla 16 Chương 3: Tổng quan hệ thống GPS CHƯƠNG TỔNG QUAN HỆ THỐNG GPS 3.1 Giới thiệu GPS Hệ thống định vị toàn cầu GPS (viết tắt cụm từ The Global Positioning System) hệ thống định vị dựa vệ tinh nhân tạo Các vệ tinh liên tục gửi liệu diện rộng xuống mặt đất thơng qua sóng vơ tuyến Các thiết bị chun dụng mặt đất nhận tín hiệu vơ tuyến xử lí thành thơng tin hữu ích cho người dùng tọa độ địa lý, vận tốc, thời gian Số lượng vệ tinh sử dụng toàn hệ thống 24 vệ tinh, nhiên phép đo ba cạnh tam giác (tên tiếng Anh Trilateration), thiết bị thu cần nhận tín hiệu từ vệ tinh xác định vị trí khơng gian Hệ thống GPS lúc đời có tên NAVSTAR GPS (NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System), phủ Mỹ đầu tư phục vụ cho quân đội Sau vụ tai nạn máy bay 007 hãng Korean Air Lines năm 1983, người ta nhận thông tin định vị phục vụ sống cần thiết khơng qn Từ trở sau, tiện ích hệ thống cung cấp miễn phí cho ứng dụng định vị dân sự, phục vụ kinh tế, khoa học kỹ thuật đời sống người 3.2 Cấu trúc hệ thống GPS Gồm có phần : o Space segment: vệ tinh o Control segment (the ground station): trạm mặt đất o User segment (GPS receiver): phận thu tín hiệu 17 Chương 3: Tổng quan hệ thống GPS Hình 3-1: Các thành phần hệ thống GPS Phần khơng gian: Gồm có 24 vệ tinh GPS quay quanh trái đất lần ngày với tốc độ 7.000 dặm/giờ (khoảng 11.300 km/h) độ cao 12.000 dặm (khoảng 19.300 km) Quỹ đạo vệ tinh thiết kế cho từ điểm mặt đất thấy tối thiểu vệ tinh đồng thời Hình 3-2: Các vệ tinh hệ thống GPS 18 Chương 3: Tổng quan hệ thống GPS Các vệ tinh gửi tín hiệu vơ tuyến xuống mặt đất Tín hiệu mang theo thơng tin vệ tinh: o Vệ tinh gửi thông tin o Vị trí xác vệ tinh o Vệ tinh có hoạt động bình thường khơng o Ngày vệ tinh gửi tín hiệu Tín hiệu truyền xun qua mây, kính hay nhựa Tuy nhiên bị nhiễu vật thể đặc tòa nhà, núi đá hay vật thể có chứa nhiều kim loại hay nước Các vệ tinh nhân tạo hoạt động nhờ lượng mặt trời sử dụng khoảng 10 năm Trạm mặt đất: Các trạm điều khiển mặt đất chịu trách nhiệm kiểm tra khả hoạt động vệ tinh, hợp lệ tín hiệu điều khiển quỹ đạo vệ tinh từ mặt đất Mảng điều khiển bao gồm thành phần sau: o Các trạm theo dõi: Có trạm theo dõi tự động (khơng cần người vận hành), phân bố khắp giới Mỗi trạm có chức theo dõi nhận thơng tin từ vệ tinh GPS, sau gửi thơng tin quỹ đạo thời gian nhận tới trạm điều khiển trung tâm o Trạm điều khiển trung tâm: nằm Colorado Springs, Colorado Trạm nhận thông tin quỹ đạo thời gian từ trạm theo dõi Sau đó, trạm có nhiệm vụ hiệu chỉnh độ xác liệu cần, gửi thơng tin tới vệ tinh thông qua ăng ten mặt đất o Các ăng ten mặt đất: có nhiệm vụ nhận thơng tin xác quỹ đạo thời gian từ trạm điều khiển trung tâm, sau gửi thơng tinh đến vệ tinh tương ứng 19 Chương 3: Tổng quan hệ thống GPS Hình 3-3: Các trạm điều khiển GPS (năm 1994) Phần người sử dụng: Mảng người dùng thiết bị thu GPS Thiết bị thu GPS thường thiết bị cầm tay, dễ dàng mang theo bên Thiết bị thu GPS có nhiệm vụ thu thập xử lý tín hiệu nhận từ vệ tinh GPS, sau xác định hiển thị lên hình vị trí địa lý, vận tốc, thời gian,… Thiết bị thu khơng gửi tín hiệu ngược trở lại vệ tinh Hình 3-4: Một thiết bị thu GPS 20 Chương 3: Tổng quan hệ thống GPS 3.3 Phương pháp xác định tọa độ sử dụng thông tin GPS Việc xác định tọa độ nhu cầu quan trọng người dùng sử dụng thiết bị thu GPS Xác định xác tọa độ mang lại nhiều tiện ích cho sống tìm đường hay biển, theo dõi hành trình xe tải, trợ giúp thơng tin cho phi công, phục vụ công tác cứu hộ khẩn cấp,… Để xác định vị trí máy thu dựa vào thơng tin GPS, người ta sử dụng “Phép đo ba cạnh tam giác” (tên tiếng Anh Trilateration) Phép đo giúp xác định vị trí điểm khơng gian dựa vào khoảng cách đến ba điểm biết Áp dụng vào hệ thống GPS điểm cần xác định vị trí máy thu GPS cịn điểm biết vệ tinh Hình 3-5: Hai mặt cầu cắt tạo thành đường tròn Trước hết, cần tìm khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh Hệ thống GPS bảo đảm địa điểm mặt đất, máy thu GPS nhận tín hiệu từ vệ tinh bầu trời Từ tín hiệu này, xác định khoảng cách từ máy thu GPS 21 Chương 3: Tổng quan hệ thống GPS đến vệ tinh cách dễ dàng sau Khi máy thu nhận thông điệp từ vệ tinh, đọc thơng điệp biết thời điểm vệ tinh gửi thông điệp t1 Căn vào thời điểm nhận thơng điệp t2, máy thu tính thời gian thông điệp truyền T = t2 - t1 Từ đó, dựa vào mối liên hệ quãng đường vận tốc, máy thu GPS tính khoảng cách từ tới vệ tinh gửi thơng điệp R = T.c, c vận tốc sóng vơ tuyến (3×108m/s) Khi máy thu xác định khoảng cách từ tới vệ tinh S1, máy thu hiểu thuộc mặt cầu tâm S1, bán kính R1 Tương tự, xác định khoảng cách từ tới vệ tinh S2, máy thu biết thuộc mặt cầu tâm S2, bán kính R2 Hai mặt cầu cắt tạo thành đường trịn Hình 3-6: Mặt cầu cắt đường trịn hai điểm Vị trí máy thu GPS giới hạn lại đường tròn Để xác định xác vị trí máy thu, cần vệ tinh Khi máy thu xác định khoảng cách từ tới vệ tinh S3, máy thu xác định thuộc mặt cầu tâm S3, bán kính R3 Mặt cầu cắt đường tròn hai điểm Trong hai điểm này, có điểm vị trí máy thu GPS, điểm 22 Chương 3: Tổng quan hệ thống GPS không nằm bề mặt Trái đất Máy thu dựa vào tính chất để xác định vị trí xác Vị trí biểu diễn dạng kinh độ vĩ độ 3.4 Phương pháp xác định vận tốc sử dụng thông tin GPS Xác định vận tốc tính hữu ích máy thu GPS Hầu hết máy thu GPS tích hợp tính tính vận tốc Để tính vận tốc máy thu GPS (so với hệ quy chiếu Trái Đất), có hai phương pháp đưa phương pháp cổ điển dựa vào đạo hàm vị trí theo thời gian phương pháp dựa vào hiệu ứng Doppler 3.4.1 Phương pháp cổ điển Vector vận tốc tính cách lấy đạo hàm vector vị trí Ở cơng thức này: r r v=u t +Δt r −u theo thời gian t Δt vector vị trí máy thu GPS, có gốc tâm Trái Đất vector vận tốc máy thu GPS t thời điểm bắt đầu tính vận tốc Δt khoảng thời gian nhỏ tính từ thời điểm t Các giá trị , t, Δt biết, tính Nhược điểm phương pháp độ xác khơng cao, đặc biệt trường hợp vận tốc máy thu nhỏ so với độ xác tọa độ 3.4.2 Phương pháp sử dụng hiệu ứng Doppler Hiệu ứng Doppler định luật vật lý ứng dụng nhiều phương pháp đo vận tốc xác Giả sử ta có vật A, B vật A phát sóng vơ tuyến có tần số Ft hướng phía vật B Hiệu ứng Doppler phát biểu vật A chuyển động so với vật B với vận tốc vAB sóng mà vật B nhận có tần số Fr ≠ Ft Căn vào độ sai lệch Fr Ft, ta xác định vận tốc tương đối vAB 23 Chương 3: Tổng quan hệ thống GPS Áp dụng vào trường hợp vật A vệ tinh nhân tạo vật B máy thu GPS Sóng mà vệ tinh truyền sóng L1, tần số sóng Ft = 1575.42 MHz Tần số sóng mà máy thu GPS nhận ký hiệu Fr Áp dụng công thức hiệu ứng Doppler: r r ⎛ Fr = Ft ⎜ − v AB a c ⎜ ⎝ Trong đó: ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ Ft tần số sóng vệ tinh phát Fr tần số sóng máy thu nhận c vận tốc ánh sáng, 3×108m/s vận tốc tương đối vệ tinh so với máy thu vector đơn vị có hướng từ máy thu GPS đến vệ tinh Việc xác định vector khơng khó ta biết vị trí máy thu GPS vị trí vệ tinh nhờ vào liệu ephemeris mà vệ tinh gửi Do từ cơng thức ta tính vector vận tốc tương đối vệ tinh so với máy thu Mặt khác ta có cơng thức vận tốc: r v Trong đó: r AB r = v −v A B vận tốc vệ tinh so với mặt đất vận tốc máy thu GPS so với mặt đất Vector xác định nhờ vào liệu ephemeris quỹ đạo vệ tinh Do ta tính vận tốc máy thu GPS so với mặt đất 3.5 Máy thu GPS Cấu tạo máy thu GPS 24 Chương 3: Tổng quan hệ thống GPS Hình 3-7: Sơ đồ cấu tạo máy thu GPS Một máy thu GPS cấu tạo năm thành phần chính: Antenna tiền khuếch đại, tần số vô tuyến đơn vị xử lý, giao diện điều khiển, lưu liệu cấp nguồn Antenna tiền khuếch đại: Antenna dùng cho máy thu GPS có đặc tính tia chúng khơng phải hướng phía nguồn tín hiệu đĩa thu TV vệ tinh Antennas gọn nhẹ có nhiều loại thiết kế khác Có khuynh hướng tích hợp antenna với cấu điện tử máy thu Bộ tần số vô tuyến xử lý máy tính: Bộ tần số vơ tuyến gồm cấu điện tử để thu tín hiệu Cịn xử lý máy tính có nhiệm vụ phân tích tín nhận xuất liệu, bao gồm toạ độ, độ cao, tốc độ số liệu khác tuỳ thuộc vào máy thu GPS cụ thể Bộ xử lý máy tính cịn nơi thu nhận lệnh điều khiển từ người dùng, hiển thị kết tính tốn hình hiển thị xuất kết cần lưu trữ đến thiết bị ghi Giao diện điều khiển: Bộ điều khiển cho phép người vận hành giao tiếp với vi xử lý Kích thước kiểu loại khác lớn máy thu khác nhau, loại nhỏ loại cầm tay có phím mềm xung quanh hình LCD gắn hộp máy thu 25 Chương 3: Tổng quan hệ thống GPS Hình 3-8: Khối antenna, tiền khuếch đại xử lý trung tâm máy thu GPS Bộ lưu liệu: Trong trường hợp máy thu GPS định dùng cho mục đích chun mơn đo đạc liệu đo phải lưu theo cách để xử lý liệu sau Trong trường hợp ứng dụng ITS đo chuyển động phương tiện cần ghi lại tọa độ vận tốc đo từ GPS Nhiều thiết bị lưu trữ liệu dùng khứ bao gồm máy thu băng từ, đĩa mềm băng máy tính v.v Nhưng ngày hầu hết máy thu có sử dụng nhớ cứng (RAM) thẻ nhớ tháo rời Bộ cấp nguồn: Ngày máy thu GPS di chuyển cần nguồn điện thấp Xu hướng áp dụng sử dụng nhiều nguồn điện khác có hiệu xu hướng mạnh hầu hết máy thu GPS hoạt động số nguồn bao gồm pin NiCad Lithium gắn trong, ắc quy bên ngồi ắc quy xe tơ nguồn điện 3.6 Tín hiệu GPS Tín hiệu GPS chứa ba mẩu thông tin khác nhau: mã giả ngẫu nhiên, liệu thiên văn liệu lịch − Mã giả ngẫu nhiên để xác định vệ tinh phát thông tin 26 Chương 3: Tổng quan hệ thống GPS − Dữ liệu thiên văn cho máy thu GPS biết vệ tinh đâu quỹ đạo thời điểm ngày Mỗi vệ tinh phát liệu thiên văn thơng tin quỹ đạo cho vệ tinh vệ tinh khác hệ thống − Dữ liệu lịch phát vệ tinh, chứa thông tin quan trọng trạng thái vệ tinh, ngày Phần tín hiệu cốt lõi để phát vị trí Các vệ tinh GPS phát hai tín hiệu vơ tuyến cơng suất thấp giải L1 L2 (Giải L phần sóng cực ngắn trải rộng từ 0,39 tới 1,55 GHz) GPS dân dùng tần số L1 575,42 MHz giải UHF Tín hiệu truyền trực thị, có nghĩa chúng xuyên qua mây, thủy tinh nhựa không qua phần lớn đối tượng cứng núi nhà Tín hiệu truyền phạm vi ảnh hưởng vệ tinh Mỗi vệ tinh sử dụng atomic clock để trì đồng tín hiệu Message vệ tinh truyền với tốc độ khoảng 50 bit/s, khoảng 12.5 phút, bao gồm thông tin: o Thời gian vệ tinh đồng tín hiệu o Dữ liệu xác quỹ đạo o Thơng tin hiệu chỉnh thời gian để xác định xác thời gian vệ tinh o Dữ liệu gần quỹ đạo vệ tinh o Hiệu chỉnh tín hiệu để tính tốn thời gian truyền tín hiệu o Dữ liệu tầng điện ly o Tình trạng sức khỏe vệ tinh Với gói thơng tin này, máy thu xác định thời gian truyền tín hiệu vị trí xác vệ tinh lúc truyền Mỗi vệ tinh truyền “chữ ký” mà cung cấp ”Chữ ký” gồm có mã PRN (mã giả ngẫu nhiên) gồm 1023 bit 1, lan truyền khoảng 1ms lặp lại liên tục 27 Chương 3: Tổng quan hệ thống GPS Hình 3-9: Nhiễu ngẫu nhiên Mỗi tín hiệu điều chế cách thay đổi pha Sự điều chế (modulation) chuyển đổi từ tín hiệu mang tin tức sang tín hiệu khác mà không làm thay đổi tin tức mang theo Có hai loại chuỗi mã pseudo-random khác mà GPS sử dụng là: Coarse Acquisition Code( Mã C/A ) gọi “Civilian Code” Precise Protected Code ( Mã P) 28 Chương 3: Tổng quan hệ thống GPS 3.7 Cấu trúc tín hiệu GPS Hình 3-10: Cấu trúc tín hiệu GPS − Sơ đồ mô tả mã khác truyền hai tần số sóng mang − Sóng mang có tần số L1 (1575.42 MHz) chứa navigation message tín hiệu SPS (Standard Positioning Service) dùng dân Tín hiệu L1 mang mã C/A, Mã P Nav/Msg Data − Sóng mang có tần số L2 (1227.60 MHz) sử dụng để xử lí vấn đề trễ truyền tầng điện ly, dùng máy thu quân Tín hiệu L2 mang mã P Nav/Msg Data − Có mã nhị phân điều biền vào sóng mang L1, L2: − Mã C/A (Coarse Acquisition) điều biến vào tần số L1 Là mã giả ngẫu nhiên (Pseudo Random Noise (PRN) Code) có tần số 1MHz Mã C/A điều pha vơi tốc độ chip 1.023MHz Mỗi chip khoảng 977.5ns (1/1.023MHz) Mã C/A dài 1ms 29 Chương 3: Tổng quan hệ thống GPS − Mã P (Precise-Code) điều biến vào tần số L1, L2 Mã P mã giả ngẫu nhiên có tần số 10 MHz Trong chế độ Anti-Spoofing (AS) mã P biến thành mã Y, mã Y mã bí mật có máy thu Bộ Quốc Phịng Mỹ có khả giải mã P-code sinh từ mã giả ngẫu nhiên Một PRN gồm có 15,345,000 chips, có chu kỳ 1.5s, PRN cịn lại có 15,345,037 chips Vì vậy, độ dài mã sinh 23,017,555.5 (1.5 * 15, 345, 037) giây, dài 38 tuần Tuy nhiên chiều dài thực tế mã P tuần reset lại tuần Chiều dài 38 tuần chia làm 37 phần khác nhau, vệ tinh sử dụng phần khác mã Có tất 32 vệ tinh nhận dạng, thực tế có 24 vệ tinh quỹ đạo Pcode lại (33-37) sử dụng cho việc khác, ví dụ truyền mặt đất − Navigation Message điều biến vào L1 với C/A Code Là chuỗi liệu nhị phân có tần số 50MHz, chứa thơng tin quỹ đạo vệ tinh, thông tin hiệu chỉnh đồng hồ số tham số khác GPS − Khi thiết bị thu GPS nhận tín hiệu từ vệ tinh tính tốn để đưa liệu bao gồm vị trí, vận tốc thời gian, liệu khác tùy theo loại thiết bị nhận tùy theo quy định nhà sản xuất, tất liệu thiết bị thu GPS kết xuất theo chuẩn định, chuẩn NMEA (National Marine Electronics Association) hay cịn gọi chuỗi NMEA Hiện nay, chuẩn NMEA 0183 chuẩn sử dụng phổ biến 3.8 GPS Time Giờ phối hợp quốc tế UTC − Giờ phối hợp quốc tế hay UTC, chuẩn quốc tế ngày thực phương pháp nguyên tử − Nó dựa chuẩn cũ Greenwich Mean Time (GMT) hải quân Anh đặt vào kỷ thứ 19, sau đổi tên thành Universal Time (UT) 30 Chương 3: Tổng quan hệ thống GPS − Giờ quốc tế có vấn đề định nghĩa ngày thời gian Trái đất quay quanh trục nó, nhiên, tốc độ không cố định, độ dài ngày theo UT lúc − Vào năm 1980 người ta chuyển sang dùng UTC chuẩn dùng nguyên tử quốc tế (TAI), định nghĩa dựa hàng trăm đồng hồ nguyên tử xezi khắp giới − UTC khác với nguyên tử số giây nguyên với quốc tế UT số giây lẻ UTC tính dựa chuẩn tần số nguyên tử thời điểm UTC đồng hóa cho gần với UT thiên văn − Giờ UTC viết bốn chữ số: − Hai số từ 00 đến 23 − Hai số phút từ 00 đến 59 − Khơng có dấu số Ví dụ, phút chiều viết là: 1507 − Tốc độ giây nguyên tử thường nhanh tốc độ trung bình UT Vì vậy, UT chậm lại so với nguyên tử đo đồng hồ nguyên tử − UTC giữ khoảng 0.9 giây với quốc tế UT1 Một vài giây nhuận thêm vào cuối tháng UTC cần thiết − Tất điều chỉnh cộng thêm áp dụng cho ngày 30 tháng sáu 31 tháng mười hai, giây nhuận cộng thêm viết T23:59:60 − Việc thông báo giây nhuận dựa dự báo thiên văn xác vịng quay Trái đất Đơi có giây 60 đơi khơng có giây 59 Hè năm 2004, độ lệch UTC TAI 32 giây (độ chậm hạng nhất) GPS Time Z-Count 31 Chương 3: Tổng quan hệ thống GPS − GPS Time thiết lập sử dụng làm chuẩn thời gian hoạt động GPS − GPS Time thiết lập dựa chuẩn UTC Thời điểm GPS Time (zero time-point) vào khoảng nửa đêm 5, rạng sáng ngày tháng năm 1980 − Đơn vị cao sử dung GPS Time tuần (604800 giây) − GPS Time khác với UTC, GPS Time hiệu chỉnh liên tục, cịn UTC hiệu chỉnh định kì với số nguyên lần giây Độ lệch GPS Time UTC thay đổi, trì mức độ micro giây − Z-Count cung cấp cho người dùng số nhị phân 29-bit gồm có phần: − 19 bits thấp chứa giá trị Time of Week (TOW) − 10 bits cao Z-Count dãy số nhị phân chứa giá trị tuần − Dãy đếm từ đến 1023 Khi kết thúc tuần thứ 1023, GPS week number chuyển đổi 32 Chương 4: Chuẩn NMEA CHƯƠNG GPS ENGINE ET-332 VÀ CHUẨN NMEA-0183 4.1 GPS Engine ET-332 Hình 4-1: GPS Engine ET-332 GPS Engine ET-332 máy thu GPS sử dụng, thành phần quan trọng chip SiRF III Chip SiRF III chip vi điều khiển GPS có độ nhạy cao, công ty SiRF Technology sản xuất Chip vi điều khiển GPS có nhiệm vụ dịch tín hiệu GPS nhận từ vệ tinh thành thông tin thời gian, vị trí thu GPS, vận tốc thu GPS Chip SiRF III truyền nhận liệu theo chuẩn NMEA 0183 Hiệu hội điện tử đường thủy Mỹ Ở chương này, chúng tơi trình bày Board ET-332 chuẩn giao tiếp NMEA 0183 4.1.1 Giao thức truyền nhận liệu Dữ liệu truyền qua hai mức: o Ở mức vật lý, module ET-332 truyền bit liệu giao thức UART RS232 33 Chương 4: Chuẩn NMEA o Ở mức luận lý, module ET-332 truyền thông điệp theo giao thức NMEA 0183 (hoặc SiRF binary), gọi câu NMEA Giao thức NMEA 0183 trình bày mục 4.2 4.1.2 Mơ tả chân giao tiếp Hình 4-2: Sơ đồ bố trí chân ET-332 Chân Tên chân GND Kiểu chân Mô tả Power Chân cấp điện áp đất VBAT Power Chân điện áp cao pin Pin sử dụng để cung cấp điện áp cho RAM Realtime Clock điện áp không cấp chân VDC VDC Power Chân cấp điện áp chiều (3.8 Â 6.5 V) PBRES Input Chân reset (tích cực mức thấp) GPIO1 TXA Không sử dụng Ouput Chân xuất tín hiệu UART (Xuất liệu GPS) 34 Chương 4: Chuẩn NMEA RXA Input Chân nhận tín hiệu UART (Nhận lệnh) GND Power Chân cấp điện áp đất GND Power Chân cấp điện áp đất 10 SELECT 11 TIMEMARK Output Chân liên tục cấp xung có tần số 1Hz (đã đồng với đồng hồ vệ tinh) 12 GND Power Chân cấp tín hiệu đất Khơng sử dụng Bảng 4-1: Các chân giao tiếp Board ET-332 4.1.3 Đặc tính kỹ thuật Tổng quan − Chipset − Tần số − Mã C/A − Giao thức − Kênh − Độ nhạy − Dữ liệu Độ xác − Vị trí − Vận tốc − Thời gian Điều kiện hoạt động − Độ cao − Vận tốc di chuyển − Gia tốc − Độ rung − Nhiệt độ (môi trường) Năng lượng − Nguồn cung cấp − Năng lượng tiêu thụ SiRF StarIII L1, 1575.42 MHz 1.023 MHz chip rate hỗ trợ NMEA 0183 SiRF binary hoặt động lúc 20 kênh -159 dBm mặc định WGS-84 10m, 2D RMS 5m, 2D RMS, WAAS enabled 0.1 m/s 1us sau đồng với GPS tối đa 18000m (60000 feet) tối đa 515m/s (1000 knots) nhỏ 4g (36 m/s2) giới hạn 20m/s (3 chiều) từ -400C đến +850C 3.8V ~ 6.5V DC 75mA (ở chế độ hoặt động liên tục) 30mA (ở chế 35 Chương 4: Chuẩn NMEA tiết kiệm lượng) − Điện áp ngỏ xuất 0V ~ 2.85V (TTL level) Giao diện − Tốc độ truyền liệu (baud rate) từ 4800 đến 57600 − Định dạng liệu xuất nhị phân SiRF NMEA (chỉ hỗ trợ GGA, GSA, GSV, RMC VTG GLL 4.2 Chuẩn giao tiếp NMEA 0183 4.2.1 Giới thiệu chuẩn giao tiếp NMEA 0183 NMEA từ viết tắt tên tiếng Anh Hiệp hội điện tử đường thủy Mỹ (Nation Marine Electronics Association) Hiệp hội đưa đặc tả giao tiếp điện áp liệu cho thiết bị điện tử sử dụng đường thủy, với tên gọi NMEA 0183 Các thiết bị điện tử đường thủy sử dụng chuẩn giao tiếp kể đến: máy đo độ sâu dùng âm thanh, máy đo vận tốc gió, la bàn hồi chuyển, hệ thống lái tự động cho tàu máy thu GPS Ở mức vật lý, NMEA 0183 quy định truyền bit theo giao thức UART RS-232 với bit liệu, bit stop, khơng có parity hỗ trợ nhiều tốc độ truyền nhận khác (mặc định 4800 bit/s) Ở mức luận lý, NMEA 0183 quy định cấu trúc thông điệp dùng ký tự ASCII Các thông điệp gọi câu NMEA Ở mục sau nói rõ câu NMEA 4.2.2 Cấu trúc câu NMEA o Mỗi câu NMEA bắt đầu ký tự $ o Các ký tự sau dấu $ biểu loại câu, gồm có hai phần: phần đầu định nghĩa thiết bị sử dụng câu, phần sau xác định ý nghĩa câu 36 Chương 4: Chuẩn NMEA Ví dụ: $GPGGA, ký tự đầu GP cho biết thiết bị GPS, ký tự sau GGA cho biết ý nghĩa câu GGA o Các trường liệu phân cách dấu “,” o Khi trường liệu cuối kết thúc, ký tự tiếp sau dấu “*” o Sau dấu “*” ký tự số checksum miêu tả số hex Checksum phép XOR bit tất ký tự dấu “$” dấu “*” Checksum không bắt buộc hầu hết câu liệu bắt buộc RMA, RMB RMC o Câu kết thúc với ký tự Ví dụ câu NMEA hoàn chỉnh: $GPGGA,161229.487,3723.2475,N,12158.3416,W,1,07,1.0,9.0,M,,,,000*18 4.2.3 Các câu NMEA GPS Engine ET-332 hỗ trợ Các câu NMEA nói chung NMEA GPS nói riêng chia làm hai loại output input Các câu output cung cấp thơng tin GPS Các câu output thường gặp gồm có: o GPGGA: thời gian, vị trí liệu tĩnh o GPRMC: thời gian, ngày, vị trí, vector vận tốc (độ lớn + hướng) o GPGSA: chế độ hoạt động thu GPS, vệ tinh sử dụng giá trị DOP o GPGSV: thông tin vệ tinh mà máy thu GPS “nhìn thấy” Đối với câu NMEA input, thường câu đặc thù nhà sản xuất, chẳng hạn Garmin, SiRF, Motorola, SiRF đưa câu input Trong đó, câu input hay dùng là: o PSRF100: thiết lập protocol (SiRF binary hay NMEA) thông số liên quan đến UART RS-232 4.2.3.1 Câu GPGGA (GPS Fix Data) Câu GGA cung cấp liệu kinh độ, vĩ độ, độ cao, số vệ tinh nhìn thấy được, độ sai số vị trí tương đối vệ tinh đem lại Ví dụ: $GPGGA, 123456.789,1023.2475,N,10658.3416,W,1,07,1.0,9.0,M,,,,000*18 37 Chương 4: Chuẩn NMEA Thành phần Ví dụ Đơn vị Mơ tả Message ID $GPGGA UTC Time 123456.789 hhmmss.sss Vĩ độ 1032.2475 ddmm.mmmm Bắc/Nam N Kinh độ 10658.3416 Đông/Tây E E = đông, W = tây Position Fix Indicator = liệu không hợp lệ Câu NMEA cho thiết bị GPS, loại câu GGA 12 34 phút 56giây 789/1000 giây (Muốn biết Hà Nội ta cộng thêm tiếng) 10 độ 32 phút 2475/10000 phút N = bắc, S = nam dddmm.mmmm 106 độ 58 phút 3416/10000 phút = liệu GPS hợp lệ = liệu DGPS hợp lệ Số vệ tinh sử dụng 07 từ đến 12 HDOP 1.0 MSL Altitude 9.0 mét Mean Sea Level Altitude: độ cao so với mực nước biển trung bình Units M mét Đơn vị MSL Altitude Horizontal Dilution Of Position Xem thích (*) để biết thêm chi tiết 38 Chương 4: Chuẩn NMEA Chiều cao Geoid Units M Age of Diff Corr Diff Ref Station ID 0000 Checksum *18 mét Chiều cao mặt Geoid so với mặt Ellipsoid tham chiếu WGS84 Xem thích (**) để biết thêm chi tiết mét Đơn vị chiều cao Geoid giây Thời gian kể từ lúc nhận tín hiệu cập nhật DGPS ID trạm DGPS Xem thích (***) để biết thêm chi tiết kết thúc thơng điệp Bảng 4-2: Câu GPGGA Chú thích: (*) DOP viết tắt cụm từ Dilution Of Position, nói lên ảnh hưởng vị trí tương đối vệ tinh đến xác vị trí máy thu GPS khơng gian Chẳng hạn, vệ tinh mà máy thu GPS nhìn thấy bầu trời nằm gần nhau, ta có số DOP cao, ta khó xác định vị trí máy thu với độ xác cao HDOP (Horizontal DOP) số DOP tương ứng với kinh độ vĩ độ HDOP HDOP HDOP HDOP = = = = 1: lý tưởng; 1÷2: tốt; 2÷5: tốt; 5÷10: bình thường (**) Mặt Geoid mặt tưởng tượng Nó trùng với mực nước biển điều kiện tĩnh (bỏ qua ảnh hưởng thời tiết, dịng chảy) Ngồi mặt Geoid, có nhiều loại mặt mơ tả mặt 39 Chương 4: Chuẩn NMEA Trái Đất Một số mặt WGS84 mặt tham chiếu mô bề mặt Trái Đất hình Ellip trịn xoay đưa năm 1984 (***) DGPS (viết tắt Differential GPS) phương pháp cải tiến độ xác GPS Hệ thống DGPS gồm trạm DGPS Các trạm có chức thu tín hiệu vệ tinh GPS, tính tốn hiệu chỉnh truyền tín hiệu hiệu chỉnh DGPS đến máy thu GPS Mục tiêu cải thiện độ xác cho máy thu GPS Ở Việt Nam, triển khai hệ thống DGPS Quảng Nam Phú Quốc 4.2.3.2 Câu GPRMC (Recommeded Minimum Specific GPS Data) Ngồi thời gian vị trí, GPRMC cịn cung cấp thơng tin ngày, vận tốc, hướng chuyển động Ví dụ: GPRMC,1612293487,A,3723.2475,N12158.3416,W,0.13,309.62,120598,004.2,W*10 Thành phần Ví dụ Message ID $GPRMC UTC Time 161229.487 Status A Đơn vị Mô tả ID câu GPRMC hhmmss.sss 16 12 phút 29 giây 487/1000 giây (giờ quốc tế) A = liệu hợp lệ V = liệu không hợp lệ Vĩ độ 3732.2475 Bắc/Nam N Kinh độ 12158.3416 ddmm.mmmm 37 độ 32 phút 2475/10000 phút N = bắc, S = nam dddmm.mmmm 40 121 độ 58 phút 3416/10000 phút Chương 4: Chuẩn NMEA Đông/Tây W E = đông, W = tây Tốc độ mặt đất 0.13 Knots Vận tốc tính Knot (0.5144444 m/s) Hướng mặt đất 309.62 độ Hướng vector vận tốc so với vector hướng từ máy thu GPS lên hướng Bắc Date 120598 ddmmyy ngày 12 tháng 05 năm 1998 Magnetic Variation 004.2 độ Độ sai lệch phương Bắc Nam la bàn nam châm phương Bắc Nam thật Đông/Tây W Checksum *10 E = đông, W = tây kết thúc thông điệp Bảng 4-3: Câu GPRMC 4.2.3.3 Câu GPGSA (GPS DOP and active satellites) Câu GPGSA cung cấp thông tin số vệ tinh sử dụng DOP DOP (Dilution Of Precision) trình bày phần trên, thơng số cho biết ảnh hưởng vị trí tương đối hình học vệ tinh đến độ xác q trình tìm vị trí DOP nhỏ vị trí xác định xác (1 tương ứng với xác tuyệt đối) Ví dụ: $GPGSA,A,3,07,02,26,27,09,04,15,,,,,,1.8,1.0,1.5*33 Thành phần Ví dụ Đơn vị 41 Mơ tả Chương 4: Chuẩn NMEA Message ID $GPGSA ID câu GPGSA Mode A A = automatic, cho phép tự động chuyển đổi 2D 3D (3D nghĩa ngồi kinh vĩ độ, cịn có thêm độ cao) M = manual, buộc làm việc chế độ 2D hay 3D Mode = chưa xác định vị trí = 2D (sử dụng thơng tin vệ tinh) = 3D (sử dụng thông tin >=4 vệ tinh) Vệ tinh sử dụng 07 ID vệ tinh kênh Vệ tinh sử dụng 02 ID vệ tinh kênh … Vệ tinh sử dụng ID vệ tinh kênh 12 PDOP 1.8 Position DOP: DOP cho tính tốn 3D (kinh vĩ độ độ cao) HDOP 1.0 Horizontal DOP: DOP cho tính tốn 2D (kinh vĩ độ) VDOP 1.5 Vertical DOP: DOP cho tính tốn độ cao 42 Chương 4: Chuẩn NMEA Checksum *33 kết thúc thông điệp Bảng 4-4: Câu GPGSA 4.2.3.4 Câu GPGSV (Satellites in View) Câu GPGSV liệu vệ tinh mà máy thu GPS tìm thấy dựa vào liệu nhận Nó cịn khả nhận liệu Mỗi câu GSV cung cấp liệu vệ tinh cần tới câu để có đầy đủ thơng tin 12 vệ tinh (số lượng tối đa thấy đồng thời) Số lượng vệ tinh GSV nhiều GGA GSV có vệ tinh khơng sử dụng cho việc tính tốn vị trí Các câu GSV khơng xuất thành cụm liền Ví dụ: $GPGSV,2,1,07,07,79,048,42,02,51,062,43,26,36,256,42,27,27,138,42*71 $GPGSV,2,2,07,09,23,313,42,04,19,159,41,15,12,041,42*41 Có vệ tinh quan sát, cần thơng điệp, thơng điệp có vệ tinh Thành phần Ví dụ Đơn vị Mơ tả Message ID $GPGSV ID câu GSV Số lượng thông điệp Từ đến Thứ tự thông điệp Từ đến Vệ tinh quan sát 07 ID vệ tinh 07 ID vệ tinh 43 Chương 4: Chuẩn NMEA Elevation 79 độ Góc đường thẳng nối máy thu GPS với vệ tinh so với mặt đất (tối đa 90) Azimuth 048 độ Góc vector nối máy thu GPS-hình chiếu vệ tinh lên mặt đất vector nối máy thu GPS-cực Bắc (tối đa 360) SNR (C/No) 42 dB Signal to Noise Ration, tỉ số lượng tín hiệu/năng lượng nhiễu, tính theo deciBen SNR lớn tốt (từ đến 99, null không sử dụng) … ID vệ tinh 27 Elevation 27 độ Azimuth 138 độ SNR (C/No) 42 dB Checksum *71 kết thúc thông điệp Bảng 4-5: Câu GPGSV 4.2.3.5 Câu PSRF100 Câu PSRF100 sử dụng để chọn protocol (SiRF binary hay NMEA) thiết lập thông số liên quan đến UART RS-232 44 Chương 4: Chuẩn NMEA Ví dụ: $PSRF100,0,9600,8,1,0*0C Thành phần Ví dụ Đơn vị Mô tả Message ID $PSRF100 P viết tắt Proprietary nghĩa sở hữu riêng, SRF đại diện cho công ti SiRF Số 100 ID câu Protocol 0 = SiRF binary = NMEA Baud 9600 Baudrate cho UART, nhận giá trị 4800, 9600, 19200, 38400 Databits 8 hay Stopbits hay Parity 0 = none = Odd = Even Checksum *0C kết thúc thông điệp Bảng 4-6: Câu PSRF100 45 Chương 5: Tập lệnh AT CHƯƠNG MODEM GSM SIM508 VÀ TẬP LỆNH AT 5.1 Modem GSM SIM508 5.1.1 Giới thiệu Hình 5-1: Modem GSM SIM508 SIM 508 hãng SIMCOM module GSM/GPS băng tần (triband) hoạt động tần số EGSM 900 MHz, DCS 1800 MHz PCS 1900 MHz đồng thời hỗ trợ GPS dùng định vị vệ tinh toàn cầu SIM508 cung cấp GPRS class 10 hỗ trợ kiểu mã hóa CS-1, CS-2, CS-3, CS-4 Với kích thước nhỏ gọn 55mm x 34mm x 3mm, SIM508 phù hợp với nhiều ứng dụng smart phone, PDA, thiết bị GPS cầm tay thiết bị cầm tay khác, ứng dụng định vị đường tự động, dịch vụ vị trí … SIM508 giao tiếp với ứng dụng thông qua connector 80 chân, cung cấp tất giao diện phần cứng board mạch ứng dụng Giao tiếp SPI port giao tiếp với ma trận phím cho phép người dùng linh hoạt trong thiết kế ứng dụng o Một cổng giao tiếp nối tiếp cho GSM cổng giao tiếp nối tiếp cho GPS giúp người dùng dễ dàng phát triển ứng dụng o Hai kênh audio, bao gồm ngõ vào cho micro ngõ loa ngồi, dễ dàng điều khiển thơng qua lệnh AT 46 Chương 5: Tập lệnh AT o Giao tiếp điều khiển sạc pin o Với mạch điện sạc pin tích hợp sẵn bên trong, người dùng dễ dàng thiết kế ứng dụng sử dụng pin sạc Hình 5-2: Sơ đồ khối chức SIM508 47 Chương 5: Tập lệnh AT SIM508 cho phép giao tiếp với antenna GSM thông qua giao diện: antenna connector đế để hàn antenna Loại connector antenna MURATA MM9329-2700 Ngoài antenna người dùng tự thiết kế hàn vào SIM508 SIM508 thiết kế với công nghệ tiết kiệm lượng, dòng điện tiêu thụ chế độ SLEEP khoảng 3mA SIM508 thiết kế với giao thức TCP/IP tích hợp sẵn lệnh AT mở rộng để người dùng sử dụng TCP/IP dễ dàng ứng dụng truyền liệu 5.1.2 Sơ đồ khối chức SIM508 SIM508 bao gồm phần, GSM GPS, đặt board PCB có giao tiếp với ứng dụng ngồi Hình 4.2 cho thấy sơ đồ khối chức SIM508 với phận chức Phần GSM o Module engine GSM với giao tiếp bên giao tiếp SIM card, UART, GPIO, ADC, audio… o Flash RAM o Phần thu sóng RF GSM o Giao tiếp với antenna GSM o Connector giao tiếp với ứng dụng người dùng Phần GPS o Module engine GPS với giao tiếp bên UART o Phần thu sóng RF GPS o Giao tiếp với antenna GPS o Connector giao tiếp với ứng dụng người dùng 48 Chương 5: Tập lệnh AT 5.2 Giới thiệu tập lệnh AT − Tập lệnh Hayes ngôn ngữ lệnh cụ thể phát triển cho Hayes Smartmodem Tập lệnh tập hợp chuỗi lệnh ngắn kết nối với để sinh câu lệnh cụ thể cho hành động Phần lớn modem tuân theo tập lệnh Hayes (Error! Reference source not found.) − Các hành động mà tập lệnh Hayes AT cho phép: • Đọc, ghi xóa tin nhắn SMS • Gửi tin nhắn SMS • Xác định độ lớn tín hiệu • Xác định trạng thái sạc pin trạng thái pin • Gọi điện, cúp máy • Đọc, ghi, tìm kiếm danh bạ điện thoại − GSM modem: modem không dây hoạt động với mạng GSM khơng dây Modem khơng dây hoạt động giống dial-up modem Khác biệt dial-up modem gửi nhận liệu thông qua đường dây điện thoại cố định modem không dây gửi nhận liệu thơng qua sóng vơ tuyến GSM modem thiết bị ngoại vi PC card hay PCMCIA Card Thơng thường GSM modem kết nối với máy tính thơng cáp nối tiếp hay cáp USB Một GSM modem PC Card hay PCMCIA Card thiết kế để sử dụng với máy tính Và giống điện thoại, GSM modem đòi hỏi SIM card để hoạt động − Vậy vấn đề ta cần modem GSM kết nối với máy tính (hay vi xử lý) qua cổng nối tiếp (hay cổng khác GSM hỗ trợ) Máy tính truyền qua câu lệnh Hayes AT, GSM modem sau nhận phân tích câu lệnh này, cú pháp thực thi trả kết Nếu có lỗi xảy ra, GSM modem không thực thi mà trả thông báo lỗi cho máy tính 49 Chương 5: Tập lệnh AT − Trong tập lệnh AT có chế độ: • Chế độ data: chế độ GSM modem gửi tồn nhận từ máy tính mạng GSM • Chế độ command: Các liệu thông dịch cục modem 5.3 Các câu lệnh AT 5.3.1 Cú pháp chung lệnh AT − Một cuỗi lệnh AT bắt đầu với chuỗi “AT” hay “at” ngoại trừ lệnh “A/” “+++” “At” hay “aT” khơng chấp nhận − Vài câu lệnh AT gửi chuỗi lệnh Mọi lệnh viết hoa viết thường Một lệnh AT nên nhỏ 40 ký tự Nếu dùng Hyperteminal (chương trình Window hỗ trợ để giao tiếp qua cổng serial) gõ câu lệnh mà gõ sai khơng thể quay trở lại phím backspace − Một câu lệnh AT bắt buộc phải kết thúc mã , ngoại trừ “+++” “A/” − Một số điện thoại tập hợp ký tự sau: { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,*,=, ; , #, + > } Tất ký tự khác khơng quan tâm − Nếu có lỗi q trình thao tác lệnh ta sử dụng lệnh “ATZ” để reset tất trở trạng thái ban đầu Sau gửi lệnh “ATZ” sau giây sau nên gửi tiếp câu lệnh để bảo đảm câu lệnh thực thi 5.3.2 Các lệnh AT − Vì câu lệnh AT nhiều cú pháp dài nên không liệt kê hết mà liệt kê vài lệnh nêu tác dụng lệnh cịn cú pháp cụ thể lệnh AT xin xem thêm tài liệu (Error! Reference source not found.) Ngoài trọng vào lệnh gửi tin nhắn nhận tin nhắn nên phần ghi kỹ 50 Chương 5: Tập lệnh AT Lệnh Ghi +++ Chuyển từ chế độ data qua chế độ command giây trước sau thực lệnh khơng có ký tự gửi tới modem kể ký tự A/ Lặp lại lệnh trước , lệnh khơng có ký tự ATFn Chọn chế độ truyền F0 Chế độ tự động F1 300bps ATOn Trở lại chế độ data ATZn Reset modem Z0 Trở lại mặc định Z1 Trở lại mặc định Bảng 5-1: Các câu lệnh khởi động AT Command Lệnh Ghi AT+CBAUD=”****” Tốc độ truyền thông nối tiếp “****” tốc độ baud theo yêu cầu Nếu chấp nhận modem đáp lại OK AT+CBAUD? Kiểm tra tốc độ baud AT+CSQ Chất lượng sóng, Dữ liệu đáp lại tình trạng sóng tính theo dBm AT+CPAS Trạng thái GSM modem 51 Chương 5: Tập lệnh AT GSM trả 0: Sẵn sàng 1: Không sẵn sàng 2: trạng thái 3: reng 4: xử lý 5: trạng thái ngủ AT+CPIN Kiểm tra SIM có cần password khơng AT+CPIN=”xxxx” Nếu pin chưa sẵn sàng dùng lệnh để nhập mã pin Bảng 5-2: Các câu lệnh tổng quát AT Command 5.3.2.1 Các câu lệnh để gửi nhận tin nhắn Đây phần quan trọng nên chúng tơi trình bày chi tiết câu lệnh phần Có chế độ phần nhắn tin SMS: • Chế độ Text • Chế độ PDU Khi GSM/GPRS modem hoạt động chế độ khác nhau, định dạng liệu vào/ra tin nhắn SMS sử dụng lệnh SMS AT phải khác Trong chế độ SMS text, phần đầu phần thân tin nhắn SMS mã hóa text thơng thường Cịn chế độ PDU, TPDUs (Transport Protocol Data Units) mã hóa theo dạng hexadecimal Lệnh Ghi 52 Chương 5: Tập lệnh AT AT+CMGF=* Chọn định dạng tin nhắn với • * = PDU mode • * = text mode AT+CSMS Chọn service message AT+ CPMS Chọn vùng lưu trữ message “ME” Vùng nhớ máy “SM” Vùng nhớ SIM AT+CMGL=? Lệnh cho phép gửi toàn tin nhắn nhận nhớ tới thiết bị Ngoài sử dụng lệnh dạng: AT+CMGL=x, Text mode PDU Sẽ liệt kê tất tin nhắn (chưa đọc) máy “REC UNREAD” Sẽ liệt kê tất tin nhắn cũ (đã đọc) máy Sẽ liệt kê tất tin nhắn lưu chưa gửi “REC READ” "STO UNSENT" "STO SENT" "ALL" Sẽ liệt kê tất tin nhắn lưu gửi Sẽ liệt kê tất tin nhắn máy AT+CMGR=“index” Đọc message vị trí index (thường từ 0-75) AT+CMGW Viết message vào vùng nhớ 53 Chương 5: Tập lệnh AT AT+CMGS Lệnh gửi tin nhắn lưu vùng nhớ AT+CMGD=“index” Xóa tin nhắn vị trí index AT+CSCA=“XXX” Chọn số trung tâm, với XXX số trung tâm Thường số trung tâm VN “+84980200030” Kiểm tra số trung tâm AT+CSCA? AT+CNMI“*,*,*,*,*” Chuyển tin nhắn từ modem trực tiếp thiết bị với *,*,*,* = 3,1,0,0,0 Bảng 5-3: Các câu lệnh AT gửi nhận tin nhắn 5.3.2.2 Các câu lệnh điều khiển gọi điện Lệnh Ghi ATA Trả lời điện thoại ATD Gọi điện ATH Cúp máy ATL Độ lớn loa L0 Mức độ thấp L1 Mức độ thấp L2 L3 Mức độ vừa Mức độ cao Điều khiển chế độ speaker ATM 54 Chương 5: Tập lệnh AT Bảng 5-4: Các câu lệnh điều khiển gọi 5.3.2.3 Điều khiển card liệu Lệnh Ghi ATI Định danh card liệu hãng ATIx (1 – 9) Trả chi tiết ATS Chọn ghi AT&F Trở lại cấu hình nhà sản xuất AT&V Xem thiết lập AT&W Lưu thông số profile AT+GMI Yêu cầu tên nhà sản xuất AT+GMM Yêu cầu model card AT+GSN Yêu cầu product serial number Bảng 5-5: Các câu lệnh điều khiển card liệu 5.3.2.4 Điều khiển điện thoại Lệnh Ghi AB+CBC Tình trạng sạc pin AT+CGMI Nhà sản xuất điện thoại 55 Chương 5: Tập lệnh AT AT+CGMM Model điện thoại AT+CGSN Product serial number điện thoại AT+CGSN Trả định danh thiết bị mobile quốc tế AT+CGMR Trả phiên software AT+CPBR Đọc danh bạ điện thoại AT+CPBS Chọn vùng nhớ danh bạn điện thoại AT+CPBW Ghi thêm vào danh bạ điện thoại AT+CPBF Tìm kiếm danh bạ điện thoại Bảng 5-6: Các câu lệnh điều khiển điện thoại 56 Chương 5: Tập lệnh AT 5.4 Cách gửi nhận tin nhắn sử dụng câu lệnh AT 5.4.1 Gửi tin nhắn Hình 5-3: Gửi tin nhắn SMS Dưới giải thích chi tiết dịng lệnh trên: • Dịng 1: “AT” gửi đến GSM modem để kiểm tra kết nối GSM modem gửi trả lại mã kết “OK” (dịng 2), điều đồng nghĩa với kết nối thiết lập • Dịng 3: Lệnh AT+CMGF dùng để khởi động GSM modem hoạt động chế độ SMS text Mã kết “OK” trả (ở dịng 4), nói câu lệnh “AT+CMGF=1” thực thành công Nếu GSM modem trả mã kết “ERROR”, nói lên GSM modem khơng hỗ trợ chế độ SMS text Để chắn điều ta dùng lệnh “AT+CMGF=?” GSM modem đáp lại “+CMGF: (0,1)” (0 = chế độ PDU, chế độ text) có nghĩa GSM modem hỗ trợ chế độ Còn GSM modem trả “+CMGF: (0) có nghĩa modem hỗ trơ chế độ PDU • Dịng 6: Câu lệnh AT+CMGW sử dụng để viết tin nhắn SMS lưu vào GSM modem "+84291234567" số điện thoại người nhận Sau số điện thoại người nhận mã phím enter phải gửi GSM modem gửi ký tự “> ” bạn tiếp tục gửi nội dung 57 Chương 5: Tập lệnh AT tin “A simple demo of SMS text messaging.” Sau hoàn thành tin nhắn ta gửi mã lệnh Ctrl + Z (trong bảng mã ASCII mã lệnh 26) • Dịng 7: “+CMGW:1” nói với số gán cho tin nhắn SMS Nó vị trí tin nhắn sms lưu • Dòng 9: Mã kết “OK” trả có nghĩa câu lệnh AT+CMGW thực thi thành cơng • Dịng 10: Câu lệnh AT+CMSS sử dụng để gửi tin nhắn từ vùng nhớ modem GSM “1” vị trí tin nhắn lấy dịng • Dịng 11: “+CMSS: 20” cho chúng biết số tham khảo gán cho tin nhắn 20 • Dịng 13: Mã kết “OK” trả đồng nghĩa với câu lệnh AT+CMSS thực thi thành cơng 5.4.2 Nhận tin nhắn Hình 5-4: Nhận tin nhắn Dưới giải thích chi tiết dịng lệnh: • Dịng 1: “AT” gửi để kiểm tra kết nối với modem • Dịng 3: Lệnh “AT+CMGF” để thiết lập modem họa động chế độ text 58 Chương 5: Tập lệnh AT • Dòng 5-9: Lệnh “AT+CMGL” sử dung để yêu cầu tất sms lưu GSM modem Giả sử có tin nhắn lưu SMS modem “Hello, welcome to our SMS tutorial.” Và “A simple demo of SMS text messaging.” “+8429124567” số điện thoại người gửi “06/11/11,00:30:29+28” "06/11/11,00:32:20+28" thời điểm nhận tin nhắn “+28” vùng thời gian (time zone) Chú ý đơn vị ¼ nên +28 nghĩa GTM+7 “REC READ” nghĩa tin nhắn đọc • Dịng 11: Mã kết “OK” nghĩa câu lệnh AT+CMGL thực thi thành cơng 5.4.3 Xóa tin nhắn Do tin nhắn mà modem nhận được lưu nhớ SIM card nên đến lúc nhớ bị đầy, lúc tin nhắn khơng lưu lại Vì vậy, để tránh tượng tràn nhớ để đảm bảo tin nhắn không bị kẻ xấu đọc được, ta nên xóa tin nhắn sau xử lý nội dung chúng Để xóa tin nhắn lưu modem, ta dùng lệnh AT+CMGD=3 Câu lệnh xóa tin nhắn lưu vị trí số nhớ modem GSM 59 Chương 6: Hiện thực hệ thống xác định/định vị đối tượng CHƯƠNG HIỆN THỰC HỆ THỐNG XÁC ĐỊNH/ĐỊNH VỊ ĐỐI TƯỢNG Như trình bày chương mục 4, hệ thống xác định/định vị đối tượng đề nghị gồm có ba thành phần module theo dõi (tracking module), đầu đọc thẻ RFID (RFID reader) chương trình quản lý webserver Hình 6-1: Mơ hình hệ thống xác định/định vị đối tượng đề nghị 6.1 RFID Reader Trong q trình nghiên cứu, thẻ RFID 125Khz có cấu trúc nhớ theo chuẩn EM4100 sử dụng nhiều Việt Nam hệ thống quản lý bãi giữ xe, hệ thống quản lý nhân viên Do đầu đọc thẻ RFID 125Khz EM4100 nghiên cứu chế tạo Như mơ tả hình 6-2, đầu đọc thẻ RFID bao gồm vi điều khiển có giao tiếp UART, khối điều khiển anten, 60 Chương 6: Hiện thực hệ thống xác định/định vị đối tượng khối lọc giải điều chế ASK tín hiệu phản hồi từ anten có thẻ RFID vùng từ trường anten, khối nguồn cung cấp lượng cho toàn hệ thống mạch Power source Antenna Antenna driver Microcontroller ASK demodulation UART Interface Hình 6-2: Sơ đồ khối đầu đọc thẻ RFID Bản mẫu đầu đọc thẻ RFID 125KHz thực hình Đầu đọc đọc thẻ theo giao thức EM4100 RFID Tag RFID Reader Hình 6-3: Bản mẫu đầu đọc thẻ RFID 125KHz 6.1.1 Thẻ RFID với chuẩn EM4100 EM4100 loại thẻ bị động hoạt động tần số 125KHz, bên mạch tích hợp theo cơng nghệ CMOS tích cực bời cuộn dây đặt vùng từ trường, nhận 61 Chương 6: Hiện thực hệ thống xác định/định vị đối tượng clock tín hiệu chủ từ vùng từ trường qua cuộn dây thiết bị đọc, đồng thời mạch gửi lại 64 bits liệu cho thiết bị đọc thẻ Việc lập trình liệu cho chíp cơng nghệ laser thực lần khởi tạo liệu cho thẻ Hình 6-4: Thẻ RFID với chuẩn EM4100 Tốc độ liệu 64, 32 16 chu kỳ sóng mang bit liệu, liệu mã hố theo kiểu Manchester Hình 6-5: Tốc độ liệu (bit rate) 6.1.1.1 Sơ đồ khối chức thẻ EM4100: 62 Chương 6: Hiện thực hệ thống xác định/định vị đối tượng Hình 6-6: Sơ đồ khối thẻ EM4100 Mơ tả chức khối: • Chức chung: EM4100 cung cấp lượng từ trường từ cuộn dây, điện áp AC chỉnh lưu để cung cấp điện áp DC cho toàn hoạt động mạch Khi bit cuối gửi, chip tiếp tục gửi bit đầu tiên, trình gửi lặp lại khơng cịn lượng cung cấp cho mạch (tức chip khỏi vùng từ trường) • Khối Full Wave Rectifier: Tín hiệu vào AC từ cuộn dây chỉnh lưu thành điện áp DC cung cấp cho khối chức khác hoạt động • Khối Clock Etractor: đầu cuộn dây (COIL1) phát clock tín hiệu chủ, đầu khối chức điều khiển khối Sequencer • Khối Sequencer: cung cấp tín hiệu cần thiết để định địa mảng nhớ, mã hoá liệu nối tiếp Có loại mã hố: Manchester, Biphase, PSK Tốc độ bit liệu loại đầu 64 32 chu kỳ sóng mang (tần số 125KHz), lại PSK tốc độ liệu 16 • Khối Data Modulator: điều khiển tín hiệu Modulation Control để tạo dịng điện cuộn dây, trả liệu cuộn dây 63 Chương 6: Hiện thực hệ thống xác định/định vị đối tượng 6.1.1.2 Tổ chức liệu bên EM4100 EM4100 chứa 64 bits liệu chia thành nhiều nhóm: • bits header, tất bit mức • 10 nhóm gồm bits, theo sau nhóm bit parity chẵn (PRx) có: o nhóm đầu tiên: bits số phiên thẻ (verson number) mã ID customer o nhóm cịn lại: 32 bits liệu o bits cuối gồm bits parity cột (PCx) kiểm tra chẵn, bit stop mức Hình 6-7: Tổ chức liệu bên EM4100 Khi thẻ vào vùng từ trường reader phát ra, nhận lượng truyền chuỗi liệu Đầu tiên bit header mức định chuỗi liệu bắt đầu, sau 10 nhóm liệu bit bit parity chẵn, cuối bit parity cột với bit stop mức Chuỗi 64 bit truyền liên tục khỏi vùng từ trường reader phát Tuy nhiên, thẻ không truyền chuỗi 64 bits liệu thô trên, mà bit điều chế dạng mã hóa Manchester Mã hóa Manchester: ln có thay đổi mức chu kỳ 64 Chương 6: Hiện thực hệ thống xác định/định vị đối tượng bit, từ mức thấp lên mức cao thực bit 1, chuyển từ mức cao xuống mức thấp thực bit Hình 6-8: Mã hóa Manchester 6.1.2 Hiện thực phần cứng 6.1.2.1 Khối xử lý: Hình 6-9: Khối xử lý Khối xử lý thực vi điều khiển PIC18F hãng Microchip, sử dụng clock thạch anh với tần số 20MHz, điều khiển toàn hoạt động mạch 65 Chương 6: Hiện thực hệ thống xác định/định vị đối tượng Vi điều khiển thực chức tạo xung 125KHz (tại chân RC2) cấp cho khối thu phát liệu (Reader), đồng thời nhận tín hiệu có dạng sóng Manchester từ chân DataEnveloped giải mã tín hiệu 12V 6.1.2.2 Khối thu phát liệu : R35 470 J3 Q31 C2383 ASK READER D31 1N4148 R34 22K R36 10 ANTENNA C33 R37 10 D33 DIODE D32 U5A C34 1N4148 A1013 L31 R31 C31 Q33 1.0mH 47 0.0018uF U5C R39 47K R32 12K 0.01uF 390K A1013 100 C32 R38 R33 74HC14 0.0022uF 5%(222J) Q32 74HC14 U5B 125Khz 0.001uF 5%(102J) C35 74HC14 0.001uF 5%(102J) R311 1M C36 0.001uF 5%(102J) C37 R310 22K 47p D34 1N4148 R313 1M D35 1N4148 C38 10K TL084 10 220K TL084 12 C39 VCC VCC VCC 12V 8K2 13 + R317 TL084 - 74HC14 14 12K + R316 - R312 + DataEnv eloped R314 U6D U6B 11 47p U6C U5D - R315 100K 0.001uF Hình 6-10: Khối thu phát tín hiệu Reader nhận xung 125KHz từ Khối xử lý, thông qua khuếch đại công suất gồm transistor BJT ghép liên tầng, tín hiệu 125KHz đưa Anten (được tạo từ vòng dây quấn với nhau) Anten kết hợp với tụ C33 tạo dao động LC sinh từ trường xung quanh, từ trường mạnh xảy tượng cộng hưởng LC Theo thực nghiệm kiểm tra với khoảng 73 vịng dây (kích thước 8x16 cm) tạo từ trường mạnh nhất, khoảng cách xa để nhận biết thẻ RFID khoảng 10cm Khi thẻ RFID nằm vùng từ trường Anten phát ra, thẻ cấp lượng phát liệu Khi Anten nhận tín hiệu thẻ, giải điều chế tín hiệu, qua lọc, 66 Chương 6: Hiện thực hệ thống xác định/định vị đối tượng khuếch đại (các opamp) tín hiệu trả vi điều khiển dạng sóng Manchester (tại chân dataEnveloped) Công suất phát mạch (tăng tầm hoạt động Reader) tăng cách sử dụng transistor cơng suất MOSFET thay sử dụng transistor BJT 6.1.2.3 Khối giao tiếp UART: Khối giao tiếp, gửi liệu mã ID thẻ lên máy tính, tùy vào ứng dụng cụ thể xử lý ID RxD TxD DB9 - UART 13 TX_MCU 11 10 10uF C41 10uF C42 C43 10uF 4 C44 10uF R1IN R2IN R1OUT R2OUT T1IN T2IN T1OUT T2OUT C1+ C1C2+ C2V+ V- 12 RX_MCU 14 RxD GND TxD 15 P6 VCC U7 16 VCC MAX232I/SO VCC UART Hình 6-11: Khối giao tiếp 6.1.3 Chương trình điều khiển Chương trình điều khiển vi xử lý thực theo sơ đồ sau : 67 Chương 6: Hiện thực hệ thống xác định/định vị đối tượng Hình 6-12: Lưu đồ giải thuật chương trình • RESET: Cho phép bắt đầu tồn lại chương trình có kiện nút nhấn Reset xảy • INIT: Khởi tạo biến, ghi, cấu hình chân IO cho vi điều khiển, tạo tần số 125KHz chân RC2 thông qua điều rộng xung PWM … • READ: Thực giải mã tín hiệu mã hóa dạng Manchestert từ chân DataEnvelope Bộ timer dùng kết hợp với ngắt vi điều khiển để giải mã liệu Khi nhận xung 125KHz từ chân RC2, Reader phát tín hiệu anten, đồng thời nhận liệu gửi từ thẻ mã hóa dạng sóng Manchester Tại chân dataEnveloped, tín hiệu sóng có dạng: 68 Chương 6: Hiện thực hệ thống xác định/định vị đối tượng Với dao động ký (oscilloscope), ta đo dạng sóng chân dataEnveloped, qua thực nghiệm ta đo được, chu kỳ bit T = 520–580us, với thời gian mức cao t1 = 300-340us, thời gian mức thấp t0=220-240us Ta để ý rằng, sóng Manchester ln có thay đổi mức nửa chu kỳ bit, ta lấy mẫu khoảng nửa đầu chu kỳ bit, suy liệu nhận được, chẳng hạn lấy mẫu mức bit liệu bit 1, bit ngược lại Từ ta đưa giải thuật sau: o Lấy mẫu khoảng nửa đầu chu kỳ bit o Nếu bit lấy mẫu mức 0, bit liệu nhận bit 1, ngắt ngồi kích cạnh lên, ngược lại bit lấy mẫu mức 1, bit liệu bit 0, ngắt ngồi kích cạnh xuống o Chờ ngắt xảy ra, có ngắt ngồi, set timer đếm khoảng 2/3 chu kỳ bit (khoảng 360-380us) để khỏi chu kỳ bit trước, lấy mẫu khoảng nửa đầu chu kỳ bit o Dùng đệm dịch 64 bit, để lưu liệu nhận Trong trình nhận liệu, đệm dịch để nhận liệu đồng thời kiểm tra bit header, phát bit liên tiếp, chương trình chuyển qua chức FILTER, khơng tiếp tục đọc liệu • FILTER: khối tách đệm 64 bit sau kiểm tra bit header thành 11 nhóm liệu bit chuyển qua chức CHECK_PARITY • CHECK_PARITY: Kiểm tra parity hàng cho 10 nhóm liệu bit đầu tiên, parity cột cho 11 nhóm liệu Kiểm tra parity thấy có lỗi, trở chức READ để đọc lại liệu 69 Chương 6: Hiện thực hệ thống xác định/định vị đối tượng • WRITE: gửi mã ID thẻ RFID sau kiểm tra lỗi lên cho máy tính Tùy vào ứng dụng khác nhau, xử lý mã ID tùy ý: lưu vào danh sách quản lý đối tượng…Sau chương trình quay lại khối READ để đọc ID thẻ 6.2 Tracking module Module theo dõi bao gồm vi điều khiển kết nối với module GPS, module GSM/GPRS module mở rộng khác sensor, thẻ nhớ phần mở rộng bus Vi điều khiển sử dụng giao tiếp UART để giao tiếp với module GPS, module GSM/GPRS giao tiếp với đầu đọc thẻ RFID Chương trình vi điều khiển thực cơng việc phân tích liệu theo chuẩn NMEA từ module GPS để trích thơng tin vị trí (kinh độ, vĩ độ), thời gian, vận tốc đối tượng gắn module theo dõi Nếu vi điều khiển phát có kết nối với đầu đọc thẻ RFID liệu từ đầu đọc thẻ RFID kết hợp với thơng tin vị trí, thời gian, vận tốc tạo thành gói liệu Vi điều khiển thiết lập để truyền gói liệu lên webserver theo giao thức HTTP thơng qua việc điều khiển module GSM/GPRS thực kết nối tới webserver Bộ nhớ ngồi sử dụng để lưu gói liệu khơng kết nối đến webserver đối tượng ngồi vùng phủ sóng mạng di động cung cấp dịch vụ GPRS Khối nguồn thực việc giám sát nguồn nguồn phụ (battery) để tự chuyển đổi qua lại hai nguồn cung cấp lượng cho toàn hệ thống mạch GSM/GPRS Sensors RFID reader Interface Microcontroller GPS module Power source Extending bus External memory Hình 6-13: Sơ đồ khối module theo dõi 70 Chương 6: Hiện thực hệ thống xác định/định vị đối tượng Bản mẫu module theo dõi sử dụng vi điều khiển ARM LPC2103 hãng NXP Module GPS sử dụng module ET-332, module GSM/GPRS dùng module SIM508 Hình 6-14: Bản mẫu module theo dõi 6.2.1 Hiện thực phần cứng 6.2.1.1 Khối nguồn Hình 6-15: Khối ổn áp Các linh kiện mạch cần điện 5V, 3V3, 1V8 để hoạt động Các IC ổn áp LM2576, AMS1117 dùng để tạo điện Có nguồn cung cấp điện cho 71 Chương 6: Hiện thực hệ thống xác định/định vị đối tượng toàn mạch nguồn pin nguồn Nguồn ổn áp xuống 5V IC U001 (LM2576) Nguồn 5V sau ổn áp nguồn pin đưa vào IC U002 (AMS1117) để tạo điện thường trực 3V3 1V8 cung cấp điện cho vi điều khiển Nguồn 5V nguồn pin cách ly diode D006 D007 Hình 6-16: Khối điều khiển nguồn Module GPS cần nguồn từ 4V đến 5V để hoạt động IC U004 làm nhiệm vụ tăng ổn áp 4V6 từ điện 3V từ nguồn pin (sau qua diode D007) hay điện 4V3 từ nguồn (sau ổn áp xuống 5V qua diode D006) Nguồn cung cấp cho module SIM508 module GPS điều khiển cấp/ngắt thơng qua FET Q002 với tín hiệu điều khiển lần lược ONOFFGSM ONOFFGPS 6.2.1.2 Khối vi điều khiển IO Vi điều khiển LPC2103 dùng Vi điều khiển LPC2103 giao tiếp với module SIM508 thông qua giao tiếp UART0 giao tiếp với module GPS đầu đọc RFID (gắn ngồi) thơng qua giao tiếp UART1 Để giao tiếp với đầu đọc RFID, vi điều khiển tắt nguồn cung cấp cho module GPS thông qua việc điều khiển chân ONOFFGPS lên mức logic Để phục vụ cho việc giám sát hoạt động module mắt, led D302, D303, D304 dùng để báo hiệu trạng thái hoạt động vi điều khiển, module GPS module GSM 72 Chương 6: Hiện thực hệ thống xác định/định vị đối tượng Ngoài ngõ kết nối với graphic LCD đưa vào để phục vụ cho việc hiển thị liệu từ module GPS, từ module GSM hay liệu phức tạp khác Hình 6-17: Khối vi điều khiển IO 73 Chương 6: Hiện thực hệ thống xác định/định vị đối tượng Module theo dõi kết nối với thiết bị ngồi thơng qua connector J303 J304 J303 dùng để kết nối với nguồn ngoài, kết nối với tín hiệu điều khiển có hiệu điện từ 0V đến 12V thông qua chân INPUT1, chân OUTPUT1 dùng để điều khiển thiết bị với dòng tối đa 500mA J304 bao gồm chân tín hiệu điều khiển số có khả chịu dịng tối đa 30mA J304 dùng để giao tiếp với thiết bị mở rộng sensor (trả tín hiệu tương tự), đầu đọc thẻ RFID… 6.2.1.3 Khối SIM508 Hình 6-18: Khối SIM508 74 Chương 6: Hiện thực hệ thống xác định/định vị đối tượng Khối SIM508 bao gồm socket để gắng module SIM508, tụ bypass, mạch giao tiếp với loa microphone socket để gắng SIM 6.2.1.4 Khối nhớ Hình 6-19: Khối nhớ ngồi Module theo dõi hỗ trợ thẻ nhớ SD gắng EEPROM nối tiếp (U201 24C64) để log lại thông tin cần thiết 75 Chương 6: Hiện thực hệ thống xác định/định vị đối tượng 6.2.2 Hiện thực chương trình điều khiển 6.2.2.1 Chương trình Hình 6-20: Lược đồ chương trình điều khiển 6.2.2.2 Phân tích liệu nhận từ GPS Receiver Dữ liệu nhận từ thu GPS (theo định dạng NMEA) phân tích để lấy thông tin cần thiết Do yêu cầu tốn cần thơng tin tọa độ, ngày giờ, vận tốc, hướng nên chương trình tiến hành phân tích hai loại lệnh nhận GGA (Global Positioning System Fixed Data) RMC (Recommended Minimum Specific GNSS Data) Cấu trúc liệu loại lệnh định nghĩa sau (hiện thực file GPS_parser.h ) : 76 Chương 6: Hiện thực hệ thống xác định/định vị đối tượng Hình 6-21: Cấu trúc liệu thông tin GPS Khi nhận liệu GPS, liệu gửi đến phân tích NMEA Dữ liệu sau qua phân tích NMEA trường lệnh, liệu, checksum tách biệt lưu buffer riêng biệt Dữ liệu từ buffer kiểm tra, phân tích để lấy thơng tin cần thiết thông tin lưu tương ứng với cấu trúc liệu Thông tin đượclưu liệu nhận hợp lệ (dựa vào checksum để xác định tính hợp lệ) 77 Chương 6: Hiện thực hệ thống xác định/định vị đối tượng Start Nhận liệu từ thu GPS Gửi liệu nhận đến phân tích NMEA Bộ phân tích NMEA Dữ liệu hợp lệ ? Xử lý liệu, cập nhận thơng tin Hình 6-22 Giản đồ giải thuật phân tích liệu GPS Bộ phân tích NMEA Như trình bày mục 4.2.2, cấu trúc câu NMEA có dạng : $cc…c, dd…d, …, dd d*hh Trong : • $ : ký tự bắt đầu câu NMEA • cc…c: trường lệnh • dd…d: trường liệu • ‘,’ : kí hiệu phân cách trường thơng tin • hh: giá trị checksum (gồm chữ số hex) 78 Chương 6: Hiện thực hệ thống xác định/định vị đối tượng Nhiệm vụ phân tích NMEA tách biệt trường lệnh, liệu, checksum lưu trữ trường buffer định Với nhiệm vụ đó, phân tích NMEA thực máy trạng thái đơn giản, gồm trạng thái Hình 6-23: Sơ đồ máy trạng thái phân tích NMEA Trạng thái tìm ký tự bắt đầu: trạng thái kiểm tra liệu truyền từ máy thu GPS (ký hiệu : btData) đề phát ký tự bắt đầu câu lệnh ‘$’ Khi phát ký tự ‘$’, chuyển sang trạng thái 2 Trạng thái nhận dạng câu lệnh: Ở trạng thái này, ký tự thuộc trường lệnh thu nhận, ghép nối thành chuỗi lưu trữ vào buffer định Việc thu nhận kết thúc nhận ký tự phân cách trường ‘,’ Lúc này, máy chuyển sang trạng thái Trong trường hợp, chuỗi lệnh nhận vượt chiều dài quy định (tức có lỗi) mày reset trạng thái ban đầu Trạng thái nhận liệu: trạng thái này, tất ký tự nhận lưu buffer dành cho trường liệu Việc nhận kết thúc gặp kí tự báo đến phần checksum ‘*’ ký tự báo kết thúc câu ‘’ chuỗi ký tự nhận vượt 79 Chương 6: Hiện thực hệ thống xác định/định vị đối tượng chiều dài cho phép Trong trường hợp nhận ký tự báo đến phần checksum, máy chuyển sang trạng thái Ngược lại, máy chuyển trạng thái đầu để chuẩn bị cho việc nhận câu NMEA reset lại gặp lỗi (vượt kích thước) Trạng thái lấy ký tự checksum1: Ở trạng thái này, máy thu nhận ký tự checksum thứ chuyển sang trạng thái 5 Trạng thái lấy ký tự checksum2: Ở trạng thái này, máy thu nhận ký tự checksum thứ hợp với ký tự checksum thứ thành số hex phục vụ cho việc kiểm tra tính hợp lệ liệu nhận Lúc này, máy chuyển trạng thái để chuẩn bị cho việc nhận câu 6.3 Web Server Hình 6-24: Hiển thị thơng tin đối tượng Google Map Chương trình webserver viết ngôn ngữ PHP5, JavaScript Ajax, sử dụng sở liệu mySQL tảng miễn phí Webserver xử lý liệu từ module theo dõi xử lý yêu cầu từ người dùng Trang nhaplieu.php làm nhiệm vụ nhận xử lý gói liệu gửi 80 Chương 6: Hiện thực hệ thống xác định/định vị đối tượng từ module theo dõi thông qua kết nối GPRS sử dụng câu lệnh POST theo giao thức HTTP Gói liệu bao gồm số IMEI, kinh độ, vĩ độ, thời gian, vận tốc đối tượng, trạng thái ngõ IO, giá trị sesor Các liệu lưu vào sở liệu thiết bị Người dùng cấp tài khoản để đăng nhập vào hệ thống Thông tin người dùng quản lý thông qua sở liệu người dùng Sau đăng nhập, người dùng sử dụng tính hệ thống để quản lý đối tượng Hình 6-6 giao diện quản lý đối tượng trực quan đồ Google map Hình 6-25: Lược đồ xử lý theo dõi đối tượng trực quan Việc thực tính theo dõi đối tượng trục quan thể thông qua lược đồ hình 6-7 Chương trình hiển thị phía người dùng định thời sau khoảng thời gian (mặc định 30 giây) tạo đối tượng xmlHttpRequest để tương tác với server lấy thông tin cập nhật vị trí đối tượng 81 Chương 7: Kết luận CHƯƠNG KẾT LUẬN Đề tài đáp ứng mục tiêu ban đầu xây dựng hệ thống xác định/định vị đối tượng dựa công nghệ RFID, công nghệ GPS công nghệ GPRS Các kết đạt cụ thể sau: • Hiện thực đầu đọc thẻ RFID • Hiện thực module theo dõi (tracking module) • Hiện thực hệ thống quản lý đối tượng mơi trường Internet (www.itsvn.org/gps) Trong q trình thực đề tài, báo khoa học với tựa đề “Large scale Automatic Vehicle Location System using ZigBee” viết báo cáo hội nghị ACOMP tháng năm 2010 Bài báo trình bày hệ thống quản lý đối tượng xe với việc sử dụng ZigBee ZigBee chuẩn giao tiếp không dây dùng để thiết lập mạng liên lạc xe với xe, xe với thiết bị cố định gắn sở hạ tầng giao thơng (trạm thu phí, biển hiệu, đèn giao thông, đèn đường…) ZigBee dùng với vai trò thiết lập đường truyền liệu tương tự vai trò kết nối GPRS Với phần cứng đầu đọc thẻ RFID module theo dõi, tùy biến kết hợp với cấu hình sau: • Đối tượng gắn đầu đọc thẻ RFID: Lúc đối tượng trở thành trạm đầu cuối quản lý đối tượng khác có gắn thẻ RFID Các ứng dụng hệ thống kiểm sốt bãi giữ xe, hệ thống kiểm soát nhân viên vào ra, hệ thống kiểm sốt hàng hóa nhà kho… • Đối tượng gắn module theo dõi: Lúc đối tượng xác định thông qua số nhận dạng module theo dõi, đối tượng xác định vị trí nhờ thơng tin vị trí lấy từ máy thu GPS Các ứng dụng hệ thống quản lý xe taxi, hệ thống quản lý 82 Chương 7: Kết luận xe cứu hỏa/cứu thương, hệ thống quản lý tàu biển, hệ thống thu phí xe tự động, hệ thống thơng báo bến đỗ tự động cho xe buýt… • Đối tượng gắn module theo dõi có gắn đầu đọc thẻ RFID: Lúc liệu từ đầu đọc thẻ RFID đưa vào module theo dõi Hệ thống quản lý đối tượng có số nhận dạng đối tượng (chính số nhận dạng module theo dõi), vị trí đối tượng (thơng tin vị trí lấy từ máy thu GPS) liệu từ đầu đọc thẻ RFID Các ứng dụng hệ thống quản lý xe bt có kèm tính phí hành khách tự động, hệ thống quản lý tàu lửa… Hiện module theo dõi sử dụng kết nối GPRS Một hệ module theo dõi phụ thuộc vào dịch vụ mạng di động Nói cách khác nơi ngồi tầm phủ sóng sóng điện thoại, module theo dõi truyển liệu trung tâm điều khiển mà lưu lại thơng tin lên thẻ nhớ Hướng phát triển tương lai nghiên cứu công nghệ kết nối khác không phụ thuộc vào dịch vụ mạng di động dịch vụ truyền liệu vệ tinh hay mạng truyền liệu riêng 83 Tài liệu tham khảo Tài liệu tham khảo [1] Ali Mousavi, Mohammad A Rajabi, Mohammad Akbari: “Design and Implementation of a GSM Based Automatic Vehicle Location System”, lecture Notes In Computer Science, Vol 5592 Proceedings of the International Conference on Computational Science and Its Applications Seoul, Korea (2009) pp 533-542 [2] Klaus Finkenzeller, “RFID Handbook: Fundamentals and Applications in Contactless Smart Cards and Identification”, Second Edition, Copyright 2003, John Wiley & Sons, West Sussex, 434p [3] Chadil et al, “Real-time tracking management system using GPS, GPRS and Google Earth”, ECTI-CON, 5th International Conference, vol 1, pp 393-396, 2008 [4] Victor Dutta, R.B, Sourav Dhar, J C, Nishant Bagehel: “Automatic Vehicle Location Using Global Positioning System” NCEEERE sikkim, India (2008) [5] SimCom, “SIM508 Hardware Design Version 3.03”, http://microchip.ua/simcom/GSM-GPRS-GPS/SIM5x8/SIM508_HD_V3.03.pdf [6] Globalsat, “ET-332 GPS EngineBboard Specification”, http://www.luizbertini.net/microcontroladores/Datasheet_ET332.pdf [7] Globalsat, “NMEA Command Reference Manual”, http://www.usglobalsat.com/downloads/NMEA_commands.pdf [8] NXP, “LPC2103 User Manual”, www.nxp.com/documents/user_manual/UM10161.pdf 84 Lý lịch trích ngang Họ tên: Võ Tấn Phương Ngày sinh: 29-04-1985 Nơi sinh: Bình Định Địa liên lạc: 50/23 Nhất Chi Mai, Tân Bình, TPHCM Quá trình đào tạo: Tốt nghiệp đại học Bách Khoa TPHCM, khoa Công nghệ thông tin Học cao học trường ĐH Bách Khoa TPHCM, ngành Khoa học máy tính Q trình công tác: Giảng dạy trường ĐH Bách Khoa TPHCM, khoa Khoa học Kỹ thuật máy tính, mơn Kỹ thuật máy tính 85 ... quan hệ thống hệ thống xác định/ định vị đối tượng CHƯƠNG TỔNG QUAN HỆ THỐNG XÁC ĐỊNH/ĐỊNH VỊ ĐỐI TƯỢNG Quản lý đối tượng cách tự động yêu cầu thiết yếu tổ chức nhân Một hệ thống quản lý đối tượng. .. quan hệ thống hệ thống xác định/ định vị đối tượng vệ tinh nhân tạo phát thông điệp định vị để module thu dựa vào để xác định vị trí Đề tài sử dụng cơng nghệ định vị GPS để xác định vị trí đối tượng. .. định/ định vị đối tượng đề nghị Hình 1-3: Mơ hình hệ thống xác định/ định vị đối tượng đề nghị Sau q trình nghiên cứu cơng nghệ xác định/ định vị đối tượng, công nghệ RFID, công nghệ GPS công nghệ