Thu thập dữ liệu dựa trên cơ sở của GPS GSM

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ VĂN HÀO THU THẬP DỮ LIỆU DỰA TRÊN CƠ SỞ CỦA GPS & GSM Chuyên ngành : Tự Động Hóa LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 11 năm 2007 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : TS TRUƠNG ĐÌNH CHÂU (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC Tp HCM, ngày tháng năm 200 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Ngày, tháng, năm sinh: Chuyên ngành: I- TÊN ĐỀ TÀI: LÊ VĂN HÀO 10/12/1978 Tự Động Hóa Phái: Nam Nơi sinh: Bình Định MSHV: 01504365 Thu thập liệu dựa sở GPS & GSM II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Xây dựng hệ thống thu thập liệu điều khiển đối tượng di động, phân tán phân bố diện rộng dựa phương pháp công nghệ đại Đó cơng nghệ định vị tồn cầu GPS hệ thống truyền thông diện rộng di động GSM III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ngày bắt đầu thực LV ghi Quyết định giao đề tài): IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Trương Đình Châu CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Học hàm, học vị, họ tên chữ ký) CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH TS TRƯƠNG ĐÌNH CHÂU Nội dung đề cương luận văn thạc sĩ Hội đồng chun ngành thơng qua TRƯỞNG PHỊNG ĐT – SĐH Ngày tháng năm TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập nguyên cứu trường, chúng em nhận dìu dắt tận tình quý thầy cô môn Điều Khiển Tự Động khoa Điện – Điện Tử trường Đại học Bách Khoa TPHCM Thầy cô trang bị kiến thức quý báu để chúng em có ngày hơm nay, để vững bước đường mình, khơng ngơn từ bày tỏ lịng biết ơn chúng em với thầy cô Cho phép em gửi đến quý thầy cô lời cảm ơn chân thành Đặc biệt em xin gửi đến TS TRƯƠNG ĐÌNH CHÂU lời cảm ơn sâu sắc Thầy định hướng có lời góp ý tâm huyết giúp em hoàn thành Luận văn Xin cảm ơn bạn lớp Cao học Tự Động Hóa khố 2005 khố trước trao đổi kiến thức giúp tơi xây dựng nên Luận văn Cuối xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến gia đình bè bạn quan tâm, động viên suốt trình học Một lần cảm ơn tất người! Học viên Lê Văn Hào T ÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Luận văn tìm hiểu sở lý thuyết GPS & GSM, nguyên tắc hoạt động module GPS, GSM tập lệnh chúng để thiết kế phần cứng xây dựng chương trình công nghệ GPS GSM để định vị thông qua vệ tinh truyền tín hiệu trung tâm giám sát Thiết kế phần cứng trạm quan sát; có module GSM nhằm mục đích nhận liệu từ đối tượng di động giao tiếp máy tính; hiệu chỉnh đồ số máy tính xây dựng chương trình cho máy tính để hiển thị vị trí đối tượng di động lên đồ Luận văn bao gồm phần, chương với nội dung cụ thể sau : Phần I phần tổng quan nhằm mục đích giới thiệu đề tài, vấn đề mà đề tài cần giải khả ứng dụng thực tế Phần II trình bày sở lý thuyết GPS, GIS Trong phần nói hệ thống định vị toàn cầu bao gồm phần ứng dụng GPS định vị phương tiện nói định vị đồ hệ thống thông tin địa lý Phần III phần chính, cốt lõi Luận văn Phần nói cách xây dựng hệ thống, nói rõ hoạt động khối khối gồm có thiết bị chức Cách thông tin liên lạc đối tượng di động trạm quan sát làm sao, khối di động thu tín hiệu để gửi tín hiệu trạm quan sát Cuối nói số kết đạt hướng phát triển đề tài ABSTRACT Thesis study background GPS and GSM theory, activity principle of GPS, GSM modules and its command in order to design hardward and GPS& GSM technology programming building to positioning equitment by sattellite and send signals to supervisor center Designing hardward at supervisor center; including GSM module in order to receive data from mobile object and comunicate to computer; calib digital map on computer and programming building for computer to disday mobile object’position on the map There are parts, chapters on the thesis, involve : Part I is genaral part in oder to introduce the thesis, thesis must solve some problems and actual practices Part II present GPS, GIS background theory In this part, it address which main parts there are and which applications of GPS are in positioning vehicle, map, and Geographic Information System (GIS) Part III is the heart of thesis It shows how to design, how to operate, and which functions are How to communicate between mobile object and supervisor center, the mobile block receiving from and transmiting to supervisor center At the end, thesis presents some results and developing direction Mục lục Trang Trang bìa Nhiệm vụ Luận văn Lời cảm ơn Tóm tắt Luận văn thạc sĩ Abstract Mục lục .7 Phần I Tổng quan đề tài 10 1.1 Giới thiệu đề tài 11 1.2 Yêu cầu đề tài 11 1.3 Mục tiêu đề tài 12 Phần II Cơ sở lý thuyết 14 Chương Hệ thống định vị toàn cầu GPS 15 2.1 Nguyên tắc việc đo thời gian di chuyển tín hiệu .16 2.1.1 Tạo thời gian di chuyển tín hiệu GPS 16 2.1.2 Xác định vị trí mặt phẳng 17 2.1.3 Hậu hiệu chỉnh việc sai thời gian .18 2.1.4 Xác định vị trí khơng gian chiều .19 2.2 Các thành phần hệ thống định vị toàn cầu GPS .19 2.2.1 Phần không gian 20 2.2.2 Phần điều khiển 24 2.2.3 Phần người sử dụng 25 2.3 Thông điệp hành trình hệ thống định vị GPS .26 2.3.1 Giới thiệu 26 2.3.2 Cấu trúc thơng điệp hành trình .27 2.4 Tính tốn tọa độ 29 2.4.1 Phương trình tọa độ GPS .29 2.4.2 Tuyến tính hóa phương trình 31 2.4.3 Giải phương trình 33 2.4.4 Kết luận 34 2.4.5 Xem xét sai số tín hiệu vệ tinh 34 2.5 GPS vi sai – DGPS (Differential GPS) 38 2.5.1 Giới thiệu 38 2.5.2 DGPS dựa sở đo thời gian di chuyển tín hiệu .38 2.5.3 DGPS dựa sở đo pha tín hiệu sóng mang 41 2.6 Sử dụng GPS định vị phương tiện 42 Chương Định vị đồ hệ thống thông tin địa lý GIS 44 3.1 Giới thiệu chung .44 3.1.1 Các chứa GIS 45 3.1.2 Các cấu trúc thành phần GIS 46 3.1.3 Các ứng dụng GIS 47 3.2 Các hệ tọa độ GIS 49 3.2.1 Các thể địa cầu – Geoids 49 3.2.2 Cầu Elip trục tọa độ 50 3.2.3 Phẳng hóa hệ tọa độ cầu phép quy chiếu (Projection) 56 3.2.4 Hệ tọa độ quốc gia Việt Nam .58 Phần III Xây dựng hệ thống 60 Chương Cấu trúc hệ thống 61 Chương Khối đối tượng di động 64 5.1 Module GPS/GSM Q2501B 66 5.1.1 Tổng quan WISMO Quik Q2501 66 5.1.1.1 Đặc tính 66 5.1.1.2 Kiến trúc 68 5.1.1.2.1 Cấu trúc chức 68 5.1.1.2.2 Cấu trúc RF 68 a) Cấu trúc GSM RF 68 b) Cấu trúc GPS RF 69 5.1.1.2.3 Cấu trúc băng tầng .70 a) Cấu trúc băng tầng GSM – GPRS 70 b) Cấu trúc băng tầng GPS 70 5.1.1.3 Firmwares 71 5.1.1.4 Chế độ hoạt động 72 5.1.1.5 Quản lý Anten GPS 74 5.1.2 Connector giao tiếp 74 5.1.2.1 Những chức giao tiếp 74 5.1.2.2 Kết nối vào hệ thống 75 5.1.2.3 Kết nối hệ thống đa thành phần .77 5.1.2.4 Giao tiếp chung GSM/GPS 79 5.1.2.5 Giao tiếp GSM .79 5.1.2.6 Giao tiếp GPS 80 5.1.2.7 Chế độ hoạt động 80 5.1.3 Đặc tính kỹ thuật Antenna .81 5.1.3.1 Antenna GSM 81 5.1.3.2 Antenna GPS 81 5.1.4 Thu nhận liệu từ antenna GPS 82 5.1.5 Giao thức truyền liệu antenna GPS .82 5.2 Vi điều khiển 82 5.2.1 Giải thuật cho vi điều khiển 82 5.2.2 Chương trình cho vi điều khiển 84 Chương Trạm quan sát 87 6.1 Module GSM M2103 .87 6.1.1 Khái quát module Integra M21X3 87 6.1.1.1 Các thông số đặc trưng 87 6.1.1.2 Đặc trưng cấu tạo 88 6.1.1.3 Chức chân sử dụng 92 6.1.1.4 Giao tiếp SIM .93 6.1.1.5 Giao tiếp antenna GSM 94 6.1.2 Tập lệnh AT 95 6.1.2.1 Giới thiệu module .95 6.1.2.2 Khái quát tập lệnh AT .95 6.1.3 Giao tiếp module với máy tính 104 6.1.4 Truyền liệu qua dịch vụ tin nhắn SMS 107 6.2 Xây dựng phần mềm thu thập hiển thị thông tin đối tượng 108 6.2.1 Công cụ ToolGPS thực hiệu chỉnh đồ 108 6.2.2 Chương trình phần mềm hiển thị đối tượng di động lên đồ 111 Chương Kết hướng phát triển 118 Tài liệu tham khảo 119 - 10 - PHẦN I TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI - 105 - Frame chứa thẻ Enter a Name ( giống ‘Direct-Com-1) Chọn ICON bạn muốn sử dụng Click OK Một frame khác xuất Click vào mũi tên hộp thoại “Connect using” chọn cổng COM mà bạn kết nối với modem Chú ý tên module Khi bạn chọn cổng COM số điện thoại để quay số hộp thoại chuyển sang màu xám Click OK Chọn tần số giao tiếp modem với máy tính list box “bit per second” Giá trị mặc định 9600 Click OK - 106 - Một cửa sổ HyperTerminal hình Window, ta gõ vào lệnh để giao tiếp điều khiển Module Đánh vào câu lệnh AT module trả OK tức giao tiếp thành công Khi kết thúc trình làm ta lưu lại trình kết nối để xem xét cho lần sau Ta copy shortcut lưu desktop để sử dụng cho lần giao tiếp sau mà không cần phải lặp lại bước cài đặt - 107 - 6.1.4 Truyền liệu qua dịch vụ tin nhắn SMS Chuyển liệu thông qua dịch vụ tin nhắn cách đưa liệu vào phần text tin nhắn Sau cách thức: Để gửi tin nhắn ta truyền chuỗi sau qua serial port: AT+CMGS=0946768120 > text Ctrl Z 0946768120 : số cần gửi đến text : nội dung tin nhắn Ctrl Z : laø lệnh gửi Để nhận tin nhắn ta thực sau: Khi có tin nhắn đến có chuỗi báo : +CMTI: “SM”, Ta nhận kiện xử lý, “SM” chỗ lưu liệu SIM, vị trí index lưu Để đọc tin nhắn ta truyền chuỗi sau cho module: AT+CMGR=1 Sau chuỗi truyền đi, ta có chuỗi truyền nội dung tin nhắn nhận Bao gồm ngày giờ, số điện thoại gửi đến, nội dung tin nhắn… - 108 - 6.2 Xây dựng phần mềm thu thập hiển thị thông tin đối tượng 6.2.1 Công cụ ToolGPS thực hiệu chỉnh đồ Để thực dễ dàng việc hiển thị lên đồ ta phải thực hiệu chỉnh đồ hệ tọa độ đồ máy tính với hệ toa độ thực Khi đồ định chuẩn tạo thành file.Maplib sử dụng cho chương trình hiển thị Trước hiệu chỉnh ta phải thực tế để lấy điểm đồ Ta phải xác định xác vị trí thực tế tọa độ (vĩ độ kinh độ) điểm Phần mềm để thực việc hiệu chỉnh đồ học viên tìm kiếm download mạng Sau thứ tự bước để hiệu chỉnh đồ: - Đầu tiên ta mở file đồ hcm.bmp Hình 6.1 - Giao diện chương trình Gps Tools Dtusio mở file.bmp Tiếp theo ta chọn Scaling để bắt đầu Scale đồ - 109 - Hình 6.2 - Chọn Region, grid Hình 6.3 - Giao diện bắt đầu Scaling Chọn kiểu Cartesian Giao diện chọn Datum Grid - 110 - Hình 6.4 Chọn hệ tọa độ - Chỉ cách click chuột, ta click vào vị trí, thường chọn vị trí góc vùng cần Calip - Ứng với click ta phải điền vào bảng sau tọa độ thực ta đo thực tế Hình 6.5 Các bước để điền tọa độ thực vào vị trí click - 111 - - Làm cho góc cịn lại, sau Save lại với tên file.Maplib Và ta dùng file.Maplib cho phần mềm hiển thị lên đồ Sự xác việc hiển thị vị trí xe phần mềm đồ phụ thuộc vào yếu tố sau: 6.2.2 - Tín hiệu GPS nhận hiển thị - Sự xác việc đo đạc giá trị tọa độ thực tế hiệu chỉnh - Độ xác click chuột đồ hiệu chỉnh - Ngoài đồ nguyên gốc file bmp ban đầu phải đảm bảo tính xác tỉ lệ so với thực tế ngồi Chương trình phần mềm hiển thị đối tượng di động lên đồ số Đầu tiên chương trình mở đồ hiệu chỉnh thực truyền nhận liệu qua cổng COM Mã code đoạn sau: Private Sub Form_Load() Dim objLicense As New License Map1.Open App.Path & "\HCM.MapLib" Map1.Update init_layer_dd MSComm1.CommPort = MSComm1.Settings = "9600,N,8,1" 'MSComm1.InputLen = MSComm1.Handshaking = comRTS MSComm1.RThreshold = MSComm1.PortOpen = True Text1.Text = "" chuoi = "" Longitude = "" Latitude = "" Longi = 106.65972 - 112 - Lati = 10.77544 char = nhan = End Sub Sau nhận liệu từ đối tượng di động gửi từ cổng COM, ta thực việc xử lý chuỗi để lấy toạ độ chuyển số (dưới dạng double) 'Kiem tra xem co phai chuoi tin nhan doc ve temp = Mid(chuoi, 1, 8) If temp = "AT+CMGR=" Then For i = To Len(chuoi) If Mid(chuoi, i, 1) < 60 And Mid(chuoi, i + 1, 1) = "N" Then North = Mid(chuoi, i - 9, 10) East = Mid(chuoi, i + 3, 11) char = Len(North) For j = To char If Mid(North, j, 1) = "." Then chuoi1 = Mid(North, 1, j - 3) chuoi2 = Mid(North, j - 2, char - j + 2) Longtitude = Val(chuoi1) + Val(chuoi2) / 60 - 0.0025 Lati = Longtitude 'Break End If Next char = Len(East) For j = To char If Mid(East, j, 1) = "." Then chuoi1 = Mid(East, 1, j - 3) chuoi2 = Mid(East, j - 2, char - j + 2) Latitude = Val(chuoi1) + Val(chuoi2) / 60 - 0.001 - 113 - Longti = Latitude 'Break End If Next 'Break End If Next Sau taùch riêng toạ độ, ta kiểm tra xem liệu nhận có hợp lệ hay không Cụ thể kiểm tra xem đối tượng di động có nhận tín hiệu GPS chưa Mã code chúng nhö sau: If (Latitude = "") Or (Longtitude = "") Then a = MsgBox("Chua co tin hieu GPS", vbOKOnly) Else Text2.Text = str(Longtitude) Text3.Text = str(Latitude) End If Tieáp theo phải cập nhật liệu mà đối tượng di động gửi để cập nhật vị trí đối tượng di động Chúng ta làm nhö sau: ' Kiem tra xem phai tin nhan moi den ko temp = "" temp = Mid(chuoi, 3, 6) If temp = "+CMTI:" Then Text4.Text = Mid(chuoi, 15, chieudai - - 14) MSComm1.Output = "AT+CMGR=" & Mid(chuoi, 15, chieudai - - 14) MSComm1.Output = Chr$(13) End If Cuối lấy vị trí đối tượng di động hiển thị lên đồ Code sau: - 114 - objPos.Longitude = Longi objPos.Latitude = Lati lMovePosition.Caption = "Mouse position " & _ "Lon: " & objPos.LongitudeString(0) & ", " & _ "Lat: " & objPos.LatitudeString(0) Dưới số kết có chạy chương trình hiển thị vị trí đối tượng di động lên đồ với phần cứng (dấu tròn đỏ vị trí đối tượng di động) Khi bắt đầu chạy, chương trình load đồ hiệu chỉnh lên gán vị trí đối tượng di động giá trị bất kỳ, giao diện sau : Trên giao diện ta thấy trực quan sinh động vị trí đối tượng di động đồ Để cập nhật vị trí đối tượng di động, ta nhấn nút “Update” giao diện Công việc gồm giai đoạn sau : • Gửi tin nhắn từ trạm quan sát đến đối tượng di động để yêu cầu đối tượng di động báo vị trí - 115 - • Đối tượng di động nhận xử lý tin nhắn từ trạm quan sát đến Sau soạn lại tin nhắn trả lời, cụ thể vị trí trạm quan sát • Trạm quan sát nhận reply từ đối tượng di động xử lý tin nhắn lấy tọa độ để hiển thị lên đồ Kết việc cập nhật vị trí : ”Longitude”, ”Latitude” giá trị kinh độ vó độ đối tượng di động ”Message Command” lệnh mà trạm quan sát yêu cầu đối tïng di động thực thi liệu từ đối tượng di động gửi trạm quan sát Tùy lúc tùy mục đích sử dụng mà cần cập nhật vị trí liên tục không, cập nhật vị trí đối tượng di động Vừa thao tác nhấn nút ”Update” thực việc cập nhật vị trí đối tượng di động Đây trường hợp lâu cập nhật vị trí thao tác này, cần cập nhật vị trí nhấn nút ”Update” Còn đối tượng di động di chuyển nhanh việc cập nhật không hợp lý Trong trường hợp cần cập nhật vị trí đối tượng di động cách liên tục Lúc ta nhấn nút ”Continuous Update”, trước thao tác ta phải chọn thời gian cần cập nhật vào ”Update Time”, đơn vị phút Khi sau thời gian chọn - 116 - trước vị trí đối tượng di động tự động hiển thị lên đồ tọa độ xem nhãn ”Longitude” & ”Latitude” Kết việc làm ta theo dõi đối tượng di động di chuyển cách liên tục Như ta chọn sau phút cập nhật vị trí lần Đến không cần cập nhật vị trí cần nhấn nút “Stop” - 117 - “SIM Index position” : Vị trí tin nhắn nhớ SIM Khi số lớn có nghóa nhớ SIM gần đầy (khoảng 40 – tùy loại SIM), lúc ta cần xóa nhớ SIM để tiếp tục nhận tin nhắn Thao tác cần nhấn nút “Delete SIM memory” ta xóa nhớ SIM - 118 - Chương KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Đây chương cuối Luận văn, chương trình bày số kết đạt đề tài, việc lại mà đề tài chưa giải nhằm mục đích cho người đọc dễ nắm bắt vấn đề cốt lõi mà đề tài giải Từ đưa nhận xét, đánh việc kiến nghị hướng phát triển đề tài 7.1 Kết đạt Luận văn giải xong tất công việc mà đề tài yêu cầu • Đối tượng di động thu tín hiệu GPS từ vệ tinh gửi liệu trạm quan sát thông qua GSM theo yêu cầu trạm quan sát • Trạm quan sát nhận liệu từ đối tượng di động gửi qua GSM, xử lý liệu hiển thị vị trí đối tượng di động lên đồ số máy tính 7.2 Hướng phát triển đề tài • Khơng quan sát đối tượng di động mà chức điều khiển đối tượng di động từ trạm trung tâm • Trạm trung tâm khơng máy mà cịn mạng máy tính để quan sát nhiều nơi - 119 - TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] Introduction to GPS The Global Positioning System, 176 pages ISBN : 1-58053-183-0 Ahmed El-Rabbany, Artech House Mobile Communications series, Boston London, www.artechhouse.com Global Positioning Systems, Inertial Navigation, and Integration, 409 pages ISBN : 0-471-20071-9 Mohinder S.Grewal, Lawrence R.Weill, Angus P.Andrews; John Wiley & Sons, Inc GSM and Personal Communications Handbook, 539 pages ISBN : 089006-957-3 Siegmund M.Redl, Matthias K.Weber, Malcolm W.Oliphant; Artech House Mobile Communications GSM, GPRS and EDGE PERFORMANCE, 566 pages ISBN : 0470-86694-2 Timo Halonen, Javier Romero, Juan Melero; John Wiley, Ltd Communication System for the Mobile Infomation Society, 355 pages ISBN : 13 978-0-470-02676-2 Martin Sauter, Nortel Networks, Germany John Wiley & Sons, Ltd WISMO Quik Q2501 Product Specification WISMO Quik Q2501 Customer Design Guidelines Specific AT commands for GPS management Intergra M21x3 series User’s Guide Hardware Specifications ETSI AT Commands Supported by Cellular Phones of Benefon ... 01504365 Thu thập liệu dựa sở GPS & GSM II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Xây dựng hệ thống thu thập liệu điều khiển đối tượng di động, phân tán phân bố diện rộng dựa phương pháp công nghệ đại Đó cơng nghệ... VĂN THẠC SĨ Luận văn tìm hiểu sở lý thuyết GPS & GSM, nguyên tắc hoạt động module GPS, GSM tập lệnh chúng để thiết kế phần cứng xây dựng chương trình cơng nghệ GPS GSM để định vị thơng qua vệ tinh... sai – DGPS (Differential GPS) 38 2.5.1 Giới thiệu 38 2.5.2 DGPS dựa sở đo thời gian di chuyển tín hiệu .38 2.5.3 DGPS dựa sở đo pha tín hiệu sóng mang 41 2.6 Sử dụng GPS