Nghiên cứu thiết kế hệ thống giám sát nhiệt độ, độ ẩm trong đất từ xa thông qua mạng thông tin di động ứng dụng trong nông nghiệp

TÓM TẮT ĐỒ ÁN Đồ án trình bày về phương pháp thiết kế hệ thống giám sát nhiệt độ và độ ẩm của đất từ xa thông qua mạng thông tin di động có nhiều ứng dụng thiết thực trong nông nghiệp th

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ, ĐỘ

ẨM TRONG ĐẤT TỪ XA THÔNG QUA MẠNG THÔNG TIN DI

ĐỘNG ỨNG DỤNG TRONG NÔNG NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn: ThS LÊ VĂN CHƯƠNG

NGHỆ AN, 05 - 2017

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ, ĐỘ

ẨM TRONG ĐẤT TỪ XA THÔNG QUA MẠNG THÔNG TIN DI

ĐỘNG ỨNG DỤNG TRONG NÔNG NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn: ThS LÊ VĂN CHƯƠNG Cán bộ phản biện:

NGHỆ AN, 05 - 2017

LỜI NÓI ĐẦU

Sau quá trình học tập và rèn luyện tại Viện Kỹ Thuật và Công Nghệ, Trường Đại học Vinh em đã được trang bị các kiến thức cơ bản, các kỹ năng thực tế để có thể hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp của mình

Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo khoa Viện Kỹ Thuật và Công Nghệ, Trường Đại học Vinh đã quan tâm hướng dẫn truyền đạt những kiến thức quý báu

và kinh nghiệm cho em trong suốt thời gian học ở trường nói chung và trong đồ án

tốt nghiệp nói riêng Qua đây em xin chân thành cảm ơn ThS Lê Văn Chương đã

hướng dẫn tận tình để giúp em hoàn thành đồ án tốt nghiệp

Trong suốt thời gian làm đồ án em đã cố gắng hoàn thành nhưng không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Đồ án trình bày về phương pháp thiết kế hệ thống giám sát nhiệt độ và độ ẩm của đất từ xa thông qua mạng thông tin di động có nhiều ứng dụng thiết thực trong nông nghiệp thông minh Hệ thống sử dụng các cảm biến đo nhiệt độ, cảm biến đo

độ ẩm đất kết hợp với vi điều khiển PIC và module GSM/GPRS để gửi thông tin thu nhập được lên mạng Internet cho phép việc giám sát từ xa Trên cơ sở những dữ liệu thu thập được từ hệ thống sẽ cho phép các kỹ sư nông nghiệp, các nhà quản lý đưa ra những quyết định thích hợp về thực hiện tưới tiêu cho các khu vực trồng trọt nhằm thu được những năng suất tối ưu nhất

ABSTRACT

This project describes how to design a system for remote monitoring temperature and humidity of soil through a mobile communication network with many practial applications in smart agriculture The system uses temperature sensors, soil humidity sensors and PIC microcontrollers and GSM/GPRS modules

to send information is collected to the Internet for remote monitoring Based on the data is collected from the system, it will allow agricultural engineers and managers

to make appropriate decisions about irrigation in the plantation areas to obtain best productivity

MỤC MỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

TÓM TẮT ĐỒ ÁN 2

MỤC MỤC 3

DANH MỤC HÌNH 5

DẠNH MỤC BẢNG 6

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 7

MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG TRONG NÔNG NGHIỆP 9

1.1 TẦM QUAN TRỌNG CỦA VIỆC GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG TRONG NÔNG NGHIỆP 9

1.2 YÊU CẦU CỦA CÁC HỆ THỐNG GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG TRONG NÔNG NGHIỆP 10

1.3 CÁC SẢN PHẨM VỀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG 10

1.4 KẾT LUẬN 14

CHƯƠNG 2: HỆ THỒNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ MẠNG DỮ LIỆU DI ĐỘNG GPRS 15

2.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 15

2.2.1 Lịch sử phát triển 15

2.1.2 Kiến trúc mạng thông tin di động GSM 16

2.1.3 Các thủ tục cơ bản của GSM 18

2.2 MẠNG DỮ LIỆU DI ĐỘNG GPRS 21

2.2.1 Khái quát chung về mạng GPRS 21

2.2.2 Kiến trúc của GPRS 24

2.2.3 Nguyên tắc hoạt động của GPRS 29

2.3 GIAO THỨC TCP/IP 30

2.3.1 Lịch sử 30

2.3.2 Khái niệm về giao thức TCP/IP 32

2.4.3 Giao thức TCP/IP 32

2.3.4 Giao thức IP 34

2.3.5 Giao thức điều khiển truyền dữ liệu TCP 37

2.4 KẾT LUẬN 42

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM MÔI TRƯỜNG ĐẤT TỪ XA THÔNG QUA MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG ỨNG DỤNG TRONG NÔNG NGHIỆP 43

3.1 PHÂN TÍCH YÊU CẦU THIẾT KẾ 43

3.2 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG 43

3.2.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống 43

3.3 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 44

3.3.1 Khối vi điều khiển 44

3.3.2 Module giao tiếp mạng dữ liệu Sim900A 48

3.3.3 Khối cảm biến nhiệt độ LM35 56

3.3.4 Modul cảm biến đo độ ẩm đất 57

3.3.5 Màn hình LCD 58

3.4 XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN 61

3.5 CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM 62

3.5.1 Sơ đồ nguyên lý 62

3.5.2 Chế tạo 62

3.6 KẾT LUẬN 64

KẾT LUẬN 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

PHỤ LỤC 67

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Hệ thống giám sát .11

Hình 2.1 Base Station Controller – Bộ điều khiển trạm gốc 20

Hình 2.2 Cấu trúc của một mạng GPRS 21

Hình 2.3 Các khối mạng của GPRS 25

Hình 2.4 Các tầng trong bộ giao thức TCP/IP 33

Hình 2.5 Cấu trúc các lớp địa chỉ IP 35

Hình 2.6 Ví dụ cấu trúc các lớp địa chỉ IP 35

Hình 2.7 Dạng thức của gói tin IP 36

Hình 2.8 Cổng truy nhập dịch vụ TCP 38

Hình 3.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống 43

Hình 3.2 Sơ đồ chân của PIC 16F887 44

Hình 3.3 Cấu trúc bên trong của PIC 16F887 44

Hình 3.4 Module SIM900 48

Hình 3.5 Khối nguồn 50

Hình 3.6 Khối Sim900A 50

Hình 3.7 Khối UART 51

Hình 3.8 Khối Microphone 51

Hình 3.9 Khối Sim card 51

Hình 3.10 Khối Speaker 51

Hình 3.11 Sơ đồ chân SIM900 52

Hình 3.12 Sơ đồ thiết kế Breakout của Module SIM900 53

Hình 3.13 Cấu hình mặc định cho SIM900 56

Hình 3.14 Cảm biến đo nhiệt độ LM35 57

Hình 3.15 Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến độ ẩm đất 58

Hình 3.16 Text LCD 16x2 59

Hình 3.17 Kết nối Text LCD với Vi điều khiển 60

Hình 3.18 Lưu đồ thuật toán 61

Hình 3.19 Sơ đồ mạch nguyên lý 62

Hình 3.20 Mạch in đo nhiệt độ, độ ẩm đất 63

Hình 3.21 Mạch đo nhiệt độ, độ ẩm đất kết nối với modul Sim900 63

Hình 3.22 Hoạt động của mạch giám sát nhiệt độ, độ ẩm đất 63

Hình 3.23 Giao diện giám sát nhiệt độ, độ ẩm đất trong trang web 64

DẠNH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Tốc độ dữ liệu truyền trong GPRS 23

Bảng 2.2 Tốc độ kênh truyền trong GPRS 24

Bảng 2.3 Một số cổng TCP phổ biến 39

Bảng 2.4 Dạng thức của segment TCP 41

Bảng 3.1 Chức năng chân của LCD 59

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

GSM Global System for Mobile

communication

Hệ thống truyền thông

di động toàn cầu

TDMA Time Division Mutiple Access Đa truy cập phân chia

theo thời gian

FDMA Frequence Division Mutiple Access Đa truy cập phân chia

SGSN Serving GPRS Support Node Nút phục vụ các thuê

ICMP Internet control message protocol Giao thức điều khiển

thông điệp Internet IGMP Internet group management protocol Giao thức quản lý

nhóm Internet

MỞ ĐẦU

Hiện nay cùng với sự phát triển của kinh tế - xã hội, nông nghiệp thông minh đang nhận được sự quan tâm lớn từ xã hội Trong các hệ thống giám sát thì hệ thống giám sát nhiệt độ và độ ẩm trong đất rất quan trọng trong ứng dụng nông nghiệp Việc giám sát thu thập thông tin dữ liệu sẽ cho phép các kỹ sư nông nghiệp giám sát môi trường từ xa từ một vườn thông minh hay các khu vực sản xuất nông nghiệp lớn để đánh giá và đưa ra các quyết định thích hợp mà không phải trực tiếp đến từng nơi để giám sát Cùng với đó sự bùng nổ của Internet tạo môi trường thuận lợi cho việc truy cập và thu thập dữ liệu

Việc giám sát thu thập dữ liệu là một bài toán thiết thực, vận dụng linh hoạt kiến thức và ứng dụng rất nhiều trong thực tế Đây là một chủ đề mới mẻ và đang được nhiều công ty, nông trường, áp dụng để nâng cao hiệu quả sản suất đảm bảo môi trường tốt cho cây trồng phát triển

Chính vì các lý do như trên nên em quyết định chọn đề tài “ Nghiên cứu thiết

kế hệ thống giám sát nhiệt độ, độ ẩm trong đất từ xa thông qua mạng thông tin

di động ứng dụng trong nông nghiệp”

Nội dung của đồ án được trình bày trong 3 chương

Chương 1 Tổng quan về các hệ thống giám sát môi trường trong nông nghiệp Chương 2 Hệ thống thông tin di động và mạng dữ liệu di động GPRS

Chương 3 Thiết kế, chế tạo hệ thống giám sát nhiệt độ, độ ẩm môi trường đất từ xa thông qua mạng thông tin di động ứng dụng trong nông nghiệp

Mặc dù có nhiều cố gắng tuy nhiên do thời gian không nhiều và điều kiện làm việc còn hạn chế nên đồ án không tránh khỏi những thiếu sót

Rất mong thầy cô và các bạn góp ý và bổ sung thêm

Em xin chân thành cảm ơn!

Nghệ An, tháng 05 năm 2017 Sinh viên thực hiện

Hoàng Huy Huỳnh

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG

TRONG NÔNG NGHIỆP 1.1 TẦM QUAN TRỌNG CỦA VIỆC GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG TRONG NÔNG NGHIỆP

Ngày nay với việc áp dụng khoa học kỹ thuật vào trong quá trình sản xuất là vấn đề được nhiều sự quan tâm Với sự phát triển của kinh tế - xã hội, nền nông nghiệp thông minh đang được sự quan tâm lớn từ xã hội Đã được nhiều nước trên thế giới áp dụng để nâng cao hiệu quả sản suất đảm bảo môi trường tốt cho cây

trồng phát triển Trong chương này chúng ta tìm hiểu về tầm quan trọng, yêu cầu và

các ứng dụng của hệ thống giám sát trong môi trường trong nông nghiệp

Các hệ thống giám sát, cảnh báo đã được ra đời và áp dụng ngày càng tăng trong nông nghiệp hiện đại vào trang trại, nông trường nhằm đáp ứng nhu cầu của con người trong khi duy trì hoặc nâng cao chất lượng môi trường và bảo tồn tài

nguyên thiên nhiên

Theo truyền thống nông nghiệp được thực hiện một nhiệm vụ cụ thể chẳng hạn như trồng, chăm sóc, tưới tiêu và thu hoạch với lịch trình định trước Nhưng bằng cách thu thập dữ liệu thời gian thực về thời tiết, đất và chất lượng không khí nhằm theo dõi sự trưởng thành của cây trồng sẽ cải thiện được năng suất, nâng cao hiệu quả sản suất, giảm chi phí đầu tư, tăng năng suất cây trồng, có thể tạo sản phẩn nông nghiệp theo yêu cầu thị trường mà không quan tâm đến mùa vụ, Ngoài ra việc phát triển ngành nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao cũng là sân cho sự sáng tạo, ứng dụng những tiến bộ khoa học kỹ thuật vào sản xuất, đem lại nhiều hiệu quả kinh tế

Trong ứng dụng hàng ngày, nhu cầu theo dõi nhiệt độ và độ ẩm ngày càng trở nên phổ biến và thiết thực và được sử dụng nhiều trong: Sản xuất chế biến nông nghiệp hiển thị và thực thi điều khiển, theo dõi giám sát môi trường Nhiệt độ và độ

ẩm là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến tích chất của vật chất và môi trường sống cây trồng

Kỹ thuật đo lường trong việc phát triển nông nghiệp xanh đã mang lại những hiệu quả hết sức to lớn với quy mô nhà trồng hay nông trại rộng

Như vậy có thể thấy việc đo lường giám sát nhiệt độ, độ ẩm là điều rất quan trọng phù hợp với xu thế chung của nền nông nghiệp thế giới và đối với phát triển nông nghiệp ở nước ta

1.2 YÊU CẦU CỦA CÁC HỆ THỐNG GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG TRONG NÔNG NGHIỆP

Yêu cầu của hệ thống giám sát môi tường cụ thể phải đạt được các tiêu chí sau: Duy trì và làm tăng năng suất, lợi nhuận công nghiệp trong khi đảm bảo việc cung cấp thực phẩm và các dịch vụ hệ sinh thái trên cơ sở bền vững, giảm thiểu các tác động tiêu cực bên ngoài và khí thải nhà kính nông nghiệp, tái tạo lại các nguồn tài nguyên sinh thái Ngoài ra tác dụng lâu dài của nông nghiệp xanh có thể mang lại cho vụ thu hoạch cây trồng nhiều hơn

Nông nghiệp xanh trong lĩnh vực trồng trọt thường đòi hỏi khắt khe về việc duy trì nhiệt độ và độ ẩm cho môi trường sinh trưởng của cây trồng theo từng loại cây cũng nhu thời gian sinh trưởng của chúng Điều này đòi hỏi phải giám sát và thu nhập số liệu về nhiệt độ và độ ẩm tại nhiều vị trí khác nhau trong môi trường sinh trưởng cây trồng Nhờ giám sát và thu thập số liệu nhiệt độ,độ ẩm trong đất nhà nông có thể theo dõi được độ ẩm của các loại cây để quyết định thời điểm thu hoạch thích hợp Biết được độ ẩm của đất, độ ẩm- nhiệt độ của không khí sẽ cho phép nhà nông điều chỉnh canh tác cả mình một cách thích hợp để đạt được tối ưu năng suất cây trồng

1.3 CÁC SẢN PHẨM VỀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG

 Hệ thống kiểm soát nhiệt độ trong nhà kính:

Là hệ thống đặc biệt cần thiết với nhà kính nông nghiệp, đặc biệt là ở các vùng địa lý có khí hậu biến đổi liên tục theo mùa

Trên thế giới hệ thống kiểm soát nhiệt độ tự động đã được ứng dụng từ năm

1985 Các sản phẩm này giúp nhiệt độ trong nhà kính luôn ổn định, hoặc thay đổi theo quá hướng phục vụ quá trình sinh trưởng và phát triển của cây trồng Ngoài ra

hệ thống còn tích hợp chức năng quản lý hệ thống tưới và hệ thống châm phân, phun thuốc hoá sinh…

Hệ thống kiểm soát nhiệt độ tự động trong nhà kính được thiết kế để giúp người trồng tối đa hóa năng suất cây trồng và giúp bảo tồn nguồn nước và tiết kiệm năng lượng vận hành cho nhà kính

Hình 1.1 Hệ thống giám sát

+ Các tính năng cơ bản của hệ thống kiểm soát nhiệt độ nhà kính nông nghiệp hiện nay:

- Khả năng lập trình điều khiển từ xa qua internet

- Có thể hoạt động tự động hoàn toàn hoặc bán tự động với thao tác của người vận hành

- Tính năng hoạt động theo trình tự thời gian hoặc yêu cầu thực tế bên trong nhà kính

- Hệ thống có thể tiếp nhận và xử lý cùng lúc nhiều thông tin bên trong nhà kính như: Nhiệt độ, độ ẩm, độ pH, dinh dưỡng…

- Kết hợp điều khiển ánh sang, phục vụ quá trình sinh trưởng của cây cũng như quá trình canh tác của con người

- Kiểm soát lượng khí thải CO2, quạt thông gió

- Xử lý lượng nước tưới và nước thừa

Một số hệ thống giám sát trên thế giới

+ Hệ thống giám sát và cảnh báo thảm họa

Nhật Bản là quốc gia phải hứng chịu nhiều thảm họa thiên nhiên, không chỉ

có động đất hay sóng thần mà cả các cơn bão, lở đất và núi lửa phun trào Tất cả các thảm họa này có thể xảy ra thường xuyên tại bất cứ nơi nào trên nước Nhật Nhật Bản cũng được biết đến là một trong các nước thành công trong việc triển khai và

vận hành hệ thống giám sát và cảnh báo thảm họa Ngoài các thảm họa thiên nhiên như động đất, sóng thần, bão, tuyết, lũ lụt thì các thảm họa do tai nạn gây ra như hỏa hoạn, cháy rừng, đường sắt, hàng hải cũng được theo dõi và giám sát và thông báo đến cho người dân

Hệ thống giám sát môi trường là hệ thống các thiết bị cảm biến được lắp đặt tại các vị trí trọng yếu như bờ biển, núi, đường ray, rừng cho phép theo dõi và thu thập các dữ liệu từ môi trường như độ ẩm, nhiệt độ, mực nước

Các dữ liệu thu thập từ hệ thống giám sát môi trường được chuyển đến các

cơ quan khí tượng thủy văn Khi có thảm họa xảy ra, dựa vào kết quả dự báo về loại hình và mức độ tác động của thảm họa mà cơ quan khí tượng thủy văn sẽ quyết định có cần thông báo đến các cơ quan liên quan hay không Các cơ quan liên quan bao gồm Chính phủ, các Bộ, ngành liên quan và các địa phương nằm trong vùng ảnh hưởng của thảm họa sẽ nhận được các cảnh báo về nguy cơ thảm họa Các thông tin cảnh báo từ trung ương được gửi đến các địa phương và được thông báo cho người dân thông qua nhiều loại hình khác nhau như: hệ thống loa phóng thanh trên các tòa nhà, dọc đường, trên các phương tiện giao thông công cộng, đài phát thanh, đài truyền hình Các cảnh báo này còn được gửi qua hệ thống tin nhắn điện thoại mà không bị tính cước

+ Hệ thống giám sát môi trường trong nông nghiệp

Nhiều nước trên thế giới như: Nhật Bản, Australia, Israel đã và đang nghiên cứu và ứng dụng các hệ thống sensor để giám sát môi trường phục vụ cho nông nghiệp Với các phương pháp giám sát truyền thống, chi phí nhân công là rất lớn Đặc biệt, nó còn gặp hạn chế về số lượng các điểm có thể tiếp cận cũng như tần suất

đo Để khắc phục các hạn chế này, người ta đã sử dụng các hệ thống ICT sensor để thu thập các dữ liệu tại các điểm trồng cây Các thông tin thu thập được bao gồm nhiệt độ, độ ẩm, áp suất Các thông tin này được sử dụng để phân tích và tối ưu thời gian thu hoạch, thời gian tưới cây, thời điểm phun thuốc phòng trừ sâu bệnh nhằm tạo môi trường thuận lợi nhất cho cây trồng sinh trưởng và phát triển, tạo ra các vụ mùa bội thu

Các hệ thống ICT sensor trước đây thường được dùng ở các ruộng cây trong nhà nhằm giám sát hỏa hoạn, nhiệt độ và độ ẩm để điều khiển môi trường tối ưu cho

cây hoa màu và các loại cây ăn quả phát triển Để mở rộng phạm vi ứng dụng của

hệ thống các sensor, đặc biệt là cho các nông trại rộng lớn, các mạng sensor không dây đang được đẩy mạnh nghiên cứu xây dựng Hệ thống sensor không dây gồm các điểm có đặt các sensor cùng với các thiết bị xử lý thông tin cho phép truyền/nhận dữ liệu không dây Các điểm này hoạt động độc lập và thu thập các thông tin về điều kiện môi trường

Một số hệ thống giám sát môi trường và cảnh báo tại Việt Nam:

+ Hệ thống giám sát môi trường có tích hợp GPS:

Các chức năng chính của thiết bị chế tạo được gồm:

- Thu nhận dữ liệu về kinh độ, vĩ độ, tốc độ và thời gian

- Thu nhận các thông số môi trường được đo từ các cảm biến gồm CO, CH4, nhiệt độ và độ ẩm

- Truyền dữ liệu vị trí và các thông số môi trường trực tuyến về trung tâm giám sát thông qua đường truyền GPRS và mạng Internet

- Hiển thị thông số môi trường đo được của các khu vực cần giám sát theo vị trí trực tuyến trên bản đồ số GIS

Thiết bị được chế tạo với đầy đủ tính năng của một bộ cảm biến giám sát các thông số môi trường Thiết bị còn cho phép sử dụng trong điều kiện làm việc di động, thay đổi vị trí khác nhau dựa vào khả năng nhận biết vị trí thông qua hệ thống GPS Các kết quả thu nhận được còn có khả năng thể hiện trực quan trên bản đồ số GIS

+ Hệ thống AGRASYS

Hệ thống AGRASYS là một trong các kết quả nghiên cứu của đề tài cấp Nhà nước có tên "Nghiên cứu và phát triển một số sản phẩm tính toán khắp nơi và di động (Ubiquitous & Mobile Computing)" do Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội chủ trì thực hiện Đây là hệ thống được phát triển với mục đích hỗ trợ cho hoạt động thu thập số liệu và điều khiển môi trường phục vụ trồng trọt Một số đặc tính của hệ thống:

- Về truy nhập: Cho phép truy nhập từ xa qua mạng Internet, GPRS, 3G hoặc truy nhập trong nội bộ qua mạng LAN, WiFi Các thiết bị đầu cuối có thể sử dụng Laptop, PC hoặc điện thoại di động

- Về giám sát: Các thông số môi trường thu thập được có thể hiển thị trên giao diện web hoặc qua các màn hình hiển thị chuyên dụng dùng cho hệ thống Hệ thống cho phép hiển thị các thông số môi trường theo thời gian thực, trong một ngày bất kỳ, trong tuần hoặc trong tháng

- Về thu thập dữ liệu: Giá trị các tham số môi trường đo đạc được tại hiện trường từ nhiều sensor được lưu trong bộ nhớ

- Về điều khiển: Hệ thống cho phép điều khiển nhiều loại tải khác nhau phù hợp cho nhiều loại thiết bị được sử dụng trên cánh đồng như hệ thống tưới phun, hệ thống tưới nhỏ giọt Hình thức điều khiển thiết bị đa dạng như điều khiển tự động, điều khiển qua web, điều khiển bằng tay hay điều khiển tại chỗ (sử dụng các bộ điều khiển kèm theo hệ thống)

Hệ thống AGRASYS đã được nghiên cứu, phát triển và triển khai tại Vườn thực nghiệm của Viện nghiên cứu cây rau, cây ăn quả và Khu vườn lan của Trường Đại học Nông nghiệp I.[4]

1.4 KẾT LUẬN

Từ chương chúng ta có được một cái nhìn tổng quan về hệ thống giám sát môi trường Từ đó giúp chúng ta hiểu và biết được tầm quan trọng và ứng dụng của việc giám sát trong môi trường nông nghiệp

là (Global System for Mobile Communications) viết tắt là GSM Dịch vụ GSM được sử dụng bởi hơn 2 tỷ người trên 212 quốc gia và vùng lãnh thổ Khả năng có thể phủ sóng khắp nơi của chuẩn GSM khiến nó trở nên phổ biến trên thế giới, cho phép người sử dụng có thể sử dụng ĐTDĐ của họ ở nhiều vùng trên thế giới Từ đây chúng ta có thể thấy hệ thống thông tin di động giúp ta tiện lợi hơn rất nhiều trong thông tin liên lạc hàng ngày Bây giờ chúng ta sẽ đi tìm hiểu về hệ thống thông tin di động và mạng dữ liệu di động để hiểu rõ hơn hoạt động của nó

- 1982-1985 Conference Europeennedes Postes et Telecommunications (CEPT Hiệp hội bưu chính viễn thông Châu Âu) bắt đầu đưa ra chuẩn viễn thông kỹ thuật số Châu Âu tại băng tần 900MHz, tên là GSM-Global System for Mobile communication (hệ thống truyền thông di động toàn cầu)

- 1986: CEPT lập nhiều vùng thử nghiệm tại Paris để lựa chọn công nghệ truyền phát Cuối cùng kỹ thuật Đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA-Time Division Mutiple Access) và đa truy cập theo tần số (FDMA - Frequence Division Mutiple Access) đã được lựa chọn

- 1986: Hai kỹ thuật trên đã được kết hợp để tạo nên công nghệ phát cho GSM

Các nhà khai thác của 12 nước Châu Âu đã cùng ký bản ghi nhớ Memorandum of Understanding (MoU) quyết tân giới thiệu GSM vào năm 1991

- 1988: CEPT bắt đầu xây dựng đặc tả GSM cho giai đoạn hiện thực và đã có thêm 5 nước gia nhập MoU

- 1989: Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu ( European Telecommunication Standards Institude) nhận trách nhiệm phát triển đặc tả GSM

- 1990: Đặc tả giai đoạn 1 đã được đưa cho các nhà sản xuất phát triển thiết

- 1993: Úc là nước đầu tiên ngoài CEPT ký MoU, khi đó MoU đã được 70 nước tham gia Mạng GSM được công bố tại Áo, Ai-xơ-len, Hồng Kông, Na Uy và

Úc Thuê bao GSM lên đến hàng triệu Hệ thống DCS thương mại đầu tiên được công bố ở Anh

- 1994: MoU có hơn 100 tổ chức tham gia tại 60 nước Nhiều mạng GSM ra đời, tổng số thuê bao lên 3 triệu

- 1995: Đặc tả cho Dịch vụ liên lạc cá nhân (PCS - Personal communications Service) được phát triển tại Mỹ, đây là một phiên bản GSM hoạt động trên tần số 1900MHz GSM tiếp tục phát triển nhanh, mỗi ngày thuê bao GSM tăng 10.000

- 4/1995: MoU có 188 thành viên trên 69 quốc gia Hệ thống GSM 1900 có hiệu lực tuân theo chuẩn PCS 1900

- 1998: MoU có 253 thành viên trên 100 nước và có trên 70 triệu thuê bao trên toàn cầu chiếm 31% thị trường di động thế giới

- 6/2002 Hiệp hội GSM có 600 thành viên, đạt 79 triệu thuê bao chiếm 71% thị trường di động số trên 173 quốc gia.[4]

2.1.2 Kiến trúc mạng thông tin di động GSM

Thành phần:

1 Mạng GSM được chia thành 2 hệ thống

Hệ thống chuyển mạch (SS - switching system) và hệ thống trạm phát (BSS - base station system) Mỗi hệ thống được xây dựng trên nhiều thiết bị chuyên dụng khác nhau Ngoài ra, giống như các mạng liên lạc khác, GSM cũng được vận hành, bảo trì và quản lý bởi các trung tâm máy tính Hệ thống chuyển mạch chuyên xử lý cuộc gọi và các công việc liên quan đến thuê bao BSS xử lý công việc liên quan đến truyền phát sóng radio OMC thực hiện nhiệm vụ vận hành và bảo trì mạng, như theo dõi lưu lượng cảnh báo khi cần thiết OMC có quyền truy xuất đến cả SS

và BSS

2 Kiến thức dạng địa lý

Với mọi mạng điện thoại, kiến trúc là nền tảng quan trọng để xây dựng qui trình kết nối cuộc thoại đến đúng đích Với mạng di động thì điều này lại càng quan trọng: do người dùng luôn di chuyển nên kiến trúc phải có khả năng theo dõi được

vị trí của thuê bao

3 Ô (cell)

Là đơn vị cơ bản của hệ thống tế bào, được định nghĩa theo vùng phủ sóng của BTS Mỗi ô được cấp một số định danh duy nhất gọi là CGI (Cell Global Identity) Để phủ sóng toàn quốc, người ta cần đến một số lượng rất lớn BTS Để phủ sóng toàn bộ 61 tỉnh thành Mobifone bố trí 358 BTS, Việc bố trí dựa trên một mức độ khai thác của từng khu vực, chỉ riêng khu vực 2 (từ Lâm Đồng trở vào) đã đặt đến gần 300 BTS (chiếm gần một nữa tổng số BTS của mạng); trong tương lai GPC (công ty quản lý mạng Vinaphone) và VMS (MobiFone) vẫn sẽ tiếp tục lắp đặt thêm BTS để mở rộng và nâng cấp chất lượng vùng phủ sóng

4 Vùng định vị (LA-Location Area)

Nhiều ô được ghép nhóm và gọi là một LA Trong mạng, vị trí của thuê bao

do LA khu vực của thuê bao nắm giữ Số định danh cho LA được lưu thành thông

số LAI (Location Area Identity) ứng với từng thiết bị di động (điện thoại di động) trong VLR Khi thiết bị di chuyển sang ô của LA khác thì bắt buộc phải đăng ký lại

vị trí với mạng, nếu dịch chuyển giữa các ô trong cùng một LA thì không phải thực hiện qui trình trên Khi có cuộc gọi đến thiết bị, thông điệp được phát ra (broadcast) toàn bộ các ô của LA đang quản lý thiết bị

vọng sắp tới sẽ sớm có thêm vùng phục vụ của Saigon Postel liên doanh với SLD (Singapore), Vietel, Viễn Thông Sài Gòn

Vùng dịch vụ GSM: Vùng dịch vụ GSM là toàn bộ vùng địa lý mà thuê bao

có thể truy nhập vào mạng GSM, và sẽ càng mở rộng khi có thêm nhiều nhà khai thác ký thỏa ước hợp tác với nhau Hiện tại thì vùng dịch vụ GSM đã phủ hàng chục quốc gia, kéo dài từ Ai-xơ-len đến Châu Úc và Nam Phi Chuyển vùng là khả năng cho phép thuê bao truy nhập mạng của mình từ mạng khác Mô hình mạng di động

tế bào có thể được trình bày giữa hai góc độ

7 Băng tần

Hiện tại mạng GSM đang hoạt động trên 3 băng tần: 900, 1800, 1900MHz Chuẩn GSM ban đầu sử dụng băng tần 900MHz, gọi là phiên bản P-GSM (Primary GSM) Để tăng dung lượng, băng tần dần mở sang 1800 và 1900MHz, gọi là phiên bản mở rộng (E-GSM) Chính vì thế, thị trường đã xuất hiện nhiều loại điện thoại

hỗ trợ nhiều băng tần nhằm tạo thuận lợi cho người dùng thường xuyên đi nước ngoài và tận dụng được hết ưu thế chuyển vùng quốc tế của mạng GSM hiện nay

8 Đặc tả GSM

GSM được thiết kế độc lập với hệ thống nên hoàn toàn không phụ thuộc vào phần cứng mà chỉ tập trung vào chức năng và ngôn ngữ giao tiếp của hệ thống

Điều này tạo điều kiện cho người thiết kế phần cứng sáng tạo thêm tính năng

và cho phép công ty vận hành mạng mua thiết bị từ nhiều hãng khác nhau

Bản đặc tả gồm 12 mục, mỗi mục do 1 nhóm chuyên gia và 1 công ty riêng biệt phụ trách viết, ESTI giữ vai trò điều phối chung

GSM 1800 được xem là phần phụ lục, nó chỉ đề cập đến sự khác nhau giữa GSM 900 và GSM 1800

GSM 1900 được viết dựa trên GSM 1800 nhưng có thay đổi cho phù hợp với chuẩn ANSI (American National Standards Institude) của Mỹ

Khi thiết bị (điện thoại di động) ở trạng thái tắt, nó được tách ra khỏi mạng Khi bật lên, thiết bị dò tần số GSM để tìm kênh điều khiển Sau đó, thiết bị đo cường độ của tín hiệu từ các kênh và ghi lại Cuối cùng thì chuyển sang kết nối với kênh có tín hiệu mạnh nhất

* Thực hiện cuộc gọi từ thiết bị di động vào điện thoại cố định:

1 Thiết bị kiểu yêu cầu một kênh báo hiệu

2 BSC/TRC sẽ chỉ định kênh báo hiệu

3 Thiết bị gửi yêu cầu thiết lập cuộc gọi cho MSC/VLR Thao tác đăng ký trạng thái tích cực cho thiết bị vào VLR, xác thực, mã hóa, nhận dạng thiết bị, gửi

số được gọi cho mạng, kiểm tra xem thuê bao có đăng ký dịch vụ cấm gọi ra đều được thực hiện trong bước này Nếu hợp lệ, MSC/VLR báo cho BSC/TRC một kênh đang rỗi MSC/VLR chuyển tiếp số được gọi cho mạng PSTN Nếu máy được gọi trả lời, kết nối sẽ được thiết lập

* Thực hiện cuộc gọi từ điện thoại cố định đến thiết bị di động:

Điểm khác biệt quan trọng so với gọi từ thiết bị di động là vị trí của thiết bị không được biết chính xác Chính vì thế trước khi kết nối, mạng phải thực hiện công việc xác định vị trí của thiết bị di động

1 Từ điện thọai cố định, số điện thoại di động được gửi đến mạng PSTN Mạng sẽ phân tích, và nếu phát hiện ra từ khóa gọi ra mạng di động, mạng PSTN sẽ kết nối với trung tâm GMSC của nhà khai thác thích hợp

2 GMSC phân tích số điện thoại di động để tìm ra vị trí đăng ký gốc

trong HLR của thiết bị và cách thức nối đến MSC/VLR phục vụ

3 HLR phân tích số điện thoại di động để tìm ra MSC/VLR đang phục vụ cho thiết bị Nếu có đăng ký dịch vụ chuyển tiếp cuộc gọi đến, cuộc gọi sẽ được trả

về GMSC với số điện thoại được yêu cầu chuyển đến

4 HLR liên lạc với MSC/VLR đang phục vụ

5 MSC/VLR gửi thông điệp trả lời qua HLR đến GMSC

6 GMSC phân tích thông điệp rồi thiết lập cuộc gọi đến MSC/VLR

7 MSC/VLR biết địa chỉ LA của thiết bị nên gửi thông điệp đến BSC quản

lý LA này

8 BSC phát thông điệp ra toàn bộ các ô thuộc LA

Hình 2.1 Base Station Controller – Bộ điều khiển trạm gốc

9 Khi nhận được thông điệp, thiết bị sẽ gửi yêu cầu ngược lại

10 BSC cung cấp một khung thông điệp chứa thông tin

11 Phân tích thông điệp của BSC gửi đên để tiến hành thủ tục bật trạng thái của thiết bị lên tích cực, xác nhận, mã hóa, nhận diện thiết bị

12 MSC/VLR điều khiển BSC xác lập một kênh rỗi, đổ chuông Nếu thiết bị

di động chấp nhận trả lời, kết nối được thiết lập Trong trường hợp thực hiện cuộc gọi từ thiết bị di động đến thiết bị di động, quá trình cũng diễn ra tương tự nhưng điểm giao tiếp với mạng PSTN của điện thoại cố định sẽ được thay thế bằng MSC/VLR khác DROPBACK giữa hai nhà khai thác dịch vụ Đây là một ưu điểm

mà các nhà khai thác dịch vụ thường ứng dụng để tiết kiệm chi phí cho truyền phát

và xử lý Ví dụ trong vùng chuyển vùng quốc tế, thuê bao đăng ký tại Việt Nam thực hiện cuộc gọi tại Singapore cho một thiết bị di động tại Singapore Thông thường tuyến kết nối sẽ đi ngược về Việt Nam; nếu ứng dụng tính năng dropback, tuyến kết nối sẽ được tối ưu trong vùng của Singapore

có dữ liệu được gửi thay cho việc sử dụng kết nối kênh cố định của dịch vụ GPRS Công nghệ GPRS hay còn biết đến với mạng di động thế hệ 2.5G, áp dụng nguyên lý gói vô tuyến để truyền số liệu của người sử dụng một cách có hiệu quả giữa máy điện thoại di động tới các mạng truyền số liệu

GPRS cho phép sử dụng các máy điện thoại di động thông thường để truy nhập Internet Nhờ GPRS người sử dụng có thể làm việc với thư điện tử của mình, với các server Web thông thường (chứ không phải với các versions WAP chuyên dụng)

Ưu thế cơ bản của các mạng GPRS là ở chỗ người sử dụng chỉ phải chi trả cho lượng thông tin phát /thu chứ không phải cho thời gian vào mạng Trước khi có tiêu chuẩn công nghệ GPRS, thuê bao phải trả tiền cho toàn bộ thời gian kết nối mà không phụ thuộc vào việc họ có sử dụng kênh truyền số liệu quy định hay không Nói một cách khác, tài nguyên của mạng chỉ phát huy hiệu lực trong thời gian truyền số liệu trực tiếp từ máy điện thoại Trong thời gian ngừng hoạt động, chẳng hạn như để duyệt thư điện tử, tài nguyên mạng được giao cho các thuê bao khác sử dụng Ngoài ra, công nghệ GPRS là một giai đoạn trung gian để chuyển từ thế hệ

thứ hai (GMS) sang thế hệ thứ ba (UMTS - Universal Mobile Telecommunications System) Trong GPRS, tốc độ truyền số liệu cao nhất có thể có là 171,2 kbit/s nhanh hơn gần gấp 12 lần so với truyền số liệu trong các mạng GMS thông thường (9,6 kbit/s) Tuy nhiên,vào thời điểm hiện tại người ta chưa cần tốc độ cao như vậy mà thường chỉ trong khoảng 30-40kbit/s

Với các chức năng được tăng cường, GPRS làm giảm giá thành, tăng khả năng thâm nhập các dịch vụ số liệu cho người dùng Hơn nữa, GPRS nâng cao các dịch vụ dữ liệu như độ tin cậy và đáp ứng các đặc tính hỗ trợ Các ứng dụng sẽ được phát triển với GPRS sẽ hấp dẫn hàng loạt các thuê bao di động và cho phép các nhà khai thác đa dạng hoá các dịch vụ Các dịch vụ mới sẽ làm tăng nhu cầu về dung lượng đường truyền trên các tài nguyên vô tuyến và các tiểu hệ thống cơ sở Một phương pháp GPRS dùng để làm giảm bớt các tác động đến dung lượng đường truyền là chia sẻ cùng tài nguyên Radio giữa các trạm di động trong một tế bào Hơn nữa, các thành phần mạng cốt lõi sẽ được triển khai để hỗ trợ cho các dịch vụ

số liệu được hiệu quả hơn

Để cung cấp các dịch vụ mới cho người sử dụng điện thoại di động, GPRS là bước quan trọng hội nhập tới các mạng thông tin thế hệ ba (3G) GPRS cho phép các nhà khai thác mạng triển khai trên nền một cấu trúc cốt lõi dựa trên mạng IP cho các ứng dụng số liệu và sẽ tiếp tục được sử dụng và mở rộng cho các dịch vụ 3G cho các ứng dụng số liệu và thoại tích hợp GPRS chứng tỏ được sự phát triển các dịch vụ và ứng dụng mới, cũng như được dùng để phát triển các dịch vụ 3G

Trước những mong đợi về nhu cầu đa dạng và tinh vi của dịch vụ, GPRS đã cải tiến cách truyền trong mạng GSM theo chuẩn ETSI (European Telecommunications Standards Institute)

Về cơ bản là sử dụng các gói tin để truyền tải dữ liệu trên mạng thay cho việc

sử dụng kết nối kênh cố định của dịch vụ hiện tại khi và chỉ khi có dữ liệu được gửi Giao thức TP được sử dụng trong mạng GPRS vì GPRS được thiết kế như một phương thức cung cấp dịch vụ mạng để hỗ trợ những ứng dụng theo dữ liệu chuẩn (Standard Data Protocols)

Một trong những ưu điểm của chuyển mạch gói là cho phép nhiều người sử dụng phận chia một kênh vật lý Điều này sẽ tối ưu hóa sử dụng phổ nhờ phân chia

khe thời gian động giữa những người sử dụng và nâng cao hiệu suất sử dụng lên gấp

ba lần so với chuyển mạch kênh Thuê bao có thể kết nối đến tất cả các khe thời gian với thời gian thiết lập cuộc gọi nhỏ

Trong khi kỹ thuật chuyển mạch kênh có thể cho tốc độ truyền dẫn dữ liệu lên 56 kbit/s đối với mạng thông tin cố định hay 9,6 kbit/s đối với mạng GSM hiện tại nhưng chi phí rất cao và sử dụng không hiệu quả, thì GPRS với kỹ thuật chuyển mạch gói đưa tốc độ lên tới 171,2 kbit/s và phổ được sử dụng hiệu quả hơn gấp 3 lần so với tốc độ truyền dẫn dữ liệu của mạng thông tin cố định và gấp 10 lần tốc độ truyền dẫn dữ liệu của mạng GSM hiện tại

Tốc độ dữ liệu cung cấp bởi GPRS phụ thuộc vào lược đồ mã hóa kênh Có 4 chuẩn tốc độ cho một kênh truyền trong GPRS là: 9,05 kbit/s – 13,4 kbit/s – 15,6

kbit/s – 21,4 kbits

Bảng 2.1 Tốc độ dữ liệu truyền trong GPRS

Lược đồ Tỷ lệ mã Tốc độ dữ liệu trên 1 khe

thời gian (kbit/s)

Tốc độ dữ liệu trên 8 khe thời gian (kbit/s)

Bảng 2.2 Tốc độ kênh truyền trong GPRS

Các ứng dụng số liệu Tốc độ

(kb/s) Các ứng dụng số liệu Tốc độ

(kb/s) Telemetry

Electronic Newspapers

Email Video Conference Database Access Data Transfer (UDI) Multi – User games Audio Visual (MPRG-4)

28,8 28,8 28,8 28,8

Yêu cầu cho người sử dụng có thể sử dụng dịch vụ GPRS:

- Điện thoại di động hay thiết bị đầu cuối hỗ trợ GPRS

- Mạng điện thoại di động mà thuê bao sử dụng phải hỗ trợ GPRS

- GPRS được cung cấp cho người sử dụng

- Địa chỉ truyền và nhận dữ liệu phải thông qua mạng GPRS

Để có thể thiết lập GPRS dựa trên nền tảng mạng GSM cơ sở cần yêu cầu bổ sung thêm hai modul lõi sau:

GGSN: Gateway GPRS Support Node

SGSN: Serving GPRS Support Node

2.2.2 Kiến trúc của GPRS

Các công nghệ GSM/GPRS/EDGE có cùng một cơ sở nền tảng đó là kỹ thuật truy cập TDMA và FDMA vì vậy hoạt động trên cùng một băng thông (với mỗi kênh băng tần số 200kHz)

Kiến trúc mạng có sử dụng công nghệ GPRS được mô tả sơ lược trên hình

vẽ Trong cấu trúc này, các thành phần tiêu chuẩn của mạng GSM quen thuộc được

mở rộng thêm bằng các phần tử mới hoặc được đổi mới Nhìn chung, có tất cả bốn thành phần chính, trong đó có hai thành phần chưa có trong công nghệ GSM đang hoạt động

Các khối trong hệ thống GPRS:

- MS (Mobile Station)

- BSS (Base Station System)

- SGSN (Serving GPRS Support Node)

- GGSN (Gateway GPRS Support Node)

Bên cạnh 4 thành phần chính nêu trên thì phần MSC (Mobile Switching Center) cũng không thể không kể đến

Mạng GPRS trong hệ thống GSM có các đặc điểm sau:

- Tương tác giữa GPRS và mạng GSM hiện tại được thông qua hệ thống báo hiệu số 7

- MSC và VLR không thực sự cần thiết khi định tuyến dữ liệu GPRS nhưng

nó được dùng khi kết nối GPRS trên mạng GSM hiện tại

- HLR chứa thông tin chi tiết về thuê bao trong mạng GPRS

- AUC được dùng để xử lý nhận thức và mật mã

- EIR được sử dụng cho nhận thức thiết bị di động

Các khối của 1 mạng GPRS được biểu diễn ở hình 1.5:

Hình 2.3 Các khối mạng của GPRS

2.2.2.1 MS (Mobile Station) Trạm di động

Trạm di động (MS - mobile station) có thể là một máy tính xách tay hay bỏ túi, một máy điện thoại di động hoặc bất kỳ một thiết bị nào khác có hỗ trợ công nghệ GPRS.Về mặt chức năng, MS bao gồm hai cấu kiện:

- Thiết bị đầu cuối TE (terminal equipment), chẳng hạn như một máy tính xách tay;

- Đầu cuối di động MT (Mobile Terminal),chẳng hạn như một modem

- Có 3 loại MS được quy định cho việc sử dụng mạng GPRS là A, B và C dựa vào sự đăng nhập tới mạng PLMN mà GPRS hỗ trợ, MS sẽ thông báo tới mạng

về lớp GPRS và tiềm năng đa khe thời gian của nó

Tuỳ thuộc vào loại thiết bị và vào khả năng mạng,trạm di động sẽ hoạt động theo một trong ba chế độ làm việc:

- Cấp A : hỗ trợ đồng thời sự đăng nhập, sự khởi hoạt (activiation), giám sát báo khẩn (invocation), lưu lượng cho phép trạm di động cùng một lúc phát đi cả dữ liệu và tiếng nói, có nghĩa là làm việc đồng thời trong cả mạng GSM lẫn GPRS

- Cấp B : hỗ trợ đồng thời sự đăng nhập , sự kích hoạt, giám sát Tuy nhiên,

nó chỉ hỗ trợ thông báo khẩn đồng thời trong giới hạn Ví dụ như kênh ảo GPRS sẽ không được giải quyết do sự có mặt của lưu lượng chuyển mạch kênh Trong trường hợp như vậy, sự kết nối ảo GPRS sẽ bị bận hoặc treo, đồng thời lưu lượng sẽ không được hỗ trợ bởi MS cấp B Thuê bao có thể phát hoặc thu các cuộc gọi của cả 2 dịch

vụ GSM và GPRS liên tiếp nhưng không đồng thời Sự lựa chọn dịch vụ thích hợp được thực hiện tự động Nói cách khác, cấp B cho phép trạm di động phát đi cả tiếng nói cả dữ liệu, nhưng vào các thời điểm khác nhau, có nghĩa là không đồng thời

- Cấp C : chỉ hỗ trợ sự đăng nhập không đồng thời Nếu cả 2 dịch vụ được hỗ trợ thì MS loại C chỉ có thể phát hoặc thu hoặc đồng thời phát và thu các cuộc gọi chỉ từ dịch vụ tự lựa chọn hoặc mặc định Trạng thái dịch vụ GSM hoặc GPRS không được lựa chọn bị loại khỏi mạng Thêm vào đó, khả năng của MS cấp C để thu và phát bản tin ngắn SMS là tùy chọn Nhưng đến hiện nay, cấp C chỉ cho phép trạm di động làm việc trong chế độ GPRS

Khi đấu nối vào mạng GPRS trạm di động (mà chính xác hơn là thành phần TE) sẽ nhận địa chỉ IP; địa chỉ này không thay đổi trước thời điểm đấu nối của đầu cuối di động MT; hơn nữa, trạm di động thậm chí có thể không nghi ngờ gì về việc

nó là di động Trạm di động thiết lập kết nối với nút dịch vụ của các thuê bao GPRS, mà sẽ được mô tả ở sau

2.2.2.2 BSS (Base Station System) Trạm gốc

Trạm gốc BSS (Base Station System) thu tín hiệu vô tuyến từ trạm di động

và tuỳ thuộc vào việc cái gì được phát đi (tiếng nói hay dữ liệu) mà nó sẽ chuyển tiếp lưu lượng:

- Tới trung tâm chuyển mạch di động MSC (Mobile Switching Center) vốn là thành phần tiêu chuẩn của mạng GSM;

- Tới nút hỗ trợ dịch vụ GPRS (SGSN- Serving GPRS Support Node) là nơi chịu trách nhiệm xử lý dữ liệu đến/đi của GPRS

Thành phần của BSS bao gồm: BSC, PCU và BTS

BSC làm các chức năng sau trong GPRS:

- Giao diên vô tuyến cho dữ liệu gói

Khối điều khiển gói (PCU - Packet Control Unit):

Khối PCU được bổ sung vào cơ sở hạ tầng của GSM, có thể coi đây là sự nâng cấp phần mềm cho BSC, PCU có quan hệ với các giao thức vô tuyến lớp thấp,

nó xử lý lưu lượng dữ liệu và tách ra khỏi lưu lượng thoại GSM Ngoài ra, PCU còn thêm chức năng tạo gói và điều khiển dộng liên kết vô tuyến Điều này cho phép nhiều người sử dụng có thể truy cập tới nguồn tài nguyên vô tuyến giống nhau theo những phương pháp truy nhập riêng và giải phóng kênh truyền khi không sử dụng

PCU làm các chức năng sau:

- Chịu trách nhiệm quản lý tài nguyên vô tuyến dữ liệu gói trong BSS

- PCU chịu trách nhiệm xử lý lớp MAC và PLC của giao diện vô tuyến, lớp BSSGP và NS của giao diện Gb

- Truyền dữ liệu gói

2.2.2.3 SGSN (Serving GPRS Support Node) Nút phục vụ các thuê bao GPRS

Nút phục vụ thuê bao SGSN là thành phần chủ yếu của mạng GPRS Nó có nhiệm vụ chuyển tiếp các gói IP mà trạm di động gửi đi và nhận được

Về thực chất nó cũng là một trung tâm chuyển mạch giống như MSC trong GSM, nhưng có khác ở chỗ nó chuyển mạch cho các gói chứ không phải các kênh Thông thường, nút này được xây dựng trên cơ sở OC Unix và có địa chỉ IP riêng của nó.Từ quan điểm an toàn, SGSN có thể có các chức năng:

* Kiểm tra sự cho phép các thuê bao sử dụng các dịch vụ đã được mã hoá (authentication) Cơ chế chứng thực của GPRS giống với cơ chế tương tự trong GSM

* Giám sát các thuê bao đang hoạt động

* Mã hoá các dữ liệu Thuật toán mã hoá trong công nghệ GPRS (GEA 1, GEA 2, GEA 3) khác với các thuật toán mã hoá trong GSM (A5/1, A5/2, A5/3), nhưng được xử lý trên cơ sở các thuật toán đó

2.2.2.4 GGSN (Gateway GPRS Support Node) Nút định tuyến của GPRS

Nút định tuyến GGSN (gateway GPRS support node) cũng là một thành phần quan trọng của công nghệ GPRS và chịu trách nhiệm thu và phát các dữ liệu từ các mạng bên ngoài, chẳng hạn như Internet hay mạng của các nhà khai thác GPRS khác Nói cách khác, nếu nhìn từ phía các mạng gói IP bên ngoài thì GGSN hoạt động như 1 bộ định tuyến cho các địa chỉ IP của mọi thuê bao được phục vụ bởi mạng GPRS Từ quan điểm các nhà khai thác mạng GPRS bên ngoài thì đây là các

bộ định tuyến thông thường (cũng giống như SGSN, chúng dựa trên Unix) có nhiệm

vụ nhận các dữ liệu cho tất cả các thuê bao dịch vụ GPRS Ngoài việc định tuyến GGSN còn có nhiệm vụ phân phối các địa chỉ IP và các dịch vụ tính cước

2.2.2.5 MSC (Mobile Switching Center)

MSC đảm nhiệm các chức năng sau:

- Cập nhật thông tin từ SGSN

- Yêu cầu gọi CS đến SGSN

- Kết hợp báo hiệu cho mobile loại A/B

- Ngưng tạm thời hoặc chiếm lại (A và Gb)

2.2.2.6 Các thành phần khác

* HLR (Home Location Register) - bộ ghi vị trí thường trú (các thuê bao riêng của mạng) có nhiệm vụ lưu trữ thông tin về mỗi cá nhân phải thanh toán cước dịch

vụ cho nhà khai thác GPRS của chính mạng này Đặc biệt là HLR lưu trữ thông tin

về các dịch vụ phụ, về các tham số chứng thực và về địa chỉ IP v.v Các thông tin này được trao đổi giữa HLR và SGSN

* VLR (Visitor Location Register) - bộ ghi vị trí tạm trú (các thuê bao chuyển vùng) có nhiệm vụ lưu trữ thông tin về mỗi trạm di động mà vào thời điểm cho trước đang nằm trong vùng phủ sóng của SGSN Trong VLR có lưu trữ các thông tin về các thuê bao tương tự như trong HLR nhưng chỉ tới khi thuê bao rời khỏi vùng lãnh thổ mà bộ ghi tạm trú này phục vụ

* EIR (Equipment Identity Register) - bộ ghi danh tính thiết bị (ghi các dữ liệu

để nhận dạng thiết bị) có nhiệm vụ lưu giữ các thông tin cho phép khoá các cuộc gọi từ các thiét bị gian lận, trộm cắp hoặc bất hợp pháp

2.2.3 Nguyên tắc hoạt động của GPRS

Khi hoạt động, một thiết bị đầu cuối GPRS làm việc giống như một điện thoại

di động chuẩn cả hai liên lạc với một trạm gốc và cơ sở hạ tầng cung cấp tính năng xác thực, kết nối và dịch vụ Điểm khác biệt chính là GPRS cho phép người sử dụng

“được kết nối” liên tục với mạng

Thay vì gửi dữ liệu tới một đích cố định - kết nối quay số, GPRS cho phép các gói dữ liệu được chèn vào một luồng kết nối thường trực Các gói tin từ những người sử dụng khác nhau trong một tế bào được đan xen, sao cho dung lượng truyền dẫn “luôn có” (always-on) được chia sẻ, mà không có khe thời gian định trước thường trực được phân bổ cho một cuộc gọi Do đó, dung lượng có thể được phân

bổ khi cần thiết và giải phóng khi không cần

Tốc độ truyền dữ liệu GSM là 14,4 kbit/s thông qua một kết nối cố định được thay thế trong GPRS băng cách truy nhập vào từ 1 tới 8 khe thời gian đồng thời

chạy với dung lượng kết hợp vào khoảng 14,4 kbit/s cho mỗi khe Tốc độ dữ liệu cụ thể tùy thuộc vào các điều kiện vô tuyến Dung lượng này có được đến mức nào tùy thuộc vào các phiên bản GPRS khác nhau và các đặc tính khác nhau

Ví dụ: GPRS lớp 8 (Class 8 GPRS) có thể xử lý tới 5 khe thời gian kế tiếp nhau,

4 khe nhận và 1 khe phát tín hiệu – cho tốc độ dữ liệu chiều về lên tới 50 kbit/s Lớp 12 (Class 12 GPRS) cho phép bất kì tổ hợp nào của 5 khe giữa thu và phát

Tất cả các gói tin được truyền dẫn trên các khe thời gian được chuyển từ trạm gốc (BTS) nhờ nút mạng hỗ trợ dịch vụ GPRS (SGSN) một SGSN có thể hỗ trợ nhiều trạm gốc, SGSN truy tìm tất cả các máy di động trong phạm vi vùng phục vụ của nó Khi một thiết bị di động gửi các gói dữ liệu, chúng đi qua SGSN tới GGSN, tại đây, các gói được biến đổi để truyền qua mạng có thể là Internet, X.25 hoặc một mạng riêng Các gói tin nhận từ Internet (nghĩa là gói IP) gửi tới máy di động được nhận bởi GGSN, chuyển tiếp đến SGSN phù hợp và sau đó chuyển đến người sử dụng di động

Để chuyển tiếp các gói tin cho nhau thì SGSN và GGSN đóng gói chúng bằng một giao thức chuyên dùng gọi là giao thức đường hầm GPRS (GTP – GPRS Tunnel Protocol) hoạt động trên nền giao thức TCP/IP chuẩn Các chi tiết chuyển đổi này của SGSN và GGSN là trong suốt với người sử dụng

2.3 GIAO THỨC TCP/IP

2.3.1 Lịch sử

Bộ giao thức liên mạng xuất phát từ công trình DARPA, từ những năm đầu thập niên kỷ 1970 Sau khi đã hoàn thành việc xây dựng ARPANET tiên phong, DARPA bắt đầu công việc trên một số những kỹ thuật truyền thông dữ liệu khác Vào năm 1972, Robert E Kahn đã được thuê vào làm việc tại Văn phòng kỹ thuật điều hành tin tức(Information Processing Technology Office) của DARPA, phòng

có chức năng liên quan đến mạng lưới truyền thông dữ liệu thông qua vệ tinh và mạng lưới truyền thông bằng sóng radio trên mặt đất Trong quá trình làm việc tại đây Kahn đã phát hiện ra giá trị của việc liên thông giữa chúng Vào mùa xuân năm

1973, Vinton Cerf, kỹ sư thiết kế bản giao thức NCP hiện dùng (chương trình ứng dụng xử lý mạng lưới truyền thông - nguyên tiếng Anh là "Network Control Program"), được phân công cùng làm việc với Kahn trên các mô hình liên kết nối

kiến trúc mở (open-architecture interconnection models) với mục đích thiết kế giao thức sắp tới của ARPANET

Vào mùa hè năm 1973, Kahn và Cerf đã nhanh chóng tìm ra một phương pháp tái hội nhập căn bản, mà trong đó những khác biệt của các giao thức liên kết mạng được che lấp đi bằng một giao thức liên kết mạng chung, và thay vì mạng lưới truyền thông phải chịu trách nhiệm về tính đáng tin cậy, như trong ARPANET, thì máy chủ (host) chịu trách nhiệm

Với nhiệm vụ là một mạng lưới truyền thông bị hạ cấp tới mức cơ bản tối thiểu, khiến việc hội nhập với các mạng lưới truyền thông khác trở nên hầu như bất khả thi, mặc dầu đặc tính của chúng là gì, và vì thế, giải đáp nan đề đầu tiên của Kahn Một câu nói cửa miệng vì thế mà TCP/IP, sản phẩm cuối cùng do những cống hiến của Cerf và Kahn, sẽ chạy trên "đường dây nối giữa hai ống bơ rỉ", và quả nhiên nó đã được thực thi dùng các con chim bồ câu đưa thư (homing pigeons) Một máy vi tính được dùng là cổng nối(gateway) (sau này đổi thành bộ định tuyến (router) để tránh nhầm với những loại cổng nối khác) được thiết bị một giao diện với từng mạng lưới truyền thông, truyền tải gói dữ liệu qua lại giữa chúng

Ý tưởng này được nhóm nghiên cứu mạng lưới truyền thông của Cerf, tại Stanford, diễn giải ra tỉ mỉ, cụ thể vào khoảng thời gian trong năm 1973-1974 (Những công trình về mạng lưới truyền thông trước đó tại Xerox PARC, nơi sản sinh ra bộ giao thức PARC Universal Packet, phần lớn được dùng vào thời kỳ đó, cũng gây ảnh hưởng về kỹ thuật không ít

Sau đó DARPA ký hợp đồng với BBN, Stanford, và Trường đại học chuyên nghiệp Luân Đôn (The University College London - viết tắt là UCL) kiến tạo một

số phiên bản của giao thức làm việc được, trên các nền tảng phần cứng khác nhau

Có bốn phiên bản đã được xây dựng TCP v1, TCP v2 Phiên bản 3 được tách ra thành hai phần TCP v3 và IP v3, vào mùa xuân năm 1978, và sau đó ổn định hóa với phiên bản TCP/IP v4 giao thức tiêu chuẩn hiện dùng của Internet ngày nay Vào năm 1975, cuộc thử nghiệm thông nối hai mạng lưới TCP/IP, giữa Stanford và UCL đã được tiến hành Vào tháng 11 năm 1977, một cuộc thử nghiệm thông nối ba mạng lưới TCP/IP, giữa Mỹ, Anh và Na Uy đã được chỉ đạo Giữa năm 1978 và 1983, một số những bản mẫu của TCP/IP đã được thiết kế tại nhiều

trung tâm nghiên cứu Ngày 1 tháng 1 năm 1983, ARPANET đã hoàn toàn được chuyển hóa sang dùng TCP/IP

Vào tháng Ba năm 1982, Bộ Quốc phòng Mỹ chấp thuận TCP/IP thành một tiêu chuẩn cho toàn bộ mạng lưới vi tính truyền thông quốc phòng Vào năm 1985,

Uỷ ban kiến trúc Internet (Internet Architecture Board) đã dành 3 ngày hội thảo về TCP/IP cho công nghiệp điện toán, với sự tham dự của 250 đại biểu từ các công ty thương mại Cuộc hội thảo này đã làm tăng thêm uy tín và sự nổi tiếng của giao thức, khiến nó ngày càng phổ biến trên thế giới

Ngày 9 tháng 11 năm 2005 Kahn và Cerf đã được tặng thưởng Huy chương

Tự do Tổng thống (Presidential Medal of Freedom) cho những thành tích cống hiến của họ đối với nền văn hóa của Mỹ

2.3.2 Khái niệm về giao thức TCP/IP

- Để các máy máy tính có thể liên lạc với nhau qua mạng, chúng phải sử dụng cùng 1 ngôn ngữ hay còn gọi là 1 giao thức (Protocol) Giao thức là 1 hệ luật và chuẩn cho phép các máy tính trong mạng liên lạc với nhau

- TCP/IP là viết tắt của Transmission Control Protocol (Giao thức Điều Khiển Truyền Thông) / Internet Protocol (Giao thức Internet)

- TCP/IP không chỉ gồm 2 giao thức mà thực tế nó là tập hợp của nhiều giao thức

Chúng ta gọi đó là 1 Hệ Giao Thức hay Bộ Giao Thức (Suite Of Protocols)

Các giao thức định tuyến như BGP và RIP, vì một số lý do, chạy trên TCP và UDP - theo thứ tự từng cặp: BGP dùng TCP, RIP dùng UDP - còn có thể được coi

là một phần của tầng ứng dụng hoặc tầng mạng

Hình 2.4 Các tầng trong bộ giao thức TCP/IP

 Tầng giao vận (TCP, UDP, DCCP, SCTP, IL, RUDP, …): Tầng giao vận

phụ trách luồng dữ liệu giữa 2 trạm thực hiện các ứng dụng của tầng trên, tầng này

có 2 giao thức chính là TCP ( Transmisson Control Protocol) và UDP ( User Datagram Protocol )

- TCP cung cấp luồng dữ liệu tin cậy giữa 2 trạm, nó sử dụng các cơ chế như chia nhỏ các gói tin ở tầng trên thành các gói tin có kích thước thích hợp cho tầng mạng bên dưới, báo nhận gói tin, đặt hạn chế thời gian timeout để đảm bảo bên nhân biết được các gói tin đã gửi đi Do tầng này đảm bảo tính tin cậy nên tầng trên

sẽ không cần quan tâm đến nữa

- UDP cung cấp một dịch vụ rất đơn giản hơn cho tầng ứng dụng Nó chỉ gửi

dữ liệu từ trạm này tới trạm kia mà không đảm bảo các gói tin đến được tới đích Các cơ chế đảm bảo độ tin cậy được thực hiện bởi tầng trên