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

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI
TỔNG CÔNG TY BẢO ĐẢM AN TOÀN HÀNG HẢI MIỀN NAM




BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ NĂM 2011



NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN BÁO HIỆU
HÀNG HẢI TỪ XA THÔNG QUA MẠNG ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG GSM PHỤC VỤ
BẢO ĐẢM AN TOÀN HÀNG HẢI


Chủ nhiệm đề tài
ThS. Phạm Tuấn Anh

9491

Vũng Tàu, 2012
LỜI NÓI ĐẦU

Báo cáo này là kết quả của quá trình thực hiện đề tài Nghiên cứu Khoa học “Nghiên cứu
xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển báo hiệu hàng hải từ xa thông qua mạng điện thoại
di dộng GSM phục vụ bảo đảm an toàn hàng hải” đăng ký năm 2010 do ThS. Phạm Tuấn
Anh làm chủ nhiệm, Tổng Công ty Bảo đảm An toàn Hàng hải Miền Nam chủ trì.
Báo cáo gồm có 8 chương và 1 phụ lục:
•

Chương 1: trình bày sơ lược về mạng thông tin di động (GSM) và điều kiện cơ sở hạ
tầng mạng GSM Việt Nam từ đó đưa đến tiền đề phát triển đề tài.
• Chương 2: đề cập đến cơ sở thiết kế, mô hình thiết kế và mô hình triển khai hệ thống.
• Chương 3: hệ thống hóa lý thuyết truyền sóng, phương pháp tính toán độ lệch vị trí và
giải quy
ết vấn đề suy hao khi tích hợp hai module GSM và GPS trên cùng một thiết bị.
• Chương 4: trình bày thiết kế của thiết bị phần cứng đặt trên hải đăng.
• Chương 5: trình bày thiết kế của thiết bị phần cứng đặt trên hải phao.
• Chương 6: trình bày thiết kế của thiết bị phần cứng đặt tại trung tâm.
• Chương 7: mô tả phần mềm quản lý toàn bộ hệ
thống
• Chương 8: kết quả đạt được và hướng phát triển
• Phụ lục: mã chương trình của phần mềm quản lý hệ thống
Tôi xin gởi cảm ơn chân thành đến Bộ Giao Thông Vận Tải, Cục Hàng Hải đã hướng dẫn
và tạo điều kiện để tôi hoàn thành đề tài.
Tôi xin chân thành Cảm ơn Tổng Công ty Bảo đảm An toàn Hàng hải Miền Nam, Phòng
An toàn Hàng Hải, Công ty TNHH MTV Thiết bị Báo hi
ệu Hàng hải Miền Nam đã tạo điều
kiện thuận lợi về mặt thời gian và cơ sở vật chất để thử nghiệm thiết bị và hệ thống trong thời
gian qua.
Tôi cũng gởi lời cảm ơn chân thành đến các đồng nghiệp đã hỗ trợ tôi trong quá trình thực
hiện luận án vừa qua
Tp. Vũng Tàu, 12/2010
Chủ nhiệm đề tài




ThS. Phạm Tuấ
n Anh

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG GSM VÀ CƠ SỞ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG. 1
1.1 Giới thiệu chung 1
1.2 Lịch sử mạng GSM 1
1.3 Giao tiếp radio 2
1.4 Cấu trúc mạng GSM 3
1.5 Hạ tầng mạng GSM Việt Nam và cơ sở phát triển hệ thống 4
CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH HỆ THỐNG 6
2.1 Cơ sở thiết kế 6
2.2 Mô hình hệ thống 7
2.3 Định hướng kỹ thuật và công nghệ 9
2.3.1. Mô hình đa lớp và kh
ả năng xử lý 9
2.3.2. Mô hình triển khai 10
2.3.3. Công nghệ nền 11
2.3.4. Công nghệ triển khai 11
2.4 Phần mềm/Hệ thống giám sát và kiểm soát báo hiệu từ xa 11
2.4.1. Giới thiệu 11
2.4.2. Qui trình nghiệp vụ 12
CHƯƠNG 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THUẬT TOÁN 15
3.1. Mạng GSM và công nghệ GPRS 15
3.1.1. Tổng quan 15
3.1.2. Các kiểu chuyển mạch 16
3.1.2.1 Chuyển mạch kênh 16
3.1.2.2 Chuyển mạch gói 16
3.1.3. Đặc điểm của hệ thống GPRS 16
3.1.4. Kiến trúc mạng GPRS 17
3.1.4.1 TE 18

3.1.4.2 GPRS BSS 18
3.1.4.3 MSC (Mobile Services Switching Center) 19
3.1.4.4 GMSC (Gateway Mobile Services Switching Center) 19
3.1.4.5 HLR (Home Location Register) 19
3.1.4.6 VLR (Visistor Location Register) 20
3.1.4.7 Mạng lõi 20
3.1.5. Mã hóa kênh trong GPRS 23
3.1.6. Kết nối IP của GPRS 24
3.1.6.1 Địa chỉ IP công cộng và địa chỉ riêng 25
3.1.6.2 Địa chỉ IP động và địa chỉ tĩnh 26
3.1.6.3 Các phần kết nối IP trong GPRS 27
3.2. GPS và ứng dụng 27
3.2.1. Ứng dụng GPS tính toán độ dịch chuyển 27
3.2.1.1 Trị đo GPS 27
3.2.1.2 Định vị GPS 29
3.2.1.3
Phương pháp tính toán độ dịch chuyển và giám sát sai lệch tọa độ 31
3.2.2. WebGIS 36
3.2.2.1 Công nghệ MapServer 37
3.2.2.2 Công nghệ GeoServer 37
3.2.2.3 Công nghệ Sharpmap 38
3.2.2.4 Công nghệ Google map 38
3.3. Tích hợp GSM, GPS trên cùng bo mạch và giải pháp khắc phục nhiễu 38
3.3.1. Ảnh hưởng can nhiễu đến tín hiệu thu GPS 38
3.3.1.1 Tổng quan 38
3.3.1.2 Giảm can nhiễu trong dải tần 39
3.3.1.3 Sự can nhiễu ngoài dải tần 40
3.3.1.4 Giảm thiểu can nhiễu và tăng độ lợi bộ thu GPS 41
3.3.2. Mô phỏng LNA dùng HSPICE 42
3.3.2.1 Giới thiệu HSPICE 42

3.3.2.2 Khai báo linh kiện 43
3.3.2.3 Khai báo nguồn 46
3.3.2.4 Các kiểu phân tích 50
3.3.2.5 Kết quả mô phỏng 51
CHƯƠNG IV. KHỐI THIẾT BỊ KIỂM SOÁT ĐẶT LÊN HẢI ĐĂNG 54
4.1. Tính năng của khối 54
4.2. Sơ đồ khối 54
4.3. Chức năng các khối con 55
4.3.1. Khối vi xử lý 55
4.3.2. Khối GSM/GPRS 57
4.3.3. Khối cảm biến đọc chu kỳ đèn chính./phụ 58
4.3.4. Khối cảm biến dòng đèn chính./phụ 59
4.3.5. Khối cảm biến acquy 60
4.3.6. Khối cảm biến Serial Eeprom 61
4.3.7. Led status 62
CHƯƠNG V. KHỐI THIẾT BỊ KIỂM SOÁT ĐẶT LÊN PHAO 63
5.1. Tính năng của khối 63
5.2. Sơ đồ khối 63
5.3. Chức năng các khối con 64
5.3.1. Khối vi xử lý 64
5.3.2. Khối GPS 66
5.3.3. Khối GSM 67
5.3.4. Nguồn cấp 69
5.3.5. Memory storage 70
5.3.6. Cảm biến phát hiện trộm 71
5.3.7. Cảm biến dòng 72
5.3.8. Led status 74
5.3.9. Light disk 75
5.3.10. Khối Light disk control 75
5.3.11. Khối Clash sensor 76

5.3.12. Khối Out current sensor 77
5.3.13. Khối Accu Voltage sensor 77
5.3.14. Khối Accu Charge Control 78
CHƯƠNG VI. KHỐI THIẾT BỊ TRUNG TÂM 79
6.1. Tính năng của khối 79
6.2. Sơ đồ khối 79
6.3. Chức năng các khối con 80
6.3.1. Khối vi xử lý 80
6.3.2. Khối GSM/GPRS 81
6.3.3. Khối Serial Eeprom 82
6.3.4. Khối Ethernet 83
6.3.5. Led status 83
6.3.6. Khối chuông báo động 84
6.3.7. Khối PC 84
CHƯƠNG VII. CHƯƠNG TRÌNH QUẢN LÝ CHO HỆ THỐNG 85
7.1. Flowchart khối điều khiển cảm biến 85
7.2. Flowchart khối đ
iều khiển nhận thông tin 87
7.3. Cấu trúc dữ liệu thu phát thông tin của thiết bị 89
7.3.1. Cấu trúc tin nhắn thiết bị gởi về trung tâm 89
7.3.2. Cấu trúc tin nhắn thiết bị gởi đến cài đặt thiết bị giám sát 90
7.3.3. Đáp ứng từ thiết bị giám sát khi nhận tin nhắn 90
7.3.3.1. Ứng với thao tác T1 91
7.3.3.2. Ứng với thao tác khác 92
7.3.4. Cấu trúc tin nhắn thiết bị giám sát gởi cảnh báo 93
7.4. Phần mềm giám sát và kiểm soát báo hiệu từ xa 93
7.4.1. Giới thiệu 93
7.4.2. Quy trình nghiệp vụ và tính năng hệ thống 95
7.4.2.1. Quy trình nghiệp vụ 95
7.4.2.2. Tính năng giám sát, kiểm soát 96

7.4.2.2.1. Đăng nhập hệ thống 96
7.4.2.2.2. Quản lý thông tin 98
7.4.2.2.3. Giám sát trực tuyến 100
7.4.2.2.4. Báo cáo 103
7.4.2.2.5. Cấu hình 104
7.5. Kết quả 104
7.5.1. Phạm vi và phương pháp thử nghiệm 105
7.5.2. Kết quả 107
7.5.2.1. Về mặt định tính 108
7.5.2.2. Về mặt định lượng 108
CHƯƠNG VIII. KẾT QUẢ ĐỀ TÀI VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 111
8.1. Kết quả luận án 111
8.2. Hướng phát triể
n 111
PHỤ LỤC 112
1. Một số hình ảnh phao và hải đăng
2. Sourcecode phát triển hệ thống
TÀI LIỆU THAM KHẢO 131




1

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ MẠNG GSM VÀ CƠ SỞ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG

1.1. Giới thiệu chung
GSM, còn gọi là mạng thông tin di động toàn cầu, là cụm từ viết tắt cũa Global
System for Mobile communication. Đây là một trong những công nghệ về mạng điện thoại

di động phổ biến nhất trên thế giới. Cho đến nay công nghệ này có gần 2 tỷ thuê bao sử
dụng trên phạm vi 212 quốc gia và vùng lãnh thổ
. Do nó hầu như có mặt khắp nơi trên thế
giới nên khi các nhà cung cấp dịch vụ thực hiện việc ký kết roaming với nhau nhờ đó mà
thuê bao GSM có thể dể dàng sử dụng máy điện thoại GSM cũa mình ở bất cứ nơi đâu.
Mặt thuân lợi cũa công nghệ GSM là ngoài việc truyền âm thanh với chất lượng cao
còn cho phép thuê bao sử dụng các cách giao tiếp khác rẻ tiền hơn đó là tin nhắn SMS.
Ngoài ra để
tạo thuận lợi cho các nhà cung cấp dịch vụ thì công nghệ GSM được xây dựng
trên cơ sở hệ thống mở nên nó dễ dàng kết nối các thiết bị khác nhau từ các nhà cung cấp
thiết bị khác nhau.
Nó cho phép nhà cung cấp dịch vụ đưa ra tính năng roaming cho thuê bao cũa mình với
các mạng khác trên toàn thế giới. Và công nghệ GSM cũng phát triển thêm các tính năng
truyền dữ liệu như GPRS và sau này là truyền tốc độ cao hơn khi họ sử d
ụng EGDE.
1.2. Lịch sử mạng GSM
Vào đầu những năm 1980 tại châu Âu người ta phát triển một mạng điện thoại di động
chỉ sử dụng trong một vài khu vực. Sau đó vào năm 1982 nó được chuẩn hóa bởi CEPT
(European Conference of Postal and Telecomunications Administrations) và tạo ra Groupe
Special Mobile (GSM) với mục đích sử dụng chung cho toàn châu Âu.
Mạng điện thoại di động sử dụng công nghệ GSM được xây dựng và đưa vào sử dụng
đầu tiên bở
i nhà khai thác Radiolinja ở Finland.
2

Vào năm 1989 công việc quản lý tiêu chuẩn và phát triển mạng GSM được chuyển cho
viện viễn thong châu Âu (European Telecommunications Standards Institute (ETSI)), các
tiêu chuẩn, đặc tính phase 1 của công nghệ GSM được công bố vào năm 1990. Đến cuối
năm 1993 đã có hơn 1 triệu thuê bao sử dụng mạng GSM của 70 nhà cung cấp dịch vụ trên
48 quốc gia.

1.3. Giao tiếp Radio
GSM là mạng điện thoại di động do đó các máy điện thoại di động kết nối với mạng
bằng cách tìm kiếm, kết nối với các cell gần nó nhất. Các mạng di động GSM hoạt động
trên 4 băng tần. Hầu hết thì hoạt động ở băng tần 900Mhz và 1800Mhz. Vài nước ở Châu
Mỹ thì sử dụng băng tần 850Mhz và 1900Mhz do băng 900Hhz và 1800Mhz ở nơi này đã
bị sử dụng trước.
Và cực kỳ hiếm có mạng nào sử dụng tần số 400Mhz hay 450Mhz chỉ có ở Scandinavia
sử dụng do các bă
ng tần khác đã bị cấp phát cho việc khác.
Các mạng sử dụng băng tần 900Mhz thì đường uplink sử dụng tần số trong dãi 890-
915Mhz và đường downlink sử dụng tần số trong dãi 935-960 Mhz. Họ chia các băng tần
này thành 124 kênh với độ rộng băng thong 25Mhz, mổi kênh cách nhau 1 khoảng 200Khz.
Sử dụng công nghệ phân chia theo thời gian TDM (Time Division Multiplexing) để chia ra
8 kênh full rate hay 16 kênh haft rate. Có 8 khe thời gian gộp lại gọi thành một khung
TDMA. Tốc độ truyền dữ liệu của một kênh là 270.833Kbit/s và khoảng th
ời gian của một
khung là 4.615ms.
Công suất phát của máy điện thoại được giới hạn tối đa là 2 watts đối với băng GSM
850/900Mhz và tối đa là 1 watts đối với băng GSM 1800/1900Mhz.
Mạng GSM sử dụng 2 kiểu mã hóa âm thanh để nén tín hiệu âm thanh 3.1 Khz đó là mã
hóa 6 và 13 Kbps gọi là Full rate (13 Kbps) và Haft rate (6 Kbps). Để nén họ sử dụng hệ
thống có tên là Linear Predictive Coding (LPC).
Vào năm 1997 thì họ cải tiến thêm cho mạng GSM là bộ mã GSM-ERR sử dụng full rate
12.2 kbps.
3

Có tất cả 4 kích thước cell site trong mạng GSM đó là marco, micro, pio và umbrella.
Vùng phủ sóng của mổi cell phụ thuộc nhiều vào môi trường. Macro cell được lắp trên cột
cao hoặc trên các tòa nhà cao tầng, micro cell lại được lắp ở các khu thành thị, khu dân cư,
pico cell thì tầm phủ song chỉ khoảng vài chục mét trở lại nó thường được lắp để tiếp sóng

trong nhà. Umbrella lắp bổ sung vào các vùng bị che khuất hay các vùng trống giữa các
cell.
Bán kính phủ sóng của một cell tùy thuộc vào độ cao củ
a anten, độ lợi của anten thì có
thể từ vài trăm mét tới vài chục km. Trong thực tế thì khả năng phủ sóng xa nhất của một
trạm GSM là 32 km (22 dặm).
Một số khu vực trong nhà mà các anten ngoài trời không thể phủ sóng tới như nhà ga, sân
bay, siêu thị… thì người ta sẽ dung các trạm Pico để chuyển tiếp sóng từ các anten ngoài
trời vào.
1.4. Cấu trúc mạng GSM
Mạng GSM bao gồm các thành phần sau:
• Trạm gốc và các phần điều khi
ển BSS (Base Station Subsytem)
• Mạng và hệ thống chuyển mạch NSS (Network Station Subsytem)
• Phần mạng GPRS (Global Packet Radio Service)
• Một số phần khác cung cấp dịch vụ cho GSM như gọi, nhắn tin SMS (Short
Message Service)
• Thẻ SIM (Subscribe Identity Module)
4


Hình 1.1 Cấu trúc mạng GSM
1.5. Hạ tầng mạng GSM Việt Nam và cơ sở phát triển hệ thống
Trong khoảng 10 năm gần đây, hạ tầng mạng thông tin di động GSM Việt Nam phát
triển với tốc độ khá cao, tính đến cuối năm 2011, Việt Nam có 8 nhà mạng cung cấp dịch
vụ thông tin di động, với vùng phủ sóng rộng khắp cả nước, trong đó lớn nhất là 3 nhà
mạng: Mobifone, Vinaphone, Viettel với tổng số khoảng g
ần 70.000 trạm BTS, phủ sóng
trên toàn bộ lãnh thổ Việt Nam, kể cả vùng sâu vùng xa, miền núi, vùng biển.
Đặc biệt, trong đó mạng Viettel trong năm 2011, vừa tuyên bố sóng di động của nhà

mạng này đã phủ kín toàn bộ vùng biển gần bờ Việt Nam, tạo điều kiện thuận lợi cho ngư
dân đánh bắt tại các ngư trường xa bờ.
Theo kết quả đo kiểm đầu tháng 5/2011 của Viettel, hơn 3.000 km vùng biển gầ
n bờ
Việt Nam đã được Viettel phủ sóng điện thoại di động. Tại những ngư trường lớn như Cà
Mau – Kiên Giang, Bà Rịa – Vũng Tàu, vùng phủ sóng cách đất liền lên tới hơn 200 km.
5

Với tầm phủ rộng, ngư dân đánh bắt xa bờ tại nhiều vùng biển có thể sử dụng điện thoại di
động để liên lạc với người thân tại đất liền. Ngoài ra, người dùng có thể truy cập Internet
qua GPRS/EDGE để đọc tin tức, cập nhật giá cả, thời tiết,… ngay giữa biển khơi.

Hình 1.2 Viettel phủ sóng khắp vùng biển Việt Nam (Nguồn: Viettel)
Với những điều kiện thuận lợi trên, chúng tôi đã đưa ra những giải pháp hiệu quả nhất,
đó là hệ thống giám sát và điều khiển báo hiệu hàng hải từ xa bằng đường truyền sóng điện
thoại di động GSM/GPRS. Giải pháp này với ưu điểm là sử dụng cơ sở hạ tầng có sẵn là
các trạm thu phát sóng
điện thoại di động mà đã phủ sóng khắp toàn đất nước nên không
cần xây dựng những trạm thu phát, trạm trung chuyển. Với công nghệ được nghiên cứu
trong nước cũng cho nhiều ưu điểm như giá sản phẩm thấp, dễ dàng nâng cấp và tích hợp
với các sản phẩm trong nước, tiện lợi trong công tác bảo dưỡng và sửa chữa, phù hợp với
điều kiện môi trường của vùng nhi
ệt đới và góp phần trong công cuộc công nghiệp hóa,
hiện đại hóa đất nước.

6

CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT & KIỂM SOÁT BÁO HIỆU HÀNG HẢI
2.1 Giới

thiệu tổng quan về hệ thống báo hiệu hàng hải
2.1.1 Sơ lược hệ thống báo hiệu hàng hải
• Các loại báo hiệu hàng hải
Báo hiệu hàng hải gồm có các loại chính sau:
Hải đăng (đèn biển)
Các thiết bị báo hiệu của một hải đăng bao gồm:
- Đèn chính
- Đèn phụ
- Beacon (Một số hải đăng có)
- Racon (Một số hải đăng có)
- AIS (chưa có)
- Thiết bị báo hiệu hàng hải khác (hầu như ko có)

7

Hình 2.1 Hải đăng và các thiết bị ngoại vi
Thiết bị cung cấp năng lượng
- Điện lưới
- Máy phát điện
- Pin năng lượng mặt trời
Hệ thống thông tin liên lạc
- UHF/VHF
Phao báo hiệu
Thiết bị báo hiệu trên phao
- Đèn
- Racon
- AIS
Thiết bị cung cấp năng lượng
- Pin năng lượng mặt trời

8

Hình 2.2 Phao/tiêu và các thiết bị ngoại vi
Tiêu báo hiệu
Thiết bị báo hiệu trên tiêu
- Đèn
- Racon
- AIS (Một số tiêu có)
Thiết bị cung cấp năng lượng
- Pin năng lượng mặt trời
Phao và tiêu (đăng tiêu, chập tiêu) là các thiết bị báo hiệu dẫn luồng.
• Cấu tạo hoạt động chung của một báo hiệu
Cấu tạo chung của một đèn biển gồm có hai phần chính: nguồn cung cấp nguồn và hệ
thống chức năng. Nguồn cung cấp thường là điện lưới, máy phát điện và pin năng lượng mặt
trời. Hệ th
ống chức năng gồm có đèn, thường có đèn chính và đèn phụ, hệ thống các thiết bị
điện tử phụ trợ giúp đèn hoạt động, trong đó chủ yếu các cảm biến để xác định ngày/đêm để
giúp chọn chế độ hoạt động thích hợp.

Cảm biến 1
Cảm biến 2
Đèn
Motor 2
Tủ điều
khiển II
Motor 1
Tủ điều
khiển 1
Ổn áp
CB

Đi
ệ
n lưới
Đi
ệ
n má
y

p
há
t

Pin
N
LMT
Thá
p
đèn
9

Hình 2.3 Cơ cấu hoạt động của đèn biển
• Cấu tạo của phao/tiêu:
Về cơ bản cũng tương tự nhưng ở mức độ đơn giản hơn, chỉ có một nguồn cung cấp
chính là pin năng lượng mặt trời và một đèn hoạt động.

Hình 2.4 Cơ cấu hoạt động của phao/tiêu
2.1.2 Giám sát & kiểm soát báo hiệu hàng hải
Giám sát, kiểm soát báo hiệ
u hàng hải nhằm đảm bảo cho các báo hiệu hàng hải hoạt
động theo đúng chức năng, liên tục và đóng vai trò hết sức quan trọng trong việc đảm bảo an

toàn hàng hải trên biển. Việc giám sát báo hiệu hàng hải gồm có:
Quản lý luồng: luồng được hiểu như là “con đường” trên biển, luồng được thiết lập và
phân biệt bởi hệ thống các phao hoặc tiêu báo hiệu, người điều khiển tàu bè dựa vào hệ

thống phao/tiêu báo hiệu này để nhận biết “con đường” và đi theo, do vậy, quản lý luồng
chính là quản lý hệ thống phao/tiêu báo hiệu để đảm bảo luôn hoạt động liên tục, đúng chức
năng, nghĩa là đảm bảo “con đường” trên biển luôn thông suốt.
Chớp
Quang tr
ở
Accu
Tiết chế
Solar
panel
Đèn
10


Hình 2.5 Minh họa về luồng (hay còn gọi là “đường” trên biển)
Quản lý hải đăng: hải đăng có vai trò định hướng, dẫn đường, cảnh báo nguy hiểm cho
các con tàu đi trong đêm. Quản lý hải đăng nhằm đảm bảo hải đăng luôn hoạt động liên tục,
đa số các hải đăng đều có trạm có người ở tại hải đăng, và có công nhân quản lý hải đăng.
Tuy nhiên cũng có một số hải
đăng không có người quản lý trực tiếp ở đó, vì do điều kiện
khó khăn không thể ở được. Nên công tác bảo đảm cho đèn luôn hoạt động là điều khó.
2.2 Tổng
quan về tình hình phát triển trong và ngoài nước
11

2.2.1 Ngoài nước

Bảo đảm an toàn hàng hải là một trong những ngành quan trọng nhất đối với các nước có
hoạt động giao thông trên biển và chú trọng phát triển kinh tế biển, đặc biệt là các nước phát
triển. Bởi chính ngành này với những hạ tầng kỹ thuật hiện đại luôn đem lại sự an toàn cho
những phương tiện thủy cả trong nước lẫn quốc tế. Đối với những tàu thuyền đi trên bi
ển, thì
ánh sáng hải đăng, hải đồ điện tử, tín hiệu vô tuyến điện (AIS, Racon, Ramark…) luôn là
những tín hiệu dẫn đường an toàn để các tàu thuyền định vị vị trí bờ biển, và các vị trí khác.
Các phao tiêu trên luồng cũng là những tín hiệu quan trọng không kém với tính năng dẫn tàu
thuyền ra vào cảng một cách an toàn.
Nhận thức được như thế, các nước tiên tiến đã ưu tiên hàng đầu trong công cuộc hiện đại
hóa hạ tầng kỹ thuật của ngành bảo đảm an toàn hàng hải với những công nghệ kỹ thuật tiên
tiến nhất nhằm luôn bảo đảm an toàn hàng hải 24/24 và kịp thời cảnh báo và cứu hộ khi có
sự cố xảy ra. Đối với nước Mỹ, Anh, Pháp và các nước phát triển khác, các hạ tầng kỹ thuật
của bảo đảm an toàn hàng hải đã hoàn toàn được tự động hóa, các hải đăng đã không còn
công nhân canh gác từ hàng chục năm qua; các báo hiệu hàng hải đã được hiện đại hóa với
những hệ thống quản lý tân tiến như hệ thống giám sát và điều khiển từ xa, hệ thống nhận
dạng tự động, hệ thống camera quan sát, …
Việc giám sát, kiểm soát báo hiệu hàng hải từ xa được quan tâm từ những năm 70, bắt
đầu từ việc giám sát, kiểm soát các phao báo hiệu ở mức độ đơn gi
ản nhất là nhận biết tình
trạng hoạt động (sáng/tắt) của đèn trên phao, dần dần, mức độ giám sát gần như toàn diện,
giám sát và kiểm soát hoạt động của tất cả ngoại vi gắn trên phao như giám sát tình trạng của
ắc quy, dòng nạp, dòng xả, chu kỳ chớp tắt của đèn … và mức độ giám sát, kiểm soát được
phát triển ở tầm cao hơn vào đầu thập niên 90, nhiều hệ thống giám sát, kiểm soát báo hiệu
hàng hải hoạt động tự động được phát triển và ứng dụng vào thực tiễn, có thể kể đến một số
hệ thống như:
Hệ thống giám sát và kiểm soát từ xa Navlink (Navlink Remote Monitoring and
Control): được phát triển vào đầu những năm 90 bởi công ty Navlink, hệ thống Navlink có
12


khả năng kết nối và xử lý cùng lúc nhiều báo hiệu hàng hải, gồm cả phao và hải đăng, cho
phép giám sát và điều khiển tính năng của các báo hiệu hàng hải từ xa.

Hình 2.6 Mô hình hệ thống giám sát, kiểm soát báo hiệu hàng hải từ xa Navlink
Trong hệ thống này, các báo hiệu hàng hải (phao, hải đăng) được gắn các thiết bị giám
sát hoạt động và gởi thông tin về trung tâm theo các chế độ hoạt động định kỳ hoặc khẩn
cấp, hệ thống phần mềm thu thập thông tin gởi về và giúp người bảo đảm an toàn hàng hải
có được thông số hoạt động của các báo hiệu một cách tứ
c thời (real-time). Phương thức
truyền nhận dữ liệu được sử dụng trong hệ thống này gồm có: đường truyền vệ tinh, sóng
VHF, sóng di động.
13

Trên thế giới có một số thiết bị của các nước Ấn Độ, Tây Ban Nha, Trung Quốc, tuy
nhiên, để phát huy hết tính năng ưu việt thì cần phải xây dựng hệ thống giám sát, kiểm soát,
nghĩa là phải nắm rất rõ về công nghệ chế tạo thiết bị.

Hình 2.7 Thiết bị giám sát, kiểm soát phao báo hiệu của Ấn độ

Hình 2.8 Thiết bị giám sát, kiểm soát phao báo hiệu của Tây Ban Nha
Bên cạnh việc giám sát và kiểm soát từ xa, một số tổ chức còn phát triển và ứng dụng
công nghệ cho phép các báo hiệu hàng hải hoạt động tự động, không người trông coi và chỉ
can thiệp điều khiển khi cần thiết. Ví dụ: Hải đăng Bishop Rock, vận hành tự động từ năm
14

1991, và đến 21/12/1992 thì hoàn toàn giám sát và điều khiển từ xa, không cần có người
trông coi.

Hình 2.9 Hải đăng Bishop Rock (Anh)
Tổ chức Trinity House (thuộc Anh), quản lý gần 80 hải đăng thuộc vùng biển Anh, xứ

Wales, kênh đào Islands, đã triển khai cho các hải đăng hoạt động tự động, không cần người
trong coi từ đầu những năm 90.
15


Hình 2.10 Hệ thống hải đăng hoạt động tự động và giám sát từ xa của Trinity House
Mô hình đảm bảo an toàn hàng hải tiên tiến nhất hiện nay được gọi là VTS (Vessel
Traffic Service), được xem như “hệ thống kiểm soát không lưu” trên biển, trong hệ thống
này, các báo hiệu hàng hải không chỉ thực hiện chức năng báo hiệu mà còn thực thêm những
tính năng ưu việt đó là “giao tiếp, cảnh báo, hướng dẫn” các phương tiện hàng hả
i, giúp các
phương tiện lưu thông một cách an toàn nhất. Các báo hiệu hàng hải thực hiện được các tính
năng này nhờ sự trợ giúp của các công nghệ hiện đại như AIS, DGPS giúp nhận dạng các
phương tiện, xác định tọa độ, vận tốc của phương tiện từ đó đưa ra các thông tin cảnh báo,
hướng dẫn phù hợp. Hiện tại có gần 30 quốc gia đang ứng dụng công nghệ này trong việc
đảm b
ảo an toàn hàng hải.
2.2.2 Trong nước
Việt Nam là một nước có đường bờ biển kéo dài, và với chủ trương ưu tiên phát triển
kinh tế biển từ nay đến 2020 thì đảm bảo an toàn đóng vai trò hết sức quan trọng trong việc
lưu thông hàng hải. Với vai trò to lớn như vậy, tuy nhiên, đến thời điểm hiện tại, nền tảng
công nghệ cho việc quản lý còn tương đối sơ sài, công việc quản lý hàng h
ải được thực hiện
16

gần như bằng phương pháp thủ công. Một trong những lý do cho việc chưa thể triển khai
công nghệ hiện đại vào quản lý giám sát, kiểm soát báo hiệu hàng hải đó là ở Việt Nam chưa
có đơn vị nào có khả năng sản xuất thiết bị có chức năng kiểm soát, giám sát từ xa, do vậy,
muốn triển khai cần sử dụng thiết bị của nước ngoài, và phụ thuộc hoàn toàn về mặt công
nghệ, dẫn đến giá thành cao, khó triển khai trên qui mô lớn.

Từ tình hình thực tế trên, năm 2008, tác giả bắt đầu hướng nghiên cứu sản xuất thiết
bị giám sát, kiểm soát báo hiệu bằng việc sử dụng module tích hợp Fastrack Supreme do
hãng sản xuất Wavecom (Đức) cung cấp làm nền tảng phát triển thiết bị.

Hình 2.11 Module GSM tích hợp Fastrack Supreme
Module Fastrack Supreme là module GSM tích hợp, có nhiều tính năng và lĩnh vực
ứng dụng rộng như:
- Hệ thống theo dỏi tình trạng ô tô (tình trạng hoạt động ô tô…)
- Đọc tự động các thiết bị đo lường (đồng hồ điện, nước, nhiệt độ, độ ẩm…)
- Quản lý từ xa các hệ thống tự động (dây chuyền sản xuất, nội dung thông tin…)
- Thiết bị định tuyến cuộc gọi thông minh (FCT)
- Hệ thống điện thoại công cộng di động
- Quản lý hệ thống an ninh (Camera không dây, báo động…)
17

Module Fasttrack hoạt động tương thích với tất cả các mạng di động của các nhà cung
cấp dịch vụ chỉ bằng một thao tác gắn Simcard. Đi kèm với module này là hệ điều hành
Open AT OS, được phát triển bởi nhà sản xuất nhằm mang lại tiện ích cho các nhà phát
triển.
Việc sử dụng module tích hợp giúp việc phát triển thiết bị tiện lợi và đơn giản hơn tuy
nhiên, gặp phải một số hạ
n chế sau:
- Thiết bị tiêu tốn nhiều năng lượng do module tích hợp được thiết kế với quá nhiều
tính năng, điều này không phù hợp trong điều kiện sử dụng trên biển, có sự hạn chế
về nguồn năng lượng.
- Sử dụng các cơ chế giao tiếp dữ liệu, cơ chế hoạt động theo tiêu chuẩn nhà sản
xuất, không phù hợp theo điều kiện thực tế ở Việt Nam.
- Giá thành thiết bị cao do giá module tích hợp cao, dẫn đến khó triển khai trên qui
mô rộng.
Năm 2009, tác giả tiếp tục phát triển cải tiến thiết bị theo hướng sử dụng các module rời

để sản xuất thiết bị, trong đó có thử nghiệm sử dụng chip vi xử lý do một đơn vị sản xuất
trong nước, tuy nhiên, việc sản xuất thiết bị không thành công do hạn chế về mặt tính năng
của chip vi x
ử lý ảnh hượng đến việc tiêu tốn năng lượng của thiết bị, đến năm 2010, tác
giả cải tiến toàn bộ sản phẩm và nghiên cứu chuyên sâu, ứng dụng nhiều thuật toán tối ưu
nhằm đạt đến hoàn thiện của sản phẩm. Trong phần tiếp theo, tác giả sẽ lần lượt trình bày
thiết kế chi tiết của thiết bị này.






18






CHƯƠNG 3
MÔ HÌNH HỆ THỐNG
3.1. Cơ sở thiết kế
Việc thiết kế hệ thống giám sát và kiểm soát báo hiệu hàng hải từ xa qua mạng điện
thoại di động GSM xuất phát từ điều kiện thực tế là hầu hết các báo hiệu hàng hải hiện nay
điều nằm trong khu vực phủ sóng của mạng GSM, do vậy trong phạm vi đề tài này, hệ
thống
được xây dựng và phát triển trên nền tảng ứng dụng kỹ thuật và công nghệ cho mạng
GSM.